Ar等离子体电子温度光谱法测量探究 柯福顺 摘要：在采用一般精度的.DOC

Ar等离子体电子温度光谱法测量探究 柯福顺 摘要：在采用一般精度的光谱仪时，通过测量Ar辉光放电等离子体的光谱，根据玻尔兹曼分布进行多谱线线性拟合，求得等离子体电子温度。讨论光谱法在实验数据上的处理、反映出的等离子体物理性质。在普通条件下，该方法对不同实验条件下电子温度变化的灵敏度在半定量水平。 关键词：光谱法，Ar等离子体，辉光放电，电子温度，多谱线拟合 引言 在低温等离子体物理性质的测量中，电子温度测量是重要一环。此处的电子温度又可分为平动温度Ttr和激发温度Tex。前者表现在自由、半束缚电子的平均动能上，后者表现在束缚、半束缚电子的被激发强度，即光谱光强分布上。在局部热力学平衡（LTE）下，才可以认为两者近似相等。 根据这两个温度的概念，主要的探测方法分为探针法和光谱法。探针法又可分为单探针法、双探针法。探针法通过测量等离子体区内的探针电流与电压关系，借助电子的玻尔兹曼分布来分析求得电子平动温度。但是探针周围形成的空间电荷鞘层扰动等离子体，会造成结果失真。而且此法在暂态过程中不适用，如脉冲放电，高频等离子体。光谱法则是一种实时、对体系没有扰动的测量方式。相同激发温度下，不同的谱线有不同的强度，反映在激发几率、能级、简并度上。由玻尔兹曼公布可以导出各谱线的强度表达式。实验中测量多条谱线光强，代入强度表达式进行拟合，以求出电子激发温度。 在普通实验室中，Ar等离子辉光放电的探针法测量很容易实现，光谱法测量则遇到很多方面的限制：光线的平行度，光谱仪的测量范围、分辨率、响应度等。本文讨论在采用精度较低的光谱仪下，光谱法电子温度测量的数据筛选、处理，分析其与探针法结果偏差的原因，研究粗略光谱法对电子温度的监测。 原理及仪器 仪器 实验辉光源是一个可以控制气压变化的Ar气体放电管。气压可调范围在10-1-102Pa，极间电压调节范围0-800V。光谱仪为复想PG4000光栅光谱仪，极限分辨率不低于0.25nm，实际分辨率在3.80nm左右。光谱响应范围500-1000nm。 原理 实验中应用玻尔兹曼分布来模拟束缚、半束缚电子状态，而不是用费米-狄拉克分布。这是由于实验中辉光放电探针法测得电子温度在6eV以下，式（远）大于1。其中E为谱线上能级能量，在13eV左右。 原子在两个能级之间跃迁发射光子的谱线强度为， (1) 其中Nn 表示激发能级为n 的原子密度,Anm表示从能级n 跃迁到能级m 的自发跃迁概率, h为普朗克常量,v为光的频率. 同样可以写出另一条谱线的光强式 (2) 放电等离子体中电子能量分布应近似满足玻尔兹曼分布规律： n能级与j能级 (3) 其中gn、gj、En、Ej 分别表示两个能级的简并度和能量, Te为等离子体温度，k为玻尔兹曼常数。联立式(1),(2),(3) 可得: (4) 式(4)中: 下标1, 2 分别指第一与第二条谱线,λ是波长，E为上能级能量。 对（4）式取对数得到： 以为横坐标， E为纵坐标描出各谱线点， 然后对曲线进行线性拟合, 拟合直线的斜率就是kTe，由此可求得电子激发温度Te。 实验结果与讨论 电子温度计算 取放电管极间电压360V，72Pa的辉光正柱区光谱，如图1。具体数据及参数见表１。 图1，380V,72Pa Ar辉光放电正柱区光谱 表1， 主要谱线和相关参数（５） 序号 波长实验值le/nm 光强修正值 波长参考值lr/nm 简并度g 上能级能量E/eV 激发几率A/106s 激发类型 1 696.11 62.13279 696.5431 3 13.35509 6.39 Ar I 2 706.47 71.69806 706.7217 5 13.3294 3.80 Ar I 3 738.01 166.85228 738.3 etc - - - Ar I 4 750.43 1187.19338 750.4 , 751.4 - - - Ar I 5 763.62 591.33563 763.5106 2 13.19869 24.5 Ar I 6 772.31 230.2706 772.4 , 772.3 - - - Ar I 7 794.38 238.79052 794.8176 3 13.30978 18.6 Ar I 8 800.93 401.44413 801.4 , 800.6 - - - Ar I 9 811.14 1539.10156 811.5 , 810.3 - - - Ar I 10 826.29 252.48116 826.4522