范文一:等离子体发射光谱分析
等离子体发射光谱分析
550分析化学第4O卷
10HUANGCheng,JIANGLiYing,CHENJian—
Meng,CHENXiao.ChineseJournalofChromatography,2008, 26(5):618,621
黄成,姜理英,陈建孟,陈效.色谱,2008,26(5):618,621
11GabetV,MiegeC,BadosP,CoqueryM.TrendsinAnalyticalChemistry,2007,26(?):1113,1131
12WANGChao,MAQiang,WANGXing,WUTing,BAIHua,HAONan,WANGJun—
Bing.ChineseJ.Ana1.
Chem.,2007,35(9):1257,1262
王超,马强,王星,武婷,自桦,郝楠,王军兵.分析化学,2007,35(9):1257~1262 DeterminationofGlucocorticoidsinWastewaterby OrthogonalTestSolidPhaseExtraction—HighPerformance
LiquidChromatography'MassSpectrometer TANLi—Chao,,GEFeng,SHANZhengJun,WANGYi,
(NanjingInstituteofEnvironmentalScience, MinistryofEnvironmentalProtectionofthePeoplesRepublicofChina,Nanjing210042,Chi
na)
(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NanjingAgriculturalUniversity,Nanji
ng210095,China)
AbstractAcomprehensiveanalyticalmethodbasedonsolid—
phaseextraction(SPE)andultra
performanceliquidchromatography—electrospraytandemmassspectrometry(UPLC—
MS/MS)has
beendevelopedforthesimultaneousdeterminationofsevenglucocorticoidsinwastwatersa
mple.
Severalsinglefactorexperimentswereappliedtoanalyzetheeffectofthesolventandvolumeusedfor
elution,pHadjustmentofthewatersample,andthewashsolutiononSPE.Basedonthesingle factortests,theL9(3)orthogonaltestwasusedtofurtheroptimizeextractionparameters.The primaryandsecondaryfactorsweredistinguishedbyvisualanalysisandanalysisofvariance.The
optimumextractionprocesswasasfollows:elutingsolventwasethylacetate,elutionvolumewas
10mI,thepHvaluewas5.0andwashingsolventwas2O(v/v)methanolinHPLCgradewater. Thecorrelationcoefficient(r.)ofthecalibrationcurvewasover0.9976,inlinearrangeof1—
100gg/L.Thelimitsofdetection(LOD)werebetween1.56and10.59ng/L.Therecoveriesatthe
spikedlevelof20—
100ng/Lwere72.48%to101.42,withtherelativestandarddeviation(RSD)less than10.9.
KeywordsSolidphaseextration;Ultraperformanceliquidchromatography—
tandemmassspectrome—
try;Glucocorticoid:Orthogonaltest
(Received12August2011;accepted21October2011)
+_+—量++_??圣
等离子体发射光谱分析
(第二版,ISBN978-7—122-09547-3)
该书系统地介绍了ICP光谱基本技术和知识(ICP光源特性,定性分析及定量分析
方法,分析条件的选择,干扰效应
及其处理),ICP光谱分析领域的新仪器和新技术:固体检测器光谱仪器和技术;轴
向观测ICP光源;各种类型样品的进样
技术;有机溶剂和有机样品的ICP分析方法;ICP光谱分析的样品处理方法;基体效
应的影响及抑制;ICP光谱仪器和技
术的发展;全面介绍了各种新型ICP光谱仪器性能和特点.还以一定篇幅介绍了
ICP光谱技术在各领域的实际应用:钢
铁及其合金,有色金属合金,环境样品,地质矿物,无机非金属材料,化学化工产品,食品和饮料,生物及生化样品,核燃料
及核材料等.该书在第一版的基础上作了修订和补充.可作为光谱分析技术人员及高等学校分析化学专业的学生及研
究生的学习参考用书,也可作为专业培训班的教材.
该书由化学工业出版社出版,辛仁轩编着,定价40.0元.
范文二:激光诱导硅等离子体的时间分辨发射光谱分析
? 实验装置与技术?
