有和无磁场条件下氧化铜的激光诱导击穿光谱分析

摘要

研究了存在和不存在磁场条件下CuO等离子体的激光诱导击穿光谱。采用Nd: YAG激光(532 nm, 9 ns)在真空中以100 ~ 400 mj的不同脉冲激光能量产生等离子体。在有磁场和无磁场条件下，脉冲激光能量的增加表现为电子密度增加，而电子温度降低。与无磁场的情况相比，磁场的存在使电子密度升高，但降低了电子温度。结果表明，与靶区边缘区域相比，激光产生的等离子体丰满在靶区中心区域有较好的约束。

关键字

LIBS，磁场约束，电子温度，OES，电子密度

简介

激光分解光谱学(LIBS)是一种基于在样品表面的还原区域上应用一个或多个高功率激光脉冲的分析技术，通过形成瞬态等离子体促进样品的烧蚀和激发。在技术上，发射辐射与样品的化学成分有关，并通过适当的检测系统(波长选择器和检测器)进行监测[1］．激光产生的等离子体本质上是瞬态的，其特征参数演化迅速，强烈依赖于照射条件，如入射激光强度和脉冲持续时间。激光波长、辐照光斑大小、环境气体成分及环境压力[2，3.］．近年来，利用磁场来限制激光产生的等离子体已变得非常重要。磁场可以有效地控制瞬态等离子体和高能等离子体的动力学特性。高强度脉冲磁场已被发现有助于增强激光诱导击穿等离子体的发射[4］．激光诱导等离子体在磁场作用下的膨胀可能引发多种物理现象，包括羽流约束、焦耳热效应、等离子体热能转化为动能、等离子体不稳定性、发射增强[5］．激光等离子体的动力学在决定等离子体的特性方面起着重要的作用[6-8］．等离子体的约束程度与简单的磁流体动力学(MHD)模型很好地吻合[9］．光学发射光谱(OES)技术在测定等离子体电子密度(n_e)，电子温度(T_e)和等离子体频率ωp [7］．电子密度一般规定了等离子体的热力学平衡状态，而温度则决定了描述等离子体状态的不同分布函数的强度。采用玻尔兹曼图方法计算等离子体的电子温度[8]：

(1）

其中Iji为i和j能级之间发射线的相对强度(任意单位)，λ_霁它的波长(以纳米为单位)，gi是所研究的跃迁的发射上层I的简并度或统计权值，和一个_霁就是过渡概率为从i层到较低的j层的自发辐射。E_j为i能级的激发能(eV)， k为玻尔兹曼常数，N态人口密度。电子温度可以从之间的曲线中最佳线性拟合的斜率来计算与E_j．这个图叫做玻尔兹曼图。

在光学谱线展宽可以用斯塔克展宽、多普勒展宽和压力展宽等基本原理来解释。多普勒展宽和离子展宽都很小，可以忽略不计。因此，假设电子密度是加宽的主要效应，可以使用明显的加宽关系来计算电子密度[9]：

（2）

其中Δλ是直线的FWHM， ω_年代是Stark展宽参数，可以在标准表N_r参考电子密度等于10吗¹⁶(cm³)为中性原子和10¹⁷(cm³)用于单带电离子。

等离子体频率可表示为[10]：

（3）

在哪里ε₀是电常数，米_e是电子质量，n_e是电子数密度e是电子电荷。重要的等离子体参数之一β，即等离子体热压(动能)与磁场压力(磁能)之比，计算结果如下:

（4）

K是玻尔兹曼常数n_e是电子密度，B是磁场强度，T_e是电子温度[11］．

实验装置

图1介绍了激光产生的CuO等离子体在有磁场和无磁场条件下光谱线检测和识别的LIBS系统的实验装置。用Nd: YAG脉冲激光(9 ns，频率6 Hz，波长532 nm)以100 ~ 400 mJ的脉冲能量轰击目标，以45°角为照射目标产生CuO等离子体。利用凸面将激光聚焦在目标上镜头对焦距10厘米的等离子体产生羽流。将直径为3厘米的氧化铜靶的圆形颗粒放置在真空室中。氩气在不同的压力(0.2 Torr和0.4 Torr)下充入腔内，压力由精密压力表测量。真空室由圆柱形不锈钢管组成。两端由耐热玻璃窗关闭，由两个不锈钢法兰，并与小石英窗固定在它的中心，这允许激光脉冲射击CuO目标。两个小管道连接到泵系统，而另一个用于输送氩气(纯度为99.9%)。两种类型的永磁定位目标下;第一个是外部的，第二个是内部的，它位于外圆永久性的内部，以获得磁场强度[12］．

图2为磁场沿CuO靶的径向分布。从图中可以看出，磁场强度沿靶面分布是不均匀的。从图中可以清楚地看出，磁场沿目标的径向轮廓是不均匀的。磁场强度有两个峰值，最大值约为41 mT。

结果及讨论

磁场对电子温度的影响

的价值T_e采用玻尔兹曼图方法计算(式(1))，并在图3．从这幅图中可以观察到许多特征:的电子在有或没有磁场的情况下，温度随气体压力的增加而降低。有磁场时，电子温度升高。随着气体压力的增加，电子与Ar原子的非弹性碰撞次数增加，是导致原子间非弹性碰撞次数减少的原因T_e随着压强的增加。的增长T_e在存在磁场的情况下可以解释为，磁场会将电子困在目标表面附近的区域。因此，电子将从激光脉冲中获得能量，这将继续增加电子温度。

磁场对电子密度的影响

图4显示了电子密度(n_e)和不同脉冲下的气压激光能量在磁场存在和不存在的情况下。从图中可以观察到，在磁场存在的情况下，所有脉冲激光能量下，电子密度随气体压力的增加而增加，且增加速度较快。ne随气体压强的增加而增加可能是由于电子与Ar原子的非弹性碰撞产生了更多的电子。另一方面，在磁场作用下ne值的增大可能是由于磁场对电子进行约束，使电子与Ar原子发生非弹性碰撞，从而产生更多的二次电子。

β值随激光能量的变化

采用eqn法计算β值。(4)图3及4．图5阐述了不同脉冲激光能量和气体压力下β值的径向分布。在这个图中可以观察到许多特征;在靠近靶面的区域内，各径向点的β值均小于on。β的最大值出现在目标的边缘。脉冲激光能量的增加导致β值的增加。而气体压力的升高导致β值的降低。因此，我们可以从这些结果中得出结论;根据磁场结构，在靶体中心区域(低β区)磁场压力大于等离子体压力具有良好的约束作用。

结论

的等离子体研究了532 nm调q Nd: YAG激光器在真空条件下与固体CuO靶相互作用产生的特性。研究了脉冲激光能量对电子温度、电子密度和β参数的影响。在有磁场和无磁场情况下，脉冲激光能量增加，电子温度降低，电子密度增加。而根据CuO靶体的β值分布，结果表明磁场在靶体中心区域(低β区)磁场压力大于等离子体压力的区域有较好的约束作用。

参考文献

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