Регистрация / Вход
Прислать материал

Определение параметров Штарковского уширения линий Ca I, соответствующих переходам 1F°3→1D2, по их асимметричным контурам в эмиссионном спектре лазерной плазмы

Сведения об участнике
ФИО
Крылов Иван Николаевич
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Физика плазмы
Тема
Определение параметров Штарковского уширения линий Ca I, соответствующих переходам 1F°3→1D2, по их асимметричным контурам в эмиссионном спектре лазерной плазмы
Резюме
С целью увеличения излучающего объёма на образце мрамора создавали протяжённую искру при помощи цилиндрической линзы. Изображение плазмы проецировали на щель 0,32 м Czerny-Turner спектрографа. Исследовались переходы 487,81 нм (4f) и 435,51 нм (5f). Полученные линии были аппроксимированы теоретическим профилем линии с учётом распределения Хольцмарка микрополя в плазме по параметрам ширины, сдвига линии и ионной восприимчивости. Последний для обеих линий оказался линейно зависимым от температуры. Параметры имеют большее значение у линии с большим верхним уровнем перехода. Обе линии подвержены красному Штарковскому смещению.
Ключевые слова
лазерная искровая эмиссионная спектроскопия, эффект Штарка, диагностика плазмы
Цели и задачи
Целью настоящей работы являлось определение сдвига, электронного ударного параметра и параметра ионного уширения линий Ca I, соответствующих переходам n1F°3 → 31D2, по их асимметричным спектральным контурам в эмиссионном спектре «протяженной» лазерной плазмы.
Введение

Параметры Штарковского уширения часто применяются для диагностики плазм, не удовлетворяющих локальному термодинамическому равновесию. Линии Ca I подвержены квадратичному эффекту Штарка, который с трудом поддаётся расчётам, поэтому наиболее надёжный способ оценки их параметров – сравнение с экспериментальными значениями.

Применение Штарковских параметров затруднено асимметричностью спектральных линий, вызванных неоднородностью плазменных источников, и влиянием ионного уширения, дополнительно искажающим линию, а также самопоглощением.

Режим «протяженной» лазерной искры применён для компенсации  неоднородности плазмы и увеличения сбора излучения лазерной плазмы за счет больших размеров источника.

Методы и материалы

Излучение Nd:YAG лазера (532 нм, энергия импульса 73±1 мДж) фокусировали стеклянной цилиндрической линзой (500 мм) на поверхность образца мрамора, вызывая его абляцию. Размеры пятна 15 мм × 0.05 мм; плазма имеет форму капилляра длиной 14 мм и толщиной 1 мм. Фокус этой линзы был расположен в 3 мм под поверхностью мрамора. Асферическая кварцевая линза (30 мм; NA=0,42) была расположена в 90 мм над поверхностью образца. Кабель из 82 кварцевых волокон с большой числовой апертурой переносил излучение плазмы на щель спектрографа, поскольку ось изображения протяжённой искры и щель спектрографа были параллельны. Изображение было записано симметрично по оси протяжённой искры.

На спектрографе (320 мм) была установлена дифракционная решётка (64 mm×64 mm; 3600 мм-1; 25.6° λmax=529 нм). Для оценки инструментальной ширины, wI, в трёх спектральных диапазонах (280 нм, 405 нм, and 517 нм) была использована безэлектродная ртутная лампа. В диапазонах 280 и 400 нм были получены значения  wI = 0,263±0,007 Å и 0,191±0,002 Å, соответственно. Вблизи красного предела рабочего диапазона решётки (510-520 нм) разрешение спектрографа особенно большое (120 000), а инструментальная ширина составила 0,044±0,003 Å. Отношение задержки регистрации к стробу ПЗС-камеры с электрооптическим преобразователем не превышало 10, чтобы избежать искажения профилей линий.

Описание и обсуждение результатов

Температура плазмы была определена в предыдущих опытах по спектрам алюминиевых сплавов методом двух линий Mn I 403,07 нм и Mn I 404,13 нм. Температура составила от 5000 до 9500 K и падала с ростом задержки степенным образом.

Электронные плотности плазмы на разных временах жизни были определены по ширине линии Mg I 517,26843 нм, аппроксимированной контуром Лоренца, исходя из теоретических расчётов Штарковского уширения в работе[1]. Электронная плотность падала с ростом задержки степенным образом и составляла от 7,1∙1017 до 1,9∙1018.

