实验中, 为了能够知道三种元素特征谱线在不同波段的分布情况方便下一步的时空演化实验中心波长的选取, 首先进行了四种元素400~900 nm光谱采集实验。 实验中光谱仪的门延迟t_d设置为180 ns, 门宽t_w设置为10 μ s, 通过转动光栅位置进行拼接, 获取了碳、 钨、 铜和碳化钨铜合金四种样品在400~900 nm波段的发射光谱。 实验中获得的光谱数据, 使用标准光源进行强度相对校准, 校准后四种样品400~900 nm发射光谱如图4所示, 图中观察到的主要光谱线及相关参数在NIST数据库中查得^[17], 如表1所示。

图4

Fig.4

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	图4 激光烧蚀碳、 钨、 铜和碳化钨铜等离子体发射光谱Fig.4 Emission spectrum of laser ablated carbon, tungsten, copper and tungsten carbide copper alloy plasma

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 测量光谱中主要相关谱线参数 Table 1 Correlation spectral line parameters in spectrum 物种 波长 /nm 下能级 /eV 上能级 /eV 跃迁概率 Aki 简并度 C Ⅱ 426.73 18.05 20.95 2.69× 108 8 C Ⅱ 657.81 14.45 16.33 5.06× 107 7 C Ⅱ 658.29 14.45 16.33 5.06× 107 2 C Ⅰ 833.51 7.68 9.17 3.65× 107 1 Cu Ⅰ 510.55 1.39 3.82 1.95× 106 4 Cu Ⅰ 515.32 3.78 6.191 1.04× 108 4 Cu Ⅱ 512.45 14.42 16.84 / 3 W Ⅰ 429.46 0.37 3.25 1.33× 107 5 W Ⅰ 430.21 0.37 3.25 3.49× 106 7 W Ⅰ 430.76 2.46 5.33 1.60× 107 11 W Ⅱ 434.81 1.63 4.48 5.06× 106 2

表1 测量光谱中主要相关谱线参数 Table 1 Correlation spectral line parameters in spectrum

根据三种元素不同的原子谱线和离子谱线对应的波段, 选择了429、 515、 657和833 nm四个中心波长进行下一步的时空演化实验测量。 同时为了能够较全面地研究碳化钨铜等离子体的时空演化规律, 分别选取强度较强且相对独立的原子线和离子线来研究在合金中不同元素原子和离子谱线的时间演化和空间分布规律, 对应三种元素, 我们分别选择C Ⅰ 833.51 nm, C Ⅱ 657.81 nm, Cu Ⅰ 515.32 nm, Cu Ⅱ 512.45 nm, W Ⅰ 429.46 nm, W Ⅱ 434.81 nm三条原子线和三条离子线作为分析对象。

激光诱导等离子体的发射光谱主要由连续谱线和分立谱线构成, 连续谱线是自由电子从自由态跃迁到自由态或束缚态产生的, 其产生机制是轫致辐射和复合辐射, 分立光谱是由电子在束缚态之间跃迁产生的, 其产生机制是线状谱辐射。 图5给出了几个典型时刻碳化钨铜等离子体空间积分(18光纤求和)的发射光谱。 在等离子体初期20 ns时刻, 连续背景占主导位置; 在100 ns时刻, 连续背景减弱, 开始出现线状谱, 主要是不同元素的离子线, 此时的离子线比原子线强; 在220 ns时刻, 连续背景已经很弱, 线状谱占主要地位, 此时的离子线已经开始减弱, 原子线开始变强。 在460 ns时刻, 离子线的强度已经很弱, 线状谱主要是原子线; 580 ns时刻, 只剩下原子谱线。 主要是因为在等离子体形成初期, 内部气压和温度较高, 电子温度和密度处于较高水平, 离子、 原子、 电子之间的碰撞剧烈, 轫致辐射和复合辐射占据主导地位, 连续背景很强。 随着时间的推移, 等离子体内部的温度和气压降低, 电子温度和密度已经降到很低, 轫致辐射和复合辐射强度都迅速减弱, 连续谱线减弱, 电子的跃迁基本只发生在束缚态之间, 线状谱出现, 大约在220 ns之后, 连续谱强度维持在一个很低的水平。

