崔紫宵，武華策，吳鼎，劉佳敏，胡曉涵，海然，李聰，丁洪斌

（大連理工大學(xué) 物理學(xué)院，大連 116024）

0 引言

在磁約束聚變裝置運(yùn)行過(guò)程中，面向等離子體的材料（Plasma Facing Materials，PFMs）必須承受強(qiáng)烈的輻射、粒子轟擊以及高熱負(fù)荷，發(fā)生等離子體與壁相互作用（Plasma Wall Interaction，PWI）。PFMs 受到侵蝕和沉積的影響，性能會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而嚴(yán)重影響托卡馬克長(zhǎng)脈沖或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，甚至?xí)斐砂踩鹿剩?-3］。因此，對(duì)PFMs 進(jìn)行元素診斷和監(jiān)測(cè)，對(duì)于理解PWI 的物理過(guò)程，進(jìn)而改進(jìn)穩(wěn)態(tài)高約束等離子體運(yùn)行參數(shù)至關(guān)重要。基于激光的方法結(jié)合光學(xué)發(fā)射光譜，特別是激光誘導(dǎo)擊穿光譜（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）技術(shù)，是一種對(duì)材料進(jìn)行定性和定量分析的有用工具。由于它自身的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如在真空條件下檢測(cè)速度快、無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理、可遠(yuǎn)程原位分析等，LIBS 成為表征托卡馬克壁材料表面元素分布最合適的技術(shù)之一［4-11］。自2001 年以來(lái)，LIBS 技術(shù)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多個(gè)聚變裝置第一壁材料的元素診斷［12-15］。2014 年，我們課題組已在EAST 裝置中成功研制安裝了遠(yuǎn)程原位LIBS 系統(tǒng)，開(kāi)展了實(shí)時(shí)測(cè)量第一壁上的燃料滯留和雜質(zhì)分布的研究［16-20］。

ENEA 研究中心的COLAO F 等開(kāi)發(fā)了一種LIBS 裝置，利用CF-LIBS 方法對(duì)沉積在等離子體表面組件上雜質(zhì)的元素分布進(jìn)行定性和定量分析，給出了氘元素的含量，其聲稱對(duì)微量組分濃度的測(cè)定精度達(dá)到20%［21］。印度的MAURYA G S 在大氣壓環(huán)境下利用CF-LIBS 方法離線分析了托卡馬克限制器上的雜質(zhì)沉積層，如Fe、Cr、Ni、Mo、Mn、Cu、C、Ca 和Mg 等元素并給出了百分比［22］。盡管研究人員利用CF-LIBS 方法得到了定量分析結(jié)果，但其可靠性和準(zhǔn)確性仍有待評(píng)估。采用CF-LIBS 的前提是假定等離子體處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，不同元素在燒蝕過(guò)程中沒(méi)有元素偏析發(fā)生。但在真空條件下，等離子體羽中不同元素的粒子由于質(zhì)量、所帶電荷和所處能級(jí)的差異，在膨脹過(guò)程中呈現(xiàn)出不同的擴(kuò)散速度，使得等離子體具有空間非均勻性［23，24］，導(dǎo)致該假設(shè)極有可能不成立。因此對(duì)等離子體時(shí)空演化行為進(jìn)行研究，是進(jìn)一步改進(jìn)真空中LIBS 定量分析精度的關(guān)鍵內(nèi)容。

