一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法技术

本发明专利技术属于等离子体物理领域，针对目前等离子体物理学研究中等离子体中粒子的瞬态分布成像方法存在的问题，公开了一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法。该方法属于理论方法，相比于传统各种实验成像的方法更便捷、更灵活、更全面，适应面更广，可以研究所有粒子种类以及所有波段，可以同时得到等离子体中多种粒子的分布，可以选择合适的步长以满足分辨率要求，并且不会受到不可避免因素的干扰，利于对等离子体动力学演化的深入研究，提高LIBS的定量分析精度及PLD的镀膜质量。定量分析精度及PLD的镀膜质量。定量分析精度及PLD的镀膜质量。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法


[0001]本专利技术属于等离子体物理领域，具体涉及一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法。

技术介绍

[0002]等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子组成，广泛存在于宇宙中，是不同于固体、液体和气体的物质第四态。对于激光诱导击穿光谱(LIBS)、脉冲激光沉积(PLD)等技术，激光诱导产生的瞬态等离子体中各类粒子的分布结构及均匀性，直接关系到LIBS的定量分析精度及PLD的镀膜品质。因此，如何快速获得等离子体中的粒子分布图像尤为关键。
[0003]目前国际上通常采用以下五种等离子体粒子分布成像法：
[0004]1、可调滤波器法，通过在门控相机前放置声光可调滤波器或者液晶可调滤波器来实现波长可选的等离子体成像；
[0005]2、傅里叶变换可见光谱法，通过测量干涉图并进行傅里叶变换后得到全光谱，从而绘制出单一波长处的等离子体图像；
[0006]3、光纤阵列或狭缝扫描成像法，利用小芯径光纤或光谱仪狭缝扫描经透镜放大的等离子体不同部位并采集光谱，获得等离子体粒子分布图像；
[0007]4、窄带滤光片法，利用中心波长与粒子发射谱线波长相近的滤光片来实现等离子体成像；
[0008]5、双波长差分成像法，是在窄带滤光片法的基础上，增加了一个中心波长与粒子发射谱线波长接近但带宽又未覆盖的参考滤光片，通过图像差分去除等离子体的连续背景辐射干扰，得到高信噪比的等离子体粒子分布图像。
[0009]上述等离子体成像方法均有局限性，其中可调滤波器法仅能在可见光波段成像，并且滤波器介质中有较大的光损耗，成像灵敏度差；傅里叶变换可见光谱法无法获得等离子体中粒子的瞬态分布图像，且粒子种类较单一；扫描成像法因空间采样点有限而图像分辨率较低；窄带滤光片法需要依据粒子种类进行滤光片切换，且易受滤光片带宽内其它杂线的干扰；双波长差分成像法则因滤光片的可选性差而可成像的粒子种类非常有限。因此，需要发展宽波段、多种类、快速便捷的等离子体粒子分布成像方法。

