【摘要】：激光誘導熒光(LIF)診斷技術(shù)作為非侵入式、高選擇、高靈敏的主動光譜診斷手段,在各類等離子裝置中已得到較為廣泛的應用。與燈絲源、射頻源不同,線性磁化等離子體裝置(LMP)現(xiàn)采用氧化物陰極等離子體源,有較強的電子發(fā)射能力,可在弱磁場下產(chǎn)生較高密度的等離子體,具有較高的電離率,且均勻穩(wěn)定、參數(shù)調(diào)控范圍較大,是進行磁場重聯(lián)及其它等離子體物理相關(guān)研究的理想實驗載體。在LMP裝置上搭建LIF診斷系統(tǒng)可對等離子體密度、離子溫度等參量進行測量,配合基礎(chǔ)的探針診斷可開展氧化物陰極放電模式下的相關(guān)物理研究。本文創(chuàng)造性地利用一套脈沖染料激光系統(tǒng),通過自制FPI實現(xiàn)對染料激光器輸出線寬的壓縮及波長的掃描,同時滿足LIF診斷窄帶激光泵浦與PLIF成像寬帶激光泵浦的需求,在LMP裝置上搭建了 LIF診斷與PLIF成像系統(tǒng)。而脈沖激光功率強,時間分辨能力上佳,熒光強度相對較強,無需配置弱信號檢測工具,可將熒光信號放大后直接采集,為實驗帶來了極大的便利。首先,作者通過充分的調(diào)研工作,分析了國內(nèi)外LIF診斷研究成果,詳細討論了 LIF診斷中多種展寬機制對吸收譜線的影響。此后,建立了碘吸收譜測量系統(tǒng),實現(xiàn)了 LIF診斷過程中的泵浦激光波長的實時在線標定,并在LMP裝置上完成了 LIF診斷的軟硬件建設。其次,在氧化物陰極產(chǎn)生的Ar等離子體中,進行了多維的LIF診斷,測量離子速度分布函數(shù),得到離子溫度0.2eV,與理論估計和同類裝置實驗結(jié)果一致。同時,根據(jù)觀測到的離子宏觀流速及極向旋轉(zhuǎn)速度對離子速度分布函數(shù)造成的漂移,實現(xiàn)了對離子宏觀流速的測量及極向旋轉(zhuǎn)速度的估計。最后,通過研究本底熒光強度與中性氣壓、放電電壓、軸向磁場等外部調(diào)控參數(shù)的依賴關(guān)系,分析出在放電持續(xù)過程的不同階段,亞穩(wěn)態(tài)離子的來源不同,與之前文獻結(jié)論不同。氧化物陰極放電過程的認知被加深,有利于對LIF診斷中熒光強度的優(yōu)化調(diào)節(jié),同時為PLIF診斷做好了完善的準備。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP391.41;O53
【圖文】：

邐第一章激光誘導熒光診斷技術(shù)簡介邐逡逑１９７５年，Ｒ．Ｓｔｅｍ和ＪＪｏｈｎｓｏｎ在Ｂｅｌｌ實驗室使用了氬離子激光器來測量氣體逡逑放電管中氬等離子體的離子速度分布函數(shù)和局域密度等且“Ｌａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ逡逑ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ”邋一詞是在該文中首次出現(xiàn)。但由于激光器的線寬大于Ａｒ離子的多逡逑普勒展寬，對離子溫度的診斷，還必須要用精密的光譜儀來測量熒光的光譜展寬。逡逑熒光強度和空間分辨率之間必然存在的平衡問題并未得到解決。逡逑激光誘導熒光診斷逐漸成熟，同時出現(xiàn)了高能量、單縱模輸出的可調(diào)諧染料逡逑激光器，可被用于測量離子流速、離子溫度、磁場及等離子體密度的參數(shù)［４１。而逡逑根據(jù)實驗目的的不同，診斷方式也存在一定差異，相繼發(fā)展出了測量離子速度分逡逑布函數(shù)的診斷方法一一激光誘導熒光散射（ＬＩＦ），以及測量離子密度分布的平面逡逑激光誘導熒光散射（ＰＬＩＦ）及雙光子吸收激光誘導熒光（ＴＡＬＩＦ）邋［５］。逡逑ｐ邋ｐ邋Ｆ邋Ｑ邋ｐ邋ＤＰ邋Ｐ邋Ｆ逡逑

