中间层与低热层区域(mesosphere and lower thermosphere, MLT)处于中性大气与电离层大气之间的过渡区域, 也是中高层大气中一个重要的耦合区域。 基于自主研发的中间层顶气辉光谱光度计(mesopause airglow spectral photometer, MASP), 对其探测转动温度的反演方法进行了详细研究。 MASP的整个探测系统包括光阑、 消色差双胶合透镜、 窄带干涉滤光片、 镜头、 制冷CCD探测器, 元件之间通过黑色氧化铝套筒连接, 利用金属支架和精密的卡环将套筒和CCD探测器固定在面包板上。 外壳具有良好的隔热性能, 并配有低功率半导体TEC空调, 保证恒温在(23±0.5) ℃。 MASP的视场角为±13.6°, 探测高度为94 km左右, 观测视角投影在该高度上的天顶方向的区域直径约为44 km, 探测目标为该区域内厚度约为3~6 km气辉层的平均温度。 基于仪器的光学原理、 气辉O2(0-1)带的光谱特征以及标定后各项仪器参数, 构建了正演模型, 并从正演图像中计算出了合成光谱。 给出了反演算法的详细流程, 包括暗噪声、 宇宙射线、 月光图像和连续光谱背景杂散光的剔除方法, 同时提供了实际观测合成光谱的计算方法, 温度反演流程及其误差的评估。 2018年9月开始在南京信息工程大学观测场平台进行连续观测, 目前已经获得多组高质量的数据。 文中的观测实例展示了2次完整夜间的观测个例, 以及2018年10月间13组有效数据的平均值, 其整体变化趋势显示观测温度分布在170~220 K之间, 误差范围在±1.8~±4.3 K之间。 通过与MSISE00经验模型的数据进行对比, 温度趋势具有良好的一致性, 从而验证了反演方法的有效性和准确性。 MASP结构紧凑, 性能稳定, 后期易于维护, 适用于多台站组网观测。
光谱光度计 转动温度 气辉 反演 Spectrum photometer Rotational temperature Airglow Inversion algorithm 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3002
1 太原科技大学 应用科学学院, 太原 030024
2 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 太原 030051
为了研究CN自由基B2Σ+~X2Σ+光谱及温度随着条件的变化规律, 采用激光诱导击穿光谱的方法, 击穿空气环境下的高纯石墨产生CN自由基, 并用高分辨率光谱仪测量其B2Σ+~X2Σ+的发射光谱, 改变激光能量和激光焦点位置研究不同条件下的CN自由基光谱。结果表明, 激光能量从30mJ调谐到50mJ, 增加步长为5mJ, 光谱强度随着激光能量的增大变强; 单脉冲能量为50mJ时光谱强度达到最大值; 此外, 测量光谱在样品上表面到焦点距离为8mm时, 信噪比达到最大值; 利用LIFBASE软件对光谱数据进行拟合, 得出CN自由基的振动温度的量级约为104K, 转动温度约为4000K; CN自由基的振动温度随着距离的增加整体呈现下降的趋势, 而转动温度呈现上升的趋势。这些结果对研究宇宙星体和探索高温化学反应有重要作用。
激光光学 激光诱导击穿光谱技术 CN自由基 振动温度 转动温度 laser optics laser-induced breakdown spectroscopy technology CN radical vibrational temperature rotational temperature
北京科技大学能源与环境工程学院, 冶金工业节能减排北京市重点实验室, 北京 100083
为了获得可燃气体的放电及等离子体发射光谱特性, 进一步揭示等离子体助燃作用下燃料在稀燃状态的点火与燃烧特性, 在常压下以氩气作为载气对预混的甲烷和空气进行放电研究。 实验基于平行板电极射频(13.56 MHz)介质阻挡放电的等离子体发生装置, 首先在常压下对体积分数为90%氩气/10%空气的混合气体开展放电研究; 再在90%氩气含量不变的情况下, 调节空气含量并加入与之能形成燃烧化学当量比Φ＝1的甲烷, 氩气/甲烷/空气的混合气体同样能实现稳定而均匀的放电; 最后分别在90%氩气含量不变, 甲烷和空气在当量比为Φ＝0.4～1.9六种情况下进行放电实验。 由光谱仪记录不同放电工况下的发射光谱信息, 诊断反应产物类型, 利用观测到的氮分子第二正带系(0-2)380.4 nm和(1-3)375.4 nm处的发射谱线, 与自编程序计算的模拟谱线拟合, 得出分子转动温度(即气体温度)。 研究结果表明: 通过拟合模拟光谱与实验所测发射光谱的方法推测分子转动温度, 进而获得气体的平动温度, 氩气/空气放电的气体温度可达到1 150 K, 氩气/甲烷/空气Φ＝1时放电气体温度升高到1 390 K; 甲烷与空气形成不同当量比时, 所测等离子体气体温度相对于90%氩气/10%空气混合气体温度的温升在70～240 K范围变化; 由光谱信息观测到CH, H, OH和CH2O等活性粒子的存在以及气体温度的升高, 表明可燃成分混合气在射频电场放电作用下发生等离子体燃烧化学反应并释放出化学热。
