激光诱导击穿火焰等离子体光谱研究

刘玉峰; 张连水; 和万霖; 黄宇; 杜艳君; 蓝丽娟; 丁艳军; 彭志敏

doi:10.7498/aps.64.045202

摘要

采用PI-MAX-II型增强型电荷耦合器件, 用Nd:YAG纳秒脉冲激光器输出的1064 nm强光束击穿在一个大气压的空气中燃烧的酒精灯火焰, 对激光诱导击穿酒精灯火焰产生的等离子体光谱进行了初步研究. 根据美国国家标准与技术研究院原子发射谱线数据库, 对等离子体中的主要元素的特征谱线进行了标识和归属. 通过激光诱导击穿空气等离子体光谱、激光诱导击穿酒精灯火焰等离子体光谱、激光诱导酒精喷灯火焰等离子体光谱的对比分析, 发现不同燃烧状况下的光谱中各原子谱线的相对强度是不同的. 这些结果对于使用激光诱导击穿技术分析和研究碳氢燃料在空气中的燃烧特性具有重要的意义和参考价值, 同时也为将该技术应用于燃烧诊断提供了实验依据.

关键词:

Abstract

The emission spectra from a flame-breakdown atmospheric pressure plasma generated by a nanosecond pulsed 1064 nm beam of Nd:YAG laser are investigated by using a PI-MAX-II intensified charge coupled device. The emission lines of the main elements, such as carbon, hydrogen, oxygen and nitrogen are identified according to the national institute of standards and technology database of atomic emission. It is found that the relative intensities of the atomic emission lines are different from each other under different combustion conditions by making a comparative analysis of the spectra of laser induced breakdown air plasma, alcohol burner flame plasma, and alcohol blast burner flame plasma. The obtained results in this work provide an experimental basis for applying the laser-induced breakdown technology to the combustion diagnostics, and have an important reference and significance for analyzing the characteristics of hydrocarbon fuel combusting in air.

Keywords:

作者及机构信息

1.
清华大学热能工程系, 电力系统与发电设备控制与仿真国家重点实验室, 北京 100084;

2.
河北大学物理科学与技术学院, 保定 071002;

3.
华北电力大学控制与计算机工程学院, 保定 071003

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51206086, 51176085)资助的课题.

