(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210653942.4 (22)申请日 2022.06.09 (71)申请人 山西大学 地址 030006 山西省太原市坞城路9 2号 申请人 山西格盟中美清洁能源研发中心有 限公司 (72)发明人 王俊霄　张雷　张帅　苏永刚　 尹王保　肖连团　贾锁堂　 (74)专利代理 机构 太原申立德知识产权代理事 务所(特殊普通 合伙) 14115 专利代理师 程园园 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/25(2020.01) G06F 30/28(2020.01) (54)发明名称 一种等离 子体中粒子瞬态分布的成像方法 (57)摘要 本发明属于等离子体物理领域， 针对目前等 离子体物理学研究中等离子体中粒子的瞬态分 布成像方法存在的问题， 公开了一种等离子体中 粒子瞬态分布的成像方法。 该方法属于理论方 法， 相比于传统各种实验成像的方法更便捷、 更 灵活、 更全面， 适应面更广， 可以研究所有粒子种 类以及所有波段， 可以同时得到等离子体中多种 粒子的分布， 可以选择合适的步长以满足分辨率 要求， 并且不会受到不可避免因素的干扰， 利于 对等离子体动力学演化的深 入研究， 提高LIBS的 定量分析精度及PLD的镀膜质量。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115048835 A 2022.09.13 CN 115048835 A 1.一种等离 子体中粒子瞬态分布的成像方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 根据给定的激光参数、 样品性质、 所处的背景环境以及样品的组成元素选择对 应粒子的发射谱线 进行分布成像； 步骤2， 建立 二维直角坐标系， 对选取的计算区域进行网格化处 理； 步骤3， 根据给定的样品初始温度， 利用数值离散方法求解一维热传导方程， 得到激光 作用后光斑范围内样品的温度变化； 步骤4， 根据克努森层边界条件耦合样品的蒸发过程与蒸气等离子体的产生过程， 利用 数值离散方法求解流体动力学方程组， 得到膨胀等离子体中粒子数密度ni和等离子体温度 T； 步骤5， 在局部热平衡下， 计算粒子谱线， u ‑l跃迁的发射强度Iul： 其中， C是常数， U是配分函数， gu、 Eu、 Aul、 λul分别是上能级的简并度、 能量、 跃迁概率和 波长， kB为玻尔兹曼常数； 步骤6， 对各粒子的发射强度进行最大值归一化， 再在等离子体对称轴处做出粒子强度 归一化分布图， 依次找出相邻曲线的交点， 以最低交点作为 强度零点， 绘制各粒子的二 维强 度分布图； 步骤7， 通过对应位置上各粒子强度分布图的组合以及滤色， 得到等离子体 中多种粒子 的瞬态分布图像。 2.根据权利要求1所述的一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法， 其特征在于， 所述 步骤2中建立二 维直角坐标系， 对选取的计算区域进 行网格化处理的具体过程为： 在样品表 面建立二维直角坐标系， 平行于样品表面为横轴， 垂 直于样品表面为纵轴， 分别在样品上方 以及下方选择合适的平面作为研究区域， 然后选择需要的横轴、 纵轴网格步长以及时间步 长对选定的区域进行网格化处 理。 3.根据权利要求1所述的一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法， 其特征在于， 所述 步骤3中根据给定的样品初始温度， 利用数值离散方法求解一维热传导方程， 得到激光作用 后光斑范围内样品的温度变化的具体过程 为： 其中， cp、 ρt、 λt、 Rt、 α、 Tt、 v分别是样 品的比热容、 质量密度、 热导率、 反射率、 吸收系数、 温度及蒸发速率， I是到达样 品表面的激光功率密度， z是沿着样 品内法线的坐标， 是偏导 数记号， t是时间。 4.根据权利要求1所述的一种等离子体中粒子瞬态分布的成像方法， 其特征在于， 所述 步骤4中获得膨胀等离 子体中粒子数密度ni和等离子体温度T的具体过程 为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115048835 A 2其中， ρ、 p、 e分别是总质量密度、 膨胀速度、 局部压强与比内能， q是由轫致辐射造成 的功率损失， τ、 λ分别是粘性应力张量与热导率， αIB、 αPI分别是逆轫致吸收系数与光致电离 系数， 是梯度算子； 这里， q、 τ、 λ可分别表示 为： 式中， ne、 nj分别是电子数密度和离子数密度， me、 ee、 c、 kB、 h分别是电子质量、 电子电荷、 光速、 玻尔兹曼常数与普朗克常数， 粒子i的粘性系数； μ'是膨胀粘 性系数， δ是克罗内克函数， i、 k均表示粒子种类， 粒子i的热导率； xi是粒子i的数密度分数， n、 mi、 di分 别是粒子的总数、 粒子i的质量与直径； 公式(2)中， αIB、 αPI可分别表示 为： αPI＝10‑17n0exp(‑ε/kBT)             (7) 其中， υ是激光频率， Q是截面， 为10‑36cm5， n0是原子数密度， zj是电荷数， ε是最低激发 能；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115048835 A 3