专利名称：一种诊断空气等离子体中N<sub>2</sub>长寿命电子亚稳态的方法
技术领域：
本发明涉及气体检测领域，特别涉及一种诊断空气等离子体中队长寿命电子亚稳态的方法。
背景技术：
含空气放电所形成的等离子体中一般包含电子、离子(N+，0+，H+，N2+, 02+)、原子(N， 0，H)、分子(N2, 02，H2O, C02)、自由基(0H，HO2, NH)及长寿命电子亚稳态N2 (^u+)等。这些物种间以及与电极、器壁、工件或基底表面的碰撞所引起的传能、吸附、脱附、溅射及化学反应等会引发一系列在常规手段下难以进行的极其复杂的物理-化学过程。起初，自由基被认为是引发各种化学反应过程的主要活性物种，因此对自由基的诊断研究开展较多。但近年来随着对非平衡态低温等离子体物理过程研究的不断深入，研究人员逐渐认识到长寿命电子亚稳态物种在某些反应体系中也扮演着异常重要的角色。例如，在等离子体脱除氮氧化物(NOx)研究中，队长寿命电子亚稳态M3Su+)物种与水分子碰撞，产生大量OH自由基:N2 (炉Σ:) + H2O - 0Η+Η+ N2,其反应速率常数高达4. ZXKT11Cm 3JT1,直接影响到氮氧化物的脱除效果。而且相关研究还表明亚稳态队U3Su+)分子与队0的碰撞反应还可能是脱除烟气中队0的重要通道之一。另外，氮亚稳态和高振动激发态与H20、O2等分子碰撞产生自由基，通过自由基反应间接脱除甲醛，更有人提出通过以下的反应机制N2 (^3Σ；) + HCHO - HC0+H+队，氮亚稳态可以直接脱除甲醛。为了证明所推测的反应机制，揭示等离子体活性机理，研究人员进行了各种实验上的尝试，试图诊断含有队的电子亚稳态物种的等离子体系统。
对于常规的光学发射光谱(Optical Emission Spectroscopy，0ES)方法，原则上只适合于对原子、分子、自由基和分子离子(如N，N2, N2+)的电子激发态物种进行测量诊断， 并不能对处于电子基态的物种进行探测，因为N2的电子亚稳态炉Σ u+相对于电子基态Z1 Σ g+ 是跃迁禁阻。因此很难应用传统光学发射光谱(OES)方法诊断亚稳态炉浓度布居。
另外，由于等离子体中的激发态活性物种的浓度较低，所采用的诊断方法必须有较高的检测灵敏度，同时，由于激发态物种是分布在不同的量子态(振动态和电子态)上，诊断方法必须能够进行态分辨测量。激光诱导荧光(Laser-Induced Fluorescence, LIF)是符合上述技术要求的先进诊断方法之一。LIF作为一种灵敏度非常高的光谱技术，已应用于多个领域，其中包含等离子体诊断研究，尤其当需要原位，无干扰地实现对基态或亚稳态活性物种布居的诊断时，LIF技术有其独特的优越性。其基本原理如下LIF技术是将处于低能级的原子、离子、自由基等物种通过激光泵浦到高的激发态，由于激发态物种的寿命一般极其短暂，会自发跃迁到基态能级，释放出荧光光子，通过收集物种分子由高能级退激到低能级时发射的荧光，然后利用瑞利散射实验进行定标，可以实现对氮气电子亚稳态各振动能级布居的绝对密度测量。通常来说，不同物种之间的光谱线很少有重合，并且共振激发的截面很大，因此该诊断技术对许多特定物种具有很高的灵敏度和选择性。LIF实验根据具体的物种体系可以有多种不同的实验方案，通常的方案是入射的泵浦激光与收集的荧光处于4不同的波长，以期获得较高的信噪比和灵敏度。
N2是一种双原子分子，不仅具有三个平动的自由度，还具有一个振动自由度和两个转动自由度。根据分子电子自旋的不同，N2分子电子态分为单重态CT1Sg+, alUg,blUa) 和三重态U3Su+，i 3ng，Pnu，炉Σ^)。根据选择定则，单重电子态和三重电子态之间不能通过吸收光子或自发辐射来进行跃迁。Ysu+态是队三重电子态中能级最低的，也称为亚稳态，它不能自发地过渡到基态和其它低能态。以往对于队电子亚稳态(Υ :)的激光诱导荧光诊断，通常是用激光单光子激发队电子亚稳态(ΥΣ:)，使其泵浦至激发态 ^ng ( 3汔；+如4炉1\)，再探测由激发态i 3ng退激发到炉Σ:态的荧光信^(ΚΠ^—ΥΣ+^)。如