Authors and contacts

1.
State Key Laboratory of Power Systems, Department of Thermal Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;

2.
College of Physics Science and Technology, Hebei University, Baoding 071002, China;

3.
School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51206086, 51176085).

参考文献

[1]	Lu C P, Liu W Q, Zhao N J, Liu L T, Chen D, Zhang Y J, Liu J G 2011 Acta Phys. Sin. 60 045206 (in Chinese) [鲁翠萍, 刘文清, 赵南京, 刘立拓, 陈东, 张玉钧, 刘建国 2011 物理学报 60 045206]
[2]	Nakimana A, Tao H Y, Hao Z Q, Sun C K, Gao X, Lin J Q 2013 Chin. Phys. B 22 014209
[3]	Guo L B, Hao R F, Hao Z Q, Li K H, Shen M, Ren Z, Li X Y, Zeng X Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 224211 (in Chinese) [郭连波, 郝荣飞, 郝中骐, 李阔湖, 沈萌, 任昭, 李祥友, 曾晓雁 2013 物理学报 62 224211]
[4]	Miziolek A, Palleschi V, Schechter I 2006 Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS): Fundamentals and Applications (Cambridge: Cambridge University Press) pp257-290
[5]	Singh J P, Thakur S N 2007 Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (New York: Elsevier) pp10-15
[6]	Cremers D A, Radziemski L J 2007 Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (New York: Wiley) pp36-42
[7]	Rusak D A, Castle B C, Smith B W, Winefordner J D 1997 Crit. Rev. Anal. Chem. 27 257
[8]	Zhang H, Yueh F Y, Singh J P 1999 Appl. Opt. 38 1459
[9]	Hahn D W, Flower W L, Henken K R 1997 Appl. Spectrosc. 51 1836
[10]	Zhang H, Singh J P, Yueh F Y, Cook R L 1995 Appl. Spectrosc. 49 1617
[11]	Michalakou A, Stavropoulos P, Couris S 2008 Appl. Phys. Lett. 92 081501
[12]	Cremers D A, Radziemski L J 1983 Anal. Chem. 55 1252
[13]	Radziemski L J, Loree T R, Cremers D A, Hoffman N M 1983 Anal. Chem. 55 1246
[14]	Sturm V, Peter L, Noll R 2000 Appl. Spectrosc. 54 1275
[15]	Cabalín L M, Laserna J J 1998 Spectrochim. Acta Part B 53 723
[16]	Sattmann R, Monch I, Krause H, Noll R, Couris S, Hatziapostolou A, Mavromanolakis A, Fotakis C, Larrauri E, Miguel R 1998 Appl. Spectrosc. 52 456
