真空紫外光谱测量结果

1.直流惰性气体大气压非平衡等离子体射流

图4.2.3为当氦气和氩气作为工作气体时所得到的50～300nm范围内的辐射光谱[65]。由于此时N-APPJ工作在大气环境中，周围空气的扩散导致辐射光谱中有氮氧及相关粒子谱线。在光谱测量结果中，110nm以下的原子谱线是通过对比NIST原子光谱数据库得到的[69]，110nm以上的原子谱线是通过NIST原子光谱数据库及其他参考文献中已有的光谱数据对比得到的[39～45]。此外，分子光谱是通过对比参考文献[58]获得的。

图4.2.3　7kV直流电压激励下N-APPJ在50～300nm范围内的辐射光谱[65]

（a）氦气；（b）氩气。氮氧等相关谱线的出现是由于周围空气的扩散，每个采样点积分时间为0.5s

从图4.2.3（a）中可以看出，当He作为工作气体时，可以在58.4nm（21.2 eV）处观测到明显的4He11S-21P谱线。此外，在100nm左右还观测到明显的激发态氮分子/原子谱带。其中，98～102.5nm范围内，b1Πu（Birge-Hopfield（BH）I）、（Birge-Hopfield（BH）II）和（Carroll-Yoshino）三种单重激发态的氮分子跃迁产生的辐射被认为是空气等离子体中光电离的辐射源[5]。图4.2.4（a）给出了该谱线范围的光谱，这是首次在大气压条件下检测到该范围内的辐射。如图4.2.4（b）所示，当测量的积分时间增大到5s时，同样可以在氩气N-APPJ的辐射光谱中检测到相关氮的谱线[65]。氩气射流中未检测到90nm以下的谱线。

100～180nm范围内，观测到的氮氧等原子谱线和其他报道的关于NAPPJ辐射光谱的测量结果相似。然而，对ArN-APPJ的测量中，在104.8 nm和106.7nm处获得了两条明显的Ar原子（分别对应3s23p5（2po1/2）4s（2[1/2]°）-3s23p6（1S）和3s23p5（2po3/2）4s（2[3/2]°）-3s23p6（1S））谱线，这是首次在氩气大气压射流中观测到这两条谱线，这有可能是由于其他测量都采用LiF晶体窗口，而这两条谱线已接近LiF晶体的透光下限105nm，该波长范围内的晶体光透过率快速下降，导致其他研究中没有发现这两条谱线。与其他实验结果不同的是，本实验没有检测到常见的127nm处的氩准分子连续谱[44～45]。众所周知，氧气存在的情况下，氩准分子谱带会在130nm处与氧原子三重态发生共振交换，这可能是氩准分子连续谱消失的原因[74]。此外，放电形式、驱动电源等差别也会导致测量到的辐射光谱出现明显不同。

图4.2.4　N-APPJ在85～105nm范围内的辐射光谱[65]

（a）氦气每个采样点积分时间为0.5s；（b）氩气每个采样点积分时间为5s

在该实验的所有气体组分中，氧分子的电离能最低（12.1eV，102.5nm）。因此，对该实验来说，可电离辐射的波长应在110nm以下。而对于光谱结果，无论工作气体为氦气还是氩气，均检测到了100nm左右范围内激发态氮的辐射。在氦气N-APPJ中，还在58.4nm处检测到了明显的4He共振谱线，该谱线具有足够高的能量直接电离氮原子、氧原子、氧分子，甚至氮分子。

为了更好地了解惰性气体N-APPJVUV光谱辐射的特性，下面在工作气体中加入了少量的氧气和氮气（占总气体体积的0.1%～0.5%），所得结果如图4.2.5所示[65]，图中给出了加入氮气或氧气后的惰性气体N-APPJ在110nm以上范围内辐射谱线强度的变化情况。实验结果表明，加入0.1%氮气或氧气对这部分谱线强度的影响不大，由于变化较小，因此未在图中显示。在氦气N-APPJ光谱测量中，0.5%氮气或氧气的加入都使氮原子的谱线强度减弱，尤其是113.5nm（（2s2p4）4P→（2s22p3）4S0）和120nm（（2s2p23s）4P→（2s22p3）4S0）处两条谱线有明显减弱。由于这两条谱线均是激发态向基态跃迁时产生的，加入氮气会增加谱线的自吸收过程，从而可能会导致谱线的减弱。

对于氩气N-APPJ，0.1%氮气或氧气的加入使氩原子谱线略微增强，进一步增加氮气的比例反而导致氩原子谱线强度减弱。需要注意的是，在这个过程中包含了许多复杂的机制，辐射的交换现象、自吸现象及连续谱的吸收都会对谱线的强度产生影响。因此，在实验中观测到谱线强度随着氮氧比例的增加呈现复杂且非单调的变化都是意料之中的，具体变化机制有待进一步的研究。(www.xing528.com)

图4.2.5　少量氮气或氧气的加入对N-APPJ在110nm以上范围内辐射光谱的影响[65]

（a）氦气分别掺入N2或O2；（b）氩气分别掺入N2或O2。每个采样点的积分时间均为0.5s

下面对110nm以下的VUV辐射光谱强度控制进行讨论。由于氩气NAPPJ光电离范围内的谱线很弱，因此这里只给出了该范围内氦气N-APPJ加入氮气或氧气时辐射光谱的变化情况。如图4.2.6所示[65]，在纯氦气射流中，58.4nm处有很强的He原子谱线，0.1%氮气的加入导致该谱线明显减弱，但是添加0.1%氧气对其没有明显影响。进一步增加氧气的比例到0.5%，测量到的He原子谱线出现明显的减弱，它和加入0.5%氮气时的强度相近。对于100nm附近的氮谱带来说，加入0.5%的氮气或氧气对这一系列谱线的强度几乎没有影响。

2.大气压空气等离子体的真空紫外光谱

通常认为，空气等离子体中110nm以下范围内的辐射在正流注推进过程中起着重要的作用。但是由于该范围内的光在空气中会被快速吸收，一直以来都没有测量到大气压空气等离子体在该范围内的辐射光谱。在本实验中，放电装置采用大气压直流驱动空气放电，典型的电压、电流波形如图4.2.2（d）所示，图4.2.7为该等离子体在85nm到176nm范围内的辐射光谱[65]。在光电离相关谱线范围内检测到了明显的激发态氮谱线，这些谱线来自氮分子b1Πu、激发态，以及部分氮原子激发态的跃迁谱线，具体激发态在参考文献[58]中有详细的列举。可以看出，和惰性气体尤其是氩气NAPPJ不同，大气压空气放电中检测到的光电离相关范围内的谱线强度很高，它们和110nm以上范围内其他氮氧原子的谱线强度在一个量级。此外，对于大气压空气放电，没有在85nm以下范围测量到明显的谱线。

图4.2.6　少量氮气或氧气的加入对氦气N-APPJ在110nm以下（光电离相关）范围内辐射光谱的影响[65]

（a）55～60nm氦原子谱线；（b）85～105nm氮分子谱线

图4.2.7　直流驱动空气等离子体在85～176nm范围内辐射光谱[65]

每个采样点的积分时间为2s