脉冲铁等离子体的产生及其物理参数研究

纳西尔·m·哈迪¹， Sabah H. Sabeeh²Mustafa M. R. Sabhan^3.

伊拉克巴格达科技部激光与电光研究中心
伊拉克巴格达理工大学应用科学系
伊拉克巴格达科技大学应用科学系博士生

摘要

本研究利用调q Nd: YAG激光产生脉冲铁等离子体。靶表面每脉冲能量固定在(475 mJ, 6 ns)水平，集中在常压和真空压力(1×10-1 mbar)下的Fe固体靶上。利用波长为501.2、534.1、556.9、576.2、602.4和623.07 nm的6条Fe I光谱线，在玻尔兹曼图上测量了等离子体温度。在常压和真空压力下，用Stark加宽公式(FWHM)测量了谱线Fe I在谱线跃迁576.2 nm处和Fe I在谱线跃迁556.9 nm处的电子密度作为参考电子密度。在常压下，电子密度为8.2x1018 cm-3，电子温度为1.466 eV;在压力(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(LTE)理论，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

激光产生等离子体光谱学(LPPS)又称激光诱导等离子体光谱学(LIPS)，是利用固体、液体和气体作为目标的最有效的方法之一。LPPS使用低能量脉冲激光(通常每脉冲几十到几百焦耳)产生等离子体，使少量样品汽化。20世纪70年代中期，激光产生等离子体的发明增加了人们对电磁场与物质相互作用的认识。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，优于放电产生的等离子体。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射，它在目标上发射一个光谱加深，发射的光谱给出了目标的信息。光谱学方法是等离子体诊断的一种方法，它可以从发射光谱中测量电子温度和电子密度。

温度是表征等离子体状态的最重要参数之一。对于电子温度来说，最重要的光谱学技术是在单个物质的连续电荷状态下产生的谱线的比值。对温度的准确了解导致对发生的等离子体过程的理解，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两条或多条在发射波长上有小分离而在其上激发态上有大分离的光学细线的相对强度来测量(玻尔兹曼图法)[8]。此外，电离温度可以由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]增强了高激发态的分离，从而提高了测温的进动。

另一方面，利用中性原子或离子发射光谱线的Stark展宽公式，借助不同标准表[10,11]中精确的Stark展宽参数，可以测量电子密度。

结果与讨论

激光产生的等离子体具有密度大的特点，因此斯塔克效应导致发射谱线展宽。通过公式(2)，我们确定了谱线Fe I在大气压力下576.2 nm处的电子密度，如图(6)和Fe I在10-1 mbar压力下576.2 nm处的电子密度，如图(7)。在大气压力下电子密度为(8.2x1018 cm-3)，在10-1 mbar压力下电子密度为(9x1018 cm-3)。在10-1毫巴压力下，谱线Fe I在556.9 nm跃迁处的电子密度测量如图8所示，电子密度为(9.2×1018 cm−3)。氧对温度的影响也可以看出对电子密度的影响。结果表明，在真空压力下(1×10-1 mbar)得到较高的温度和电子密度，在常压下得到较低的温度和电子密度。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

利用LPP实验中铁产生的6条电子温度测量谱线和2条电子密度测量谱线对等离子体电子温度进行了测量。利用铁连续电离阶段的谱线强度比计算温度，并利用6条Fe - I谱线测量等离子体电子温度，以提高测量精度。密度是由铁谱线在第一电离阶段的Stark展宽来测定的，两谱线的结果在实验误差范围内是相同的。还比较了两种空气环境下产生的结果，一种是常压，另一种是真空。结果表明，真空压力下的温度值和密度高于大气压力下的结果。因为氧分子一直围绕在等离子体周围，这会减少分子之间的平均自由程，减少等离子体分子之间的碰撞次数。等离子体迅速膨胀，但膨胀速度减慢，最终由于目标周围氧分子的阻力而停止。重新评估了电子密度，并利用铁离子在556.9 nm的线跃迁与参考密度进行了比较。这一比较表明参考密度与利用铁发射线测量的密度之间有很好的一致性。

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