我們課題組前期已經(jīng)利用垂直光學(xué)收集結(jié)構(gòu)研究了H、Li、C、Si、Mo 和W 等離子體的時(shí)空演化，觀察到不同元素縱向擴(kuò)張速度有所差異［25，26］。然而，對(duì)于原位LIBS 診斷而言，EAST 上可供LIBS 使用的光學(xué)窗口有限，垂直收集結(jié)構(gòu)不是優(yōu)選方案。同時(shí)，在垂直光學(xué)結(jié)構(gòu)的有限視場(chǎng)下，部分等離子體會(huì)逃出光譜探測(cè)區(qū)，同軸光學(xué)收集結(jié)構(gòu)被認(rèn)為可能是ITER 托卡馬克裝置原位LIBS 診斷的優(yōu)選方式。由于鈹（Be）的良好物理特性，如強(qiáng)吸氧性、不與氘元素發(fā)生反應(yīng)、良好的導(dǎo)熱性、化學(xué)濺射低、熔點(diǎn)低、蒸汽壓高等性質(zhì)，ITER 已經(jīng)確定使用Be 作為第一壁材料［27］。歐洲的JET 裝置已經(jīng)開(kāi)始使用Be 作為第一壁［28］。但Be 具有毒性和易爆性，世界上僅有幾個(gè)裝置擁有進(jìn)行Be 實(shí)驗(yàn)的授權(quán)。在元素周期表中，Al 元素處于Be 元素的對(duì)角線位置，它的性質(zhì)與Be 元素的性質(zhì)相似，因此在實(shí)驗(yàn)室中可以通過(guò)研究Al 等離子體來(lái)間接了解Be 的特性。KRETER A 等在PISCES-B 線性等離子體裝置上研究了在等離子體雜質(zhì)的影響下，Be 的侵蝕、沉積層的形成和燃料滯留行為［29］。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露于D 等離子體時(shí)，金屬Al 表現(xiàn)出與金屬Be 類似的性質(zhì)，被認(rèn)為是Be 的無(wú)毒代替品。為了克服高溫等離子體對(duì)PFMs 的侵蝕，鋰（Li）正在被探索作為核聚變反應(yīng)堆中潛在的第一壁材料［30］。一方面，它具有較好的散熱性能，對(duì)O2、CO、N2和氫同位素氣體等雜質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附性，可以提高長(zhǎng)脈沖H 模的等離子體運(yùn)行性能。另一方面，它容易排出殘留燃料，極大地減少了燃料和雜質(zhì)的再循環(huán)，并且沒(méi)有不可逆的機(jī)械表面變化，如開(kāi)裂、起泡等，保證了第一壁表面可循環(huán)利用。EAST 裝置中已成功使用鋰化壁處理技術(shù)［31，32］。因此，我們選取鋁（取代Be）鋰合金來(lái)代替第一壁上的鋰沉積層作為研究對(duì)象。我們課題組前期還研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)激光燒蝕鋁鋰合金等離子體信號(hào)強(qiáng)度的影響。在真空環(huán)境中，強(qiáng)磁場(chǎng)的存在可能會(huì)減緩等離子體羽流的膨脹速度，且光譜發(fā)射的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，發(fā)射光譜強(qiáng)度增強(qiáng)［33，34］。但迄今為止，對(duì)鋁鋰合金樣品進(jìn)行同軸時(shí)空LIBS 測(cè)量的研究尚有不足，Al-Li 合金等離子體中各個(gè)物種的發(fā)光尺寸、發(fā)光時(shí)間、橫向擴(kuò)張速度等參數(shù)信息并不清楚。而這些信息對(duì)LIBS 技術(shù)用于托卡馬克裝置壁診斷中的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、門(mén)寬等參數(shù)設(shè)置十分重要。

本文在陣列光纖束收集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種同軸LIBS 系統(tǒng)，模擬EAST 真空環(huán)境，在10－5mbar的氣壓條件下對(duì)鋁鋰合金等離子體發(fā)射光譜分別進(jìn)行時(shí)空積分和時(shí)空分辨測(cè)量。評(píng)估了等離子體發(fā)光時(shí)間～1 μs，發(fā)光區(qū)域大小～1 cm。進(jìn)一步研究了連續(xù)輻射、離子譜線和原子譜線的時(shí)間演化，給出了激光燒蝕等離子體不同輻射機(jī)制的輻射時(shí)間尺度。進(jìn)一步采用時(shí)空分辨光譜的方式，研究了激光誘導(dǎo)等離子體各類物種（離子和原子）的時(shí)空演化特性，獲取了各個(gè)物種的橫向擴(kuò)張速度，并對(duì)等離子體膨脹過(guò)程中的元素粒子“空間分離”以及“離子加速”現(xiàn)象進(jìn)行了較深入的研究，利用“鞘層加速”機(jī)制、較快的離子復(fù)合效應(yīng)以及激發(fā)態(tài)能級(jí)差異進(jìn)行了討論。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

