基于双线荧光测温技术的激光诱导等离子体空间分辨温度分布研究

《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》：Spatially resolved studies of laser-induced plasma by a two-line fluorescence thermometry

本文开发了一种激光诱导荧光（LIF）测温技术，通过Ti I的两个独立三能级激发方案（a3P2 → x3P°1 → a3P0和z5G°5 → e5G6 → z5F°5），实现了激光诱导等离子体（LIP）二维温度场的高空间分辨率诊断，揭示了等离子体轴心（约4000 K）与外围（6000-8000 K）的显著径向温度梯度，为LIP在分析化学与冲击波模拟等领域的应用提供了关键参数。

　　

理论部分

计算基于激光诱导荧光（LIF）信号的激光诱导等离子体（LIP）温度，需要分析三能级系统（图1）中的跃迁动力学。

处于较低能级（能级1）的粒子被波长为λ的激光辐射激发到能级2，吸收概率为ρB₁₂。激发后，自发弛豫可能在系统内进行，要么回到能级1，要么到能级3。从能级2到能级3的发射被检测为荧光信号。这个跃迁的概率是A₂₃。A₁

实验装置

用于记录激光诱导等离子体中荧光光谱的实验装置在我们之前的工作中已有详细描述。简而言之，使用Nd:YAG激光器（Lotis Tii LS-2134UTF，白俄罗斯）的二倍频辐射（λ = 532 nm）（脉冲能量≈14 mJ，脉冲持续时间≈6 ns，脉冲重复频率=10 Hz）对靶材表面进行烧蚀，导致LIP的形成。使用钛金属（Sigma-Aldrich，99.99 wt%）作为靶材，安装在一个...

结果与讨论

在进行等离子体羽流诊断之前，有必要在我们实验条件下，基于激发和失活动力学验证所选方案的可靠性。使用方程（4）、（5）、（6）对三能级方案A和B内的动力学进行了理论分析。在此分析中，我们代入了单位体积的光谱能量密度值——下文将对方案A和B详细讨论——以及必要的 spectroscopic...

结论

本研究的目标是开发一种用于LIP中空间分辨测量的荧光测温技术。为实现此目标，我们将燃烧研究中广泛使用的基于LIF的双线法适配到典型的LIP条件。在LIP中进行可靠的温度评估需要使用能隙远大于火焰中使用的能级。为此，我们采用了两个独立的三能级荧光方案。

进行了理论分析