激光诱导硅等离子体的时间分辨发射光谱分析
王 娟 , 陈传松 , 满宝元 , 郭 娟 , 周贤明
(山东师范大学物理与电子科学学院 , 济南 250014)
提要 :文中探测了硅靶在波长为 1. 064μm 、 脉宽 10ns 的脉冲激光辐照下等离子体时间分辨发射光谱 , 分析了电子温度、 电子密度和连续谱
的演化。 利用能级寿命和连续谱最大强度的出现时间解释了 N Ⅱ 399. 5nm 、 S i Ⅱ 385. 6nm 和 S i Ⅱ 386. 3nm 谱线强度最大值的出现时间。 N Ⅱ 399. 5nm 谱线的寿命比 S i II 谱线的寿命要短得多 , 我们认为这和它们的产生过程有关。 在 1Pa 的背景气压下能够探测到 S i III 和 S i IV 的光谱 线 , 而在 1. 01×105Pa 时却无法分辨。
关键词 :激光诱导等离子体 ; 等离子体光谱 ; 时间分辨 ; 硅 中图分类号 :TN248. 1 文献标识码 :A 文章编号 :0253-2743(2009) 03-0020-02
Time -resolved spectrum analyses of laser induced Si -plasm a W ANGJuan ,CHE N Chuan -s ong ,M AN Bao -yuan ,G UO Juan ,ZHOU X -(C ollege of Physics and E lectronics , Shandong N Jinan )
Abstract :T ime -res olved em ission spectrum from laser -induced plasmas by 1. 064m pulse target surface is recorded and analyzed. The ev olvement of electron tem perature , electron density and continuous is The times of maximal signal of N II 399. 5nm , S i II 385. 6nm and S i II 386. 3nm can be explained by their lifetimes of and of maximal signal of continuous spectra. It is found that the lifetime of N II 399. 5nm is shorter than that of S i II to processes. In addition , spectrum lines of S i III and S i IV are observed at 1Pa ,but can ’ t be observed at 01×10Pa.
K ey w ords :laser induced plasma ;plasma -res 收稿日期 :2009-03-22
基金项目 :国家自然科学基金 (10874103) 、 山东省自然科学基金 (Y 2007A05) 资助课题。 作者简介 :王 娟 (1982-) , 女 , 在读硕士研究生 , 主要从事激光等 离子体光谱研究。
物质的相互作用机理 , 的 〔 1,2〕 , (P LD ) ,4〕 的技术中 , 薄 。
。 B. Y. Man 〔 5〕
等 根据 T i , Y AG 激光诱导的等离子体
中的电子密度及温度随时间的变化关系 。唐晓闩 〔 6〕
等通过 测量等离子体中 A1原子和离子谱线的 S tark 展宽和相对强 度计算了等离子体中的电子密度和温度随时间的演化关系 。 由于硅材料辐射复合发光效率很低 , 几乎不能发射可见光 , 所以到目前为止关于激光诱导硅产生等离子体光谱的分析 报道还很少 。 我们利用可采集紫外波段光谱的 ICC D 进行采 谱 , 根据光谱数据 , 分析了 S i 等离子体中电子温度及密度随 时间的变化关系 , 发现并分析了一些新的现象 :离子谱线出 现的时间 , 离子谱线寿命的不同以及在不同的背景气压下能 够采集到的谱线的不同 , 这些新的现象以前未见报道 。
1 实验装置和方法
实验装置已在文献 〔 7〕
