[发明专利]一种基于LIF检测的材料表面催化系数实验室检测装置及评价方法

权利要求书

1.一种基于LIF检测的材料表面催化系数实验室检测装置，其特征在于所述检测装置包括激光诱导源及激光入射调节光路、中空水冷不锈钢腔体、高功率光纤耦合激光器、能量计、射频电源、荧光成像光路及采集装置、双比色高温计和同步触发装置，其中：

所述激光诱导源及激光入射调节光路用于发出225.6nm波长的激光并实现入射激光束的空间高精度移动；

所述中空水冷不锈钢腔体与真空泵、流量计和真空计连接，用于实现环境压力、气体组分及流量的精确控制；

所述高功率光纤耦合激光器通过中空水冷不锈钢腔体底部的石英玻璃对置于中空水冷不锈钢腔体内部水冷试样台上的待测试样进行非接触精确加热；

所述能量计用于检测从中空水冷不锈钢腔体输出的激光脉冲能量，确定材料表面的精确位置；

所述射频电源用于在位于其下方的中空水冷不锈钢腔体中形成不同解离度的等离子体场；

所述荧光成像光路及采集装置用于采集844.6nm的荧光信号；

所述双比色高温计用于测量待测试样上表面的温度；

所述同步触发装置一方面实现激光诱导源和荧光采集装置的同步触发，另一方面实现调节光路和成像光路的高精度同步控制；

所述激光入射调节光路和荧光采集光路放置于光学位移台上，两个光学位移台通过一台工控机同步控制。

2.一种利用权利要求1所述的检测装置实现基于LIF检测的材料表面催化系数实验室评价方法，其特征在于所述方法步骤如下：

一、将准备好的待测试样放置于水冷不锈钢腔体内的水冷试样台上，抽真空，调节流量计阀门以设定流量值通入高纯氧气，调节真空泵阀门，待真空计示数达到设定压力值时，维持腔体内气体压力平衡；开启射频电源，调节至设定放电功率，待等离子体放电环境达到稳定状态；

二、确定等离子体环境中材料表面的精确位置：

以归一化射出中空水冷不锈钢腔体的激光脉冲能量为0.5的位置为待测试样表面位置，坐标为z＝0mm；

三、同时向上移动激光入射调节光路和荧光采集光路至远离待测试样表面的位置，该位置的氧原子浓度不受到材料的影响；

四、对激发激光的波长进行扫描，获得氧原子荧光光谱强度随入射波长的变化曲线，波长扫描过程中要记录能量计测量得到的每一个波长值下的激光脉冲能量，由该曲线获得相对氧原子浓度和氧原子的平动温度；

五、轴线方向上，从步骤二远离待测试样表面的点位向下以0.1mm的位移移动激光束直至待测试样表面，在每一个空间点重复步骤四的测量过程，进而获得待测试样表面附近空间轴线上氧原子的相对浓度和平动温度的空间分布，最后根据氧原子摩尔分数梯度理论计算获得待测试样表面氧原子催化系数。

3.根据权利要求2所述的基于LIF检测的材料表面催化系数实验室评价方法，其特征在于所述远离待测试样表面的位置为z＝3.6mm。

4.根据权利要求2所述的基于LIF检测的材料表面催化系数实验室评价方法，其特征在于所述相对氧原子浓度为：

其中，n_O为氧原子浓度，S_LIF为波长λ下的荧光强度，E_p为波长λ下的入射激光脉冲强度，A为荧光强度随入射波长变化曲线的覆盖面积，f_J″＝2(T)为J″＝2基态能级上氧原子数目所占分数。

5.根据权利要求2所述的基于LIF检测的材料表面催化系数实验室评价方法，其特征在于所述氧原子的平动温度为：

其中，T_O为氧原子的平动温度，M_O为氧原子相对原子质量，c为真空光速，k_B为玻尔兹曼常数，n_A为阿伏伽德罗常数，λ₀为波长扫描得到的高斯型曲线的中心波长，Δλ_T,ICP为高斯型曲线的半高宽，Δλ_L为激光器的仪器展宽。

6.根据权利要求5所述的基于LIF检测的材料表面催化系数实验室评价方法，其特征在于所述Δλ_L＝2.26pm。