beclrochhka Acta, Vol. SOB. pp. 88 to 100. Pergamon l’resa 1876. Printed In Northern Irebd

Atomemissionsspektroskcjpie mit Laseranregung an Graphit unter erh6htem Dmck-II. M&male und Besonderheiten der

Emissionsspektren

H. J. STUPP* und TH. OVERHOFF Kernforschungtxmlage Jiilich Institut fiir Recrktorentwicklung. Poetfach 366

617 Jtilich. BRD

(Received 14 March 1974. Retied 30 July 1974)

Zusammentassun-Durch die im wesentlichen in Teil I untemuchten epeziellen Plasmaeigen- schaften werden die Emieeioneapektren und vor allem die Linienprofile charakterisiert. Wichtige Geeichtepunkte sind: Tempe&urgmdient, opt&he Dichte, Geechwindigkeitaverteihmg und Druckverteilung dee Plasmae sowie Wirkungen des Aul3endrucks und der umgebenden Gaeart 8uf dae P188m8.

Charakteristische Me&male der Spektren bzw. Linienprofile sind Selbetumkehr, Selbst- absorption und hoher Ant&l an Ionenlinien mit teilweiser Linienverbreiterung und vemchiebung. Im vorliegenden Teil II werden mit mehr phiinomenologischem Cherekter Ortsabhiingigkeiten der Emissions- und Linieneigenschaften und mogliche Einflufipammeter untersucht.

Neben einer Abschiitzung der Plasmatempenrtur ( 28000 K) werden dann Meesungen von Linien- und Kontinuumaemi&on und zeitaufg&ste Emi&onseigensch8ften bescbrieben.

Abstract-The special plasma properties-essentially dcacribed in p8I% I-chamoterize ita emission spectra and above 811 the line profiles. Important features are: temperature gradient, optical density, velocity distribution and pressure distribution of the plasma as well as effects of the ambient pressure and the type of gee on the plasma.

Characteristics of the spectra and the line profile8 are self-reversal, self-absorption end 8 high proportion of ion lines partly with line broadening 8nd shifting.

The present part deals in a phenomenologicel w8y with the spatial variation of the e&ion and the line properties and with possible pammeters that affect them. An estimate of the plasma temperature (~8000 K) and measurements of line and continuum emission and time resolved emission properties are reported.

1. EINF~ERUNQ

DIE SPEKTREN und epeziell die LinienproCle sind durch die Eigenachaften des Plasmas charakterisiert, von denen die wesentlichen in Teil I [l] mit Hilfe nor- maler und zeitaufgelijster Photographie erkannt wurden. Dort wurde festgeatellt, daB das unter 40 . lo6 Pa He vom Laser erzeugte Plasma kein ideal therm&h emittierendea Plasma ist, da es eine Temperatursohichtung und eine relativ grol3e Dichte aufweist. Die Spektren und speziell die LinienproCle werden jedoch von dem ganzen Plasmabereich bestimmt, den das an einem 01% desselben emittierte Licht durchliiuft. Fti die Beurteilung der Einfliisse auf die Linienprofile liegen daher nicht die in der Theorie vorausgeeetzten (da zur theoretischen Erfaasung

* Jctzt Bayer AG, Dormagen.

[1] H. J. STUPP und TH. OVEBHOFF, Speclrochim. Acta ZOB, 77 I (1974). 89

90 H. J. STIJPP und ‘FE. OVERHOW

notwendigen) idealen Bedingungen vor, sondern es ist hier mit einem sich iiber- lagernden

EinfluB von der mit den Effekten: Temperaturverteilung im Plasma Selbstumkehr optischen Dichte des Plasmas Selbstabsorption Geschwindigkeitsverteilung im Linienverschiebung Plasma Linienverbreiterung Druckverteilung im Plasma selbst Wirkung des AuBendrucks Linienverschiebung auf das Plasma Linienverbreiterung Wirkung der umgebenden Gasart Dissipation auf das Plasma

zu rechnen. Eine Aufschhisselung nach den einzelnen EinfIu2grGBen wird durch die Tatsache erschwert, da3 zwischen den einzelnen noch Kopplungen bestehen, z.B. zwischen Eigendruck des Plasmas und AuBendruck des Gases.

2. EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNOEN

Zur direkten Kontrolle der Spektrenmerkmale, zur Auswahl der geeigneten Elemente und Linien fur die in Teil I erwlihnten Anwendungen der Analysen- methode und ferner zur indirekten Erweiterung der Kenntnisse iiber die Plasma- eigenschaften wurden unter Variation verschiedener Parameter die entstehenden Plasmen spektrographiert.

Die variierten Parameter waren:

Gasart : Gasdruck: Laserenergie : Linsenbrennweite : Fokussierungsort: spektroskopierter Plasmabereich: Dotierungselemente: Konzentration:

Luft, He, 0,, Ar (l-40) - lo6 Pa 0,EiO bis 2 J 60, 100, 150 mm Probenoberflache, Plasma zentrales Llingsspektrum, Querspektren des unteren, mittleren und oberen Plasmabereiches Be, Al, Ti, Y, Zr, Ce, Cs, Ba einige 10 bis einige 100 ppm

Qualitative Spektren wurden durch Direktabbildung des Plasmas auf den Spektrographeneintrittsspalt mit einer Einzellinse bzw. einem Dreispiegelsystem (Liings- und Querspektren), quantitative durch Verwendung eines Abbildungs- systems nach NORD~MEYER [2] bzw. MIELENZ [3] gewonnen.