[17]	Gornushkin I B, Anzano J M, King L A, Smith B W, Omenetto N, Winefordner J D 1999 Spectrochim. Acta Part B 54 491
[18]	Cremers D A, Radziemski L J, Loree T R 1984 Appl. Spectrosc. 38 721
[19]	Pichahchy A E, Cremers D A, Ferris M J 1997 Spectrochim. Acta Part B 52 25
[20]	Hanafi M, Omar M M, Gamal Y E E D 2000 Radiat. Phys. Chem. 57 11
[21]	Blevins L G, Shaddix C R, Sickafoose S M, Walsh P M 2003 Appl. Opt. 42 6107
[22]	Lithgow G A, Robinson A L, Buckley S G 2004 Atmos. Environ. 38 3319
[23]	Kiefer J, Tröger J W, Seeger T, Leipertz A, Li B, Li Z S, Aldén M 2010 Meas. Sci. Technol. 21 065303
[24]	Kiefer J, Li Z S, Aldén M 2013 Meas. Sci. Technol. 24 075205
[25]	Tripathi M M, Srinivasan K K, Krishnan S R, Yueh F Y, Singh J P 2013 Fuel 106 318
[26]	Kiefer J, Tröger J W, Li Z S, Aldén M 2011 Appl. Phys. B 103 229
[27]	Einecke S, Schulz C, Sick V 2000 Appl. Phys. B 71 717
[28]	Ma L, Sanders S T, Jeffries J B, Hanson R K 2003 Proc. Combust. Inst. 29 161
[29]	Hoinghaus K K, Jeffries J B 2002 Applied Combustion Diagnostics (New York: Taylor and Francis) pp15-28
[30]	Ferioli F, Puzinauskas P V, Buckley S G 2003 Appl. Spectrosc. 57 1183
[31]	Ferioli F, Buckley S G 2006 Combust. Flame 144 435
[32]	Phuoc T X, White F P 2002 Fuel 81 1761
[33]	Stavropoulos P, Michalakou A, Skevis G, Couris S 2005 Spectrochim. Acta B 60 1092
[34]	Stavropoulos P, Michalakou A, Skevis G, Couris S 2005 Chem. Phys. Lett. 404 309
[35]	Lin Z X, Li X Y, Cheng X W, Li F Q, Gong S S 2003 Spectrosc. Spect. Anal. 23 421 (in Chinese) [林兆祥, 李小银, 程学武, 李发泉, 龚顺生 2003 光谱学与光谱分析 23 421]
[36]	Robert J N 1995 Appl. Spectrosc. 49 1490
[37]	Li X Y, Lin Z X, Liu Y Y, Chen Y Q, Gong S S 2004 Acta Opt. Sin. 24 1051 (in Chinese) [李小银, 林兆祥, 刘煜炎, 陈扬锓, 龚顺生 2004 光学学报 24 1051]
[38]	Ding H L, Gao L X, Zheng H Y, Wang Y P, Huang T, Ding L, Zhang W J, Fang L 2010 Spectrosc. Spect. Anal. 30 l (in Chinese) [丁慧林, 高立新, 郑海洋, 王颖萍, 黄腾, 丁蕾, 张为俊, 方黎 2010 光谱学与光谱分析 30 l]
[39]	Lin Z X, Wu J Q, Gong S S 2006 Acta Phys. Sin. 55 5892 (in Chinese) [林兆祥, 吴金泉, 龚顺生 2006 物理学报 55 5892]

