射流装置内部等离子体发射光谱结果

图2.10.2　射流装置内部N2337.1nm、 391.4nm、He706.5nm、O777.3nm四条谱线的归一化强度、放电电流Idis、外加电压Va的时间演化过程[61]

图2.10.2给出了射流装置内部四条谱线的发射光强随时间的变化情况，以及放电的电流和电压波形。为了方便比较，四条谱线的强度分别做了归一化处理。通过从总电流中减去位移电流获得实际放电电流Idis[60]，其峰值约为300mA。如图2.10.2所示，放电开始后，电流强度和四条谱线的发射强度都逐渐增加。在电流强度达到峰值的时候，He706.5nm谱线也达到了其最大发射强度。然后，电流和He706.5nm谱线强度开始减小。可以看出，He 706.5nm谱线的强度下降速度比电流下降速度快得多。N2337.1nm谱线的强度变化情况与放电电流很接近。谱线和O777.3nm谱线的强度上升和衰减都比电流慢。在电压脉冲的下降沿到达之后，负电流脉冲在约0.95μs处开始形成，随即观察到N2337.1nm谱线。下降沿放电期间337.1nm谱线的发射光强随时间的变化过程与电流类似，二者几乎在同一时刻达到峰值。除了N2337.1nm谱线外，在下降沿期间未观察到其他三条谱线。

1.He原子发射光谱

谱线的发射光强与激发态粒子数直接相关。706.5nm发射谱线是He原子（33S1→23P0，1，2）跃迁的结果。激发态He（33S1）可以通过多种过程产生，包括高能电子对基态He原子的直接碰撞激发，从更高能级的级联跃迁，低能电子对低激发态He原子（如亚稳态）的分步碰撞激发。由于没有观察到从更高能级向33S1跃迁相对应的发射光谱，因此可以认为级联跃迁对He（33S1）生成的影响非常小，可以忽略不计。由于禁止S-S跃迁，因此亚稳态He（21S）和He（23S）的分步激发作用也很小。因此，上升沿放电时的He（33S1）主要由高能电子通过与基态He原子的碰撞激发而产生。在脉冲高压的快速上升阶段产生高能电子，并与基态He原子直接碰撞而生成激发态He（33S1），随后发生自发跃迁，发射出He706.5nm谱线。当放电电流达到峰值时，He原子发射光强增加到最大值。然后，由于放电产生的电荷在射流装置内表面上沉积并形成的反向电场，导致该区域的实际电场强度急剧下降，电子温度随之降低。也就是说此时在等离子体中产生的高能电子要少得多。因此，He原子发射光强的快速衰减意味着电子温度的快速降低[62]。

2.N2发射光谱

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3.发射光谱

4.O发射光谱

波长777.3nm的谱线来自氧原子O的跃迁（3P5P→3S5S）。在上升沿放电的早期阶段生成激发态O（3P5P）的机制可以部分归因于高能电子（Ethreshold=15.87eV）与基态O2之间的电子-分子直接碰撞解离。然而，O777.3nm谱线在约0.25μs时才达到其最大发射光强，而此时放电电流正在急剧下降。这说明激发态O的主要产生机制并不是电子碰撞激发。其主要产生机制之一是与亚稳态Hem的潘宁反应，即

在光强下降阶段，O（3S5S）激发态的减少主要通过与O2重组形成O3，这一反应过程相对缓慢，因而O发射光强衰减速度也相对较慢。