基于Hβ线和Ag特征谱线Stark展宽的火花放电辅助增强激光诱导击穿等离子体电子密度测量_WORD.docx

引用格式：HUANGQingxin,1IShanshan,1IRunhua*eta1.DeterminationofP1asmaE1ectronDensityfromStarkBroadenedProfi1esofHandAgI1inesinSParkDischargeAssisted1aSer-inducedBreakdownSpectroscopyj.ActaPhotonicaSinica,2023,52(3)：0352124引用格式:黄庆锌，李珊珊，李润华，等.基于HB线和Ag特征谱线SIark展览的火花放电辅助增强激光诱导击穿等离子体电子密度测量J.光子学报,2023,52(3)：0352124基金项目:国家自然科学基金(Nos.61875055,12174117)第一作者：黄庆锌，774303013通讯作者：陈钮琦，chenyuqi收稿H期：2023-05-12；录用日期：2023-06-23基于HB线和Ag特征谱线Stark展宽的火花放电辅助增强激光诱导击穿等离子体电子密度测量黄庆锌，李珊珊，李润华，陈桂琦(华南理工大学物理与光电学院，广州510641)摘要：在火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱技术中利用Ag特征谱线的S1ark展宽作为指向，对等离子体电子密度进行了准确测量。采用纯银针作为放电电极，以含氢无机盐磷酸二氢钾为样品，根据HB线的SIark展宽确定了不同放电条件下的等离子体平均电子密度，并绘制了AgI520.91nmStark展宽与电子密度相对应的校正曲线。结果表明二者有很好的线性相关性，线性拟合度为0.982o在采用银放电电极的火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱技术中，分析不含氢样品时可以利用Ag原子谱线的Stark展宽间接确定等离子体电子密度，为火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱技术中进行等离子体电子密度分析提供了新的途径。关键词：光谱学；激光诱导击穿光谱；等离子体；火花放电；Stark展宽；电子密度中图分类号：0433文献标识码：Adoi：10.3788gzxb20235203.03521240引言激光诱导击穿光谱(1aser-inducedBreakdownSpectroscopy,1IBS)是一种具有快速、微烧蚀、多元素同时分析等优点的等离子体光谱分析技术，被广泛应用于物质的元素分析、环境监测、文物分析等领域传统的单脉冲1IBS技术灵敏度较低，人们尝试了多种方式来提高1IBS分析灵敏度，其中一种简单易行的技术是采用火花放电对激光等离子体进行二次激发来增强信号强度，被称为火花放电辅助增强激光诱导击穿光谱(SParkDiSChargeaSSiS1ed1aSer-inducedBreakdownSpec1roscopy,SD-1IBS)。该技术近年来获得了较快的发展，国内外研究人员先后分别利用火花放电增强11BS技术开展了土壤、合金、水等不同样品的高灵敏元素成分分析和元素成像分析t4710等离子体电子密度是反映等离子体基本特征的参数之一，直接影响等离子体的动力学过程和等离子体中的能量传输效率。在1IBS以及其相关技术中，激光等离子体在满足局部热力学平衡条件下，利用Bo1tzmann平面法和Saha-Bo1tzmann平面法可以测定等离子体温度，而等离子体是否达到热力学平衡状态则需要根据电子密度判断出。此外，在基于自由定标的1IBS(Ca1ibration-free1IBS,CF-1IBS)技术中进行样品成分定量分析时，根据等离子体发射光谱计算得到的电子密度是影响CF-1IBS分析准确度和精度的主要因素之一。