图5

Fig.5

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	图5 激光诱导碳化钨铜等离子体不同时刻发射光谱Fig.5 Emission spectrum of laser induced Tungsten carbide copper alloy plasma at various gate delay times

图6给出了432.32 nm处连续背景和不同元素特征谱线的时间演化, 可以看出在真空条件下激光烧蚀碳化钨铜等离子体中不同辐射过程的时间尺度, 连续发射光谱主要在早期80 ns内, 原子发射光谱主要在100 ns之后, 谱线发光时间在1 μ s内降到较低水平。 并且可以观测到不同元素原子谱线和离子谱线发射时间存在较大不同, 原子谱线峰值时刻对应为W Ⅰ 270 ns, Cu Ⅰ 250 ns, C Ⅰ 220 ns, 离子谱线峰值时刻对应约为W Ⅱ 160 ns, Cu Ⅱ 100 ns, C Ⅱ 90 ns。 可以发现谱线发光寿命与原子和离子对应能级相关, 离子寿命低于原子寿命。 总的来说, 等离子体辐射谱线中, 连续谱线主要产生于辐射初期, 且存在时间短; 原子谱线随时间逐渐减弱, 但可以持续较长的时间, 能级高的发光时间相对较短。 并且离子谱线相比于原子谱线随延迟时间减小的更迅速, 寿命更短, 这是由于离子相对于激发态原子处于更高的电离态, 衰减的更快, 而原子可由离子复合产生从而存在时间更长。

图6

Fig.6

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	图6 连续背景、 三种元素的离子和原子谱线信号强度随时间演化Fig.6 Temporal profile of continuum radiation at 432.33 nm, Cu Ⅰ 510.55 nm, Cu Ⅱ 512.45 nm, C Ⅰ 833.51 nm, C Ⅱ 657.81 nm, W Ⅰ 429.46 nm, W Ⅱ 434.81 nm lines, respectively

发射光谱主要是由于粒子的电子在能级之间跃迁产生, 而光谱线的强度反映某一特定状态的粒子数。 图7分别给出了340 ns时C、 Cu、 W对应三条原子谱线和140 ns时对应三条离子谱线的空间分布。 可以看出, 在340 ns时, C Ⅰ 的峰值在~5.2 mm, Cu Ⅰ 的峰值在~2.7 mm, W Ⅰ 的峰值在~2.3 mm; 160 ns时C Ⅱ 峰值在~5.8 mm, Cu Ⅱ 峰值在~3.9 mm, W Ⅱ 峰值在~2.1 mm。 同一时刻, 不同物种的原子线和离子线的峰值位置不同, 发生了“ 空间分离” 现象; 相对原子质量越小, 峰值所在的位置距离样品表面越远。 由此可见, 等离子体在膨胀过程中, 无论是一价离子还是原子, 相对原子质量越小, 运动速度越快。

图7

Fig.7

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	图7 340 ns时刻不同原子谱线的空间分布和140 ns时刻不同离子谱线的空间分布Fig.7 Spatial distribution of different atomic spectral lines at 340 ns and spatial distribution of different ion spectral lines at 140 ns

图8给出了300 ns时刻碳化钨铜等离子体中三种元素对应原子谱线和离子谱线的空间分布。 可以观察到不同元素对应的原子和离子的空间分布有巨大的差异。 例如C 离子在300 ns的时刻, 已经运动到18 mm处, 而C原子线只运动到10 mm处; W离子运动到9 mm附近, 原子运动到7 mm附近; Cu离子运动到14 mm附近, 原子运动到8 mm附近。 在相同时刻, 对于同一种元素, 离子谱线的运动距离要比原子谱线更远, 意味着在等离子体膨胀过程中, 带电离子速度要大于中性原子速度, 即真空中产生的等离子体中存在着“ 离子加速” 过程。

图8

Fig.8

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	图8 300 ns时刻碳化钨铜等离子体中W Ⅰ 、 W Ⅱ 、 Cu Ⅰ 、 Cu Ⅱ 、 C Ⅰ 、 C Ⅱ 的空间分布光谱Fig.8 Spatial distribution spectra of W Ⅰ , W Ⅱ , Cu Ⅰ , Cu Ⅱ , C Ⅰ and C Ⅱ in tungsten carbide copper alloy plasma at 300 ns

