第32卷，第10期 2012年10月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 32, No. 10, pp2601-2604
October, 2012
基于Stark展宽的TIG焊接电弧三维电子密度测量研究
张旺1,2，华学明1.2*，潘成刚1,2，李芳1,2，王
敏1.2
1.上海交通大学材料科学与工程学院焊接工程技术研究所，上海200240 2.上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海200240
要焊接电弧三维电子密度的测量对于焊接质量控制具有重要意义，通过光谱仪采集电弧弦方向特征摘
谱线轮廊，利用多项式拟合对径向采集数据进行降噪及平滑处理，通过Abel逆变换法重新构建径向光谱发射系数谱线轮席，采用傅里叶变换从重建光谱轮席中分离出Lorentz线形，获得Stark展宽，最终计算了
TIG焊电强等离子体电子密度的三维空间分布。关键词
焊接电弧；电子密度；Abel逆变换；Stark展宽
中图分类号：TG403
引言
文献标识码：A
DOI: 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2012)102601-04
密度的三维空间分布。
电弧三维电子密度测量原理
焊接电弧是一种近似柱对称的非均匀等离子体，可以用
一些参数，如电子温度和密度，气体的温度和激发态离子密度)等描述。其径向物理参数梯度大，因此，获取电弧等离子体参数的径向信息，对充分了解电弧深层次的机理非常重要。
目前对电强等离子体电子密度测量的方法主要有汤姆逊散射实验(幻和发射光谱测量法[3.4。汤姆逊散射实验测量方法的优势是它可以准确的获取空间三维中具体某一点的信息，但此种测量的成本高，装置紫杂，难度大。光谱法测量电子密度主要有Sahalβ方程法和Stark展宽法[-9。在使用 Saha方程时必须要确认等离子处于局部热力学平衡状态(LTE)，同时必须先获取等离子体的准确温度分布，但是事实上，实验室的等离子体很难完全满足LTEtuo)，Stark展宽法虽不受LTE状态限制，但与汤姆逊散射相比，测量发射光谱时不能直接获取具体某一点当前位置的发射系数（发射光谱测量得到的强度为弦方向强度的积分)，所以直接测量得到的特征谱轮席计算只能得到等离子体的二维电子密度分布。
本工作利用多项式拟合对径向采集数据进行降噪及平滑处理，通过Abel逆变换法重新构建径向光谱发射系数谱线轮席，采用傅里叶变换从重建光谱轮鹿中分离出Lorentz线形，获得Stark展宽，最终计算了TIG焊电弧等离子体电子
收日期：2012-04-18，修订日期：2012-07-05
基金项目：国家自然科学基金重点项目(51035004)资助
测量得到的光谱轮廊为多种展宽机理的综合结果。对于低温等离子体，其温度大约在20000K左右，主要的展宽机理为Stark效应。测量得到的谱线轮席可以近似为Lorentzi an函数，但是在具体实验环境中其他的一些展宽效应需要被考虑。待别是Doppler效应展宽和仪器展宽。Doppler展宽和仪器展宽符合Gaussian函数分布，实际光谱测量得到谱线轮廊为Gaussian函数和Lorentzian函数的卷积，该谐线轮廊可以表示为Voigt函数(1123
V(A) =
G(X')L( x")d
经傅里叶变换计算可得(0314)
LGWcexp(—Wux1|是W vasNg
2
对式(2)两边取对数可得
InVa)-a-Wix| |-w
2
(1)(2)(3)
式中，α是常数，等式左右两端都是波数的函数，经过最小二乘拟合便可以得到常数a，W,，Wo；Wa，W分别为 Gauss线形和Lorentz线形的半高全宽(FWHM)。
对于非氢类原子如Ar，Stark展宽与电子密度关系如下式s)
作者简介：张旺，1980年生，上海交通大学材料科学与工程学院焊接工程技术研究所博士研究生
e-mail; xmhuasjtu, edu, cn
*通讯联系人
万方数据
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