中性氧777 nm三重态斯塔克展宽的实验表征与电子密度测量新方法

本研究针对中性氧777 nm三重态谱线展宽参数不一致的问题，通过激光诱导等离子体(LIP)和壁稳电弧联合实验，建立了基于Griem理论的斯塔克展宽(Stark broadening)经验公式，为 unresolved triplet 条件下的电子密度(ne )测量和元素定量分析提供了新方法。

　　

在工业燃烧监测、核聚变诊断等领域，氧元素的精确测量至关重要。然而，氧的高反应性和独特电子结构使其光谱分析面临挑战：中性氧在可见光区仅有的特征发射——777 nm三重态，常因谱线展宽参数不一致（文献报道值相差6.7倍）而难以用于定量分析。更棘手的是，当三重态未被分辨或存在谱线重叠时，现有理论模型无法准确关联谱线展宽与电子密度(n_e
)。这一瓶颈制约了等离子体诊断技术的可靠性。

为解决这一问题，法国磁聚变研究联盟(FR-FCM)和Eurofusion consortium资助的研究团队，联合采用壁稳电弧（可调控n_e
范围10¹⁶
-10¹⁸
cm^-3
）和皮秒激光诱导等离子体（n_{e
达10¹⁹
cm^-3
）两种实验体系，对O I 777 nm三重态展开系统性研究。通过精确解卷积洛伦兹展宽分量，团队建立了覆盖宽ne
范围的斯塔克展宽经验公式，相关成果发表于《Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy》。}

关键技术方法
研究采用两种互补技术：1）壁稳电弧提供稳定可调的等离子体环境，结合Si I参考线校准n_e
；2）高稳定性皮秒Nd:YAG激光（29±5 ps，65.0±0.5 mJ）诱导等离子体产生高n_e
条件。通过Voigt函数分解多普勒和仪器展宽，提取纯斯塔克展宽分量，结合Griem理论建立温度依赖的展宽参数模型。

研究结果

激光诱导等离子体
实验采用M²
=3.1±0.1的低发散激光，在125 mm焦距下产生高重现性等离子体。通过时间分辨光谱，捕获了从ns到μs时间尺度的三重态演化过程。

O I 777 nm三重态展宽
三重态组分按波长升序标记为(1)-(3)。研究发现总半高宽(FWHM)与n_e
的关系显著偏离单线理论值，尤其在n_e

10¹⁸
cm^-3
时，需考虑离子微场干扰效应。通过对比电弧与激光数据，确立了温度修正因子。

结论与意义
该研究首次实现从10¹⁶
至10¹⁹
cm^-3
全范围的O I三重态斯塔克参数标定，解决了长期存在的实验值与Griem理论偏差问题。提出的经验公式即使在不分辨三重态组分的情况下，仍能通过总展宽反演n_e
，这对聚变等离子体诊断（如ITER边界层监测）和工业燃烧分析具有重要应用价值。作者L. Gosse等强调，该方法可推广至其他复杂多重态元素的光谱定量分析。