第34卷，第12期 2014年12
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 34,No.12 -pp3374-3379
December: 2014
非平衡态Ti-H等离子体发射光谱的双温度诊断研究
邓春凤：卢彪，伍春雷，汪一夫，温中伟中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳621900
摘要单次脉冲工作的真空弧离子源，采用金属钛吸附氢形成的Ti-H固溶体作阴极，生成的等离子体同时包含金属钛和氢的成分，且在径向、横向以及时间尺度上都存在梯度，整个体系处于非平衡状态，不能用一个统一的温度来描述。假设由电子组成的子系统和由其他重粒子组成的子系统分别达到平衡，即Ti-H等离子体由电子温度和重粒子温度两个温度来描述，为双温度等离子体。采用Culdberg-Waage解离方程和 Saha电离方程分别对系统中的分子解离和原子电离过程进行描述，结合等离子体电荷准中性条件，同时引入原子发射光谱这一无十扰的等离子体诊断方法，对Ti-H等离子体的温度和粒子数密度进行诊断。在 MATLAB环境下，同时考虑金属Ti原子和一价Ti离子的电离，计算结果显示：根据谱线的斯塔克展宽确定的电子密度进行计算，除重粒子温度和氢气分子的数密度之外，其他的参数均可得到较准确的诊断结果；电子密度数值的准确性对计算结果有很大的影响；如果能够在计算之前确定重粒子温度，则可对Ti-H等离子体的温度和粒子数密度进行准确的定量分析，
关键词双温度；发射光谱：Culdberg-Waage解离方程：Saha电离方程；准电中性
中图分类号：0433.4
引言
文献标识码：A
DOI : 10, 3964 /j issn. 1000-0593(2014 )12-3374-06
的质量作用定律，对氮气等离子体和SF。等离子体的热力学参数（包括质量密度、定压比热、熔值、嫡值)和输运参数(包括扩散系数、热导率、电导率、粘滞系数)进行了计算。
非热力学平衡态等离子体中，有一种特殊情况：等离子体中某一种类的粒子:组成的子系统，可以优先于整个系统到达平衡态，其状态参量可由一个温度（T)描述。根据碰撞理论，质量越小的粒子，越容易达到平衡。因此，在等离子体中，质量最轻的电子将优先于其他较重的粒子，率先达到热力学平衡。为简化起见，将电子以外粒子的温度统一，认为非平衡态等离子体的状态由电子温度同重粒子温度两个温度描述，即双温度情况。
近年来，基于对等离子体粒子碰撞过程的电、力作用的分析，建立了一系列描述双温度等离子体的模型。如Po-tapov模型，Eindhoven模型.2]，基于化学反应动力学的模型"和基于最小吉布斯自由熔原理的模型等。其中，Eind-hoven模型既有Potapov模型原有的优点，又能推广应用于多温度等离子体的参数计算，计算量相对较小4。华中科技大学的减春艳等采用Eindhoven模型的Saha方程，对纯N 电弧等离子体、混有少量Cu蒸汽的高纯N电弧等离子体的粒子数密度进行了计算。西安交通大学的王伟宗等结合等离子体元素化学计量守恒、道尔顿分压定律、Eindhoven模型
收稿日期：2014-04-04，修订日期：2014-08-10
均获得了不错的结果
本研究的对象是单次脉冲工作的真空弧离子源生成的等离子体，采用金属钛吸附氢形成的Ti-H固溶体作阴极材料。在放电过程中，阴极斑处同时存在钛金属的蒸发和氢气的释放，形成的等离子体中，包含金属钛和氢的成分。加之放电在真空中进行，这样的等离子体在径向、横向以及时间尺度上都存在梯度，整个体系处于非平衡状态，不能用一个统一的温度来描述。假设Ti-H等离子体满足双温度条件，引人原子发射光谱这种无十扰的等离子体诊断方法，结合等离子体的电荷准中性条件和Eindhoven模型中的的Culderg-Waage解离方程、Saha电离方程，在MATLAB环境下，对 Ti-H等离子体的温度和粒子数密度进行计算。
1方法原理 1.1Saha电离方程
双温度等离子体中，对于式(1)所示的粒子的第十1级电离，各种粒子的数密度由式(2)所示的Saha方程描述：
作者简介：邓春风，女，1986年生，中国工程物理研究院核物理与化学研究所研究实习员
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