施引文献

[1]	Lu C P, Liu W Q, Zhao N J, Liu L T, Chen D, Zhang Y J, Liu J G 2011 Acta Phys. Sin. 60 045206 (in Chinese) [鲁翠萍, 刘文清, 赵南京, 刘立拓, 陈东, 张玉钧, 刘建国 2011 物理学报 60 045206]
[2]	Nakimana A, Tao H Y, Hao Z Q, Sun C K, Gao X, Lin J Q 2013 Chin. Phys. B 22 014209
[3]	Guo L B, Hao R F, Hao Z Q, Li K H, Shen M, Ren Z, Li X Y, Zeng X Y 2013 Acta Phys. Sin. 62 224211 (in Chinese) [郭连波, 郝荣飞, 郝中骐, 李阔湖, 沈萌, 任昭, 李祥友, 曾晓雁 2013 物理学报 62 224211]
[4]	Miziolek A, Palleschi V, Schechter I 2006 Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS): Fundamentals and Applications (Cambridge: Cambridge University Press) pp257-290
[5]	Singh J P, Thakur S N 2007 Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (New York: Elsevier) pp10-15
[6]	Cremers D A, Radziemski L J 2007 Handbook of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (New York: Wiley) pp36-42
[7]	Rusak D A, Castle B C, Smith B W, Winefordner J D 1997 Crit. Rev. Anal. Chem. 27 257
[8]	Zhang H, Yueh F Y, Singh J P 1999 Appl. Opt. 38 1459
[9]	Hahn D W, Flower W L, Henken K R 1997 Appl. Spectrosc. 51 1836
[10]	Zhang H, Singh J P, Yueh F Y, Cook R L 1995 Appl. Spectrosc. 49 1617
[11]	Michalakou A, Stavropoulos P, Couris S 2008 Appl. Phys. Lett. 92 081501
[12]	Cremers D A, Radziemski L J 1983 Anal. Chem. 55 1252
[13]	Radziemski L J, Loree T R, Cremers D A, Hoffman N M 1983 Anal. Chem. 55 1246
[14]	Sturm V, Peter L, Noll R 2000 Appl. Spectrosc. 54 1275
[15]	Cabalín L M, Laserna J J 1998 Spectrochim. Acta Part B 53 723
[16]	Sattmann R, Monch I, Krause H, Noll R, Couris S, Hatziapostolou A, Mavromanolakis A, Fotakis C, Larrauri E, Miguel R 1998 Appl. Spectrosc. 52 456
[17]	Gornushkin I B, Anzano J M, King L A, Smith B W, Omenetto N, Winefordner J D 1999 Spectrochim. Acta Part B 54 491
[18]	Cremers D A, Radziemski L J, Loree T R 1984 Appl. Spectrosc. 38 721
[19]	Pichahchy A E, Cremers D A, Ferris M J 1997 Spectrochim. Acta Part B 52 25
[20]	Hanafi M, Omar M M, Gamal Y E E D 2000 Radiat. Phys. Chem. 57 11
[21]	Blevins L G, Shaddix C R, Sickafoose S M, Walsh P M 2003 Appl. Opt. 42 6107
[22]	Lithgow G A, Robinson A L, Buckley S G 2004 Atmos. Environ. 38 3319
[23]	Kiefer J, Tröger J W, Seeger T, Leipertz A, Li B, Li Z S, Aldén M 2010 Meas. Sci. Technol. 21 065303
[24]	Kiefer J, Li Z S, Aldén M 2013 Meas. Sci. Technol. 24 075205
[25]	Tripathi M M, Srinivasan K K, Krishnan S R, Yueh F Y, Singh J P 2013 Fuel 106 318
[26]	Kiefer J, Tröger J W, Li Z S, Aldén M 2011 Appl. Phys. B 103 229
[27]	Einecke S, Schulz C, Sick V 2000 Appl. Phys. B 71 717
[28]	Ma L, Sanders S T, Jeffries J B, Hanson R K 2003 Proc. Combust. Inst. 29 161
[29]	Hoinghaus K K, Jeffries J B 2002 Applied Combustion Diagnostics (New York: Taylor and Francis) pp15-28
[30]	Ferioli F, Puzinauskas P V, Buckley S G 2003 Appl. Spectrosc. 57 1183
[31]	Ferioli F, Buckley S G 2006 Combust. Flame 144 435
[32]	Phuoc T X, White F P 2002 Fuel 81 1761
[33]	Stavropoulos P, Michalakou A, Skevis G, Couris S 2005 Spectrochim. Acta B 60 1092
[34]	Stavropoulos P, Michalakou A, Skevis G, Couris S 2005 Chem. Phys. Lett. 404 309
[35]	Lin Z X, Li X Y, Cheng X W, Li F Q, Gong S S 2003 Spectrosc. Spect. Anal. 23 421 (in Chinese) [林兆祥, 李小银, 程学武, 李发泉, 龚顺生 2003 光谱学与光谱分析 23 421]
[36]	Robert J N 1995 Appl. Spectrosc. 49 1490
[37]	Li X Y, Lin Z X, Liu Y Y, Chen Y Q, Gong S S 2004 Acta Opt. Sin. 24 1051 (in Chinese) [李小银, 林兆祥, 刘煜炎, 陈扬锓, 龚顺生 2004 光学学报 24 1051]
[38]	Ding H L, Gao L X, Zheng H Y, Wang Y P, Huang T, Ding L, Zhang W J, Fang L 2010 Spectrosc. Spect. Anal. 30 l (in Chinese) [丁慧林, 高立新, 郑海洋, 王颖萍, 黄腾, 丁蕾, 张为俊, 方黎 2010 光谱学与光谱分析 30 l]
[39]	Lin Z X, Wu J Q, Gong S S 2006 Acta Phys. Sin. 55 5892 (in Chinese) [林兆祥, 吴金泉, 龚顺生 2006 物理学报 55 5892]