等离子体助燃 射频介质阻挡放电 发射光谱 转动温度 Plasma assisted combustion Radio frequency dielectric barrier discharge Emission spectrum Rotational temperature 光谱学与光谱分析
2017, 37(4): 1237
河北大学物理科学与技术学院, 河北省光电信息材料重点实验室, 河北 保定071002
利用同轴介质阻挡放电喷枪, 通过氩气的流动在大气压空气中产生了均匀的等离子体羽。 等离子体羽沿气流方向较为均匀, 但在喷嘴处为白色且亮度较高, 远离喷嘴处为蓝色, 亮度较低。 研究了等离子体羽长度与外加电压幅值、 驱动频率和气体流速的关系, 气流小于4 L·min-1时等离子羽的长度随气流的增大而增大, 而当气流大于4 L·min-1时长度随气流的增大而减小。 当气流保持恒定时, 等离子体羽的长度随外加电压幅值或驱动频率的增大而增大。 结合气体放电理论以及分析湍流和平流对放电的影响, 对等离子体羽长度随实验参数的变化进行了定性解释。 光学方法研究发现在外加电压正半周期等离子羽有一个发光脉冲, 而负半周期没有发光信号。 同轴介质阻挡放电正半周期有两个发光脉冲, 负半周期有一个发光脉冲。 通过对该N2现象的分析, 为等离子体羽的产生机制提供了一种可能的解释。 采集了同轴介质阻挡放电和等离子体羽的发射光谱, 研究发现除等离子体羽存在明显的OH和N2的发射谱线外, 其发射光谱没有明显差别。 利用光学发射谱N+2第一负带系, 对等离子体羽转动温度进行了测量, 发现转动温度沿远离喷嘴的方向逐渐降低, 且转动温度随电压幅值的增大而增大。
同轴介质阻挡放电 等离子体喷枪 光学发射谱 转动温度 Coaxial dielectric barrier discharge Plasma jet Optical emission spectrum Rotational temperature 光谱学与光谱分析
2014, 34(6): 1469
1 中国工程物理研究院 应用电子学研究所, 高功率微波技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
2 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学), 武汉 430074
通过发射光谱测量和拟合不同的微波脉宽和气压下C波段微波放电的氮气等离子体振动温度、转动温度和电子激发温度。气压在266～400 Pa时, 等离子体的振动温度为(2700±100) K, 电子激发温度为(0.32 ±0.015) eV, 转动温度随脉宽增加而上升, 实验中测得的最大转动温度为370 K。偏离266～400 Pa时, 振动温度和电子激发温度同时出现了下降的趋势, 而转动温度出现了上升的趋势。这意味着电子激发温度和振动温度具有很强的关联性。
振动温度 转动温度 电子激发温度 微波脉冲放电 光谱测量 vibrational temperature rotational temperature electronic excitation temperature microwave-pulsed discharge spectrum measurement 强激光与粒子束
2014, 26(2): 023004
河北大学物理科学与技术学院 河北 保定 071002
利用空心针板放电装置，在大气压环境下，得到了1.6 cm长的氩气射流等离子体弧。利用射流等离子体的发射光谱，研究了等离子体转动温度、分子振动温度及电子激发温度的空间分布。沿等离子体弧采集了空间不同位置的300~800 nm范围内的发射光谱，光谱主要成份为氩原子谱线及氮分子第二正带系谱线，另外还包括微弱的氮分子离子以及OH－谱线。利用LIFBASE数据库对OH－谱线进行拟合，得到了转动温度，结果表明，沿着等离子体弧转动温度基本不变。利用氮分子第二正带谱线计算了振动温度，发现振动温度从弧根到弧梢先降低然后逐渐升高。利用氩原子谱线计算了电子激发温度，电子激发温度空间分布与振动温度相同。
