本文主要研究内容
作者吴鼎（2019）在《纳秒激光烧蚀托卡马克装置高z壁材料等离子体动力学演化诊断研究》一文中研究指出：激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术目前己应用于EAST托卡马克的第一壁元素原位在线诊断,包括壁的锂化、杂质沉积、等离子体燃料滞留等多种等离子体与壁相互作用(Plasma Wall Interaction,PWI)过程。目前基于LIBS技术对面向等离子体材料(Plasma Facing Materilas,PFMs)的诊断,尤其是原位在线的诊断仍处于定性分析阶段,LIBS精确定量分析是其目前的主要挑战。实现准确定量分析的一个关键因素是对激光烧蚀以及激光等离子体在不同条件下动力学行为的深入理解,从而为建立合适的具有准确物理意义的定量模型提供实验和理论支撑。针对LIBS诊断PWI技术瓶颈,为最终实现准确定量分析奠定实验和理论基础,本文开展开了对纳秒激光烧蚀高Z壁材料等离子体动力学演化基本物理过程的细致研究工作。研究手段包括光谱、快速成像和质谱三种方法,对等离子体羽辉、等离子体中瞬态电子、原子、一价离子和多电荷态离子在不同条件下的动力学演化进行了研究分析,具体内容如下:第二章,研究了在高真空条件下等离子体辐射从纳秒到微秒跨越3个量级的时间尺度演化特性。研究发现,在高真空环境下激光烧蚀产生的钨(W)等离子体演化的不同阶段中,多种辐射机制存在:连续背景辐射主导时间段为10-100 ns,离子谱线主导时间段为60-300 ns,原子谱线主导时间段为100-800 ns。测量发现获得最优分立光谱信号的探测门延迟时间应在100 ns。在100 ns时,W等离子体中电子密度可达4×1017 Cm-3,电子温度可达1.3 eV,且随着等离子体膨胀不断降低。发现激光诱导W等离子体产生初期200 ns以内,等离子体电离率在90%以上。第三章,细致研究了环境气压(真空到大气压)、外加磁场对激光诱导等离子体光谱发射以及等离子体羽辉膨胀动力学演化过程的影响。在3.5×10-5 mbar到大气压的范围内,W等离子体的连续背景辐射、离子谱线、原子谱线强度均在0.1 mbar开始明显增强,并且连续背景辐射强度随着气压升高呈现单调递增的趋势,而离子谱线和原子谱线强度在几十mbar气压下取得最大值。连续背景辐射到达峰值的时刻(约25 ns)几乎不随气压发生明显变化。离子谱线和原子谱线强度对应峰值时刻则随着气压增加而滞后。快速成像实验结果表明在1 mbar左右,等离子体形状最规则,而光谱信号质量也在lmbar最高。随着环境气压增加,环境气体的约束作用导致等离子体尺寸变小,等离子体的电子温度和电子密度随着气压升高而增加,等离子体发光时间变长。在环境气体作用下,等离子体羽辉呈现复杂特征,如等离子体羽辉约束,等离子体分裂,冲击波变形等。在高真空及磁场环境下,连续背景辐射几乎不受磁场影响,W离子和原子谱线强度则分别在200 ns、400 ns之后被磁场显著增强,并且发现磁场使得W离子和W原子输运速度分别降为原来1/4和1/2。快速成像表明磁场使等离子体的膨胀速度降为原来的近1/3。与无磁场的情况相比,光谱发射的增强与有磁场时更高的电子密度和电子温度有关。第四章,研究了激光诱导等离子体中的“瞬态电子”、一价离子和原子在不同气压下的时空动力学演化行为。实验结果发现,随着环境气压升高,从0.1 mbar开始出现了两个截然不同的过程:“快过程”(<50 ns)和“慢过程”(>100 ns)。“快过程”对应激光烧蚀过程中产生的“瞬态电子”对环境气体的碰撞激发和电离的辐射;“慢过程”对应激光烧蚀产生的主等离子体的形成和扩张。在0.1 mbar到大气压范围内,激光诱导W等离子体产生的“瞬态电子”能量可超过20 eV。利用时空分辨光谱和快速成像技术,细致研究了纳秒激光诱导W等离子体中“瞬态电子”、一价离子和原子以及等离子体羽的时空演化动力学过程。研究发现10 mbar下,激光诱导W等离子体过程呈现四个时间尺度:瞬态电子发射、连续辐射、离子辐射和原子辐射,对应时间尺度分别为1-20 ns,10-100 ns,50-1000 ns和100-2000 ns。发现了“瞬态电子”的半球状分布特征以及“瞬态电子”和离子之间的空间分离现象,证明靶材表面烧蚀区域附近“瞬态等离子体鞘层”的存在。第五章,采用光谱和质谱方法对激光诱导高Z材料W和Mo等离子体中原子、一价离子和多电荷态离子开展了详细的诊断研究。重点利用飞行时间质谱研究了激光烧蚀等离子体中多电荷态离子的动力学特性。系统地研究了不同激光功率密度下多电荷离子的电荷态分布,时间演化以及多电荷态离子的空间分布,多电荷态离子的速度和能量分布。对多电荷态离子的产生机理,离子加速机制进行了探讨。结果表明纳秒激光烧蚀高Z材料,诱导产生的W和Mo等离子体中不仅存在原子和一价离子,还存在多电荷态离子,价态可高达7价。多电荷态离子的时间演化遵循Shifted-Maxwell Boltzmann(SMB)分布。多电荷态离子在膨胀过程中的速度与电荷态呈正相关,即电荷态越高速度越快。随着激光功率密度的增加,出现的电荷态数目随之增加,离子速度和能量也不断升高,并且每个电荷态离子的出现对应不同的激光功率密度阂值,并发现激光功率密度增加时,离子能量饱和现象。发现多电荷态离子的产生是由于在激光等离子体相互作用过程中等离子体屏蔽和吸收引起的逐步电离过程。多电荷态离子的加速机制归因于激光烧蚀过程中“瞬态等离子体鞘层”的加速作用。基于Saha电离平衡方程,推测在激光功率密度为10GW/Cm2时候等离子体从开始到百纳秒内时间范围,电子密度从约1021 Cm-3迅速下降到1018cm-3,电子温度从约12eV迅速下降到2eV。
Abstract
