بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله ما به بررسی پلاسمای spark با استفاده از روش طیف سنجی نشری - - OES ،به وسیله پهن شدگی اشتارک اتم هیدروژن می پردازیم. طیف حاصل شامل یک خط قوی طیف هیدروژن و طیف پیوسته در ناحیه مرئی و آلودگی خط طیفی مربوط به الکترود طلا می باشد. در این مقاله اثر دی الکتریک های - 1 آب دی یونیزه، - 2 اتانول مطلق و - 3 هوا روی پهن شدگی اشتارک طیف Hα که از پلاسمای ایجاد شده در این محیط ها به دست امده ، بررسی می شود. پارامترهای اندازه گیری شده در پلاسمای spark از طریق پهن شدگی اشتارک عبارتند از: - 1 چگالی الکترون - - 2 - ne دمای الکترون - - 3 - Te پارامتر کوپل شدگی پلاسما - - Γ
مقدمه:
چگالی و دمای الکترون و دیگر ذرات در پلاسما از پارامترهای مهمی هستند که با دانستن آنها فرایند تولید نانو ذرات را بهینه کنیم. طیف سنجی نشری ، روش مناسبی برای بررسی خصوصیات پلاسمای تخلیه الکتریکی spark می باشد. با استفاده از این روش بسیاری از خواص پلاسما مانند: - 1چگالی الکترون - ne - ، - 2دمای الکترون - Te - ، و حتی میدان الکتریکی و مغناطیسی پلاسما ، قابل شناسایی است1]،.[2 مشکلات این روش طیف سنجی عبارتند از: - 1 شدت کم نور ساطع شده از پلاسما - 2 اندازه کوچک پلاسمای تشکیل شده که طیف سنجی را مشکل می کند. هدف از این مقاله بررسی پارامترهای پلاسما به منظور بهینه کردن فرایند تولید نانو ذرات است.
چیدمان تجربی:
در این مقاله از یک منبع تغذیه با فرکانس بالا، برای تولید پلاسما در 100 میلی لیتر آب دی یونیزه و اتانول استفاده گردید. ولتاژ از 4 کیلو ولت تا 10/5کیلوولت متغیر بود، الکترود ها طلا بوده و فاصله بین الکترودها از 100 میکرومتر تا 1 میلی متر متغیر می باشد. از یک اسیلوسکوپ Thektronix 2024 برای اندازه گیری توان ورودی به پلاسما استفاده شد.
مدت پا لس ولتاژ و جریان در حدود 1 میکرو ثانیه بود و همچنین شکل این پالس ها به صورت سینوسی میرا بود که در شکل - 2 - آمده است. نور ساطع شده از پلاسما توسط یک لنز کانونی شده و به یک طیف سنج Ocean Optics - HR2000 - با دقت 0.48 نانومتر، هدایت شد که شامل یک دوربین CCD و یک توری برای جدا کردن طیف ها می باشد. شکل پالس های ولتاژ و جریان به ترتیب توسط پروب ولتاژ بالاو سیم پیچ Rogowski به دست آمده است. شمایی از چیدمان تجربی در زیر آورده شده است.
- 3 بحث و نتیجه گیری:
در این بخش طیف حاصل در سه محیط دی الکتریک مورد بررسی قرار میگیرد. شکل طیف حاصل، در سه محیط دی الکتریک در شکل 3 نشان داده شده است. وجود خطوط طیفی مختلف در طیف حاصل ناشی از وجود ذرات بر انگیخته ای است که با گذار به تراز پایین تر از خود نور ساطع می کنند. بر انگیختگی این ذرات عمدتاً به خاطر برخورد ا لکترون های پر انرژی با این ذرات است، وقتی این ذرات به حالت پایدار خود گذار می کنند از خود نور گسیل می کنند که به عنوان خطوط طیفی مشخصه این ذرات می باشد. وجود این خطوط طیفی به خاطر وجود عنصر حاصل از شکسته شدن مولکولهای دی الکتریک، توسط پلاسما می باشد.
خط طیفی قوی H در تمام طیفها دیده میشود که ناشی از وجود هیدروژن درهر سه دیالکتریک میباشد. قابل ذکر است که وجود طیف قوی H به دلیل وجود بخار آب میباشد، همچنین به دلیل جذب کم نور ساطع شده از پلاسما، توسط هوا و بالا بودن احتمال گسیل خود به خودی طیف H نسبت به طیف های نیتروژن در ناحیه مادون قرمز، طیف H از شدت قابل توجهی برخوردار است.3]،. [4 تمام خطوط طیفی و ویژگی آنهااز NIST گرفته شده است.
