[發明專利]一種基于LIF檢測的材料表面催化系數實驗室檢測裝置及評價方法

有效

• 申請號: 201710736314.1
• 申請日: 2017-08-24
• 公開（公告）號: CN107589097B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 曾慶軒;金華;孟松鶴;王劉偉;許承海
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.一種基于LIF檢測的材料表面催化系數實驗室檢測裝置，其特征在于所述檢測裝置包括激光誘導源及激光入射調節光路、中空水冷不銹鋼腔體、高功率光纖耦合激光器、能量計、射頻電源、熒光成像光路及采集裝置、雙比色高溫計和同步觸發裝置，其中：

所述激光誘導源及激光入射調節光路用于發出225.6nm波長的激光并實現入射激光束的空間高精度移動；

所述中空水冷不銹鋼腔體與真空泵、流量計和真空計連接，用于實現環境壓力、氣體組分及流量的精確控制；

所述高功率光纖耦合激光器通過中空水冷不銹鋼腔體底部的石英玻璃對置于中空水冷不銹鋼腔體內部水冷試樣臺上的待測試樣進行非接觸精確加熱；

所述能量計用于檢測從中空水冷不銹鋼腔體輸出的激光脈沖能量，確定材料表面的精確位置；

所述射頻電源用于在位于其下方的中空水冷不銹鋼腔體中形成不同解離度的等離子體場；

所述熒光成像光路及采集裝置用于采集844.6nm的熒光信號；

所述雙比色高溫計用于測量待測試樣上表面的溫度；

所述同步觸發裝置一方面實現激光誘導源和熒光采集裝置的同步觸發，另一方面實現調節光路和成像光路的高精度同步控制；

所述激光入射調節光路和熒光采集光路放置于光學位移臺上，兩個光學位移臺通過一臺工控機同步控制。

2.一種利用權利要求1所述的檢測裝置實現基于LIF檢測的材料表面催化系數實驗室評價方法，其特征在于所述方法步驟如下：

一、將準備好的待測試樣放置于水冷不銹鋼腔體內的水冷試樣臺上，抽真空，調節流量計閥門以設定流量值通入高純氧氣，調節真空泵閥門，待真空計示數達到設定壓力值時，維持腔體內氣體壓力平衡；開啟射頻電源，調節至設定放電功率，待等離子體放電環境達到穩定狀態；

二、確定等離子體環境中材料表面的精確位置：

以歸一化射出中空水冷不銹鋼腔體的激光脈沖能量為0.5的位置為待測試樣表面位置，坐標為z＝0mm；

三、同時向上移動激光入射調節光路和熒光采集光路至遠離待測試樣表面的位置，該位置的氧原子濃度不受到材料的影響；

四、對激發激光的波長進行掃描，獲得氧原子熒光光譜強度隨入射波長的變化曲線，波長掃描過程中要記錄能量計測量得到的每一個波長值下的激光脈沖能量，由該曲線獲得相對氧原子濃度和氧原子的平動溫度；

五、軸線方向上，從步驟二遠離待測試樣表面的點位向下以0.1mm的位移移動激光束直至待測試樣表面，在每一個空間點重復步驟四的測量過程，進而獲得待測試樣表面附近空間軸線上氧原子的相對濃度和平動溫度的空間分布，最后根據氧原子摩爾分數梯度理論計算獲得待測試樣表面氧原子催化系數。

3.根據權利要求2所述的基于LIF檢測的材料表面催化系數實驗室評價方法，其特征在于所述遠離待測試樣表面的位置為z＝3.6mm。

4.根據權利要求2所述的基于LIF檢測的材料表面催化系數實驗室評價方法，其特征在于所述相對氧原子濃度為：

其中，n_O為氧原子濃度，S_LIF為波長λ下的熒光強度，E_p為波長λ下的入射激光脈沖強度，A為熒光強度隨入射波長變化曲線的覆蓋面積，f_J″＝2(T)為J″＝2基態能級上氧原子數目所占分數。

5.根據權利要求2所述的基于LIF檢測的材料表面催化系數實驗室評價方法，其特征在于所述氧原子的平動溫度為：

其中，T_O為氧原子的平動溫度，M_O為氧原子相對原子質量，c為真空光速，k_B為玻爾茲曼常數，n_A為阿伏伽德羅常數，λ₀為波長掃描得到的高斯型曲線的中心波長，Δλ_T,ICP為高斯型曲線的半高寬，Δλ_L為激光器的儀器展寬。

6.根據權利要求5所述的基于LIF檢測的材料表面催化系數實驗室評價方法，其特征在于所述Δλ_L＝2.26pm。