技(jì)術(shù)介紹：

等離子(zǐ)體是(shì)一種內(nèi)部包括(kuò)大量(liáng)電子(zǐ)，離子(zǐ)，原子，分子的(dí)混合物，呈現電(diàn)導(dǎo)性(xìng)，被(bèi)看作(zuò)是除(chú)固(gù)態(tài)，液(yè)態和氣(qì)態三(sān)種(zhǒng)物質形態外的第(dì)四(sì)種形態，其(qí)性(xìng)質(zhì)與其他三(sān)種物質(zhì)存(cún)在形態有很(hěn)大差(chà)異。氣體溫(wēn)度，電(diàn)子密(mì)度是表(biǎo)征等離子(zǐ)體的(dí)基本(běn)參數(shù)。對這些參數的測量，是(shì)研(yán)究(jiū)等(děng)離子(zǐ)體(tǐ)的重(zhòng)要過程。

氣(qì)體溫(wēn)度的(dí)確定通常(cháng)使(shǐ)用分子譜帶擬合(hé)的方法(fǎ)^[1-2]。該(gāi)方(fāng)法(fǎ)主要基(jī)於(yú)分子轉動能(néng)級的數(shù)量(liáng)分(fēn)布(bù)與周(zhōu)圍(wéi)重(zhòng)粒子熱(rè)運動(dòng)（由氣(qì)體(tǐ)溫(wēn)度決定(dìng)）直(zhí)接(jiē)相(xiāng)關(guān)的(dí)原理，當(dāng)分(fēn)子(zǐ)轉(zhuǎn)動能級的數(shù)量分(fēn)布達(dá)到(dào)熱平衡(héng)狀態(tài)時(shí)，分(fēn)子轉(zhuǎn)動溫(wēn)度(dù)與(yǔ)等離子體的氣(qì)體(tǐ)溫度一致。通過對(duì)分(fēn)子(zǐ)的(dí)轉動輻射譜(pǔ)帶的擬(nǐ)合，可(kě)以(yǐ)得到分子的轉動(dòng)溫(wēn)度，從而(ér)得到(dào)等離(lí)子(zǐ)體氣(qì)體(tǐ)溫度^[3]。

電子密度(dù)是表(biǎo)征(zhēng)等離子體(tǐ)性(xìng)質(zhì)的(dí)另一個重(zhòng)要(yào)參(cān)數。分(fēn)析(xī)原(yuán)子譜(pǔ)綫的(dí)斯塔克(kè)展(zhǎn)寬(kuān)（Stark Broadening）是確定等(děng)離子體電子密度的一種(zhǒng)常(cháng)用(yòng)手段[4]，其中(zhōng)氫原(yuán)子譜綫的斯(sī)塔(tǎ)克(kè)展寬由於(yú)受(shòu)電(diàn)子(zǐ)溫(wēn)度(dù)和(hé)氣(qì)體(tǐ)溫(wēn)度(dù)影響(xiǎng)微(wēi)弱，同時(shí)與電子密度(dù)成(chéng)綫性關係，氫(qīng)原子(zǐ)譜綫的(dí)斯塔(tǎ)克展(zhǎn)寬(kuān)分(fēn)析已經發展成為(wéi)一(yī)種(zhǒng)較(jiào)成(chéng)熟的電子密度(dù)診斷技(jì)術。

本(běn)文(wén)利(lì)用卓(zhuó)立漢(hàn)光(guāng)發射光(guāng)譜(pǔ)測量(liáng)係(xì)統(tǒng)，對大氣(qì)壓(yā)低溫等離(lí)子(zǐ)體射流進行(háng)光學(xué)診(zhěn)斷，獲得等離(lí)子體射(shè)流的氣(qì)體溫(wēn)度(dù)與電(diàn)子密度，從而為(wéi)後續的研究奠定基礎。

