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1、第?期夭津大学学报?氨等离子弧温度的光谱测量方法的研究韦福水、王秀英、凌天成提要本研完工作衬氮等离子弧的温度分 布用 光语侧量法进 行了实验研究,并测得了氮等离子弧的温度场。本工作 对 多线法和两线 法、奥尔辛法和两线 法的测温方 法分别进 行了时比研 究?还用?线斯塔克展宽效应法对谱线相对强度法进行了校 核,所测得的结果是吻合的?此外,对某些影响测温结果的因素所造成的误差进 行了实验分析。研 究结果表明,光语测温法是稳定的,重复性是好的,结果是可靠的,并指出用?,? ? ?入?,?入、?,? ?入?,?凡、?,? ? !入?,? ? ?入等谱线对的两线 法和?,? ? 入的奥尔辛法 测量?,
2、? ?艺 以上的氮等离子弧的温度是一种既简便又可靠的测 温 方 法。? ? ? ? ? ? !? ?一?一?一? ?,? 口 ? ? ? ? ? ? ?,? ? ? ? ? ? ? ? ?一?一?,? ?一?全? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? !#! %在应用等离子体技术时,如何合理选择工艺参数,往往都需要测定低温等离子体的热物理参数。温度分布是低温等离子体热物理的重要参数之一,因此探讨它 的温度分布的测量方法是有实际意义的。低温等离子体的温度有气体温度、激发温 度、电子温度。在热平衡的条件下,它们 是一致的。低温等离子体的温度范围约为3, 00 0、5 0,0 0oK。目前测量
3、高温气体的方法有:探针法、光谱法 和激光法等等。光谱法 与探针 法、激光 法相比,它的特点是:(1)测温的理论基础是成熟的;(2)是非接触测量,因此 测量 的准确度和精确度都比较高,(8)随着电子技术的发展,用 电子计算机处理测温信息.可使 测 量速度 大大提高,测量手续大为简便 5。所以 目前国 内外大多用光谱 法来 测量电弧 等 离 子体的温 度。氢等离子弧在机械、冶金、化工诸部门中应用广 泛。本工作就氢等离子弧温度的光谱测量方法进行了实验研 究。二、光谱测温原理光谱测量电弧等离子体温度的方法主要有:(1)谱线绝对强度法;(2)谱线相对强度法,(3)斯塔克展宽效应法。用谱线绝对强度 法测量
4、电孤等离子体的温度,不但需要知道公式(1)中的A、 g、N。、z等值,而且必须保证测温时和光谱干板定标时所用的乳剂种类、曝光规范、显影条件完全一致.否 则就会引起较大 误差。因此.我们采用 相对强度法来测量氢等离子弧的温度分布,并用H启线斯塔克展宽效应法进行校核。1.谱线辐射强 度。如果高温气体处于热力学平衡或局部热力学平衡和光学薄层(即没有自吸收现象)的状态下,那末被激发的原子或离子的辐射强度几。为:,。(T,=命瓷锐二 g。加二: e x P(一会)(1)其中,N。(T)为粒子(原子或离子)的密度,为机能级的统计权重,z(T)为配分函数;A。为粒子(原子或离子)从高能级。跃迁到低能级玲的几
5、率,。为辐射频率;L为辐射层的厚度,E二为激发电位,h、K分别为普朗克常数和波尔兹曼常数。公式(1)中的N。(T )、 z(T)可根据有关公式计算出来,A、 g、E。可查有关文献资料.因此对某一波长的谱线而言,它的辐射强度是温度T的函数,只要测定I。,值.就可以算出温度T。工业应用的氢等离子弧是高温常压的低温等离子体,可以认为是处于 局部热平衡状态的。第3期氮等离子弧温度的 光语测量方 法的研究用摄谱仪测量时.进入 摄谱仪狭缝的光能并不是直接与电弧空间某一点的辐射密度成比例,而是沿x方向的一个积分值,因此需要作Ab。艺变换。我们根据文献2介绍的方法,将强度积分值沿y方向的分布I(y )变换成辐