中给出 , 由调 Q Nd :Y AG 激光器 (S pectra Physics Quanta -Ray DCR -3) 输出的波长为 1. 064μm 、 脉宽为 10ns 的脉冲激光束经直角棱镜 M 改变光路后 , 再经 石英透镜 Ll 会聚到硅靶面上 , 光斑的直径为 0. 66mm. 硅样 品被固定在处于杜瓦瓶中的样品架上 , 用机械泵可将杜瓦瓶 中的气压抽至极限值 (1Pa ) 。激光器输出的 Q -S witch 同步 脉冲信号去触发 ICC D 的控制器 , 使 ICC D 的光电探头选通 2ns 的曝光时间 。 通过计算机调节延迟时间 , 可获得高分辨率 的时间分辨光谱信息 。 在与激光束垂直的方向上 , 放置一个 由两柱面透镜 L2和 L3组成的透镜组 , 将距靶一定距离处等 离子体的发射光谱 1:1的成像在光谱仪的狭缝上 , 经谱仪的 光栅色散后被探头接受 , 采集的光谱数据利用计算机进行处 理 。 本文中探测位置距离靶面 1mm 。 整个杜瓦瓶和透镜 L1分别固定在两个二维可调的平台上 。沿平行于靶平面的方 向上调节靶的位置 , 从而改变激光束辐照在硅表面的位置 。 实验测量前 , 用 Hg 灯对波长进行定标 。实验中所用激光器 的单脉冲最大能量为 1焦耳 , 其能量用数字能量计 (OPHIR DG X -30A ) 测出 。
2 结果和讨论
2. 1 电子温度的时间演化
电子温度是反映等离子体特性的基本参数之一 , 在等离 子体诊断和应用中都起着至关重要的作用 。由于在激光辐 照靶材时 , 爆炸所产生的高温火球其辐射和黑体辐射相似 , 所以在等离子体膨胀初期可根据黑体辐射理论计算电子温
度 。 在发射特征谱阶段可用玻尔兹曼方法计算 〔 8〕
。激光的 功率密度为 3. 4×108W/cm 2, 背景气压为 1. 01×105Pa 。所需 谱线的参数如表 1所示 , 计算的电子温度的变化趋势如图 1。 等离子体电子温度的变化可以分为急剧增大 (0ns 至 20ns ) , 迅速减小 (20ns 至 300ns ) 和缓慢减小 (300ns 以后 ) 三个 阶段 。 在第二阶段 , 电子温度从 22702. 6k 减小到 9408. 6k 。 而在第三阶段 , 电子温度仅从 9408. 6k 减小到 6416. 9k 。 电子 温度在第三阶段缓慢减小 , 我们认为有两个原因可以解释这 种现象 :一是与第二阶段相比 , 在第三阶段中复合辐射的影 响更大 , 复合辐射释放的能量对等离子体的膨胀冷却有补偿
作用 〔 9〕
; 二是随着等离子体的膨胀 , 粒子 -粒子之间的碰撞 几率减小 , 所以等离子体的冷却速率减小 。
表 1 S i 发射谱线的波长、 上能级的激发能量和
S pecies λmn
() E n -1E m -1g n g m A mn 8-1S i I 250. 6915394399553
50. 466S i I 252. 417739683311. 81S i I 252. 8522339760530. 77S i I 263. 131539453387130. 97
图 1 电子温度随时间的变化 图 2 电子密度随时间的变化
2. 2 电子密度的时间演化
过去的研究 〔 5〕
已经证明影响谱线线型的因素主要是斯塔克
效应 , 因此可利用光谱线的斯塔克展宽计算出电子密度 〔 10〕
。 在
激光的功率密度为 3. 4×108W/cm 2, 背景气压为 1. 01×105
Pa 时 , 硅等离子体中电子密度 Ne 随延迟时间的变化如图 2所示 。 由图 2可以看出 , 电子密度随着延迟时间的增加而减小 。在 初始阶段电子密度减小得很快 , 随着延迟时间的增加 , 它减 小得越来越慢 。在初始阶段 , 与空气的压强相比 , 等离子体 羽的压强非常大 , 等离子体快速向外膨胀 , 电子密度急剧减 小 。 随着时间的延迟 , 等离子体羽的压强变小 , 等离子体膨 胀速率减小 , 电子密度减小的速率也将相应的减小 。随着时 间的进一步延迟 , 及压强进一步减小 , 电子密度变化就会更 加缓慢 。 2. 3 连续谱的时间演化
实验测得的激光等离子体连续谱随时间的演化如图 3所示 , 这是功率密度为 3. 4×108W/cm 2的脉冲激光在 1. 01×105Pa 的背景气压下烧蚀硅表面时产生的等离子体发射光 谱 , 延迟时间的范围从 0ns 到 180ns 。为了便于观察 , 把初期 阶段的等离子体发射谱呈现于两个图中 。图 3(a ) 所示的是 连续谱强度的上升阶段 , 时间延迟从 0ns 到 20ns , 图 3(b ) 所 示的是连续谱强度的下降阶段 , 时间延迟从 20ns 到 180ns 。
2 王 娟等 :激光诱导硅等离子体的时间分辨发射光谱分析 《激光杂志》 2009年第 30卷第 3期 LASER JOURNA L (V ol. 30. N o. 3. 2009)
从图中可明显看出 :等离子体在激光辐照靶面 5ns 时就已经 形成 。 连续谱的强度迅速增大 , 在延迟时间为 20ns 时达到 最大值 , 然后慢慢减小 , 在延迟时间为 120ns 时变得相对比较 小 。 连续谱的强度在 0ns 至 20ns 内迅速增大的现象可用等 离子体电子温度的变化趋势解释 。 在前 20ns 内 , 由于电子温 度很高 , 所以轫致辐射起主要作用 。根据经典电动力学 , 对 于轫致辐射 , 单位体积等离子体的辐射总功率为 〔 11〕 :
P = 3
2
mc 3?
