研究目的
测量选定的单电离锗(Ge II)谱线的实验斯塔克展宽和位移,其中4条谱线的所有斯塔克位移和展宽均为首次测量,并将结果与现有实验和理论数据进行比较。
研究成果
该研究成功测量了11条Ge II谱线的斯塔克展宽和移动,其中4条谱线的所有移动和展宽数据均为首次报道。实验在受控条件下通过激光诱导等离子体进行,提供了电子密度为1.9-5×10^22 m^-3、温度约12000 K的数据。这些谱线呈现不对称性,与现有实验及理论结果的对比显示多数谱线吻合良好,其展宽值普遍比部分先前测量结果窄5-15%。成像光谱法与逆阿贝尔变换的运用被证明能有效测量斯塔克移动,凸显了该方法在等离子体诊断中进行谱线形状研究的潜力。
研究不足
电子密度测量的不确定度约为20%,电子温度的准确度不低于10%。锗I和锗II谱线的跃迁概率准确度有限(锗I为25%,锗II为50%),影响萨哈-玻尔兹曼图的质量。对于弱线(349.92、482.41、633.64纳米),后期无法进行位移测量,可能导致位移被低估。谱线轮廓的不对称性可能受到曝光时间等测量伪影的影响,但缩短曝光时间的测试显示影响极小。
1:实验设计与方法选择:
实验采用氦气低压环境(0.1-200毫巴)中的激光诱导等离子体(LIP)研究斯塔克展宽与偏移。该设计确保最小化多普勒分裂和自吸收效应,通过CCD相机以成像模式侧向记录光谱。应用逆阿贝尔变换处理不同径向位置的光谱,实现单幅图像的斯塔克偏移测量。电子密度通过He I 447纳米谱线测定,电子温度则采用萨哈-玻尔兹曼关系计算。谱线轮廓采用非对称伪沃伊特函数拟合,并通过傅里叶变换解卷积消除仪器和多普勒展宽影响。
2:1-200毫巴)中的激光诱导等离子体(LIP)研究斯塔克展宽与偏移。该设计确保最小化多普勒分裂和自吸收效应,通过CCD相机以成像模式侧向记录光谱。应用逆阿贝尔变换处理不同径向位置的光谱,实现单幅图像的斯塔克偏移测量。电子密度通过He I 447纳米谱线测定,电子温度则采用萨哈-玻尔兹曼关系计算。谱线轮廓采用非对称伪沃伊特函数拟合,并通过傅里叶变换解卷积消除仪器和多普勒展宽影响。 样品选择与数据来源:
2. 样品选择与数据来源:使用平面锗样品置于自制腔室中。在特定参数条件下记录光谱(如距靶材1.3毫米、200毫巴气压、470纳秒延迟、30纳秒曝光时间)。数据包含11条Ge II谱线,其跃迁概率引自NIST(2018年)数据库。
3:3毫米、200毫巴气压、470纳秒延迟、30纳秒曝光时间)。数据包含11条Ge II谱线,其跃迁概率引自NIST(2018年)数据库。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:设备包括Nd:YAG激光器(532纳米波长,5纳秒脉宽,1赫兹重复频率)、自制腔室、计算机控制xyz平移台、Andor DH740-18F-03 iStar增强型CCD相机(-20°C制冷)、McPherson 209型光谱仪(1.33米焦距,2400线/毫米全息光栅)及氦气。材料为锗样品。
4:33米焦距,2400线/毫米全息光栅)及氦气。材料为锗样品。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:激光脉冲激发锗样品产生等离子体。通过CCD相机成像模式侧向记录光谱。优化氦气压力、延迟时间和距离等参数以控制膨胀速度并最小化自吸收。应用逆阿贝尔变换获取不同径向位置的光谱。电子密度通过He I 447纳米谱线峰间距测定,电子温度采用Ge I和Ge II谱线的萨哈-玻尔兹曼图估算。对谱线轮廓进行解卷积和拟合以提取斯塔克宽度与偏移量。
5:数据分析方法:
数据分析包含空间分辨的逆阿贝尔变换、消除仪器和多普勒展宽的傅里叶变换解卷积,以及非对称伪沃伊特函数拟合确定半高宽、偏移量和不对称性。通过电子密度归一化和标准差计算评估不确定度,现有数据的对比采用斯塔克宽度比值法。
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ICCD camera
DH740-18F-03 iStar
Andor
To record spectra in imaging mode, cooled to reduce noise, and mounted on the spectrograph for side-on detection of plasma emission.
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Spectrograph
209
McPherson
To disperse the plasma emission spectrum, equipped with a holographic grating for high resolution.
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Nd:YAG laser
To create laser-induced plasma by illuminating the germanium sample with a powerful laser pulse at 532 nm wavelength.
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Holographic grating
To diffract light in the spectrograph for spectral analysis.
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Translation stage
To move the chamber and prevent drilling of the germanium sample by controlling position.
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Chamber
Homemade
To house the germanium sample and maintain helium atmosphere at reduced pressure for plasma creation.
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