同軸LIBS 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1 所示，該系統(tǒng)主要由激光器、光譜儀和真空腔室組成。實(shí)驗(yàn)采用的是Q 開(kāi)關(guān)Nd∶YAG 激光器（Brilliant Eazy， Quantel），脈沖寬度為5 ns，重復(fù)頻率為4 Hz，波長(zhǎng)為1 064 nm。脈沖激光先后通過(guò)半波片、分束立方晶體、反射鏡，以及一個(gè)焦距為50 cm、直徑為10 cm 的平凸透鏡后被聚焦到樣品表面，燒蝕并產(chǎn)生等離子體。到達(dá)樣品表面的激光能量為150 mJ，激光燒蝕光斑直徑約為0.78 mm，對(duì)應(yīng)的激光燒蝕功率密度為6.3 GW/cm2。長(zhǎng)為4.5 cm、寬為0.6 cm、厚度為0.3 cm 的條狀鋁鋰合金樣品（Al 91.67%，Li 5.00%，Mg 2.14%）安裝在帶有石英窗口的真空腔室內(nèi)的二維移動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)樣品實(shí)現(xiàn)樣品的燒蝕位置的改變。真空腔室連接著一個(gè)分子泵和一個(gè)機(jī)械泵，將腔室內(nèi)的氣壓維持在為5.0×10－5mbar。激光聚焦透鏡（焦距為50 cm、直徑為10 cm）和收集透鏡（焦距為15 cm、直徑為10 cm）組成了等離子體收集透鏡組，用于收集等離子體的發(fā)射光，并耦合進(jìn)光纖束中。光纖束由20 根直徑為300 μm 的光纖線性排列而成，每根光纖對(duì)應(yīng)著LIBS 等離子體的不同采集區(qū)域，光纖束的另一邊被耦合進(jìn)光譜儀的狹縫中。實(shí)驗(yàn)使用的是ICCD 光譜儀（ICCD-ANDOR iStar，340T，Shamrock SR-750-R），光柵為150 刻線/mm，響應(yīng)波段為350～800 nm，單測(cè)量覆蓋波長(zhǎng)為110 nm，入口狹縫寬度為80 μm。實(shí)驗(yàn)中，收集透鏡的物像比50∶15，像縮小了約3.3 倍，因此，光纖陣列的收集區(qū)域約20 mm，單芯光纖的收集范圍約1 mm。實(shí)驗(yàn)中，為了避免樣品表面雜質(zhì)元素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成干擾，先用10 個(gè)激光脈沖對(duì)樣品進(jìn)行清洗預(yù)處理。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，每一組數(shù)據(jù)都選取新的燒蝕位置，重復(fù)5 次，每張光譜由平均5 次獲得。

圖1 激光誘導(dǎo)等離子體光譜診斷實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig.1 Schematic illustration of laser induced plasma system

實(shí)驗(yàn)中光譜的采集時(shí)序如圖2 所示，光譜儀由激光器觸發(fā)，實(shí)驗(yàn)中零時(shí)刻t0設(shè)置為激光峰值前5 ns。光譜儀門(mén)延遲由td表示，時(shí)間積分光譜門(mén)寬設(shè)置為10 μs， 時(shí)間分辨光譜研究門(mén)寬設(shè)置為tw=3 ns+0.1×td。

圖2 光譜采集時(shí)序圖Fig.2 The time synchronization of the experiment

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁鋰合金的典型時(shí)空積分光譜

圖3 給出了真空下激光燒蝕Al-Li 合金等離子體的典型時(shí)空積分發(fā)射光譜，光譜儀的門(mén)延遲td設(shè)置為0 ns，即激光達(dá)到峰值時(shí)刻之前的5 ns 作為0 時(shí)刻，門(mén)寬tw設(shè)置為10 μs。由于150 刻線光柵每次覆蓋波長(zhǎng)范圍約為110 nm，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)光柵位置多次測(cè)量，進(jìn)行拼接，獲取了鋁鋰合金樣品在較大波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)射光譜。文中所有光譜信號(hào)均已經(jīng)用標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行強(qiáng)度相對(duì)校準(zhǔn)。

圖3 激光燒蝕鋁鋰合金等離子體時(shí)空積分發(fā)射光譜Fig.3 Space-time integral emission spectrum of laser ablated aluminum-lithium alloy plasma

如圖3 所示，在350～680 nm 范圍內(nèi)，激光燒蝕Al-Li 合金等離子體主要由連續(xù)光譜、線狀光譜組成。線狀譜主要由Al 和Li 元素的原子譜線、一價(jià)離子譜線以及Al 的二價(jià)譜線組成。圖中標(biāo)識(shí)的羅馬數(shù)字I、II、III分別代表對(duì)應(yīng)元素的原子、一價(jià)離子和二價(jià)離子譜線。觀察到的主要光譜線及相關(guān)參數(shù)在NIST 數(shù)據(jù)庫(kù)中查得［35］，如表1 所示。