產品(pǐn)應用：

大(dà)氣壓低(dī)溫等離(lí)子體射(shè)流(liú)實驗裝(zhuāng)置(zhì)由高壓脈(mài)衝電(diàn)源(yuán)，等(děng)離子體射(shè)流發生器，卓立(lì)發射光譜(pǔ)測量係(xì)統，電參數測(cè)量係(xì)統和供氣係(xì)統構(gòu)成，如圖1所示(shì)。高壓電(diàn)極(jí)放置在(zài)單(dān)端封(fēng)口的石英玻(bō)璃管(guǎn)中，其(qí)底端距離地電極(jí)20mm。高(gāo)壓(yā)脈衝(chōng)電壓峰(fēng)值14kV，頻率(shuài)2kHz，脈(mài)寬(kuān)500ns。工(gōng)作氣(qì)體為(wéi)氬(yà)氣(qì)，流(liú)速(sù)2.5L/min。卓(zhuó)立漢光發(fā)射光譜(pǔ)測(cè)量係(xì)統由卓立漢光(guāng)Omni-λ750i光(guāng)譜儀與(yǔ)科學級(jí)像增強型(xíng)相(xiāng)機IsCMOS構(gòu)成，IsCMOS相(xiāng)機也可單(dān)獨連接鏡頭(tóu)做(zuò)像增強高速相機使用，如(rú)圖2所(suǒ)示。

圖1：Ar等離(lí)子體(tǐ)射流(liú)裝置示意圖(tú)

圖2：卓(zhuó)立(lì)發射光(guāng)譜(pǔ)測量係統(tǒng) (a)光(guāng)譜(pǔ)儀(yí)與IsCMOS聯用(yòng)；(b)IsCMOS作增強(qiáng)高(gāo)速(sù)相(xiāng)機用。

利用(yòng)IsCMOS拍攝(shè)的單(dān)個脈衝放電照(zhào)片如圖(tú)3所示(shì)。設置(zhì)相(xiāng)機(jī)曝光(guāng)時間(jiān)為500ms，關閉(bì)IOC,單次觸(chù)發采(cǎi)集(jí)。利用信(xìn)號發生器外(wài)觸(chù)發相機(jī)，頻率(shuài)2kHz，與(yǔ)高(gāo)壓(yā)脈(mài)衝(chōng)電(diàn)源同步(bù)。門延時(shí)(delay)設(shè)置180ns，門寬(kuān)(width)設置550ns。由(yóu)圖3可(kě)以(yǐ)發現，氬(yà)氣射流放(fàng)電在(zài)一個(gè)電壓(yā)周期中呈現絲狀，類(lèi)似(sì)電弧(hú)的放電(diàn)通道(dào)。

圖3：單(dān)個脈衝下Ar等離子體射(shè)流(liú)照片(piàn)

同時(shí)，實(shí)驗過(guò)程(chéng)中采集(jí)了(liǎo)Ar等離(lí)子(zǐ)體射(shè)流放電電壓(yā)電流(liú)波形，如圖4所(suǒ)示。其中，放電電流為(wéi)總電(diàn)流減去位移(yí)電(diàn)流。從圖(tú)中(zhōng)可以發(fā)現(xiàn)Ar等離(lí)子體射流在(zài)一個脈(mài)衝(chōng)周(zhōu)期內(nèi)存在(zài)兩次放(fàng)電，分(fēn)別發生在(zài)上升(shēng)沿和下(xià)降沿(yán)，且上升(shēng)沿(yán)的放電(diàn)持(chí)續時(shí)間(jiān)較長。

圖4：Ar等離子(zǐ)體射(shè)流(liú)放(fàng)電電壓電流波形(xíng)

圖5展示了(liǎo)Ar等(děng)離子體射流(liú)在(zài)250nm-900nm範圍(wéi)內(nèi)的發射光(guāng)譜(pǔ)。測量過程中利用凸(tū)透(tòu)鏡將等(děng)離子體(tǐ)的發射光(guāng)匯聚進(jìn)入光譜儀入(rù)射狹(xiá)縫，狹縫寬(kuān)度(dù)50μm，光(guāng)柵刻度(dù)1200g/cm。從發(fā)射光譜中可以(yǐ)明顯(xiǎn)觀察(chá)到N2，OH，O原子，Ar等(děng)粒子(zǐ)的(dí)發射譜綫。

