A collisional-radiative model of iron vapour in a thermal arc plasma
A collisional-radiative model of iron vapour in a thermal arc plasma
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热电弧等离子体中铁蒸气的碰撞辐射模型
DOI：
10.1088/1361-6463/aa7090
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发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
A. B. Murphy
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
M. Baeva;D. Uhrlandt;A. B. Murphy
本文建立了一个适用于工艺等离子体的碰撞辐射模型，计算了铁原子的基态、五十个有效激发能级和一个单离化铁能级。注意力集中在作为激发，去激发，电离，复合和自发辐射的结果的原子铁的激发态的人口。有效的电离和复合速率系数，在非平衡等离子体输运模型中所需的，也得到了。碰撞辐射模型被应用到热电弧等离子体。碰撞辐射模型的输入参数由气体-金属焊接电弧的磁流体动力学模拟提供，其中假设局部热力学平衡，并且金属蒸气的运输的处理基于组合扩散系数。结果清楚地确定了电弧中的条件，在该条件下，原子状态分布满足玻尔兹曼分布，激发温度等于等离子体温度。这些条件在电弧的中心部分得到满足，即使在这里出现局部温度最低值。这保证了基于局部热力学平衡的诊断方法，特别是光学发射光谱法，在这里是可靠的。与此相反，从平衡原子态分布的偏差得到在近电极和电弧边缘区域。因此，从这些区域的发射系数获得的线强度和数密度的比率确定的温度是有问题的。在这种情况下，碰撞辐射模型可以用作诊断工具，以帮助解释光谱测量。
A collisional-radiative model for the ground state and fifty effective excited levels of atomic iron, and one level for singly-ionized iron, is set up for technological plasmas. Attention is focused on the population of excited states of atomic iron as a result of excitation, de-excitation, ionization, recombination and spontaneous emission. Effective rate coefficients for ionization and recombination, required in non-equilibrium plasma transport models, are also obtained. The collisional-radiative model is applied to a thermal arc plasma. Input parameters for the collisional-radiative model are provided by a magnetohydrodynamic simulation of a gas-metal welding arc, in which local thermodynamic equilibrium is assumed and the treatment of the transport of metal vapour is based on combined diffusion coefficients. The results clearly identify the conditions in the arc, under which the atomic state distribution satisfies the Boltzmann distribution, with an excitation temperature equal to the plasma temperature. These conditions are met in the central part of the arc, even though a local temperature minimum occurs here. This provides assurance that diagnostic methods based on local thermodynamic equilibrium, in particular those of optical emission spectroscopy, are reliable here. In contrast, deviations from the equilibrium atomic-state distribution are obtained in the near-electrode and arc fringe regions. As a consequence, the temperatures determined from the ratio of line intensities and number densities obtained from the emission coefficient in these regions are questionable. In this situation, the collisional-radiative model can be used as a diagnostic tool to assist in the interpretation of spectroscopic measurements.
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