6、射密度 的径向分布I(r )。因为Ab e忿变换运算的工作量很大,所以我们编写 了BA5 Ic算法语言的源程序.在DJ s一13 1电子计算机上进行运算,大 大节约了运算时间。2.谱线相对强度 法。相对强度法可分为多线法、两 线法 和奥尔辛 法等。多线法。如果测量同种粒子(原 子或离子)的多条谱线的辐射强度,则公 式(1)可写成:L g一孕尸一“缪E二十此c了玉g丈(2)其中C为常数。公式(2)是一个AgL gJ入二f( E。 )的直线方程。因此,以L g华了飞g为纵坐标,以E。为横坐标,作L g一寡入二f (E。 )的关系直 线,Z飞g便得 到 了直线斜率k。根据k二一5 0 4 0T计算出
7、温 度T两线法。成:如果测量 同种 粒子(原子 或离子)的两条谱线的辐射强度,则公式(1)可写A191入2AZ92入i。x,(El一EZKT(3)1 1一儿如果测量一 条离子谱线 和一条原子谱线 的辐射强度,则公式(1)可写成:I几东I人。其中名为离子 潜线标脚;n名A止g东入020 n oAogo入京Z恋e x P(一互娇导)(4) 0为原子谱线标脚。测得I, / I2或I人i/I*。的比值,就可 以根据公式(3)或(4)求出温 度。奥尔 辛法。从公式(1)可知.谱线 辐射强度I。,随温度T的增高会出现最大值,即当T=T。时, I。(T:)为最大值。我们将T二T。时的辐射强度记作I。 . ,
8、*(T二),则公式(1)可写成:,(:)=命鲁豁IA二 g。“L二 (一轰)5,将公式( 1)与公式(5)相除,可得:I。,(T)_了。,*(T。).衬夕(T).圣玉里过 No(T。)Z(T)一p (含) x P(念)(6)天 津大一 学学报1981年因此,只要测得谱线辐射强度几:(了)和该谱线的最大辐射强度I。今 (T. )的比值,就可以根据公式(6)求出温度r来。这种测温方法亦称为“最大强度法”。它的特点是:(1)只需要测量一条谱线的辐射强度;(2)测摄公式中没有A、 g值,所以可以避免由于A、 g值的误差带来的影响。3.HB线斯塔克展宽效应测温法。由于外部电场或带电粒子和离子形成的电场
9、引起的辐射谱线的展宽效应称为斯塔克展宽效应。氢等离子弧中,存在着带电的正离子和电子。氢谱线本身的斯塔克展宽效应并不明显。氢的巴尔麦线系在电场中具有明显 的斯塔克展宽效应,H6(4861入)谱线尤为显著。因此屯在实验时,在氨气中掺入极少量的氢气,便能拍摄出H口谱 线。理论计算表明,氢谱线的斯塔克展宽效应,在线性的情况下,它的半强度宽A愧与等离子体中带电粒 子浓度的关系为7J:_。荟J八lw e、创三, 百(7)其 中, c为常数,N为带电粒子浓度。带电粒子 浓度N只 需计算氢离子A,十的浓度,这是因为对斯塔克展宽效应起主要作用的是运动较慢的带电正离子;运动速度非常快的电子对斯塔克展宽效应的作用可
10、以 忽略不计。通过实验,测定常数C(测定方法在后面介绍)和半强度宽愧,根据公式(7),就能算出粒子浓度N值。再根据粒子浓度与温度的关系,找出对应温 度T。用这种方法测量氢等离子弧 的温度范围约为10, 00017,oooK。三、实验装置和谱线强度测量实验装置如图1所示。等离子枪体4和水冷铜阳极6安装在支架6上。支架6可作横向移动。摇动手柄7可带动枪体和水冷铜阳极作上下移动。这样,在枪体4和水冷铜阳极5之间产生的等离子弧的任何部位都能经透镜2、3成象于摄谱仪1的狭缝上。等离子弧的辐射光经摄谱仪色散、焦 聚,各谱线成象于 摄谱仪的焦平面上。本研究工作是用摄谱照相 法 测量谱线强度的。也就是用光谱干