因此，准确测定激光等离子体电子密度在1IBS及其相关技术中具有十分重要的作用。实验中，由于中性原子或离子发射谱线的SIark展宽线型不严格依赖于电子或离子的速度和温度分布,且与等离子体是否处于局部热力学平衡状态无关，从谱线的线型即可确定等离子体的电子密度，人们常用中性原子和离子发射谱线的Stark展览来求解电子密度t101o2019年，KANGJUan等在高重频SD-1IBS技术中利用A1II和MgII离子谱线的Stark展宽对等离子体平均电子密度进行了分析,2023年，1IQingxue等利用Cu原子辐射谱线研究了火花放电辅助激发飞秒激光等离子体电子密度的时间演化特性t,21o但是对于许多原子和离子谱线从理论上获得计算电子密度所需的谱线展宽系数难度较大，且原子和离子谱线展宽通常较小，当光谱仪分辨率有限时可能无法分辨出原子或离子谱线的Stark展宽。因此在实际中利用原子或离子谱线Stark展宽测量电子密度会受到一定的限制。氢巴尔末系谱线由于其具有较大谱宽经常作为光谱诊断手段之一。利用Ha线的Stark展宽进行等离子体电子密度计算时需要考虑其自吸收现象并对其计算结果进行校正意大利PARD1N11等利用氢巴尔末系不同谱线的Stark展宽分别计算并对比了激光诱导击穿等离子体中的电子密度，结果表明在氢含量较高的环境下，Ha线有明显的自吸收现象，而HB线更适合用于确定电子密度。HB线由于其相对谱线强度较强，展宽较大，自吸收效应小，用于计算电子密度的参数误差更小，因而非常适合作为电子密度计算的谱线。尤其是以水或水溶液为烧蚀源产生的激光等离子体诊断中，HB更是首选1。为了解决SD-1IBS技术中实际电子密度测量时，由于受到光谱仪分辨本领的限制而难以测定谱线的Stark展宽，所测元素谱线的Stark展宽系数未知，也没有氢元素谱线可以利用等原因，从而无法准确测量电子密度这一问题，本文提出了一种新的电子密度的测量方法。通过采用纯银针作为放电电极，以含氢无机盐磷酸二氢钾为样品，在不同放电条件下由HB线的S面k展宽确定等离子体电子密度，并研究了Ag原子谱线展宽与H线Stark展宽所确定的电子密度之间的对应关系，制定了校正曲线。探讨了在采用纯银放电电极的SD-1IBS技术中，分析不含氢样品时根据Ag原子谱线展宽确定等离子体电子密度的可行性。1实验装置图1为实验装置示意图。采用一台中心波长为1064nm的电光调QNd：YAG激光器作为1IBS激光光源，激光束通过焦距为40mm的石英透镜11聚焦到样品表面，以实现样品的剥离并在放电电极间产生等离子体。电光调QNd：YAG激光器的脉宽为12ns,工作重复频率设定为5Hz。火花放电单元由直流高压电源DC,限流电阻R和储能电容C组成。直流高压电源（最大电压4kV,最大电流20OmA）通过阻值为15kQ的限流电阻给高压电容充电。两根直径为1.6mm的圆柱形放电银针以35。倾斜角相对于样品表面水平放置，针尖之间的距离约为3mm,银针尖表面被打磨成半圆球形，两根银针分别作为放电的阳极和阴极与高压脉冲电源相连。激光与火花放电产生的等离子体辐射经石英透镜组12（焦距户150mm）和13（焦距户IOomm）收集到一台三通道的光纤光谱仪（Avantes,AvaSpec-U1S2048-3-USB2）进行光谱分析。该多通道光谱仪通过测量低压汞灯的发射谱线确定仪器展宽为0.1Inm,波长范围为200550nm.利用一台四通道数字延时脉冲发生器（SRS,DG535）触发激光器和光谱仪，并控制激光器输出和光谱仪的相对延迟。图1实验装置示意图Fig.1Diagramoftheexperimenta1setup为了通过H谱线进行等离子体电子密度分析，实验采用含氢无机盐磷酸二氢钾（KH2PO4）作为样品，将6g磷酸二氢钾粉末样品放入压片机中在21.4MPa的压力下将其压制成圆片，圆片的直径为25mm,厚度约3mmo为了在1IBS和SD-1IBS条件下能够同时观察到HR谱线和Ag的特征谱线的变化情况，实验制备了含银的磷酸二氢钾样品。