图1所示， 典型的方案打双2(^^> = 0)+^4巧( 一 = 4),激发波长为618. 52nm，然后检测瑪^！^！^力+补—巧^^少=l)辐射的荧光，，荧光辐射波长为678. 86腹。这种方案仅需一台染料激光器，采用单色单光子激发即可。但队的炉ng态向炉态的跃迁效率较低，影响到亚稳态U3Su+)浓度测量时的信噪比，容易导致信号捕捉的困难。目前已经有相关研究尝试将炉Σ 态泵浦到炉Π g态后，通过第二色激光(另一台染料激光器)将炉Π g态泵浦至Pnu态，即>β'Π￡ Vhul2 ->c5n,),再探测由激发态Pnu退激发到炉ng态的荧光信号(C1EI11 ^IsIIg+Ai4ir )。其中吸收光子的能量Ar需与两能级差相匹配。由于C态到i 态的辐射荧光效率约为i 态到^态的1千倍，所以采用这种两色单光子激发方案探测的灵敏度可以提高三个数量级。但这种实验方案使定标过程变得极其复杂，而且尽管这种方案具有较高的灵敏度，但通常需要两台可调谐染料激光器，分别用于泵浦处于^态和i 态的物种，大大增加了设备复杂度和实验成本。
鉴于上述各种方案的不足，我们发明一种新的单色双光子N2电子亚稳态U3Su+) 的激发方案，可确保在高灵敏度测量队亚稳态U3Su+)浓度的同时简化定标过程及诊断设备。发明内容
本发明的目的在于针对常规诊断N2 态方法的不足，提出一种诊断空气等离子体中队长寿命电子亚稳态的方法。该方法将单色双光子共振激光诱导荧光的方法作为一种相对简单并具有较高灵敏度的诊断方案，用于含氮气放电等离子体中氮气亚稳态 U3Su+)的诊断测量。诊断中仅需一台可调谐染料激光器提供单色光子，在兼顾荧光辐射效率的同时简化了诊断设备及操作难度。
为了达到上述目的，本发明提供的一种诊断空气等离子体中队长寿命电子亚稳态的方法，包括以下步骤步骤Α.向待测等离子体发射激光束，该激光束的波长为J3Su+态不同振动能级泵浦到 Pnu态的共振波长。
步骤B.收集Pnu态退激发到i 3ng态的辐射荧光信号。
步骤C.通过测量辐射荧光信号，得到炉态各个振动能级的分布信息。
其中，所述步骤B是通过由两个透镜组成的望远镜系统经狭缝，将收集到^^态退激发到炉ng态的辐射荧光信号光电倍增管，同时监测示波器同步采集输出，其中，望远镜系统的焦点和激光束的聚焦点重合。
其中，所述步骤B是采用单色仪加光电倍增管的组合对C3IIu态退激发到炉118态的辐射荧光信号进行收集探测。
其中，所述步骤C通过瑞利散射对所得的荧光信号进行绝对定标进而得出A3Su+ 态各振动能级粒子数绝对浓度的分布信息。
具体的定标步骤如下瑞利散射的信号强度IRS和荧光信号强度ILIF分别为
权利要求
1.一种诊断空气等离子体中N2长寿命电子亚稳态的方法，包括以下步骤步骤A.向待测等离子体发射激光束，该激光束的波长为J3Su+态不同振动能级泵浦到 Pnu态的共振波长；步骤B.收集Pnu态退激发到炉ng态的辐射荧光信号；步骤C.通过测量辐射荧光信号，得到炉态各个振动能级的分布信息。
2.根据权利要求1所述的诊断空气等离子体中N2长寿命电子亚稳态的方法，其特征在于，所述步骤B是通过由两个透镜组成的望远镜系统经狭缝，将收集到Pnu态退激发到 i 3ng态的辐射荧光信号光电倍增管，同时监测示波器同步采集输出，其中，望远镜系统的焦点和激光束的聚焦点重合。
3.根据权利要求1所述的诊断空气等离子体中N2长寿命电子亚稳态的方法，其特征在于，所述步骤B是采用单色仪加光电倍增管的组合对Pnu态退激发到S3IIg态的辐射荧光信号进行收集探测。
4.根据权利要求1所述的诊断空气等离子体中N2长寿命电子亚稳态的方法，其特征在于，所述步骤C通过瑞利散射对所得的荧光信号进行绝对定标进而得出A3Su+态各振动能级粒子数绝对浓度的分布信息；具体的定标步骤如下瑞利散射的信号强度IRS和荧光信号强度ILIF分别为
全文摘要
本发明公开了一种诊断空气等离子体中N2长寿命电子亚稳态的方法，包括以下步骤步骤A.向待测等离子体发射激光束，该激光束的波长为A3Σu+态不同振动能级泵浦到C3Πu态的共振波长；步骤B.收集C3Πu态退激发到B3Πg态的辐射荧光信号；步骤C.通过测量辐射荧光信号，得到A3Σu+态各个振动能级的分布信息。本发明采用双光子共振吸收测量N2的A3Σu+态浓度，可在保持较高灵敏度的同时，简化诊断设备。
文档编号G01N21/64GK102507524SQ20111035272
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者丁洪斌, 冯春雷, 李聪, 高亮 申请人:大连理工大学
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