技术实现思路

[0010]针对目前等离子体物理学研究中等离子体中粒子的瞬态分布成像方法存在的问题，本专利技术提供了一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法。
[0011]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0012]本专利技术提供了一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1，根据给定的激光参数、样品性质、所处的背景环境以及样品的组成元素选择对应粒子的发射谱线进行分布成像；
[0014]步骤2，建立二维直角坐标系，对选取的计算区域进行网格化处理；
[0015]步骤3，根据给定的样品初始温度，利用数值离散方法求解一维热传导方程，得到激光作用后光斑范围内样品的温度变化；
[0016]步骤4，根据克努森层边界条件耦合样品的蒸发过程与蒸气等离子体的产生过程，利用数值离散方法求解流体动力学方程组，得到膨胀等离子体中粒子数密度n
i
和等离子体温度T；
[0017]步骤5，在局部热平衡下，计算粒子谱线(u
‑
l跃迁)的发射强度I
ul
：
[0018][0019]其中，C是常数，U是配分函数，g
u
、E
u
、A
ul
、λ
ul
分别是上能级的简并度、能量、跃迁概率和波长，k
B
为玻尔兹曼常数；
[0020]步骤6，对各粒子的发射强度进行最大值归一化，再在等离子体对称轴处做出粒子强度归一化分布图，依次找出相邻曲线的交点，以最低交点作为强度零点，绘制各粒子的二维强度分布图；
[0021]步骤7，通过对应位置上各粒子强度分布图的组合以及滤色，得到等离子体中多种粒子的瞬态分布图像。
[0022]进一步，所述步骤2中建立二维直角坐标系，对选取的计算区域进行网格化处理的具体过程为：在样品表面建立二维直角坐标系，平行于样品表面为横轴，垂直于样品表面为纵轴，分别在样品上方以及下方选择合适的平面作为研究区域，然后选择需要的横轴、纵轴网格步长以及时间步长对选定的区域进行网格化处理。
[0023]进一步，所述步骤3中根据给定的样品初始温度，利用数值离散方法求解一维热传导方程，得到激光作用后光斑范围内样品的温度变化的具体过程为：
[0024][0025]其中，c
p
、ρ
t
、λ
t
、R
t
、α、T
t
、v分别是样品的比热容、质量密度、热导率、反射率、吸收系数、温度及蒸发速率，I是到达样品表面的激光功率密度，z是沿着样品内法线的坐标，是偏导数记号，t是时间。
[0026]进一步，所述步骤4中获得膨胀等离子体中粒子数密度n
i
和等离子体温度T的具体过程为：
[0027][0028]其中，ρ、p、e分别是总质量密度、膨胀速度、局部压强与比内能，q是由轫致辐射造成的功率损失，τ、λ分别是粘性应力张量与热导率，α
IB
、α
PI
分别是逆轫致吸收系数与光致电离系数，是梯度算子；
[0029]这里，q、τ、λ可分别表示为：
[0030][0031][0032][0033]式中，n
e
、n
j
分别是电子数密度和离子数密度，m
e
、e
e
、c、k
B
、h分别是电子质量、电子电荷、光速、玻尔兹曼常数与普朗克常数，粒子i的粘性系数；μ'是膨胀粘性系数，δ是克罗内克函数，i、k均表示粒子种类，粒子i的热导率；导率；x
i
是粒子i的数密度分数，n、m
i
、d
i
分别是粒子的总数、粒子i的质量与直径；
[0034]公式(2)中，α
IB
、α
PI
可分别表示为：
[0035][0036]αPI＝10
‑
17
n0exp(
‑
ε/kBT)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0037]其中，υ是激光频率，Q是截面，为10
‑
36
cm5，n0是原子数密度，z
j
是电荷数，ε是最低激发能；
[0038]公式(2)中，p、e可分别表示为：
[0039][0040][0041]其中，ρ
i
，M
i
是粒子i的质量密度与摩尔质量，IP
j
代表电离势，R是普适气体常数。
[0042]与现有技术相比本专利技术具有以下优点：
[0043]本专利技术为等离子体中多种粒子的瞬态分布成像提供了一种理论方法，相比于传统各种实验成像的方法更便捷、更灵活、更全面，适应面更广，可以研究所有粒子种类以及所有波段，可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据给定的激光参数、样品性质、所处的背景环境以及样品的组成元素选择对应粒子的发射谱线进行分布成像；步骤2，建立二维直角坐标系，对选取的计算区域进行网格化处理；步骤3，根据给定的样品初始温度，利用数值离散方法求解一维热传导方程，得到激光作用后光斑范围内样品的温度变化；步骤4，根据克努森层边界条件耦合样品的蒸发过程与蒸气等离子体的产生过程，利用数值离散方法求解流体动力学方程组，得到膨胀等离子体中粒子数密度n
i
和等离子体温度T；步骤5，在局部热平衡下，计算粒子谱线，u
‑
l跃迁的发射强度I
ul
：其中，C是常数，U是配分函数，g
u
、E
u
、A
ul
、λ
ul
分别是上能级的简并度、能量、跃迁概率和波长，k
B
为玻尔兹曼常数；步骤6，对各粒子的发射强度进行最大值归一化，再在等离子体对称轴处做出粒子强度归一化分布图，依次找出相邻曲线的交点，以最低交点作为强度零点，绘制各粒子的二维强度分布图；步骤7，通过对应位置上各粒子强度分布图的组合以及滤色，得到等离子体中多种粒子的瞬态分布图像。2.根据权利要求1所述的一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法，其特征在于，所述步骤2中建立二维直角坐标系，对选取的计算区域进行网格化处理的具体过程为：在样品表面建立二维直角坐标系，平行于样品表面为横轴，垂直于样品表面为纵轴，分别在样品上方以及下方选择合适的平面作为研究区域，然后选择需要的横轴、纵轴网格步长以及时间步长对选定的区域进行网格化处理。3.根据权利要求1所述的一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法，其特征在于，所述步骤3中根据给定的样品初始温度，利用数值离散方法求解一维热传导方程，得到激光作用后光斑范围内样品的温度变化的具体过程为：其中，c
p
、ρ
t
、λ
t
、R
t
、α、T
t
、v分别是样品的比热容、质量密度、热导率、反...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊霄，张雷，张帅，苏永刚，尹王保，肖连团，贾锁堂，
申请(专利权)人：山西格盟中美清洁能源研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：