2
4πε0
3
m 2
其中 n e , n i , Z 是原子序 数 , e 是电荷 , m 是电子的质量 , T e 是电子温度 , ? , c , k B , ε0分别是约化普朗克常数 、 光速 、 玻尔兹曼常数和真空介电常 数 。 从公式中可看出 , 在 0ns 至 20ns 内由于温度迅速增大 , 所以等离子体的辐射总功率迅速增大 , 表现为连续谱强度迅 速增大 。 在 20ns 以后 , 电子温度开始降低 , 复合辐射的作用 越来越显著 , 复合辐射对等离子体的膨胀冷却有一定的补偿 作用 , 在轫致辐射和复合辐射的共同作用下连续谱的强度逐 渐减小 。
2. 4 N Ⅱ 和 S i Ⅱ 谱线的对比分析
从图 3(b ) 中可以得出 ,N Ⅱ 399. 5nm 光谱线强度的最大值出 现在延迟时间为 30ns 时 , 而 S i Ⅱ 385. 6nm 和 S i Ⅱ 386. 3nm
强度的最大值约出现在 50ns 时 。从图 3(a ) , 续谱强度的最大值出现在延迟时间为 20ns , ,
离子的密度是最大的 。 另外 ,
上能级寿命分别是 7. 69ns
, 理论上可 以得出 N Ⅱ 399. i II S i Ⅱ 3nm 谱线强度 27. 69ns ,47. 8ns 和 44. 4ns 时 , ,50ns 和 50ns 基本符合。
图 3 初期阶段的等离子体发射谱
图 4(a ) 所示的是等离子体发射谱随时间的变化 。激光 的功率密度为 5. 85×108W/cm 2, 背景气压为 1. 01×105Pa , 延 迟时间的范围从 0ns 到 3100ns , 相邻两条谱线之间的时间间 隔为 100ns 。 在探测区域探测到了四条光谱线 , 它们分别是 : S i I 390. 5nm ,S i Ⅱ 385. 6nm ,S i Ⅱ 386. 3nm 和 N Ⅱ 399. 5nm 。 我 们发现 N Ⅱ 399. 5nm 光谱线的寿命大约是 200ns , 而 S Ⅱ 385. 6nm 和 S i Ⅱ 386. 3nm 光谱线的寿命可长达 1500ns , 可见 S i Ⅱ 两条光谱 线的寿命比 N Ⅱ 399. 5nm 光谱线的寿命要长得多。 在相同的实 验条件下 , 我们还测了 S i Ⅱ 412. 8nm ,S i Ⅱ 413. 0nm ,S i Ⅱ 504. 1nm ,S i Ⅱ 505.6nm ,S i Ⅱ 634. 7nm 和 S i Ⅱ 637. 1的光谱线的寿命 , 均比 N Ⅱ 399. 5nm 光谱线的寿命要长的多。 对于这种现象我们认为是氮 离子主要产生于空气击穿导致的雪崩电离 。 随着等离子体的 膨胀 , 电子温度和密度减小 , 不再满足雪崩电离的条件 , 氮离 子不能够继续通过这种方式产生 , 原先产生的氮离子很快被 复合了 , 所以氮离子的信号很快消失 。硅离子的产生和激发 有两个来源 :一是激光烧蚀直接产生 , 二是在激光消失后 , 由 于等离子体处于高温高密度状态 , 粒子间不断碰撞 , 所以等 离子体内原子或离子还会不断地被离化和激发 。由于硅离 子比氮离子的电离势小 。 所以与氮相比 , 硅更容易被不断地 碰撞电离 。
2. 5 背景气压对离子辐射谱的影响
图 4(b ) 所示的是激光诱导硅等离子体的时间分辨谱 。 与图 4(a ) 相比 , 唯一不同之处是图 4(b ) 是在 1Pa 的背景气压 下进行的实验 。 在图 4(b ) 中我们探测到了 S i Ⅱ 和 S iI V 的光 谱线 , 它们分别是 S i Ⅲ 379. 612nm , S i Ⅲ 380. 654nm , S i Ⅲ 392. 447nm ,S i Ⅳ 376. 244nm 和 S i Ⅳ 377. 315nm , 然而在图 4(a ) 中却观察不到这些光谱线 , 只能观察到微小的包络 。我们认
为以下三个原因可以解释这种现象 :首先 , 等离子体中的一 部分电子是来自空气击穿产生的电子 , 在 1Pa 时空气稀薄 , 所以等离子体的电子密度较小 , 除此之外 , 在 1Pa 时由于空 气的弱束缚作用使得等离子体迅速膨胀 , 等离子体的密度迅 速减小 , 这样 S i Ⅲ 和 S i Ⅳ 的复合速率就会比较小 , 因此能够 观察到 S i Ⅲ 和 S i Ⅳ 的光谱线 。 相反 , 在 1. 01×105Pa 时 , 电子 密度比较大 ,S i Ⅲ 和 S i Ⅳ 很快复合掉 。 其次 , 由于等离子体的 屏蔽效应 , 与 1Pa 时相比 , 在 1. 01×105Pa 时到达靶面的激光 能量减小 , 产生 S i Ⅲ 和 S i Ⅳ 的粒子数较少 。 再次 , 与 1Pa 时相 比 , 在 1. 01×105Pa 气压下电子密度比较大 , 谱线的半高全宽 比较大 , 谱线的强度比较小 , 所以在 1. 01×105Pa 时我们只观 察到很微弱的包络 。
图 4 激光诱导硅等离子体的时间分辨发射光谱
3 结论
利用时间分辨诊断技术较详细地研究了激光诱导硅等 离子体发射光谱 。 连续谱强度在前 20ns 内迅速增大的现象 可用温度的迅速升高解释 , 在 20ns 之后 , 在轫致辐射和复合 辐射的共同作用下 , 连续谱强度缓慢减小 。 N Ⅱ 399. 5nm ,S i Ⅱ 385. 6nm 和 S i Ⅱ 386. 3nm 谱线强度的最大值出现的时间决 定于连续谱最大强度出现的时间和相应离子激发态的上能 级寿命 。 由于 N Ⅱ 399. 5nm 光谱线与 S i Ⅲ 光谱线的产生过程 不同 , 前者的寿命比后者短得多 。 在 1Pa 的时候能观察到 S iI Ⅱ 和 S i Ⅳ 的光谱线 , 而在 1. 01×105Pa 时无法分辨 , 这是由于 复合速率 、 屏蔽效应和谱线展宽的共同影响 。