光谱学 射流等离子体 转动温度 振动温度 电子激发温度
1 东华大学理学院, 上海 201620
2 东华大学磁约束核聚变教育部研究中心, 上海 201620
通过发射光谱对大气压氦等离子体射流三个不同位置进行测量, 并采用光谱拟合获得氮气分子振转温度的方法, 研究了放电电压和气体流量以及离喷口的距离对射流的温度和化学活性的影响。发现大气压等离子体射流的气体温度和振动温度均随着放电电压增加而升高, 随着气体流量的增大而降低, 随着离喷口距离的增加而降低并逐步趋于稳定。通过对等离子体射流中振动温度的变化趋势并结合活性成分氧原子光谱强度的变化证实了等离子体射流的活性亦随着气体流量及离喷口距离的增大而降低, 随着放电电压增加而升高的结论。
大气压等离子体射流 发射光谱 振转温度 Atmospheric plasma jet Optical emission spectroscopy Vibrational and rotational temperature
清华大学热能工程系, 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室, 北京100084
基于NO分子的双重态能级结构特性, 利用分子光谱理论分析和计算了NO分子γ带系(A2Σ+→X2Πr)的发射光谱, 并通过电晕放电实验光谱进行验证。 理论上计算了NO高低能级的双重电子态的能级分布, 同时利用r质心近似法求取了能级间跃迁的电偶极矩函数, 并得到了不同振动、 转动能级间的爱因斯坦跃迁概率, 然后计算出不同振动温度和转动温度条件下谱线的强度分布。 最后进行NO和N2混合气体的电晕放电实验, 通过将实验发射光谱同理论计算结果进行对比分析, 确定了NO分子的振动温度和转动温度。
NO分子 发射光谱 电晕放电 振转温度 Nitric oxide Emission spectroscopy Corona discharge Vib-rotational temperature 光谱学与光谱分析
2012, 32(5): 1153
大连理工大学物理与光电工程学院， 辽宁 大连116024
实验中在大气压下在射频（13.56 MHz）容性耦合的平板形金属电极的构型中实现了氩/氮射频α模式的辉光放电。 首先， 采用发射光谱的方法测量了氮分子(C 3Πu)谱线随氮气含量的变化； 其次， 使用玻耳兹曼斜率法估算了OH谱带(A 2Σ+→X 2Π)的转动温度， 并得到等离子体温度随输入功率的变化规律。 最后， 选取氮的第二正带(C 3Πu→B 3Πg)的三组顺序带组对分子的振动温度进行了研究。 实验结果表明: 随着氮气流量的增加， 氮分子谱线强度值先增加后减小， 并在氮气流量为80 mL·min-1附近达到极大值； 气体温度随着输入功率的增加而增加， 当输入功率从30 W增加到210 W时， 对应的气体温度从342 K增加到523 K； 随着掺入氮气的流量从30 mL·min-1增加到140 mL·min-1时， 振动温度保持在1 800 K值附近基本上不受影响。
大气压射频辉光放电 玻耳兹曼斜率法 转动温度 振动温度 Atmospheric-pressure radio-frequency glow discharg Boltzmann plot method Rotational temperature Vibrational temperature 光谱学与光谱分析
2011, 31(11): 2891
河北大学物理科学与技术学院， 河北 保定071002
利用介质阻挡放电装置， 在低气压空气中得到了均匀放电， 并采用光谱法， 研究了放电等离子体温度的空间均匀性。 实验采集了氮分子光谱， 采用氮分子第二正带系C3Πu→B3Πg计算振动温度； 采用氮分子离子第一负带系B2Σ+u→X2Σ+g计算转动温度(气体温度)。 实验发现， 振动温度随电压增加而减小， 而转动温度随电压增加而增大。 等离子体振动温度和转动温度在空间上的涨落幅度均随电压增加而减小， 说明放电的均匀性随电压增加而逐步加强。 上述结果对于空气均匀放电等离子体在材料处理应用具有重要意义
均匀放电 振动温度 转动温度 Uniform discharge Vibrational temperature Rotational temperature