将5g磷酸二氢钾粉末样品与Ig纯银粉混合均匀，同样以21.4MPa的压力将其制成圆形含银固体样品。样品固定在一个运动速度为3mms的二维运动平台上，以保证激光的每一个脉冲都打在样品的不同位置，避免激光聚焦位置重叠引起信号强度减弱带来的误差，可以提高光谱的可靠性。2原理一般情况下，等离子体辐射谱线的展宽主要包括自然展宽、原子或离子热运动引起的DoPPIer展宽、共振展宽、Stark展宽和仪器展宽等。在一定的等离子体环境中通常一种展宽占主要地位，该展宽机制决定着谱线的总体轮廓和宽度。通常自然展宽在1（1nm量级，超出绝大部分实验室分光仪器的分辨极限，因而可以忽略不计。在激光诱导击穿等离子体中DoPPIer展宽和共振展宽较小可以忽略，等离子体光谱中SIark展宽的贡献占主要地位，因此本实验所拟合的谱线展览中只包括仪器展宽和Stark展宽。根据Stark展宽理论，除氢原子和类氢离子表现出线性斯塔克效应外，所有其他原子都表现出二次斯塔克效应，对于非氢原子和一次离化离子，谱线Stark展宽的半高全宽可表示为Mz=2()+3.54(悬F(112Nd4)()(1)式中，AA/2是谱线的半高全宽(Fu11Widtha1Ha1fMaximum,FWHM),3是电子碰撞展宽参数，Ne是等离子体的电子密度，A是离子碰撞展宽参数，ND是德拜球中的粒子数密度口8】。等式右边第一项来自电子相互作用，而第二项来自离子相互作用。由于离子碰撞对于谱线展宽的贡献很小，可以忽略不计，式(1)可以简化为12=2()(2)根据式(2)可知电子密度与Stark展宽满足简单的线性关系，但是计算所用到的电子碰撞展宽参数3在相关文献中只能查到一些特定元素的值，因此在实际应用中存在一定的局限性IO对于氢或类氢离子，GR1EMHR给出了根据氢或类氢离子SIark展览计算电子密度的公式，但是该公式需要知道与电子密度和电子温度有关的计算参数，对于任意环境下尤其无法获知合适展宽系数的等离子体，计算结果存在较大偏差口°】。GIGOSOSMA等在此基础上进行了优化，通过计算机模拟得到了更为可靠的计算电子密度的方法t,9o根据HB线的Stark展宽计算电子密度的公式为Ne(Cm_3)=×IO17(3)式(3)只含电与密度和谱线半高全宽两个变量，因此有效避免了由于参数适用范围问题导致的偏差。该公式适用于电子密度为101<10,9cm3,温度为1OOOI75OoOK的平衡和非平衡等离子体，本文主要根据式(3)进行等离子体电子密度的计算。3结果和讨论3.1光谱观测图2所示为利用光纤光谱仪记录得到的银粉与KH2PO4混合样品的单脉冲1IBS和KH2PO4与纯银电极的SD-11BS下的等离子体发射局部光谱，波长范围为470530nm0采用的激光能量为20mJ,放电电容为IOnF,放电电压为2.5kV,激光器与光谱仪延迟时间为3s,光谱仪积分时间为IOms。486.13nm的谱线对应于HB线，520.9Inm的谱线对应于Ag原子的谱线。从图中可以看出，在SD-1JBS条件下采用纯银作为放电针，HB线附近谱线干扰较少，相对谱线强度较强，谱线展宽较宽。在相同激光能量下，利用火花放电增强后，H线信号强度获得了显著的增强，非常适合作为计算等离子体电子密度的谱线。此外,放电银针中的Ag原子辐射信号相较于单脉冲1IBS中样品的Ag原子辐射信号也获得了约17倍的增强。因此采用火花放电增强后，有助于通过Ag原子谱线和HB线的相关物理特性更为准确地测量和分析等离子体参数。IXC=Bfo7k>一SU3=。¢«PH-11BSSD-11BS520480490500510Wavc1cngth/nmHP486.13nmAgI520.91nm图211BS和SD-1IBS条件下等离子体发射谱Fig.2Emissionspectraofthep1asmainSP-1IBSandSD-1IBS3.2谱线Sk展宽的确定在SD-11BS条件下产生的等离子体