参 考 文 献
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12
王 娟等 :激光诱导硅等离子体的时间分辨发射光谱分析
《激光杂志》 2009年第 30卷第 3期 LASER JOURNA L (V ol. 30. N o. 3. 2009)
范文三:水的电感耦合等离子体原子发射光谱分析
水的电感耦合等离子体原子发射光谱分析
作者:唐婧 , 郑胜彪
作者单位:安徽科技学院理学院,安徽滁州,233100
刊名:
广州化工
英文刊名:GuangZhou Chemical Industry and Technology
年,卷(期):2011,39(15)
1. 周锦帆 . 王慧 电感耦合等离子体原子发射光谱分析复杂物质中微量稀土元素 [会议论文]-2010
2. 刁晓霞 . 徐咏薇 关于水中亚硝酸盐测定方法的标准曲线线性范围的探讨 [期刊论文]-环境与健康杂志 2008,25(8)
3. 宋祖峰 . 程坚平 . 张鹏 火花源原子发射光谱法分析超低碳钢中碳、氮、磷、硫的不确定度的评定 [会议论文]-2007本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gzhg201115011.aspx
范文四:常压介质阻挡放电等离子体发射光谱的检测分析
第18卷 第2期2006年6月
光 散 射 学 报
THEJOURNALOFLIGHTSCATTERINGVol118 No12
June1
2006
文章编号:100425929(2006)0220156205
常压介质阻挡放电等离子体发射光谱的检测分析
唐晓亮1,邱 高1,王 良1,冯贤平2
(1.东华大学物理系,上海 200051;
2.波多黎各大学物理系,波多黎各 00931-3343)
Ξ
摘 要:以常压介质阻挡放电等离子体作为研究对象,在常温常压条件下使用介质阻挡放电光谱诊断装置,得到N2第二正系跃迁和Ar原子发射谱线。通过对放电光谱的检测分析,可以察知常压介质阻挡放电等离子体的特性,并可运用同一元素谱线的相对强度来诊断电子激发温度等物理参量,以达到对材料表面改性过程的实时监控,工作的结果对常压介质阻挡放电及其在材料改性的应用中具有重要的意义。关键词:介质阻挡放电;常压;低温等离子体;发光光谱;等离子体诊断中图法分类号:O461,TM832 文献标识码:A
SpectroscopicInvestigationDielectricBa
21IUao1,WANGLiang1,FENGXian2ping2
(,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China;
2.mentofPhysics,UniversityofPuertoRico,SanJuan,
PR00931-3343,USA)
Abstract:Dielectricbarrierdischarge(DBD)plasmaatatmosphericpressurehasbecomehigherandhigherwithitsever-increasingapplicationstosurfacemodificationofmaterials.Forcon2trollingtheprocessofmaterialsπsurfacemodificationpromptly,thespectrallinesofnitrogenandargonplasmaemissionwererecordedandanalyzedbyusingspectraldiagnosisequipmentofdielectricbarrierdischargeplasmaatatmosphericpressure.Theexperimentalresultsindicatethatspectraldiagnosishasbeenprovedaworkablemethod,anditisgreatimportancetothedi2agnosisofdielectricbarrierdischargeatatmosphericpressure.
Keywords:Dielectricbarrierdischarge,atmosphericpressure,lowtemperatureplasma,spec2trum,plasmadiagnostics
引言
近年来,放电等离子体技术已广泛应用于臭氧合成、烟气脱硫脱硝、有害气体及挥发性有机物等废气处理工业生产中。由于对放电等离子体反应过程的机理知之甚少,反应过程中可变参
数又很多,而且缺乏必要的监测与调控手段,致使生产效率低下[1]。等离子体中的大量带电粒子处于复杂的运动状态,因而辐射出大量多种形式的电磁波,其波长范围相当广阔,从微波开始,有红外光,可见光,紫外光直到X射线。这些辐射有的是线光谱,有的是连续光谱,辐射过程跟
Ξ收稿日期:2005206217
基金项目:上海市教委“曙光计划”项目(02SG28);教育部科学技术研究重点项目(03077)
?156?
