等离子体光谱诊断实验报告

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1、等离子体光谱诊断姓名：谢新华学号：PB09203247实验题目：光谱诊断ArECR等离子体实验目的：1.了解ECR放电；2.利用等离子体发射光谱分析等离子体中成分，同时利用Ar谱线展宽计算电子温度和密度；3.相邻谱线强度计算电子温度。实验原理：A．ECR放电：当电子在磁场中回旋频率与微波频率相同时，电磁波就可以与回旋电子发生共振相互作用，从而电子能够获得电磁波能量，产生等离子体。其中，生成的等离子体的极限密度可以用公式：nc(m-3)≤0.012f2来计算。B．成分分析：不同原子的发射谱线中存在特征谱线，可以根据发射光谱中存在的分立的线状特征谱分析等离子体中存在的成

2、分。C．电子温度和密度：理想的线谱是极细的线状，但是由于发射原子并不是孤立的，存在与其他原子的相互作用，导致谱线存在展宽。在高密度等离子体中，发射原子与同类原子相互作用，造成共振展宽。而低密度、稀薄等离子体中，辐射原子与非同类原子之间相互作用引起洛伦兹展宽。与带电粒子相互作用则引起斯塔克展宽。此外，辐射离子的无规则运动或者是非热运动还会造成多普勒展宽。一般情况下，当仪器展宽可以忽略时，只需要考虑多普勒展宽和斯塔克展宽。多普勒展宽和原子或离子的温度有关：∆λ=7.68×10-5λKTiM(nm)斯塔克展宽则是洛伦兹型的展宽，与电子的密度相关：Ne=2.5×1014(∆

3、λα12)32D．相邻谱线强度比计算电子温度和密度：如果等离子体处于局部热平衡，即电子分布满足麦氏分布，同时各能级上电子分布满足波尔兹曼分布以及带电粒子密度复合沙哈方程（即此时等离子体激发温度等于电子温度），那么就会有以下关系：本实验中使用光薄模型，对于相同电离态下的不同能级跃迁：KTe=hc(E2-E1）ln（I1I2×v2A2g2v1A1g1)其中，E为电子跃迁能级差，I为谱线相对强度，v为谱线对应频率，A为跃迁几率，g为刚特因子。求出温度之后可以用沙哈方程：nenin0=(2πmeKiT)32h3∙2gig0∙exp⁡(-eEikT)（第一电离态使用来计算电子

4、密度。实验装置：ECR等离子体装置、光谱仪。数据分析：A．利用Ar的特征谱定标后的光谱：（明显谱线为Ar谱线，未标出，其余谱线均已标出）TiTi或NAr或NArTa或XeArFeWArAr或OCCoWTiFeSiFeNeXeNCuNeTiFeTiFeArHeNeNeA．相邻峰计算等离子体电子温度及密度：选用750.3869nm和751.4652nm两条相邻的Ar谱线计算电子温度以及电子密度。谱线位置/nm相对强度跃迁几率Ei/cm-1Ex/cm-1LowerlevelupperlevelgI-gx750.3869200004.45e+0795399.82761087

5、22.61943s23p5(2P°1/2)4s2[1/2]°13s23p5(2P°1/2)4p2[1/2]03-1751.4652150004.02e+0793750.5978107054.27203s23p5(2P°3/2)4s2[3/2]°13s23p5(2P°3/2)4p2[1/2]03-1那么电子温度为：KTe=hc(E2-E1）ln（I1I2×v2A2g2v1A1g1)=h2c2(1λ2-1λ1)ln（I1I2×v2A2v1A1)=（6.63×10-34×3×108）2×(10872262-10705427)In(61768912×10872262×4.4

6、510705427×4.02)=4.48eV使用沙哈方程计算电子密度：ne=C.谱线的分解：Gauss分解：Lorentz分解：Vogit分解：实验结果：本实验中，通过光谱特征峰位置的查找，得到等离子体中的元素成分：Ti、W、Co、C、O、N、Ar、Fe、He、Cu、Ne、Xe、Si、Ta通过相邻峰位置强度的比较，得到电子温度为：4.48eV。利用沙哈方程计算等离子体电子密度为：