ji guang you dao ji chuan guang pu (Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)ji shu mu qian ji ying yong yu EASTtuo ka ma ke de di yi bi yuan su yuan wei zai xian zhen duan ,bao gua bi de li hua 、za zhi chen ji 、deng li zi ti ran liao zhi liu deng duo chong deng li zi ti yu bi xiang hu zuo yong (Plasma Wall Interaction,PWI)guo cheng 。mu qian ji yu LIBSji shu dui mian xiang deng li zi ti cai liao (Plasma Facing Materilas,PFMs)de zhen duan ,you ji shi yuan wei zai xian de zhen duan reng chu yu ding xing fen xi jie duan ,LIBSjing que ding liang fen xi shi ji mu qian de zhu yao tiao zhan 。shi xian zhun que ding liang fen xi de yi ge guan jian yin su shi dui ji guang shao shi yi ji ji guang deng li zi ti zai bu tong tiao jian xia dong li xue hang wei de shen ru li jie ,cong er wei jian li ge kuo de ju you zhun que wu li yi yi de ding liang mo xing di gong shi yan he li lun zhi cheng 。zhen dui LIBSzhen duan PWIji shu ping geng ,wei zui zhong shi xian zhun que ding liang fen xi dian ding shi yan he li lun ji chu ,ben wen kai zhan kai le dui na miao ji guang shao shi gao Zbi cai liao deng li zi ti dong li xue yan hua ji ben wu li guo cheng de xi zhi yan jiu gong zuo 。yan jiu shou duan bao gua guang pu 、kuai su cheng xiang he zhi pu san chong fang fa ,dui deng li zi ti yu hui 、deng li zi ti zhong shun tai dian zi 、yuan zi 、yi jia li zi he duo dian he tai li zi zai bu tong tiao jian xia de dong li xue yan hua jin hang le yan jiu fen xi ,ju ti nei rong ru xia :di er zhang ,yan jiu le zai gao zhen kong tiao jian xia deng li zi ti fu she cong na miao dao wei miao kua yue 3ge liang ji de shi jian che du yan hua te xing 。yan jiu fa xian ,zai gao zhen kong huan jing xia ji guang shao shi chan sheng de wu (W)deng li zi ti yan hua de bu tong jie duan zhong ,duo chong fu she ji zhi cun zai :lian xu bei jing fu she zhu dao shi jian duan wei 10-100 ns,li zi pu xian zhu dao shi jian duan wei 60-300 ns,yuan zi pu xian zhu dao shi jian duan wei 100-800 ns。ce liang fa xian huo de zui you fen li guang pu xin hao de tan ce men yan chi shi jian ying zai 100 ns。zai 100 nsshi ,Wdeng li zi ti zhong dian zi mi du ke da 4×1017 Cm-3,dian zi wen du ke da 1.3 eV,ju sui zhao deng li zi ti peng zhang bu duan jiang di 。fa xian ji guang you dao Wdeng li zi ti chan sheng chu ji 200 nsyi nei ,deng li zi ti dian li lv zai 90%yi shang 。di san zhang ,xi zhi yan jiu le huan jing qi ya (zhen kong dao da qi ya )、wai jia ci chang dui ji guang you dao deng li zi ti guang pu fa she yi ji deng li zi ti yu hui peng zhang dong li xue yan hua guo cheng de ying xiang 。zai 3.5×10-5 mbardao da qi ya de fan wei nei ,Wdeng li zi ti de lian xu bei jing fu she 、li zi pu xian 、yuan zi pu xian jiang du jun zai 0.1 mbarkai shi ming xian zeng jiang ,bing ju lian xu bei jing fu she jiang du sui zhao qi ya sheng gao cheng xian chan diao di zeng de qu shi ,er li zi pu xian he yuan zi pu xian jiang du zai ji shi mbarqi ya xia qu de zui da zhi 。