3.1.3.Спектрометрические измерения

Несмотря на то, что плазма за счет связанно-связанных переходов излучает отдельные линии, в действительности каждая из этих линий является не бесконечно тонкой, но имеет определенную ширину, обусловленную как физическими причинами – уширением испускаемой линии, так и сугубо инструментальными – уширением линии, измеряемой спектрометром.

Основные физические причины, ответственные за уширение испускаемой линии: движение частиц (приводящее к так называемому доплеровскому уширению) и их столкновения между собой, – «размывают» линии в дуговой плазме на ~10^–2 нм. Более существенно в нашем случае аппаратное уширение, приводящее к размытию регистрируемой линии. Соответствующая характеристика спектрометра – полная ширина линии на полувысоте (ПШПВ, англ. FWHM), обозначаемая Δ и называемая также иногда просто разрешением, – приводится в паспорте прибора. Для используемых в лабораторной работе спектрометров AvaSpec ПШПВ имеет значение ~1 нм, то есть значительно больше физического уширения, поэтому измеряемый контур линий можно считать сугубо аппаратным. С хорошей точностью аппаратный контур – интенсивность излучения в зависимости от длины волны – может быть описан гауссовской функцией:

, (3.15)

где – длина волны, соответствующая переходу (приведена в таб. 3. 1), σ – параметр, определяющий ширину линии и связанный с ПШПВ Δ соотношением

. (3.16)

Например, для спектрометра AvaSpec-2048 Δ = 2.4 нм и σ = 1.4 нм.

Значительное уширение линий приводит к тому, что расположенные близко друг к другу линии сливаются и выглядят на спектре как одна (см. рис. 3. 2); подобные «сдвоенные» линии следует выявлять, пользуясь табл. 3.1; их нельзя включать в расчет для определения температуры плазмы методом относительных интенсивностей.

Рис. 3.2. Измеренный в эксперименте спектр аргоновой плазмы (сплошная линия) и рассчитанный с учетом найденной температуры плазмы и известного аппаратного уширения линий (пунктирная линия)

При съемке спектра во время проведения эксперимента следует иметь в виду, что дуга в плазмотроне может гореть нестабильно, ее температура может зависеть от времени. Поэтому время накопления спектра должно выбираться достаточно малым, в противном случае измеренные усредненные по большому промежутку времени (более секунды) плотности потока излучения будут непригодны для определения температуры дуги.

3.2. Выполнение лабораторной работы и обработка результатов измерений

3.2.1. Конструкция плазмотрона

Лабораторная работа выполняется на проточном электродуговом плазмотроне. Конструкция плазмотрона представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Конструкция плазмотрона: 1 – фланец анодный, 2 – анод (молибден), 3, 13 – выход охлаждающей воды, 4 – прокладка фторопластовая, 5, 5а – шайба стабили-зирующая, 6, 6а – шайба оптическая, 7, 12 – вход охлаждающей воды, 8 – фланец катодный, 9 – катод (вольфрам), 10 – привод катода, 11 – привод газа, 14 – ось стягивающих шпилек

В качестве рабочего газа используется аргон. В качестве источника питания используется сварочный инвертор Master CUT-40.