为了探讨电子温度和密度与散射角的关系,2000年,Snyder等人[20]分别选用532nm和355nm的激光波长,实验装置同上所述,在常压Ar等离子体射流中,通过激光Thomson散射的电子分布的谱线分析,进而获得电子温度和密度。实验结果表明他们的努力是正确的。 所有数据均在等离子射流径向r=0mm、喷出面前方轴向5mm处获得。氩气流速为35.4L/min,焊炬电流为900A。图4分别给出了对应波长532nm、355nm的电子温度和电子密度图。从图中可以看出,波长为532nm时,随着散射角在0~80º
范围内不断减小,电子温度明显上升,电子密度数基本上与散射角无关;而对于波长355nm而言,电子温度或电子密度都没有明显随散射角的变化而变化。由此可见,当激光波长为532nm时,散射角度对电子温度明显起着决定作用;在散射角小于80º时,随角度的减少电子温度上升。这是因为在小散射角时,电子等离子体波的弹性碰撞率比兰道碰撞率大。这就使得电子分布的电子等离子体波发生共振结构的展开。这一展开进而导致了电子温度随散射角的减小而上升。然而,波长为355nm时,对于所有的散射角,兰道碰撞率比弹性碰撞率要大。因此,可认为在这一波长时电子分布的弹性碰撞是可忽略的;电子温度值与散射角无关。Snyder等人在实验中也证实了这一现象。同时,通过比较小散射角时分别对应波长532nm和355nm的测量数据,可以得出电子分布的弹性碰撞效应的定量值。 5 前景与展望 Thomson散射由于其能测量局部温度且准确性不依赖LTE存在的优点,且具有光学探针的特征,已经越来越广泛的应用于测量自由燃烧电弧和热等离子体的气体温度、电子温度以及电子密度,在理论和工业应用中都获得了较大的成功。 在国内,测量和诊断焊接电弧主要还是电弧电信号检测方法、高速摄影/像法、电弧光强法、电弧光谱法、电弧声信号法以及X射线法等手段。而在应用激光散射测量电弧微观粒子热物理参数等方面的研究目前还在起步阶段。在研究中需要把传统的电弧诊断方法和激光散射测量方法结合起来,利用Thomson激光散射诊断方法,建立具有高时、空分辨率的基于脉冲激光散射效应的光谱诊断系统,并采用先进的电弧信号检测仪器,接收激光与电弧相作用的散射信号,通过数-模转换与数值计算,以获得焊接电弧的电子温度、电子密度等信息,实现对非热平衡状态下焊接电弧各物理参数的精确观测和分析,指导焊接工艺。 随着光学仪器、检测设备的日益精湛,随着激光散射检测技术的理论研究和实践应用的不断深化,国内焊接电弧物理界也必将翻开诊断和认识电弧的新的一页。
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