lian xu bei jing fu she dao da feng zhi de shi ke (yao 25 ns)ji hu bu sui qi ya fa sheng ming xian bian hua 。li zi pu xian he yuan zi pu xian jiang du dui ying feng zhi shi ke ze sui zhao qi ya zeng jia er zhi hou 。kuai su cheng xiang shi yan jie guo biao ming zai 1 mbarzuo you ,deng li zi ti xing zhuang zui gui ze ,er guang pu xin hao zhi liang ye zai lmbarzui gao 。sui zhao huan jing qi ya zeng jia ,huan jing qi ti de yao shu zuo yong dao zhi deng li zi ti che cun bian xiao ,deng li zi ti de dian zi wen du he dian zi mi du sui zhao qi ya sheng gao er zeng jia ,deng li zi ti fa guang shi jian bian chang 。zai huan jing qi ti zuo yong xia ,deng li zi ti yu hui cheng xian fu za te zheng ,ru deng li zi ti yu hui yao shu ,deng li zi ti fen lie ,chong ji bo bian xing deng 。zai gao zhen kong ji ci chang huan jing xia ,lian xu bei jing fu she ji hu bu shou ci chang ying xiang ,Wli zi he yuan zi pu xian jiang du ze fen bie zai 200 ns、400 nszhi hou bei ci chang xian zhe zeng jiang ,bing ju fa xian ci chang shi de Wli zi he Wyuan zi shu yun su du fen bie jiang wei yuan lai 1/4he 1/2。kuai su cheng xiang biao ming ci chang shi deng li zi ti de peng zhang su du jiang wei yuan lai de jin 1/3。yu mo ci chang de qing kuang xiang bi ,guang pu fa she de zeng jiang yu you ci chang shi geng gao de dian zi mi du he dian zi wen du you guan 。di si zhang ,yan jiu le ji guang you dao deng li zi ti zhong de “shun tai dian zi ”、yi jia li zi he yuan zi zai bu tong qi ya xia de shi kong dong li xue yan hua hang wei 。shi yan jie guo fa xian ,sui zhao huan jing qi ya sheng gao ,cong 0.1 mbarkai shi chu xian le liang ge jie ran bu tong de guo cheng :“kuai guo cheng ”(<50 ns)he “man guo cheng ”(>100 ns)。“kuai guo cheng ”dui ying ji guang shao shi guo cheng zhong chan sheng de “shun tai dian zi ”dui huan jing qi ti de peng zhuang ji fa he dian li de fu she ;“man guo cheng ”dui ying ji guang shao shi chan sheng de zhu deng li zi ti de xing cheng he kuo zhang 。zai 0.1 mbardao da qi ya fan wei nei ,ji guang you dao Wdeng li zi ti chan sheng de “shun tai dian zi ”neng liang ke chao guo 20 eV。li yong shi kong fen bian guang pu he kuai su cheng xiang ji shu ,xi zhi yan jiu le na miao ji guang you dao Wdeng li zi ti zhong “shun tai dian zi ”、yi jia li zi he yuan zi yi ji deng li zi ti yu de shi kong yan hua dong li xue guo cheng 。yan jiu fa xian 10 mbarxia ,ji guang you dao Wdeng li zi ti guo cheng cheng xian si ge shi jian che du :shun tai dian zi fa she 、lian xu fu she 、li zi fu she he yuan zi fu she ,dui ying shi jian che du fen bie wei 1-20 ns,10-100 ns,50-1000 nshe 100-2000 ns。