由图7和图8实验结果可以清楚地观察到产生的多组分等离子体在真空膨胀过程中, 各类物种发生了空间分离现象, 即等离子体具有高度的空间不均匀性。 图9给出了不同谱线的对应时刻-扩张位置的关系, 并线性拟合得到了不同粒子在等离子体膨胀过程中的平均扩张速度, 表2是碳化钨铜中不同物种速度的汇总。

图9

Fig.9

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	图9 三种元素对应原子和离子的速度拟合图Fig.9 Velocity fitting diagram of atoms and ions corresponding to three elements

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 碳化钨铜中三种元素对应原子和离子速度汇总表 Table 2 Summary of atomic and ion velocities corresponding to three elements in tungsten carbide copper alloy 原子速度 /(km· s-1) 一价离子速度 /(km· s-1) C 9.7 34.9 Cu 5.6 20.9 W 4.2 7.2

表2 碳化钨铜中三种元素对应原子和离子速度汇总表 Table 2 Summary of atomic and ion velocities corresponding to three elements in tungsten carbide copper alloy

通过对比分析计算结果, 铜原子速度稍大于钨原子速度, 碳原子的速度是钨原子的两倍; 对于一价离子, 碳离子速度是钨离子的5倍左右, 铜离子速度是钨离子3倍左右。 同时发现, 对应元素离子速度要远大于原子速度。 其速度大小满足关系C Ⅰ > Cu Ⅰ > W Ⅰ , C Ⅱ > Cu Ⅱ > W Ⅱ , C Ⅱ > C Ⅰ , Cu Ⅱ > Cu Ⅰ , W Ⅱ > W Ⅰ , 即在等离子体膨胀过程中, 相对原子质量越小, 粒子运动速度越快; 对于同一种元素, 带电粒子速度大于原子。 该结果表明, 等离子体中粒子扩张速度与其质量和所带电荷有关。 对于原子和一价离子, “ 质量分离效应” 比较容易理解, 粒子质量越小, 其膨胀速度越大, 主要原因是等离子体在膨胀的过程中, 质量不同的粒子获得的动能不同, 质量越小的粒子, 获得的动能越大, 在相同的时间内, 运动的距离远。 而对于同种元素, 离子的速度要比原子的速度快很多, 这是因为激光烧蚀过程中形成的等离子体鞘层对离子具有加速作用的结果。 激光产生的等离子体主要通过电子-离子逆轫致辐射(IB)碰撞吸收纳秒脉冲激光能量而形成。 电子-离子的热化时间(10^-10~10^-11 s)比纳秒激光脉冲持续时间短得多, 因而电子和离子可能处于热平衡状态^[18]。 然而, 由于巨大的质量差异, 电子速度会远高于离子速度。 因此, 等离子体中的电子会更早地从样品表面逃逸, 结果导致样品表面附近产生的电子和主等离子体在空间上发生了电荷分离, 这些电子, 一部分会逃逸, 主要部分被等离子体边缘处的自生电场约束, 即形成了一个“ 瞬态鞘层” ^[19]。 由于在等离子体鞘层中存在径向电场, 带电粒子在电场中会受到电场力的作用, 因此使得同种元素中一价离子的速度大于原子的速度。 由此可见, “ 质量分离效应” 和“ 瞬态鞘层” 的存在, 使得等离子体在膨胀过程中不同的粒子呈现出不同的膨胀速度, 导致了真空中等离子体膨胀过程中元素分布的空间不均匀性。 由于本次实验仅涉及C、 Cu、 W三种元素, 其速度也只是根据对应元素某一条特定的离子或原子谱线来计算得出, 而对应原子和离子有多条特征谱线, 其结果的准确性还需要进一步的提高。 本文内容仅仅定性解释了真空中等离子体粒子速度与质量和电荷的关系, 其速度与质量以及电荷态的函数关系需要扩大元素范围, 有待进一步研究。