表1 光譜中主要譜線及相關(guān)參數(shù)Table 1 Correlation spectral line parameters in spectrum

可以看出，在沒(méi)有時(shí)間分辨的情況下，等離子體發(fā)射光譜具有較強(qiáng)的連續(xù)背景輻射。而在發(fā)射光譜分析中，只有原子（或離子）輻射的特征譜線是進(jìn)行物種成分以及含量分析的有效信息源，連續(xù)輻射背景應(yīng)盡可能降低。因此為了探測(cè)到最佳的LIBS 光譜信號(hào)，需要選擇合適的延遲時(shí)間來(lái)減小連續(xù)背景光譜對(duì)特征光譜的影響，進(jìn)行LIBS 時(shí)間分辨測(cè)量十分必要。

2.2 時(shí)間分辨光譜（空間積分）

前面提到LIBS 測(cè)量方法通常是選用原子（離子）譜線做分析，連續(xù)輻射是對(duì)測(cè)量無(wú)用的干擾信號(hào)，為了能夠較優(yōu)地采集到光譜分析所需的原子（離子）譜線的信號(hào)，有必要對(duì)等離子體的時(shí)間演化過(guò)程進(jìn)行研究。可以通過(guò)改變探測(cè)的延遲時(shí)間來(lái)研究光譜的時(shí)間演化行為。圖4 所示為不同時(shí)刻激光燒蝕鋁鋰合金等離子體時(shí)間分辨光譜，門(mén)寬tw設(shè)置為3 ns 加上門(mén)延遲時(shí)間的10%，所示光譜均由20 根光纖信號(hào)求和，對(duì)采集門(mén)寬進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后得到。

圖4 激光誘導(dǎo)鋁鋰合金等離子體不同時(shí)刻時(shí)間分辨光譜（20 芯光纖信號(hào)求和）Fig.4 Emission spectrum of laser induced aluminum-lithium alloy plasma at various gate delay times

通過(guò)圖4 幾個(gè)典型時(shí)刻鋁鋰合金等離子體空間積分的發(fā)射光譜，可以看出連續(xù)背景和線狀譜的時(shí)間演化。在等離子體初期7 ns 時(shí)刻，連續(xù)背景占主導(dǎo)位置；在22 ns 時(shí)刻，連續(xù)背景減弱，開(kāi)始出現(xiàn)線狀譜，主要是不同元素的離子線，此時(shí)的離子線比原子線強(qiáng)；在170 ns 時(shí)刻，連續(xù)背景已經(jīng)很弱，線狀譜占主要地位，此時(shí)的離子線已經(jīng)開(kāi)始減弱，原子線開(kāi)始變強(qiáng)；在700 ns 時(shí)刻，離子線的強(qiáng)度已經(jīng)很弱，線狀譜主要是由原子線組成；2 μs 時(shí)刻，光譜中離子線已經(jīng)完全消失，只剩下原子譜線；3 μs 時(shí)刻，原子線強(qiáng)度已經(jīng)減弱至光譜儀的探測(cè)限以下。

2.3 光譜信號(hào)的時(shí)間演化

為了便于分析，選取鋁鋰合金等離子體連續(xù)背景（481.39 nm 位置）、鋁原子譜線Al I 396.15 nm、一價(jià)鋁離子Al II 358.69 nm、二價(jià)鋁離子Al III 451.26 nm、鋰原子譜線Li I 670.78 nm 和一價(jià)鋰離子Li II 548.36 nm作為分析對(duì)象，圖5 給出了連續(xù)背景和不同元素特征譜線的時(shí)間演化。可以看出，不同譜線維持時(shí)間有所不同，在～1 μs 內(nèi)均已降低到一個(gè)相當(dāng)?shù)偷乃?，因此等離子體的發(fā)光時(shí)間為1 μs 左右。

圖5 連續(xù)背景、A1 I 396.15 nm、Al II 358.69 nm、Al III 451.26 nm、Li I 670.78 nm 和Li II 548.36 nm 光譜強(qiáng)度隨時(shí)間的演化Fig.5 The spectral intensity of the continuum radiation， A1 I 396.15 nm， Al II 358.69 nm， Al III 451.26 nm， Li I 670.78 nm and Li II 548.36 nm as a function of delay time

