大气压非平衡等离子体射流的真空紫外光谱实验研究

如前所述，可引起光电离的辐射属于真空紫外光范围。真空紫外光（vacuum ultraviolet，VUV）又称远紫外光，指波长在0.15～200nm范围内的辐射光。该范围内的辐射光通过空气时会被快速吸收，波长195nm以下是氧分子的吸收区，随后氮分子从波长145nm开始吸收，直到波长0.15nm以下光又能从空气中穿过，惰性气体对该波段的吸收很小可以忽略不计。因此，对该波段的光谱进行测量时，测量光路应尽可能处于真空环境中。目前，可透过最短波长的光学窗口是LiF窗口，截止波长为105nm[10]。相较于其他波段，VUV具有较高的光子能量，对于大气压放电中VUV辐射的测量是解决许多自然界和科技领域中光诱导过程相关问题的关键[11～15]。

在等离子体（包括自然界、实验和技术应用领域）的产生和动态发展过程中，光致效应至关重要[16～19]。VUV辐射引起的光电离效应在各类大气压等离子体，如流注、闪电、sprite的动态过程中起着重要作用[20～27]。此外，VUV辐射的光子能量在6.2eV以上，而对于常见的放电气体，包括空气、CO2、Ar、He、N2等，VUV辐射足以导致这些分子或原子的激发、离解、电离等[28～34]。

能量较高的光子可以直接电离放电气体中的粒子，因此在等离子体的研究中尤为重要。例如，在闪电的形成过程中，这部分高能光子对流注放电的产生和发展起到关键作用[35]。在实际应用中，VUV辐射与多种光动态过程包括光离解和光复合等有关。而且，直接的光电离可实现无损分子光谱检测，并且在等离子体与固体表面、化学催化剂和生物体之间的相互影响中起着至关重要的作用[36～38]。此外，大气压等离子体被积极用于新型VUV辐射源开发，有望与现有的基于传统激光、同步加速器或自由电子激光的辐射源相媲美[39～42]。

然而，由于空气的快速吸收，大气压等离子体VUV辐射的测量和利用具有一定的难度，尤其是对于闪电或用于材料表面改性及生物医学应用的大气压非平衡等离子体射流（N-APPJ）[43]的相关研究来说，这些等离子体通常处于开放大气环境中时，少量的空气即可导致VUV辐射很大程度的衰减。大气压等离子体的工作气体通常由多种组分混合而成，常见的包括各类惰性气体，及其和氮气、氧气等的混合气体。有研究报道了大气压非平衡等离子体波长大于110nm的VUV辐射[44～51]。但是，波长在110nm以上范围的光子能量小于11.28eV，它们不足以直接电离相关分子，致使等离子体推进过程中光电离辐射来源的问题仍未得到解决[52～53]。由于没有光电离相关光谱的实验结果，现有的大气压放电光电离模型仍只是假设[5]，而已有的光电离假设并不一定完全适用于大气压空气[16，19～20]或惰性气体[30～34]放电。

尽管难以对低于105nm的光进行测量，研究者还是开展了一系列相关的实验研究，通过实验测量了不同条件下气体放电中的光电离率，间接对光电离的机制和效应进行了研究[6～9]。实验基本原理如图4.1.1所示，实验装置分为放电腔和光电离腔，放电腔内的等离子体产生光辐射，光辐射通过施加了偏压的金属网格进入光电离腔，金属网格的作用是阻挡放电腔中的电荷扩散进入光电离腔。穿过网格的光辐射在光电离腔中引起光电离，产生光电子，由收集器收集后得到光电流Jcol，其和放电电流Jsrc之比可定义光电离率Ψ0，如式（4.1.1）所示：式中，p为气压，h为光电流收集器的深度，Π为气压校准因数[7]，Ω为辐射源和收集器之间的立体角。但是基于上述原理进行的实验只能对光电离率进行测量，它无法对具体光辐射机制及被电离组分等进行直接的研究。因此，最直接的光电离机制研究仍然必须是对辐射光谱进行测量。

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图4.1.1　光电离率检测实验装置原理图[6～9]

惰性气体对VUV辐射的吸收较小，因此惰性气体放电VUV辐射光谱的测量相对简单，并且不需要透光材料阻隔。一般通过密闭腔体内的纯惰性气体放电与光谱仪测量腔直接相连测量惰性气体分子原子在VUV波段放电产生的发射谱线。二十世纪三四十年代，基于K.T.Compton等人[54]设计的光谱测量系统，研究者通过将放电管与真空紫外光谱仪直接相连，完成了对Ar[55]、Ne[56]、Xe[57]等气体放电真空紫外光谱的测量，进光狭缝的作用使放电管内气压高于测量腔中约两个数量级，它保证放电气压的同时，可减少腔内残留空气对光的吸收。该测量方法的局限性在于，它仅适用于测量密闭环境中较低气压下纯惰性气体放电时相关粒子的辐射光谱。

部分课题组通过高能电子束激发密闭腔内的单一气体，得到He、Ne、N2、O2等气体对应的VUV光谱[58～61]，但该方法所得光谱与高压放电所产生等离子体的辐射光谱存在较大差别。

近年来，有研究者通过微孔或真空差分系统连接放电部分和真空测量部分，对高气压下气体放电VUV辐射光谱进行测量。例如，1999年，K.Becker课题组通过直径200μm的微孔连接放电腔与光谱测量部分（两部分由独立的抽气系统分别控制），测量到了Ne加入少量H2时的微空心阴极高气压放电VUV光谱，最高气压达到743Torr，光谱范围覆盖50～120nm[62]；随后，该课题组利用相同的装置测量了He微空心阴极高气压放电的VUV光谱，气压最高达600Torr[63]；在此基础上，该课题组利用四级真空差分系统连接放电腔和光谱测量部分，测量了C-DBD装置不同气压下的VUV光谱，工作气体为Ne加入少量H2，放电气压从10Torr变化到600Torr[64]。上述方法测量的放电气压已接近大气压，但都是在密闭环境下，与开放环境的大气压放电仍具有本质上的区别。

以上方法均为密闭腔体内单一气体或少量混合气体放电的VUV辐射光谱测定。对于N-APPJ来说，放电环境为开放大气，工作气体中往往掺杂大量的空气组分。因此，N-APPJVUV光谱的测量具有极大的挑战性。尽管国内外有的课题组对此开展了相关的研究，但这些N-APPJVUV光谱测量[30～36]仍受限于LiF的透光下限105nm。

大气压空气等离子体VUV辐射光谱相较于惰性气体N-APPJ测量难度更大，G.Laity课题组对此进行了实验研究[46～47，50～52]。为了测量105nm以下波长的光谱，他们设计了一套测量系统[52]，两个针电极封闭在测量腔中，平行放置于入光狭缝前，气阀控制向两电极之间喷射空气，同时施加高压产生放电，以此测量到了空气放电的VUV辐射光谱。这种测量方法为空气放电VUV光谱的测量提供了一种新的思路。然而，实际上对于该实验而言，放电时的瞬时气压是低于大气压的，初步估算约为100Torr。此外他们最终结果的获得需要大量光谱的叠加，且最终所得的谱线并不十分清晰。因此，对于空气放电VUV光谱的测量方法还需要进一步的深入研究。