[发明专利]一种光纤光谱协同放电电流测量等离子体电子密度的方法

说明书

技术领域

本发明属于放电等离子体诊断技术领域，涉及一种实时、原位、无扰动诊断等离子体电子密度的方法，尤其是一种光纤光谱协同放电电流测量等离子体电子密度的方法。

背景技术

放电等离子体的产生与维持是目前高新技术产业和科学技术研究的重要基础，已经在尖端电子器件制造、能源、环境保护、等离子体冶金、国防等多个领域得到深入研究和广泛应用，成为具有全球性影响的科学与工程。放电等离子体研究与工程应用的进步取决于对等离子体物理过程和工艺的控制，而控制的前提是必须有可靠的检测技术作保证，尤其是实时、原位、无扰动的检测技术。因此，对放电等离子体特征参量的准确测量成为放电等离子体实验研究和工程应用中需要首先解决的问题之一。

电子温度和电子密度是表征放电等离子体性质和状态的两个重要参量，目前常用朗缪尔探针、光学发射光谱(OES)、激光诱导荧光(LIF)、吸收光谱、质谱、微波透射等方法进行诊断或测量。但由于放电等离子体种类复杂，放电装置形态各异，电子温度和电子密度分布范围宽泛，很多等离子体偏离局域热平衡状态，因此到目前为止还没有一种方法适用于所有放电等离子体的诊断，只能依据具体情况采用不同的诊断方法。其中，激光诱导荧光、吸收光谱、质谱、微波透射法等尽管能对活性粒子成分、分布和数密度等进行精确分析，但无法准确解读等离子体的电子密度和电子温度，而且激光、微波等外施能量也难以真正做到对等离子体的“无扰动”，加之测量系统复杂昂贵，这些方法并不适用于在放电等离子体生产工艺中应用。传统方法中，朗缪尔探针对电子温度和电子密度的诊断结果得到普遍认可，但朗缪尔探针诊断法存在着适用范围过窄，对等离子体易产生扰动和污染，易受射频电场干扰等问题，也限制了其在放电等离子体工艺中的应用。光学发射光谱法中，斯塔克展宽准确地解决了电弧放电等高密度等离子体的诊断问题，但对密度稍低的非平衡态等离子体，其线形、线宽变化不明显，应用范围受到限制。相比之下，光学发射光谱法中的斜率法尽管对被诊断的等离子体也存在局域热平衡要求，但测量时考察的是易被测量的辐射波长和相对辐射强度，对其进行适当的方法修正后可以在很宽范围内实现对放电等离子体进行实时、原位，无扰动地测量。

南京理工大学研制了一种非接触式等离子体温度和电子密度测量装置(中国实用新型专利，ZL200720044567.4)，将光纤发射光谱测量引入到了等离子体参量测量装置中，很好地解决了高温高压燃烧、爆炸爆轰等瞬态等离子体的实时测量问题。这种测量装置的原理是基于原子光学发射光谱理论建立的，依靠boltzmann和saha方程计算等离子体温度和电子密度。因此，只有在满足局域热平衡的条件下，才能获得准确测量结果。对于远离热平衡态的非平衡等离子体，由于没有进行方法修正，非平衡等离子体电子密度的测量结果偏差很大。

根据气体分子运动论，通过某一截面的放电电流与电子密度成正比，即I＝en_eu_eS/4，其中I为放电电流、e为电子电荷、n_e为电子密度、u_e为电子的平均速度、S为放电电流通过截面。电子平均速度u_e可首先利用光纤光谱法测量等离子体的电子温度，然后再通过公式u‾e=8kTe/πme]]>计算获得。对于放电电流的测量，可由很多通用仪器进行，不需要了解等离子体是处于平衡态还是非平衡态。因此，在光纤发射光谱测量等离子体参量的基础上，将实测的放电电流引入到等离子体电子密度测量装置中，即可以扩展电子密度的测量范围，又可以减少非平衡态等离子体电子密度的测量偏差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有光学发射光谱法诊断等离子体电子密度的缺陷和不足，提供一种光纤光谱协同放电电流测量等离子体电子密度的方法。本发明是在光学发射光谱诊断等离子体电子温度方法的基础上，将实时的放电电流参量引入到电子密度测量中，减小了利用热平衡条件估算非平衡等离子体电子密度带来的偏差，扩大了诊断放电等离子体电子密度的适用范围。