11、板摄下等离子弧辐射出来的谱线,在快速光度计上测得谱线黑度.再根据干板的乳剂特性曲线换算成谱线辐射强度。我们选用了天津感光材料厂生产的兰超硬图1实验装置型光谱干板。它的特点是:反衬皮大(y=2.2 4).在入二420 0几490 0五范围内,反衬度保持不变,谱线清晰,雾翁均匀,测量误差第3期氮等离子弧温度的光语测量方法的研 究. . . . . . . . . . . . .盈二;二二二 , . . .二二二, 二, .二 ,. J J . . .口. 曰. . . . . . .暇小,但能测量谱线强度的范 围较窄。我们所用的摄谱仪是E 49 8型摄谱仪,所用 的 测微光度计是Gl型快速光度计。
12、氨等离子体中有较强 的连续光谱。在实验中,我们按照文献8所介绍的方法扣除连续光谱的强度。四、测温 方法的实验研究用相对强度法测量等离子电弧的温度分布时,必须根据具体情况选择合适的谱线。选择谱线的原则是:(1)谱线清晰;(2)强度适 当,(3)没有自吸收现象或 自吸收现象很弱;(4)能从文献中查到可靠的A、 g值;(5)谱线问的激发电位差别越大越好,所测得的精确度越高;(6)考虑到干板乳剂特性对测量精确度的影 响.谱线间的波长 之差越小越好。根据我们所拍摄的Ar谱 线(图2) 以及有关文献资料介绍,A,14806人、A,14764入、A,14657凡、A,14609凡、A,14589入、A,14
13、579入、A:14426及、A,14348及、A,14300入等谱线是 仔合上述要求的。实验研究表明,波长 在4200入5000入范围内的氢谱线.A,14345入和A,14426入是图2氢谱线图(3800入 4900入)A,I谱线中辐 射 强度最大,离A,14300几最近的两条谱线。它们在较低的温度下就出现.大 约T二1 1, 000兀时,A,14545入、A,14426入和A,14300人等谱线同时出现,而且都比较清晰。随着温度增高.A,I、A,l谱线的辐射强度都随着增大。当温度为 1 5,50 0K左右时,其中的A,143 0 0入 辐射强度达到最大值。如果温度继续增高,A,14300入的
14、辐射强度反而 减少,A,11普线的辐射强 度却剧增。. 大约T=1 8,o0 0K左右时.A,143。人还比较清晰。温度继续增高.A,1430 0入就不清晰.甚至消失。因此氢等离子弧的温度大 约在 11, 00015,000兀范围内.可以用A,14345人/A,14300人、 A,14426入/A:1 4300入谱线对的两线法 和A:14300入的奥尔辛法来 测量。当氢等离子弧 的温度大约超过18, O0 0K时,A,14300入谱线就不 清晰或消失,所以不能用上述的两组谱线对测温了,必须用A,l线来测量。由于A;14589入与A,14579人之间的波长相差很少;谱线的清晰度又好;此处的连续光谱强度较弱。因此,羲们选用了A,14589入/A,14579入 的两线法和A,1442 6入的奥尔辛 法来测量超过约为18,0 0oK时的氢等离子体的温度。用这些方法测量氨等离子弧的温度,其可靠性如何呢? 目前国内和国际上都还没有这样高的温度(10K)统一标准。为了验证所 选用的测 温方法的可靠性,我们采用了不同测温方法的对比测量研究。1.两线法和奥尔辛法的对比测且表1列出 了两线法和奥尔辛法测量同一径向温度分布的实验结果。从表1中可以看出,天津大学学报1981年表1两线法和O lse n法测量结果对比 弃. . .户润. . . .目曰目J 钾月. . 剑.目. . 口.