１９９８年在ＵＣ．Ｉｒｖｉｎｅ的Ｉｒｖｉｎｅ邋Ｔｏｒｕｓ裝置的Ａｒ等離子體中，Ｍｃｗｉｌｌｉａｍｓ小組未逡逑選擇更常用的Ａｒ離子的６１１ｎｍ譜線，采用６６８ｎｍ譜線，第一次應用半導體激光逡逑器來作為泵浦激光源，進行ＬＩＦ診斷實驗［７］，如圖１．１。此外，他們還具有類似逡逑于層析成像技術(shù)的診斷，通過旋轉(zhuǎn)入射激光束的方向，得到不同入射方向上速度逡逑空間分布函數(shù)的投影分量，然后重建多維速度空間分布函數(shù)［Ｍ］，并完成了發(fā)散磁逡逑場中的離子錐形成和離子橫場加速的相關(guān)測量Ｕ（Ｈ１１。逡逑而在１９８２年，平面激光誘導熒光成像技術(shù)在３個不同的小組開展了應用，逡逑分別是ＳＲＩ國際分子實驗室的Ｍａｒｋ邋Ｊ．邋Ｄｙｅｒ等人：』，Ｌｕｎｄ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ邋ｏｆ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ逡逑的邋Ｍ．邋Ａｌｄ６ｎ，Ｈ．邋Ｅｄｎｅｒ邋等人一和邋Ｓｔａｎｆｏｒｄ邋大學的邋Ｒｏｎａｌｄ邋Ｋ．邋Ｈａｎｓｏｎ邋等人邋ｌｌ：，主要逡逑的研宄對象是火焰等離子體。此后，他們還^u展了蒸發(fā)氣體成像，燃燒燃料成像，逡逑氣體溫度成像，速度成像，混合的速度／氣壓成像等研究。在１９８６年，ＲｏｎａｌｄＫ．逡逑Ｈａｎｓｏｎ等人徹底完成了邋ＰＬＩＦ成像技術(shù)［１：＼構(gòu)成了現(xiàn)在最常用的ＰＬＩＦ實驗方法

在等離子體物理研宄方面，可測量原子／分子濃度、能級布居數(shù)、粒子速度分布逡逑函數(shù)等參數(shù)及其演化過程，對等離子體物理過程的研究起著重要的作用。逡逑如圖１．３，用三能級系統(tǒng)作為例子，激光誘導熒光診斷的原理可簡單理解為：逡逑以光子能量與特定能級躍遷能量相同的單頻激光入射，被探測的局域體積元內(nèi)的逡逑亞穩(wěn)態(tài)離子受激光泵浦至激發(fā)態(tài)。而激發(fā)態(tài)壽命極短（通常為幾納秒），立刻退逡逑激發(fā)到基態(tài)，同時釋放熒光輻射。由于離子并非絕對靜止的，激光誘導激發(fā)熒光逡逑的過程有多普勒效應的存在。在沿激光傳播方向上，激光頻率有較高的速度選擇逡逑性。單頻激光（叫ａｓｅ￣邐入射，在激光束方向上僅當離子速度與激光逡逑頻率滿足叫ａｓｅｒ＿邋－邋＆ａｓｅ＾邐條件時，離子方可該躍遷能級被泵浦到對應激逡逑發(fā)態(tài)，其中0＞0代表能級躍遷能量對應的光子頻率。入射的激光進行頻率調(diào)諧掃描，逡逑可以等效的認為在離子的速度空間中對激光入射方向上的離子速度分量進行掃逡逑描、而測量掃描過程中的對應熒光強度的變化

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 陳光華;李澤仁;劉俊;劉壽先;彭其先;袁樹云;陽慶國;;具有速度譜分辨能力的角色散FP干涉測量技術(shù)[J];高壓物理學報;2012年04期

2 嚴光耀;林遠齊;秦莉娟;程兆璋;潘佐棣;;氮激光泵浦染料激光器輸出線寬的測量[J];上海師范大學學報(自然科學版);1980年01期

本文編號：2793286