激光击穿油水界面的等离子体空间分布特性研究

发布时间：2021-01-28 04:40

　　油水分离技术对水资源的治理和环境的改善非常重要,油水界面特性检测是该技术的关键要求之一.本文提出了采用激光等离子体光谱法进行油水界面探测的方法,并进行了理论研究和验证.本文实验研究了等离子体电子温度和电子密度的空间分布特性,并结合激光聚焦特性,提出了激光等离子体空间分布的半椭球模型;采用激光诱导等离子体光谱法,基于元素发光特性差异,对油水界面的位置进行了判定;结合谱线强度与元素浓度的对应关系,基于半椭球模型得到特征谱线强度与元素个数关系式;进一步对特征元素强度比值和油膜厚度关系进行了研究,实现了不同厚度油层的光谱测量.本文分析了C和H元素的自吸收效应随油膜厚度的变化规律,验证了采用检测光谱信号的特征元素相对强度比对油膜厚度直接判断的合理性.根据谱线强度比和油厚的散点分布,以及仿真曲线,本文得到实验误差随油厚的变化规律,并且相对误差总体小于20%,这也验证了该方法的可靠性. 

【文章来源】：中国科学:物理学 力学 天文学. 2020,50(08)北大核心

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

(网络版彩图)去离子水、油水混合物、纯油光谱图

基于激光等离子体的半椭球模型,可以得到烧蚀范围的碳原子与氢原子的元素特征峰强度比,由此计算得到两者的浓度比.击穿区域内,由于碳原子全部来源于油,氢原子来源于油和水,所以击穿区域碳原子与氢原子的含量比为其中,moil和mwater分别表示烧蚀区域油和水的质量MCH2和MH2 O分别表示油和水的摩尔质量.在相同实验条件下,忽略系统带来的波动问题,以及环境的影响假定每次烧蚀的体积不变,则元素个数比就等于相应粒子的浓度比.可表述为

由图5可见,C谱线的自吸收系数随油厚呈现先增大后平衡的趋势,这主要是由水和油的折射率差异引起的[26].在相同条件激光脉冲作用下,水的折射率(约1.33)比油(约1.47)略低,所以击穿体积略大,等离子体边缘基态粒子数较多,自吸收会更加明显.而随着油厚的逐渐增大,等离子体体积减小,蒸发量减小,但同时高能态粒子数增加,从而自吸收逐渐减弱.当油厚接近击穿油层的临界值时,烧蚀体积也趋于最小,自吸收拟合曲线区域平稳.相比于C峰的自吸收越来越小的变化趋势,Hα线具有良好的谱线线型,自吸收变化很小基本趋于常数.这是因为在相同原子组态下,Hα线的总角动量较小(656.28,1/2-1/2),因此跃迁谱线的自吸收相对较小,并且激光器能量抖动影响相对较弱.随着油厚的增加,烧蚀体积和基态粒子数的减小,也会进一步减小Hα谱线的自吸收效应.4.3 实验验证

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3004373