脉冲铁等离子体的产生及其物理参数的研究

Naseer M. Hadi¹，沙巴H.沙比²穆斯塔法·m·r·萨班^3.

伊拉克科学技术部激光与光电研究中心，巴格达
伊拉克巴格达科技大学应用科学系
伊拉克巴格达科技大学应用科学系P.G.学生

摘要

本文利用调q Nd: YAG激光器产生脉冲Fe等离子体。目标表面的每脉冲能量固定在(475 mJ, 6 ns)水平，集中在常压和真空压力(1×10-1 mbar)下的铁固体目标上。采用6条Fe I光谱线(501.2、534.1、556.9、576.2、602.4和623.07)nm的玻尔兹曼图测量了等离子体温度。在常压和真空压力下，采用Stark展宽公式(FWHM)分别测量了Fe I和Fe I在576.2 nm线跃迁处和556.9 nm线跃迁处的电子密度。常压下电子密度为8.2x1018 cm-3，电子温度为1.466 eV;压力(1×10-1) mbar下电子密度为9x1018 cm-3，电子温度为1.711 eV。基于局域热力学平衡理论(LTE)在发射光谱(500-650 nm)范围内进行了测量

关键字

Laser-produced等离子体;等离子体参数;铁等离子体;温度;电子密度。

介绍

激光等离子体光谱学(LPPS)又称激光诱导等离子体光谱学(LIPS)，是利用固体、液体和气体目标最有效的方法之一。LPPS使用低能量脉冲激光(通常每脉冲数十到数百磨焦耳)产生等离子体，使少量样品[1]汽化。20世纪70年代中期激光产生等离子体的发明使人们对电磁场和物质之间相互作用的认识有所增加。激光产生的等离子体应用于不同科学领域的各个领域。激光产生的等离子体具有效率高、清洁度高、收集角大等优点。等离子体和激光产生的等离子体应用分类为[3-6]。等离子体加工如等离子体表面清洗、等离子体薄膜沉积、等离子体硬化及等离子体在医药中的表面处理、医疗器械的灭菌等。激光产生的等离子体具有高温和高电子密度梯度，这种等离子体也具有高辐照性，它在目标上发射的光谱加深，发射的光谱提供了关于目标的信息。光谱法是等离子体诊断的一种方法，可以从发射光谱[7]中测量电子温度和电子密度。

温度是用来表征等离子体状态的最重要的参数之一。对于电子温度来说，最重要的光谱技术是在单个物种的连续电荷态中产生的线的比率。对温度的准确认识有助于理解等离子体发生的过程，即汽化、解离、激发、电离和跃迁概率。等离子体电子温度可以通过发射波长分离小，激发态分离大的两条或多条光学细线的相对强度来测量(玻尔兹曼图法)[8]。此外，电离温度可以从两个连续电离阶段产生的两条或多条线的相对强度来计算。该方法通过电离能(Saha-Boltzmann图)[9]增强了上层激发态的分离，从而增强了温度测量的进动。

另一方面，在不同标准表[10,11]中可以找到精确的Stark展宽参数的帮助下，可以使用中性原子或离子发射的光学薄光谱线的Stark展宽公式来测量电子密度。

结果和讨论

激光产生的等离子体具有高密度的特点，因此斯塔克效应会导致发射线的展宽。通过公式(2)，我们确定了谱线Fe I在大气压下跃迁576.2 nm处的电子密度，如图6所示;Fe I在10-1 mbar压力下，跃迁576.2 nm处的电子密度，如图7所示。在大气压下，电子密度为(8.2x1018 cm-3);在10-1 mbar压力下，电子密度为(9x1018 cm-3)。在压力10-1 mbar下，谱线Fe I在556.9 nm处的电子密度测量如图(8)所示，电子密度为(9.2×1018 cm−3)。O2对温度的影响也可以看到对电子密度的影响。结果表明，真空压力(1×10-1 mbar)下的温度和电子密度较高，常压下的温度和电子密度较低。这条线的存在是由于目标[17]周围存在非常小的水蒸气浓度(湿度)。

结论

在LPP实验中，我们用6条谱线测量了铁的电子温度，用2条谱线测量了铁的电子密度。温度由铁连续电离阶段的线强比计算，并使用6条Fe I谱线测量等离子体电子温度，以提高测量精度。密度是由铁谱线从第一电离阶段开始的斯塔克展宽确定的，两种谱线的结果在实验误差范围内是相同的。还比较了在常压和真空两种环境空气下产生的结果。结果表明，与常压下的结果相比，真空压力下的温度值和密度更高。因为氧分子不断地包围着等离子体，这导致了分子之间的平均自由程减少了等离子体分子之间的碰撞次数。等离子体迅速膨胀，但这种膨胀速度减慢，最终由于目标周围氧分子的阻力而停止。利用Fe I在556.9 nm线跃迁处重新评估电子密度并与参考密度进行比较。这一比较表明，参考密度和利用铁发射线测量之间有很好的一致性。

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