圖(tú)5：Ar等離子體射(shè)流(liú)發(fā)射光譜

大(dà)氣壓(yā)等(děng)離(lí)子體的(dí)光(guāng)譜綫寬主要由幾種展(zhǎn)寬機(jī)製形成，分(fēn)別為(wéi)：自然(rán)展寬，多(duō)普勒(lè)展寬(kuān)，共振展寬，範德瓦(wǎ)爾斯展(zhǎn)寬，斯塔克展寬(kuān)。同時，對探測到的譜(pǔ)綫輪廓進(jìn)行分析(xī)，需要(yào)考慮光譜采(cǎi)集係統(tǒng)的儀(yí)器展(zhǎn)寬。儀器展(zhǎn)寬與多普勒展寬(kuān)的(dí)輪廓(kuò)是(shì)典型(xíng)的高(gāo)斯(Gaussian)分布(bù)，其(qí)他展(zhǎn)寬機製導致(zhì)的輪(lún)廓(kuò)都是洛(luò)倫(lún)茲(Lorentzian)分布。在(zài)本實驗(yàn)條(tiáo)件(jiàn)下，自然展(zhǎn)寬和共振展(zhǎn)寬(kuān)相(xiāng)對於其他(tā)展(zhǎn)寬(kuān)機製(zhì)的影(yǐng)響可以忽(hū)略不計^[5]。

儀(yí)器展(zhǎn)寬(kuān)(Δλ_I)測(cè)量(liáng)擬合光譜如圖6所(suǒ)示(shì)。在實驗條件下測(cè)定低(dī)壓汞(gǒng)燈在577nm與(yǔ)579nm處(chǔ)的特(tè)征(zhēng)譜(pǔ)綫，經過(guò)Gaussian擬(nǐ)合，得(dé)到(dào)儀器(qì)展寬Δλ_I=0.1150nm。

圖6：儀器(qì)展(zhǎn)寬測(cè)量(liáng)與擬合

多(duō)普(pǔ)勒展(zhǎn)寬(kuān)是(shì)(Δλ_D)由(yóu)激(jī)發態(tài)原子的熱(rè)運(yùn)動(dòng)而(ér)產(chǎn)生。當激發態原子(zǐ)熱運(yùn)動速度滿足(zú)麥克斯(sī)韋分布時(shí)，多(duō)普勒展(zhǎn)寬(kuān)可以(yǐ)由(yóu)式(1)計(jì)算得(dé)到^[6]：

其(qí)中，λ₀為(wéi)譜(pǔ)綫(xiàn)中(zhōng)心波長，M為激(jī)發(fā)態(tài)原子的原子質(zhì)量，T_g為等離子體氣體溫度。

範德(dé)瓦(wǎ)爾斯展(zhǎn)寬(Δλ_W)由(yóu)激發(fā)態(tài)原(yuán)子(zǐ)和周圍(wéi)基(jī)態原子誘導偶(ǒu)極之(zhī)間的偶(ǒu)極(jí)相互作用產(chǎn)生，其綫型(xíng)為洛侖茲(zī)綫型，可(kě)由式(2)計(jì)算(suàn)得(dé)到^[7]：

其(qí)中(zhōng)p表(biǎo)示氣(qì)壓，在大氣壓(yā)條件(jiàn)下p=1。

高斯分布(bù)的展(zhǎn)寬(Δλ_G)和洛倫茲分布的(dí)展寬(kuān)(Δλ_L)可由式(3)，式(4)計算得(dé)到(dào)：

在(zài)計算得到(dào)高(gāo)斯綫(xiàn)寬的基礎上，對實驗(yàn)測量得到的H_α譜綫進行反卷積，得到洛倫茲展寬，減(jiǎn)去範德瓦(wǎ)爾斯(sī)展(zhǎn)寬後即(jí)得到(dào)斯(sī)塔克展寬(kuān)。利(lì)用(yòng)式(shì)(5)可(kě)得到等(děng)離(lí)子體電(diàn)子密度(dù)^[8-9]：