第2期唐晓亮:常压介质阻挡放电等离子体发射光谱的检测分析2006
年
等离子体内部状态有密切关系。因而通过对等离子体辐射光谱的测量分析,可以获得等离子体密度、温度以及离子成份等重要参数。可见,光谱的检测分析是等离子体的一种重要诊断手段[2]。
光谱的检测分析方法在研究低温等离子体时相当重要,具有很大的优点,它长期以来在等离子体实验技术中起重要作用。由于是“非接触式诊断”,对等离子体没有干扰;另外光谱诊断既
[3]
适用于“暂态”,又适用于“稳态”。通过光谱的检测分析可以推断出等离子体的一些重要参数,如温度、密度、元素成分及其电离状态等[4]。
介质阻挡放电(DielectricBarrierDischarge)是一种典型的非平衡态的交流气体放电,近年来被国内外广泛应用于臭氧合成、大功率短波长光源、废气处理及等离子体显示等领域[5]。最近在运用等离子体进行材料表面改性方面的工作[6,7]已取得了可喜的成果,化,以实现对工业化常压等离子体材料改性的整体过程进行实时监控。1 实验装置与方法
实验用自行设计的常压介质阻挡放电等离子体处理装置(见图1),在大气中两个被绝缘电介质所覆盖的矩形铜电极(25.0cm×6.0cm)上下平行正对放置,电极为中空状,使冷却液流过以利于放电时散热,高频高压正弦交流电加在两极间,电源的电压调节范围为0~30kV,频率的调节范围为19~50kHz,放电气体经气体流量计均匀导入放电间隙(本实验放电间隙为1.5mm),当电压超过击穿电压时,气体被击穿而。放电室置于,将,,能实时从计算机获得准确读数。实验装置如图2所示
。
Fig.1 Dielectricbarrierdishchargeequipment
2 实验与结果
600nm,如图3所示。测量时光栅光谱仪狭缝孔
径为0.2mm,谱线的位置在316.0nm、337.1nm、357.5nm、380.5nm、399.8nm和405.9nm
在介质阻挡放电实验中,当高频高压正弦交
流电施加在电极上,气体被击穿形成放电。放电产生大量的电子和离子,在电场的作用下,电子从电场中获取能量,通过与周围原子分子碰撞,电子把自身的能量转移给它们,使之激发电离,产生电子雪崩。雪崩中的高能部分的电子通过导电通道时,一些激发态原子和分子会自发辐射[1]。这样,对常压介质阻挡放电等离子体发光光谱进行检测,可以推断出等离子体的一些重要参数和察知放电等离子体形成的途径。
实验中测量大气压下氮气流量为0.2m3/h介质阻挡放电等离子体的光谱范围为300~
πu→πg)主要由电子碰的N2第二正系跃迁(C3B3撞激发产生的[8,9]:
πu)+ee+N2(x,v=0)→N2(C3πu)→N2(B3πg)+hvN2(C3
(1)(2)
图4是大气压下氩气的流量为0.15m3/h时,介质阻挡放电等离子体发射光谱,波长范围为680~780nm。经过对常压介质阻挡放电氩等离子体发光光谱的研究[10],在340~680nm波长范围内,虽然光谱中空气等离子体的特征谱线与氩气等离子体的特征谱线有些是错开的,但是
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光 散 射 学 报
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June12006
因为空气等离子体的特征谱线强度高而氩气等离子体的特征谱线强度相对较弱,所以氩气等离子体的特征谱线不很明显,甚至有些还被空气等离子体的特征谱线所覆盖;而在680~780nm波
长范围内的区域(见图4),经检测分析发现,发射谱线全部为氩原子谱线,其相应的波长、光谱项、跃迁几率和高能态能量一并列入表1
。
Fig.2 Schematic
1.Dischargechamber;2.Electrodes;;;5.Oscilloscope;6.PC;7.Spectroguaph;8.Lenssystem;9.ExhaustPump;GasCurrent-samplingresistance(R=10Ω);13.Seriesstabi2lization
Fig.3 DischargespectrumofN2—air
Fig.4 Discharge
spectrumofAr—air
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第2期唐晓亮:常压介质阻挡放电等离子体发射光谱的检测分析2006年
Table1 Measuredspectrallinesofelementalargon[10-
13]
序号
12345678
波长/nm
696.54706.72727.29738.40750.39751.47763.51772.42
光谱项
2P2→1S52P3→1S52P2→1S42P3→1S42P1→1S22P5→1S42P6→1S52P2→1S3
跃迁几率/×10-6s-6.393.801.838.4744.540.224.511.7
1
高能态能量/eV
13.32813.30213.32813.30213.4813.27313.17213.328
在Ar介质阻挡放电中,气体击穿形成放电,放电产生大量的电子和离子,电子在电场的作用下加速运动形成高能电子,高能电子与基态Ar原子碰撞,部分能量大于13eV的电子与自然对数可得