從圖5 中可以進(jìn)一步看出在真空下激光燒蝕鋁鋰合金等離子體中不同輻射過(guò)程的時(shí)間尺度。連續(xù)發(fā)射光譜主要在早期30 ns 內(nèi)，Al III 451.26 nm 的發(fā)光區(qū)間為10～100 ns，峰值在40 ns，維持時(shí)間～100 ns；Al II 358.69 nm 的發(fā)光區(qū)間為10～200 ns，峰值在50 ns，維持時(shí)間～170 ns。離子譜線的下降伴隨著原子譜線的上升，Al I 396.15 nm 大約是在20 ns 后開(kāi)始出現(xiàn)，隨著等離子體膨脹過(guò)程信號(hào)先增大后減小，原子線的強(qiáng)度在60 ns 達(dá)到最大值，并存在一個(gè)較長(zhǎng)的拖尾，發(fā)光時(shí)間約為1 000 ns，該拖尾的存在暗示了有其他能級(jí)或者離子復(fù)合產(chǎn)生了激發(fā)態(tài)Al 原子。觀測(cè)到不同元素原子譜線和離子譜線發(fā)射時(shí)間存在較大不同，離子譜線壽命低于原子壽命譜線。

總之，等離子體輻射譜線中，連續(xù)譜線主要產(chǎn)生于輻射初期，且存在時(shí)間短；隨著時(shí)間的推移，連續(xù)背景光譜強(qiáng)度迅速減小，此時(shí)明顯的分立譜線即特征譜線開(kāi)始出現(xiàn)。在連續(xù)背景光譜衰減的同時(shí)，離子譜線強(qiáng)度逐漸達(dá)到最大，然后開(kāi)始衰減直至消失。離子譜線和原子譜線的時(shí)間演化規(guī)律不同，原子譜線以較慢的速度增大，然后逐漸減小，比離子譜線強(qiáng)度減小得更慢，可以持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。這是由于離子相對(duì)于激發(fā)態(tài)原子處于更高的電離態(tài)，衰減地更快，而原子可由離子復(fù)合產(chǎn)生從而存在的時(shí)間更長(zhǎng)。從光譜信號(hào)時(shí)間演化分析還可以看出，連續(xù)發(fā)射光譜主要在早期30 ns 內(nèi)，50 ns 連續(xù)背景基本上降低到相當(dāng)?shù)偷乃?，線狀譜仍然保持較高的水平。因此為降低連續(xù)背景對(duì)信號(hào)的影響，門(mén)延遲時(shí)間選擇在50 ns 后以獲得質(zhì)量較高的光譜。

2.4 空間分辨光譜及分布（時(shí)間積分）

圖6 是當(dāng)門(mén)寬為10 μs 時(shí)，30 ns 時(shí)刻鋁鋰合金等離子體發(fā)射光譜的空間分布圖，其X軸是波長(zhǎng)，Y軸是等離子體的徑向空間位置。可以觀察到，等離子體在真空膨脹過(guò)程中，其中各類物種發(fā)光區(qū)域有顯著差異。

圖6 積分時(shí)間10 μs，門(mén)延遲30 ns 時(shí)刻鋁鋰合金等離子體中Al I、Al II、Al III、Li I、Li II 的空間分布光譜Fig.6 Spatial distribution spectra of Al I， Al II， Al III， Li I， Li II in aluminum-lithium alloy plasma at 30 ns， integrated time 10 μs

以 Al I 394.40 nm、Al II 559.33 nm、Al III 572.27 nm、Li I 610.36 nm 和 Li II 548.36 nm 為研究對(duì)象，研究了鋁鋰合金等離子體特征譜線的空間分布特征。如圖7 所示在30 ns 時(shí)刻，門(mén)寬為10 μs 時(shí)鋁鋰合金等離子體中兩種元素對(duì)應(yīng)的特征譜線的時(shí)間積分的空間分布，以對(duì)應(yīng)物種發(fā)光強(qiáng)度最大值的5%作為各自物種發(fā)光區(qū)域的邊界。