圖(tú)7展示(shì)了N₂(C³Π_μ-B³Π_g)(Δν=0)的(dí)模(mó)擬光譜和(hé)實驗光譜的(dí)最佳(jiā)擬合(hé)結(jié)果(guǒ)。根據N₂(C-B)的(dí)擬合結(jié)果，氣(qì)體(tǐ)溫度約(yuē)等於(yú)轉動溫度，取T_g=740K。計算得到多普勒(lè)展(zhǎn)寬(kuān)Δλ_D=0.0128nm，因此(cǐ)高斯展(zhǎn)寬(kuān)Δλ_G=0.1157nm。

圖(tú)8給出(chū)了Ar等離(lí)子(zǐ)體射流(liú)在(zài)650nm-662nm範(fàn)圍(wéi)內的(dí)H_α譜綫，以及(jí)進(jìn)行Voigt擬合的結果，可(kě)以(yǐ)得出洛(luò)倫茲(zī)展寬(kuān)Δλ_L=0.5500nm。減(jiǎn)去(qù)範(fàn)德瓦爾斯展寬Δλ_W=0.0353nm，得到斯塔克展寬Δλ_S=0.5147nm。根據式(5)計(jì)算得到，實驗(yàn)中使用的(dí)Ar等(děng)離(lí)子體(tǐ)射流(liú)的電子(zǐ)密(mì)度約為3.28×10¹⁶ cm^-3。

圖7：Ar等離子體射流(liú)N₂(C³Π_μ-B³Π_g)(Δν=0)實(shí)驗與模(mó)擬光(guāng)譜

圖(tú)8：H_α發射光譜測量與擬合

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作(zuò)者簡介(jiè)

聶蘭(lán)蘭(lán)，博士，華(huá)中(zhōng)科技大(dà)學(xué)副教授，博(bó)士(shì)生導師(shī)。主要研(yán)究方向為大(dà)氣壓(yā)低溫等離子(zǐ)體放電(diàn)機理研究(jiū)，等(děng)離子(zǐ)體活性成(chéng)分的診斷(duàn)，大(dà)氣壓低(dī)溫等(děng)離子體生物(wù)醫學應(yīng)用及(jí)小(xiǎo)型(xíng)化(huà)等離子(zǐ)體發(fā)生裝置的(dí)研發(fā)。主持國(guó)家自然(rán)科學基金青(qīng)年項目1項(xiàng)，主(zhǔ)持並(bìng)結(jié)題博士後(hòu)基(jī)金1項(xiàng)，參與了多(duō)項國家自然(rán)科(kē)學(xué)基金(jīn)麵(miàn)上項目(mù)及(jí)國防(fáng)基金。以(yǐ)第(dì)一(yī)作者(zhě)和通訊(xùn)作(zuò)者發表(biǎo)SCI期(qī)刊論文20多(duō)篇(piān)，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)*6項。

張睿之(zhī)，華中科技大(dà)學電氣(qì)與電子(zǐ)工程學(xué)院低(dī)溫(wēn)等(děng)離子體實驗室在讀(dú)碩(shuò)士生(shēng)。實(shí)驗(yàn)室主要研究(jiū)方(fāng)向包括(kuò)氣(qì)體放電(diàn)，水中放電，氣液(yè)兩(liǎng)相(xiāng)放電物理基(jī)礎研(yán)究，低溫等離子體在能(néng)源，環境，及生(shēng)物醫學方(fāng)麵的(dí)應用研究，各種高(gāo)壓脈(mài)衝電(diàn)源的研製