λ-Ag1
2
k
(E1-E2)(7)
原子碰撞是基态Ar态,激发态的Ar原,可由下列方程式表示Ar+eA
33
3
,在考虑谱线自吸收、信噪比和,选取了发光光谱中任意两条特征谱线,g、A和E可以分别从相关文
λ献中查得,作E/k关于ln(I/gA)的图线,这条直线的斜率即为电子激发温度。经测量方法的比较研究,与同时采用其他诊断方法测得的电
子激发温度基本一致,因此采用此法测量电子激发温度还是比较可行的。3 结束语
→Ar3+e
(3)(4)(5)
Ar3→Ar+hv
→Ar3+hv
根据图4光谱仪拍摄到明显的氩气等离子体的谱线,结合表1的数据分析发现,Ar的发射谱线集中在680-780nm的范围内,且全部为Ar原子发射谱线。
电子激发温度是等离子体的基本参数之一[15],其诊断技术的发展对常压等离子体材料改性的研究有着非常重要的实际意义。由于气体放电中的光发射谱线是与等离子体的电子激发温度有关的,因此对等离子体的发射光谱强度进行绝对的或相对的测量,可以用来确定它的电
子激发温度[16]。假设在局域热动平衡(LTE)条件下,能级分布遵循Boltzmann关系,因此同一元素的两条谱线的强度比可表示为
λ=exp[-(E2-E1)/k
Te](6)I2A2g2λ1式中g1、A1和g2、A2分别是能级E1和E2的统计权重与跃迁几率,k是玻尔兹曼常数,λ1与λ2分别为谱线1与谱线2的波长。对(6)式取
[17,18]
常压介质阻挡放电等离子体已被逐步应用
在材料表面改性研究上,现有的这方面大部分的研究主要是局限在特定的放电时间、放电间隙等物理参数下对材料进行处理,实验表明,常压介质阻挡放电方法可以用来解决复杂真空系统的问题,并可以很好地改善材料的表面性能,而通过常压等离子体发射光谱诊断相关等离子体参数应是一种有效的方法,并可以做到对改性过程实施实时监控,相应的研究还是很有意义的。参考文献:
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范文五:微波氢等离子体发射光谱分析实验讲义
微波氢等离子体发射光谱分析
实验背景
等离子体是一种由大量离化的粒子组成并呈现电中性的热力学体系。对等离子体性能的研究能够从纯科学的角度为研究自然空间和大气现象提供重要的依据,也为涉及等离子体发展应用中遇到的技术问题提供解答。等离子体的诊断可以分为接触式和非接触式,接触式诊断方法主要包括Langmuir 探针法、阻抗测量法等,一般用于大范围均匀分布等离子体的诊断;非接触式诊断方法主要包括微波透射法、光谱法等,一般用于小尺寸等离子体的诊断。
微波氢等离子体由于采用无极放电方式,在高质量光学金刚石膜、金刚石同质外延等方面有广泛的应用。氢等离子体的原位在线检测对于研究等离子体中各基团的物理—化学过程、改进薄膜沉积工艺具有重要意义。
发射光谱诊断技术具有无干扰、灵敏度高等优点,其原理是基于电磁辐射与物质的相互作用,是研究等离子体状态和性能较为理想的诊断方法,如利用氢原子发射光谱的相对强度测量等离子体中的电子参数,利用氢原子发射光谱的展宽测量等离子体中的电场强度等。
在空间和实验室等离子体物理的研究中,氢等离子体Balmer 线系是重要的研究对象。在实验室条件下,Balmer 线系主要研究H α、H β和H γ三条谱线,他们分别是主量子数n=3、4、5向n=2的跃迁,表1为上述三条谱线的相关参数。
表1 Balmer 线系的常数
Balmer series H α(3→2) H β(4→2) H γ(5→2)
Wavelength (nm) 656.28 486.13 434.05
Transition Coefficient(μs -1)
44.10 8.419 2.530
Weighing of upper level
18 32 50
Excitation energies(eV) 12.0875 12.7485 13.0545
本实验利用压缩波导反应腔结构和热辅助激发的方式产生了可稳定运行于接近一个大气压下的微波辉光氢等离子体,研究在可见光区范围内的氢等离子体发射光谱中氢原子的Balmer 线系的谱线以及谱线随实验条件的变化。
一 实验目的
1. 理解微波氢等离子体的激发原理和原子发射光谱的形成过程。 2. 掌握微波等离子体及光栅光谱仪的工作原理与使用方法。 3. 掌握使用Origin 软件对数据作图的基本方法。
二 实验仪器及原材料
微波等离子体化学气相沉积装置一台、WDS-8A
多功能光栅光谱仪一台、光缆1根、计算机一台、高纯氢气一瓶。
三 实验原理
1. 多功能光栅光谱仪
1.1 WDS-8A 多功能光栅光谱仪
图1 光栅光谱仪装置示意图
1.2 光栅光谱仪的工作原理
光栅光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器,基本结构如图2所示。它由入射狭缝S 1、准直球面反射镜M 1、光栅G 、聚焦球面反射镜M 2以及输出狭缝S 2构成。
图2 光栅光谱仪内部基本机构示意图
衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面(可以是平面或凹面)刻画出一系列平行、等距的刻线,然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜,就构成一块反射试验射光栅。相邻刻线的间距d 称为光栅常数,通常刻线密度为每毫米数百至数十万条,刻线方向与光谱仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后,相邻刻线产生的光程差Δs =d (sin α±sin β),α为入射角,β为衍射角,则可导出光栅方程:
d (sin α±sin β)=m λ (1)
光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d 联系起来,λ为入射光波长,m 为衍射级次,取
0, ±1, ±2, 等整数。式中的“±”号选取规则为:入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号,在法线两侧
时取负号。如果入射光为正入射α=0,光栅方程变为d sin β=m λ。衍射角度随波长的变化关系,称为光栅的角色散特性,当入射角给定时,可以由光栅方程导出:
d β
d λ
=
m d c o s β
(2)
复色入射光进入狭缝S 1后,经M 1变成复色平行光照射到光栅G 上,经光栅色散后,形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射,M 2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S 2上,再由S 2后面的电光探测器记录该波长的光强度。光栅G 安装在一个转台上,当光栅旋转时,就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上,光电探测器记录不同光栅旋转角度(不同的角度代表不同的波长)时的输出光信号强度,即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录,称为光栅单色仪。
在使用单色仪时,对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系(如图3所示):
λ=
2d cos ψsin η (3)
m
其中,η为光栅的旋转角度,ψ为入射角和衍射角之和的一半,对给定的单色仪来说ψ为一常数。
2. 微波等离子体化学气相沉积装置
本实验采用微波等离子体化学气相沉积装置作为激发光源,具有设备简单、成本低、操作简便等优点。装置示意图如图4所示:
图4 微波等离子体化学气相沉积装置示意图
等离子体发射光谱可以对等离子体进行诊断分析。例如,通过实验测定出同种原子或离子的两条光谱线,在热力学平衡状态(TE)或局部热力学平衡状态(LTE)下,,同种原子的两条不同的谱线的强度满足以下的关系式:
I 1I 2
=
?E -E 2?exp ?-1
? (1)
A 2g 2λ1kT e ??A 1g 1λ2
式中I 1和I 2分别代表两条谱线的发射光谱强度,A 1和A 2为跃迁几率,g 1和g 2为统计权重, λ1和λ2
为两条谱线的的中心波长,E 1和E 2为两条谱线的激发态能量,k 为Boltzmann 常数(=1.38×10-23J ·K -1),T e 等离子体的电子温度。采用该种方法计算等离子体电子温度时,选择波长、强度和轮廓现状相似的谱线可以提高测量的精度。
四 实验内容
(一)光栅光谱仪
1、采用标准光谱灯进行波长校准
利用钠灯的两根谱线的波长值(标准值为589.0nm 和589.6nm )来进行校准仪器。 2、实验步骤
(1)开机之前,请认真检查光栅光谱仪的各个部分连线是否正确,保证准确无误。
(2)在仪器系统复位完毕后,根据测试和实验的要求分别调节入射(出射)狭缝宽度到合适的宽度。 (3)打开电控箱开关,调节合适的负高压。
(二) 微波等离子体化学气相沉积装置
1. 确认装置冷却水保护开启,波导、气路连接正常;
2. 开启总电源,开启磁控管灯丝电源,让磁控管灯丝预热3-5min ;
3. 打开真空泵电源,打开隔膜阀抽真空。当真空抽至一定程度时,关闭隔膜阀粗阀; 4. 开启总气源,通入氢气,然后通过气体浮子流量计控制气体流量;
5. 打开高压开关,调节高压输出旋钮,微波功率达到一定要求后调节短路活塞、三销钉阻抗匹配器,使等离子自激发并维持稳定工作;
6. 按照多功能光栅光谱仪的实验步骤开启光谱仪并设置好实验参数,然后在不同气压下进行氢原子的发射光谱测量;
7. 实验结束时,先关闭气体流量计;
8. 将高压输出调节至零点后关闭高压开关; 9. 打开隔膜阀粗阀抽真空;
10. 关闭真空泵电源,关闭总电源,关闭总气源,关闭冷却水,最后将真空放空。
(三)计算等离子体的电子温度
1. 根据所测量的氢原子的发射光谱计算等离子体的电子激发温度Te , 2. 改变实验条件(气压、功率、基片台高度、气体流量等),测量微波氢等离子体内部粒子的浓度的变化以及电子激发温度的变化。
五 思考题
1、原子发射光谱并非严格单色的线状谱,具有一定宽度和轮廓,引起谱线变宽的原因主要有哪些形式? 2、等离子体光谱诊断的方法有哪些?简述一下这些方法的特点或优势。
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