等离子体发射光谱的诊断及N2振动温度的测量

杨世哲，陈翰霖，冯 鑫，刘晨宇，陶小平，王中平，张增明

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

等离子体中的带电粒子间有复杂的相互作用，它们的发射光谱具有很宽的频率范围. 发射光谱诊断是等离子体诊断的一个重要分支，是一种非侵入式的诊断方法，能在不改变等离子体性质的条件下获得等离子体的重要参量，因此在低温和高温等离子体诊断中均有所应用. 通过光谱诊断可以获得等离子体的粒子组成、粒子数密度以及磁场分布等数据[1,2].

本文对直流辉光放电等离子体的光谱进行观测，利用发射光谱诊断方法对观测数据进行定量分析，并计算局域热平衡模型下的N2振动温度，以及沿放电管轴向的振动温度分布.

1 原理

1.1 N2的第一和第二正带系光谱的波长

N2的第一正带系(B3Πg-A3Πu+)和第二正带系(C3Πu-B3Πg)是电子在分子轨道间跃迁发射的一系列光谱，分别对应分子轨道跃迁1πu-3σg和3σg-2σu. 通过光谱测量得到带系中各转动峰的相对强度，进而可以通过跃迁辐射理论得到N2的振动温度[3,4].

振动能级的跃迁导致N2的第一、第二正带系中峰的分立，不同振动能级跃迁对应的谱线展宽范围和文献中的资料如表1[5]和表2[4,5]所示.

表1 N2的第一正带系

表2 N2的第二正带系

1.2 N2振动温度的计算

对于直流辉光放电等离子体，本文采用局域热平衡模型分析N2振动能量的分布[4].

1.2.1 振动能级分布及振动温度

分子振动能级v的振动能量为[6]

(1)

对N2而言，振动常量a=2 035.1 cm-1，b=17.08 cm-1[4].

处于局域热平衡状态的等离子体，其振动能级v上的分子数密度Nv满足玻耳兹曼分布[1,3]，即

(2)

上式中，N0(r)为振动基态分子数密度，k为玻耳兹曼常量，T为振动温度.

1.2.2 振动温度的测量方法

(3)

其中v′和v″分别为上、下能级振动量子数，h为普朗克常量，c为光速，Nv′为初态分子数，Av′v″为自发跃迁概率，第二正带系振动能级间的跃迁概率如表3[4]所示.

表3 第二正带系振动能级间的跃迁概率

(4)

由方程(1)—(4)可以得到

(5)

2 实验研究

2.1 实验装置

实验仪器由气流控制装置、LYZGS-60 kV/5 mA直流高压发生器套件、光学测量设备和自制放电管组成，其连接方式如图1所示. 其中自制放电管是一根内径约1 cm的玻璃管，如图2所示，其两端垫有橡胶圈，并由带螺纹的金属圈固定，其两端塞入外包硅纸的不锈钢玻璃管，装置连接处与缝隙涂有真空脂.

图1 实验装置连接示意图

图2 自制放电管

实验时，气体由气瓶/大气流入装置，经过流量控制仪调节进入放电管的流量，并通过真空泵抽气维持气压恒定. 电路由控制机箱控制，经高压倍压筒升压并经过限流后，加在放电管两端. 光谱通过透镜组和光纤采集，由CCS100型光谱仪和计算机进行分析.

2.2 实验结果和分析

2.2.1 光谱成分分析

在65 Pa空气和7.4 Pa空气 + 6.6 PaCO2混合气体条件下，在限流电阻-放电管串联体系两端加入直流电压，测量其光谱如图3所示. 由于光谱并非一系列尖锐谱线，而是若干有一定宽度的峰，并且处于第一正带系波长范围的峰顶端有劈裂.

图3 空气和空气-CO2混合气体光谱对比

从光谱仪的采样点中，选取每个较高的光谱峰最接近半高位置的两个数据点(如表4、表5)，并与表1、表2对比，发现资料中的波长均落在峰的半高宽范围内，因此观测到的确实是N2的第一、第二正带系光谱.

表4 N2第一正带系光谱的观测值

表5 N2第二正带系光谱的观测值

劈裂和展宽的主要原因是转动能级的跃迁. 对于第一正带系的两个电子组态，文献给出的转动常量均为1～2 cm-1量级[5]，由此估计转动能级带来的波数和波长劈裂量级为

ΔνR≈1.5 cm-1×10=15 cm-1

(6)

ΔλR≈λ2Δν≈(900 nm)2×15×10-7nm-1=1.215 nm

(7)

ΔλR与第一正带系谱线峰的劈裂间距相当，且小于每个振动能级跃迁谱线的展宽.

光谱仪的狭缝宽度也会导致谱线展宽，在Czerny-Turner结构的光谱仪中，光由狭缝入射，经过球面镜和光栅组成的光路产生衍射[7]，不同波长的光按衍射角分离，狭缝宽度扩大导致入射光并非严格平行光，进而使不同波长的光的衍射条纹重叠.

2.2.2 N2振动温度和光强的测量

为了定量测量等离子体柱沿轴向温度的不均匀性，分别在65.0 Pa空气和7.4 Pa空气 + 6.6 Pa CO2混合气体条件下，外加5.00 kV电压，沿轴向从阴极向阳极移动光纤，采集轴向不同点的光谱. 在每一点的光谱数据中，选取第二正带系中振动跃迁Δv=-1(0→1,1→2)、Δv=-2(0→2,1→3)、Δv=-3(0→3,1→4)的六个峰，对波长积分得到Pv′v″，通过式(5)求出三组斜率并取平均值，得到该点的振动温度.

计算结果表明，随被测点与阳极间距增大，N2振动温度出现波动. 以被测点距阳极距离为横坐标，被测点振动温度为纵坐标，空气等离子体和空气-CO2混合气等离子体中N2振动温度分布随空间位置的变化关系分别如图4、图5所示. 对于空气和混合气体，N2振动温度的变化范围分别为0.222～0.281 eV和0.252～0.309 eV. 对每一点的全部光谱进行积分，得到该点进入光谱仪的光强，光强随空间位置波动，如图6、图7所示. 放电管中光强的明暗分布属于辉纹现象，它是一种电离波不稳定性条纹. 在辉光放电等离子体中，放电管中电子能量高的地方电子密度较小，而电子能量低的地方电子密度较大[8]. 电子密度较大的地方，单位时间内因电子碰撞激发跃迁到高能级的N2分子多，导致跃迁发出光子的N2分子增加，所以光强变大.

图4 空气等离子体中N2振动温度与到阳极距离的关系

图5 空气-CO2混合气中等离子体中N2振动温度与到阳极距离的关系

图6 空气等离子体光强随距阳极距离的变化

图7 空气-CO2等离子体光强随距阳极距离的变化

实验开始时，光谱仪已经过校准，实验中会自动减去环境光的光强. 但环境光的强度会发生小幅涨落，这种涨落会对振动温度和光强的测量产生影响. 仪器在完全黑暗条件下的电子学噪声以及等离子体中的扰动也会对实验测量造成误差.

3 结束语

本文利用细长玻璃管等装置搭建了低压等离子体产生装置，在其中对65 Pa空气等离子体和14 Pa空气-CO2混合等离子体进行了诊断研究，确定两种等离子体在可见光区的光谱主要是N2的第一正带系B3Πg-A3Πu+和第二正带系C3Πu-B3Πg. 利用N2第二正带系的相对强度计算了N2振动温度沿放电管轴向的分布.