اثر اشتارک در پلاسما،در واقع پهن شدگی خطوط اتمی در اثر میدان الکتریکی پلاسما میباشد. وقتی چگالی پلاسما افزایش مییابد میدان الکتریکی اعمال شده به اتم ها در اثر کاهش فاصله بین ذرات، افزایش می یابد که باعث جدا شدن زیر ترازهای اتمی می شود. سایر پهن شدگی ها مانند پهن شدگی دوپلری، پهن شدگی واندروالس و پهن شدگی فشار رزنانسی، تحت شرایط آزمایش قابل چشم پوشی میباشد.. [6-5]
مطابقت مناسب خط طیفی H با منحنی لورنتزی و جابهجایی قله طیفی نشان دهنده نقش موثر پهن شدگی اشتارک است.[6] از آنجایی که چگالی پلاسما از پارامترهای مهم محسوب میشود، با استفاده از پهن شدگی طیف هیدروژن - - و جابهجایی خط طیفی - s - H و رابطه آنها با چگالی الکترونی در پلاسما، پارامتر ne محاسبه گردید. همان طور که اشاره شد پهن شدگی طیف H به خاطر اثر اشتارک خطی می باشد.. پهنای نیم موج خط H به قدرت میدان پلاسما F0 بستگی دارد.
پارامتر H از منبع[7] برای محدوده دمایی پلاسما به دست آمده است. ne - cm-3 - چگالی الکترون و - QP - پهن شدگی اشتارک است. پهنای نیم موج هر خط با مقایسه با منحنی لورنتزی به دست آمده که مقادیر آن در جدول - 1 - ارائه شده است. همچنین خط H به دلیل پدیده هایی مانند: - 1 اثر اشتارک چهار قطبی - 2 بر هم کنش با تغییرات میدان - 3 بر هم کنش گسیلنده ها با الکترون ها به طول موج بلندتر شیفت پیدا میکند.[7] شیفت طیف H از رابطه زیر پیروی میکند.[9]
الکتریک - 1 آب دی یونیزه - 2 اتانول - 3 هوا در شکل 6 و در جدول 2 مقایسه شده است. همان طور که در شکل 6 دیده می شود پهن شدگی اشتارک طیف H برای پلاسمای تشکیل شده در آب بیشتر از پلاسمای تشکیل شده در اتانول و هوا است و برای پلاسمای تشکیل شده در هوا بیشتر از اتانول است. بنابراین چگالی الکترون در پلاسمای تشکیل شده در آب بیشتر از اتانول و هوا و چگالی الکترون در پلاسمای تشکیل شده در هوا بیشتر از اتانول است.
به احتمال زیاد علت این امر که چگالی الکترونی در اتانول کمتر از هوا است به این دلیل میباشد که درصد یونیزاسیون در هوا زیاد بوده است.همان طور که اشاره شد، پلاسمای تخلیه spark در شرایط تعادل دمایی - - LTE قرار دارد، بنابراین از توزیع بولتزمنی پیروی می کند .[9] با در نظر گرفتن تعادل دمایی برای پلاسما میتوان دمای پلاسما را تخمین زد.
به علاوه اثر توان ورودی به پلاسما با - 1 پهن شدگی اشتارک - 2 شیفت طیف - 3 H چگالی الکترون مورد بررسی قرار گرفت.پهن شدگی اشتارک طیف H با افزایش توان الکتریکی ورودی در شکل 4 نشان داده شده است.نتایج در جدول 2 و شکل 5 آمده است. همان طور که از شکل 5 پیدا است، با افزایش توان در هر پالس مقادیر ، V و ne رفتار مشابهی از خود نشان می دهد.
با افزایش توان این مقادیر تا یک توان مشخص افزایش می یابند،ولی در توان 94.5 کیلو وات در پالس چگالی الکترونی کاهش کمی داشته است، علت این امر میتواند رسیدن پلاسما به حالت اشباع باشد،یعنی در این حالت متناسب شدن نرخ تولید و نابودی الکترونها در پلاسما با توان ورودی باعث ثابت شدن چگالی پلاسما میشود..[10]