圖7 延遲時(shí)間30 ns、積分時(shí)間10 μs 時(shí) Al 和Li 譜線的空間分布Fig.7 Spatial distribution of spectral lines of Al and Li at delay time 30 ns， integrated time 10 μs

從圖7 可以看到，30 ns 時(shí)刻Al I 394.40 nm、Al II 559.33 nm、Al III 572.27 nm、Li I 610.36 nm、Li II 548.36 nm 的等離子體發(fā)光區(qū)域分別為：8.6 mm、5.6 mm、4.8 mm、6.9 mm、9.2 mm。對(duì)于Al 元素，等離子體發(fā)光區(qū)域：Al I>Al II>Al III，對(duì)于Li 元素，等離子體發(fā)光區(qū)域：Li II>Li I。

由于上述空間分布是時(shí)間積分結(jié)果，發(fā)光區(qū)域大小取決于發(fā)光時(shí)間和對(duì)應(yīng)物種擴(kuò)散速度，兩種機(jī)制的共同作用決定了發(fā)光區(qū)域的大小。由圖5（a）時(shí)間演化結(jié)果可以看出，Al 元素發(fā)光時(shí)間Al I>Al II>Al III，并且由表1 也看出發(fā)光時(shí)間短的上能級(jí)能量也較高，因此Al 等離子體中Al III 發(fā)光區(qū)域最小，Al II 次之，Al I發(fā)光時(shí)間最長(zhǎng)，擴(kuò)散距離最遠(yuǎn)，發(fā)光區(qū)域最大。盡管我們?cè)谇捌诠ぷ饕呀?jīng)發(fā)現(xiàn)激光燒蝕等離子體過(guò)程中形成的“等離子體鞘層”對(duì)離子有加速作用［36，37］，由于不同物種對(duì)應(yīng)激發(fā)態(tài)能級(jí)壽命差異較大，發(fā)光時(shí)間反而起主導(dǎo)作用。但由于Li II 和Li I 發(fā)光時(shí)間（壽命）差異較?。▓D5（b）可以看出），因此，相近發(fā)光時(shí)間下，發(fā)光區(qū)域大小取決于速度。由于瞬態(tài)鞘層的加速作用，離子速度大，因此相對(duì)于Li I 發(fā)光區(qū)域，Li II 發(fā)光區(qū)域較大。

2.5 粒子空間分布（時(shí)間分辨）及擴(kuò)散速度

為了探究原子和離子在等離子體膨脹過(guò)程的速度差異，圖8（a）～（f）分別給出了Al I 394.40 nm、Li I 610.36 nm、Li I 670.78 nm、Al II 559.33 nm、Li II 548.36 nm、Al III 572.27 nm 特征譜線在不同時(shí)刻的空間分布。需要提及的是，這里的空間分布均為時(shí)間分辨與前面的時(shí)間積分光譜有所不同，對(duì)應(yīng)的光譜門(mén)寬為3 ns 加上門(mén)延遲時(shí)間的10%。例如，延遲時(shí)間為60 ns 對(duì)應(yīng)的門(mén)寬為9 ns，延遲時(shí)間為330 ns 的對(duì)應(yīng)的門(mén)寬為36 ns。并進(jìn)一步繪制了原子譜線和離子譜線的對(duì)應(yīng)時(shí)刻和擴(kuò)張位置的關(guān)系，線性擬合得到了不同粒子在等離子體膨脹過(guò)程中的平均擴(kuò)張速度，如圖9 所示。表2 給出了鋁鋰合金中不同物種速度的匯總，也包括了另外額外三條Al 元素的特征譜線（Al I 396.15 nm、Al II 358.69 nm、Al III 569.66 nm）的擴(kuò)張速度。

表2 鋁鋰合金中兩種元素對(duì)應(yīng)原子和離子速度匯總Table 2 Summary of atomic and ion velocities corresponding to two elements in aluminum-lithium

圖8 Al I 394.40 nm、Li I 610.36 nm、Li I 670.78 nm、Al II 559.33 nm、Li II 548.36 nm、Al III 572.27 nm 特征譜線在不同時(shí)刻的空間分布Fig. 8 The spatial distribution of Al I 394.40 nm， Li I 610.36 nm， Li I 670.78 nm， Al II 559.33 nm， Li II 548.36 nm and Al III 572.27 nm at different times

圖9 兩種元素對(duì)應(yīng)原子和離子的速度擬合Fig. 9 Velocity fitting diagram of two elements corresponding to atoms and ions