Асимметричные контуры линий Ca I аппроксимировали функцией[2]:

\(j(\lambda) = b_0 + b_1 \lambda +I_0 \int \limits_0^\infty d\beta \int \limits_0^\infty dx \frac{ \beta x \sin(\beta x) e^{-x^{3/2}} }{ 1+\left( \frac{\lambda - \lambda_0 -d }{\omega} -A^{4/3}\beta^2 \right) }\)

 

по параметрам b0, b1, I0, ω, A, d. Нормировочный множитель I0 и базовая линия b0+b1λ были добавлены вследствие затруднений при их предварительном учёте. Параметры определены в предположении об отсутствии Дебаевского экранирования (сила поля в плазме подчиняется распределению Хольцмарка). Аппроксимация выполнялась методом Левенберга-Маркуардта при помощи библиотеки MINPACK[3]; численное интегрирование было проведено при помощи библиотеки QUADPACK[4].

 

На рисунке представлен один из результатов аппроксимации для линии Ca I 435 нм, задержка 2 мкс.

Найденные значения параметра ионной восприимчивости A составили от 0,1 до 0,3 для линии 487 нм (меньший верхний уровень перехода) и от 0,1 до 0,7 для линии 435 нм (больший верхний уровень перехода) и линейно возрастали с температурой.

Сдвиг d оказался пренебрежимо мал для линии 487 нм и составил до +0,1 нм с резкой зависимостью от Ne у линии 435 нм.

Ширина линии ω достигла 0,25 нм, возрастая степенным образом с ростом Ne; для линии 487 нм значение приблизительно в 2 раза меньше, чем для линии 435 нм.

Таблица. Параметры линии Ca I 435 нм в зависимости от времени жизни плазмы

Задержка, нс

Ne, см-3

T, К

d, нм

ω, нм

A

1000

7,52E+17

7923

-0,098

0,238

0,67

2000

3,02E+17

6814

-0,063

0,191

0,43

3000

1,77E+17

6239

-0,046

0,136

0,35

4000

1,21E+17

5860

-0,042

0,099

0,31

5000

9,01E+16

5583

0,0100

0,110

0,01

 

Таблица. Параметры линии Ca I 487 нм в зависимости от времени жизни плазмы

Задержка, нс

Ne, см-3

T, К

d, нм

ω, нм

A

500

1,88E+18

9212

-0,014

0,233

0,29

1000

7,52E+17

7923

-0,006

0,136

0,22

2000

3,02E+17

6814

-0,012

0,078

0,19

4000

1,21E+17

5860

-0,007

0,048

0,01

8000

4,85E+16

5040

-0,019

0,020

0,07

Используемые источники
1. S. Sahal-Bréchot, M. S. Dimitrijević , N. Ben Nessib , “Comparisons and comments on electron and ion impact profiles of spectral lines”, 2011, Baltic Astronomy, Vol. 20, pp. 523-530
2. H.R. Griem, Spectral Line Broadening by Plasmas, Academic Press, 1974.
3. Jorge More, Danny Sorenson, Burton Garbow, Kenneth Hillstrom, The MINPACK Project, in Sources and Development of Mathematical Software, edited by Wayne Cowell, Prentice-Hall, 1984, ISBN: 0-13-823501-5, LC: QA76.95.S68.

4. Robert Piessens, Elise deDoncker-Kapenga, Christian Ueberhuber, David Kahaner, QUADPACK: A Subroutine Package for Automatic Integration, Springer, 1983, ISBN: 3540125531, LC: QA299.3.Q36.
Information about the project
Surname Name
Krylov Ivan
Project title
Determination of the Stark broadening parameters of Ca I lines corresponding to 1F°3→1D2 transitions by their asymmetric profiles in the emission spectrum of laser-induced plasma.
Summary of the project
A long spark was formed on a marble sample in order to increase the emitting volume. The spark was produced on a slit of a 0,32 m Czerny-Turner spectrograph. 487.81 nm (4f) and 435.51 nm (5f) transitions were studied. The line profiles obtained were fitted to a theoretical curve taking account of the Holtsmark distribution of plasma microfield, yielding the shift, width and the ion broadening parameter. The latter linearly depends on the temperature. The parameters obtained show the trend to be bigger for the transition with higher energy levels. Both of the lines are subject to red Stark shift.
Keywords
laser-induced breakdown spectroscopy, Stark effect, laser diagnostics