fa xian le “shun tai dian zi ”de ban qiu zhuang fen bu te zheng yi ji “shun tai dian zi ”he li zi zhi jian de kong jian fen li xian xiang ,zheng ming ba cai biao mian shao shi ou yu fu jin “shun tai deng li zi ti qiao ceng ”de cun zai 。di wu zhang ,cai yong guang pu he zhi pu fang fa dui ji guang you dao gao Zcai liao Whe Modeng li zi ti zhong yuan zi 、yi jia li zi he duo dian he tai li zi kai zhan le xiang xi de zhen duan yan jiu 。chong dian li yong fei hang shi jian zhi pu yan jiu le ji guang shao shi deng li zi ti zhong duo dian he tai li zi de dong li xue te xing 。ji tong de yan jiu le bu tong ji guang gong lv mi du xia duo dian he li zi de dian he tai fen bu ,shi jian yan hua yi ji duo dian he tai li zi de kong jian fen bu ,duo dian he tai li zi de su du he neng liang fen bu 。dui duo dian he tai li zi de chan sheng ji li ,li zi jia su ji zhi jin hang le tan tao 。jie guo biao ming na miao ji guang shao shi gao Zcai liao ,you dao chan sheng de Whe Modeng li zi ti zhong bu jin cun zai yuan zi he yi jia li zi ,hai cun zai duo dian he tai li zi ,jia tai ke gao da 7jia 。duo dian he tai li zi de shi jian yan hua zun xun Shifted-Maxwell Boltzmann(SMB)fen bu 。duo dian he tai li zi zai peng zhang guo cheng zhong de su du yu dian he tai cheng zheng xiang guan ,ji dian he tai yue gao su du yue kuai 。sui zhao ji guang gong lv mi du de zeng jia ,chu xian de dian he tai shu mu sui zhi zeng jia ,li zi su du he neng liang ye bu duan sheng gao ,bing ju mei ge dian he tai li zi de chu xian dui ying bu tong de ji guang gong lv mi du he zhi ,bing fa xian ji guang gong lv mi du zeng jia shi ,li zi neng liang bao he xian xiang 。fa xian duo dian he tai li zi de chan sheng shi you yu zai ji guang deng li zi ti xiang hu zuo yong guo cheng zhong deng li zi ti bing bi he xi shou yin qi de zhu bu dian li guo cheng 。duo dian he tai li zi de jia su ji zhi gui yin yu ji guang shao shi guo cheng zhong “shun tai deng li zi ti qiao ceng ”de jia su zuo yong 。ji yu Sahadian li ping heng fang cheng ,tui ce zai ji guang gong lv mi du wei 10GW/Cm2shi hou deng li zi ti cong kai shi dao bai na miao nei shi jian fan wei ,dian zi mi du cong yao 1021 Cm-3xun su xia jiang dao 1018cm-3,dian zi wen du cong yao 12eVxun su xia jiang dao 2eV。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自大连理工大学的吴鼎，发表于刊物大连理工大学2019-07-19论文，是一篇关于激光诱导击穿光谱论文,飞行时间质谱论文,瞬态电子论文,瞬态等离子体鞘层论文,多电荷态离子论文,大连理工大学2019-07-19论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自大连理工大学2019-07-19论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
标签：激光诱导击穿光谱论文; 飞行时间质谱论文; 瞬态电子论文; 瞬态等离子体鞘层论文; 多电荷态离子论文; 大连理工大学2019-07-19论文;