可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一種元素，離子速度大于中性原子速度，即Al III>Al II>Al I，Li II>Li I，這是由于在激光燒蝕過(guò)程中形成的等離子體鞘層對(duì)離子有加速作用。激光產(chǎn)生的等離子體主要通過(guò)電子-離子逆軔致輻射碰撞吸收納秒脈沖激光能量而形成，電子-離子的熱化時(shí)間（10-10～10-11s）比納秒激光脈沖持續(xù)時(shí)間短得多，所以激光作用期間電子和離子雖可能處于熱平衡狀態(tài)。然而，由于巨大的質(zhì)量差異，電子速度會(huì)遠(yuǎn)高于離子速度，電子會(huì)更早地從樣品表面逃逸，導(dǎo)致樣品表面附近產(chǎn)生的電子和等離子體在空間上發(fā)生了電荷分離，這些電子少部分會(huì)逃逸，大部分被等離子體邊緣處的自生電場(chǎng)約束，形成了一個(gè)“瞬態(tài)鞘層”，前期研究已經(jīng)在激光燒蝕高Z 金屬W 等離子體中證實(shí)了電子逃離形成了“瞬態(tài)鞘層”的存在［36，37］。由于在等離子體鞘層中存在徑向電場(chǎng)，離子會(huì)受電場(chǎng)力的作用，因此同種元素中離子的速度大于中性原子的速度。對(duì)于不同元素的同種電荷態(tài)粒子速度差異，正常應(yīng)是質(zhì)量小的粒子速度較大，Li0+>Al0+，Li+>Al+，即“質(zhì)量分離效應(yīng)”。然而測(cè)量結(jié)果為，Al II 559.33 nm>Li II 548.36 nm >Al II 358.69 nm，而Li I 670.78 nm >Al I 394.4 nm ≈ Al I 396.15 nm>Li I 610.36 nm。質(zhì)量小的速度似乎并不總是大，粒子質(zhì)量差異導(dǎo)致的質(zhì)量分離效應(yīng)并不能完全解釋光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果。這可能是因?yàn)椋俣葴y(cè)量是利用某條光譜譜線測(cè)得，單一光譜可能不能代表某類物種的整體速度；另外形成等離子體過(guò)程中存在著各個(gè)復(fù)雜反應(yīng)，例如Al I 發(fā)光可能存在著較快的離子Al III 復(fù)合產(chǎn)生Al II，較快的Al II 與電子復(fù)合產(chǎn)生Al I，導(dǎo)致光譜結(jié)果可能存在著“偽加速”現(xiàn)象。需要說(shuō)明的是，上述過(guò)程僅僅是一種推測(cè)性討論，涉及等離子體膨脹過(guò)程中更加復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，有待進(jìn)一步研究加以確認(rèn)。

3 結(jié)論

本文在10-5mbar 的真空條件下，以鋁鋰合金為樣品，在線性光纖束采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種同軸LIBS 系統(tǒng)。對(duì)鋁鋰合金等離子體發(fā)射光譜分別進(jìn)行時(shí)間積分和時(shí)空分辨測(cè)量，評(píng)估了等離子體發(fā)光時(shí)間～1 μs，發(fā)光區(qū)域大小～1 cm。同時(shí)研究了鋁鋰合金等離子體發(fā)射的時(shí)空演化行為，結(jié)果表明連續(xù)背景、不同元素的原子譜線和離子譜線隨時(shí)間的演化規(guī)律有所不同，并給出了激光燒蝕等離子體不同輻射機(jī)制的輻射時(shí)間尺度。觀察到了鋁鋰合金等離子體在真空膨脹過(guò)程中元素分布具有空間不均勻性。對(duì)于離子加速現(xiàn)象，利用“鞘層加速效應(yīng)”物理機(jī)制解釋了同種元素的離子速度大于其原子速度的結(jié)果。對(duì)于同種電荷態(tài)不同元素速度差異，利用“質(zhì)量分離”效應(yīng)以及較快的離子復(fù)合效應(yīng)進(jìn)行了討論。該研究為L(zhǎng)IBS 在EAST壁診斷的應(yīng)用提供了有用的信息，有助于深入理解激光燒蝕等離子體真空膨脹物理過(guò)程，同時(shí)為L(zhǎng)IBS 定量分析模型也提供了一定的參考。