[1]	王媛媛, 王羡之, 宋贾俊, 张旭, 王兆华, 魏志义. 超强激光在均匀等离子体中的背向拉曼散射放大机制. 物理学报, 2022, 71(5): 055202. doi: 10.7498/aps.71.20211270
[2]	单良, 赵腾飞, 黄荟云, 洪波, 孔明. 基于阻尼LSQR-LMBC的火焰三维温度场重建. 物理学报, 2022, 71(4): 040701. doi: 10.7498/aps.71.20211421
[3]	赵法刚, 张宇, 张雷, 尹王保, 董磊, 马维光, 肖连团, 贾锁堂. 基于自吸收量化的激光诱导等离子体表征方法. 物理学报, 2018, 67(16): 165201. doi: 10.7498/aps.67.20180374
[4]	杨大鹏, 李苏宇, 姜远飞, 陈安民, 金明星. 飞秒激光成丝诱导Cu等离子体的温度和电子密度. 物理学报, 2017, 66(11): 115201. doi: 10.7498/aps.66.115201
[5]	杨文斌, 周江宁, 李斌成, 邢廷文. 激光诱导氮气等离子体时间分辨光谱研究及温度和电子密度测量. 物理学报, 2017, 66(9): 095201. doi: 10.7498/aps.66.095201
[6]	张鑫, 黄勇, 王万波, 唐坤, 李华星. 对称式布局介质阻挡放电等离子体激励器诱导启动涡. 物理学报, 2016, 65(17): 174701. doi: 10.7498/aps.65.174701
[7]	刘明伟, 龚顺风, 李劲, 姜春蕾, 张禹涛, 周并举. 低密等离子体通道中的非共振激光直接加速. 物理学报, 2015, 64(14): 145201. doi: 10.7498/aps.64.145201
[8]	张颖, 张大成, 马新文, 潘冬, 赵冬梅. 基于激光诱导击穿光谱技术定量分析食用明胶中的铬元素. 物理学报, 2014, 63(14): 145202. doi: 10.7498/aps.63.145202
[9]	陈添兵, 姚明印, 刘木华, 林永增, 黎文兵, 郑美兰, 周华茂. 基于多元定标法的脐橙Pb元素激光诱导击穿光谱定量分析. 物理学报, 2014, 63(10): 104213. doi: 10.7498/aps.63.104213
[10]	刘玉峰, 丁艳军, 彭志敏, 黄宇, 杜艳君. 激光诱导击穿空气等离子体时间分辨特性的光谱研究. 物理学报, 2014, 63(20): 205205. doi: 10.7498/aps.63.205205
[11]	刘月华, 陈明, 刘向东, 崔清强, 赵明文. 透镜到靶材的距离对脉冲激光诱导等离子体的影响机理研究. 物理学报, 2013, 62(2): 025203. doi: 10.7498/aps.62.025203
[12]	李世雄, 白忠臣, 黄政, 张欣, 秦水介, 毛文雪. 激光诱导等离子体加工石英微通道机理研究. 物理学报, 2012, 61(11): 115201. doi: 10.7498/aps.61.115201
[13]	高勋, 宋晓伟, 郭凯敏, 陶海岩, 林景全. 飞秒激光烧蚀硅表面产生等离子体的发射光谱研究. 物理学报, 2011, 60(2): 025203. doi: 10.7498/aps.60.025203
[14]	孙对兄, 苏茂根, 董晨钟, 王向丽, 张大成, 马新文. 基于激光诱导击穿光谱技术的铝合金成分定量分析. 物理学报, 2010, 59(7): 4571-4576. doi: 10.7498/aps.59.4571
[15]	夏志林, 郭培涛, 薛亦渝, 黄才华, 李展望. 短脉冲激光诱导薄膜损伤的等离子体爆炸过程分析. 物理学报, 2010, 59(5): 3523-3530. doi: 10.7498/aps.59.3523
[16]	张大成, 马新文, 朱小龙, 李斌, 祖凯玲. 激光诱导击穿光谱应用于三种水果样品微量元素的分析. 物理学报, 2008, 57(10): 6348-6353. doi: 10.7498/aps.57.6348
[17]	张秋菊, 武慧春, 王兴海, 盛政明, 张杰. 超短激光脉冲在等离子体中的分裂以及类孤子结构的形成. 物理学报, 2007, 56(12): 7106-7113. doi: 10.7498/aps.56.7106
[18]	孙立涛, 巩金龙, 朱志远, 朱德彰, 何绥霞, 王震遐. 等离子体诱导碳纳米管到纳米金刚石的相变. 物理学报, 2004, 53(10): 3467-3471. doi: 10.7498/aps.53.3467
[19]	张端明, 关丽, 李智华, 钟志成, 侯思普, 杨凤霞, 郑克玉. 脉冲激光制膜过程中等离子体演化规律的研究. 物理学报, 2003, 52(1): 242-246. doi: 10.7498/aps.52.242
[20]	何斌, 常铁强, 张家泰, 许林宝. 超强激光场等离子体中电子纵向运动的研究. 物理学报, 2001, 50(10): 1939-1945. doi: 10.7498/aps.50.1939

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