Die benutzten Spektrographen waren: ein 2-m Plangittergerlt von RSV mit 1200 bzw. 2160 L/mm und einer Blazewellenllnge von jeweils 3000 A, ein Mc- Pherson Model1 216 (1 m-Monochromator, -Polychromator, -Spektrograph) mit Plangittern von 1200 bzw. 2400 L/ mm und Blazewellenltingen von 3000 bzw. 2400 A. Allgemein hi& sich zu den Spektren unter den oben genannten

[Z] N. NORD~LEYEIZ, Spect~ochim. Acta 7,128 (1956). [S] K. D. MIELENZ, Speetrochirn. Ackz 10, 99 (1967).

Atomemiesionsspektroskopie mit Laseranregung an Graphit unter erhdhtem Druck-II 91

Bedingungen sagen:

Die Schwlinung der Linien auf Kodak No I-Platten ist bei qualitativer Ab- bildung mit 1 Pula, bei quantitativer Abbildung mit 5 Laserpulsen gut (Spalt- breite 16 pm). Ein Untergrundkontinuum, das stark von der Dotierungskonzentration ab- hiingt, ist dann sohon sichtbar. Die in Luft auftretende CN-Banden sind verschwunden, z.B. C,- und C,- Banden aber scharf bzw. ala diffuser Untergrund vorhanden. Die aufgezeichneten Linien etammen von Atom- und vor allem von Ionen- emission. Auffallend sind die Selbstumkehr (SU) zahlreioher Atom- und Ionenlinien, oft mit erkennbarer Absorption such des Kontinuuma, und die damit verbundene sowie such allgemeine Linienverbreiterung. Linienverschiebung zeigt rich bei einigen Linien durch asymmetrische SU und asymmetrische Linienform. Ale h&hater Ionieierungsgrad wurde eine Linie des zweifach ionisierten Y identiflziert: Y III 2817,0 A. Die hiichste identifizierte Anregungsenergie der C-Linien war die der C II- Linien bei 2837 A mit 27,6 eV. Die Verbreiterung bei Linien hoher Anregungsenergie (hohen Ionisierungs- grades) zeigt schon starker diffusen Charakter. Im Gegensatz zu den Gegebenheiten in der Spektrometrie mit dem elektrischen Lichtbogen beeinflul3t die Bindungaart eines Elements dessen Emiasionsstlirke kaum, wie ein Versuch mit gleich etark dotiertem Graphit fiir YCl, bzw. YaOs zeigte. Die iiberhohte Verdampfungstemperatur und die Nachheizung im Plasma bringen die Elemente weit iiber die Diasoziationsgrenze.

3. SELBSTUMEEER UND LINIENVERBREITERUNG

Im folgenden wird nun, ausgehend von bei 40 - 10s Pa und 1,5 J mit der 160 mm- Fokussierungslinse aufgenommenen Liings- und Quempektren, die Abhlingigkeit der SU und Verbreiterung (ala auffallendste Merkmale der Spektren) von der Linienart (Ionisierung, Wellenlange, Zustande) und vom emittierenden Plasmaort akizziert. Da die SU eine Linie fur halbquantitative und quantitative Emiasions- analysen unbrauchbar macht, wird anschlieBend der EinfluD verschiedener Para- meter zur Beseitigung derselben untersucht.

Verbreiterung weisen alle Linien auf, wobei diese mit abnehmender Emiseions- stiirke der jeweiligen Linien abnimmt (rel. unabhiingig von der Wellenlilnge). In so gebildeten Plasmen tritt an der Stelle maximaler Emission such die griil%e Linienverbreiterung und SU ein. Dabei ist die SU bei Atomlinien, die durch Ubergange in den Grundzustand entstehen, z.B. Ca I 4226 A und Al I 3962 A und 3944 A, am stark&en, was sich in der Breite der Absorptionslinie und in der Tat- sache &uBert, da13 such das Untergrundkontinuum an dieser Stelle mit absorbiert wird. SU und sogar Absorption des Untergrundkontinuums (z.B. Be II 3131/ 3130 A) tritt such bei zahlreichen Ionenlinien und nicht nur bei Ubergangen in Ionengrundzustande auf. Da SU im kalten Saum des Plasmas eintritt, wenn dort

92 H. J. STUPP und ‘X!E. Ovga~ovv

eine groDe Anzahl absorptionsfahiger Teilchen sich befindet, so folgt:

der absorbierende Bereich des vorliegenden Plasma8 ist nicht thermisch “kalt,” da eich hier nach dem Auftreten selbstumgeke~r Ionenlinien neben Atomen such eine groBe Anzahl absorptionsf&biger Ionen im Grundzustand und in angeregten Zustiinden befinden; wegen der zumindest teilweisen Absorption des Untergrundkontinuums bei einigen Linien mussen die absorptionsf&higen Atome und Ionen schon an dem spektroskopie~en Ort vorhanden sein, bevor der Kern de8 Plasmas stark emittiert. Dies ist mit der schwellenbedingten Verziigerung der Laserstrahlen- absorption und erst dann eintretenden verstiirkten Anregung des Plasmas nach Teil I eindeutig zu erkl&ren.

Die Neigung zur SU nimmt bei gIeichem unteren Energieniveau mit abnehmen- der Wellenliinge ab; gleiche Tendenz zeigen die Li~e~tensit~t und das Unter- grundkontinuum. Au8 den Lgngspektren folgt, da3 die HShe z de8 Linien einer bestimmten Wellenliinge emittierenden Plaamabereichs mit abnehmender Wellen- llnge kleiner wird, und zwar t&t die Abnahme im unteren Plasmabereich ein, in den als Folge vorheriger Absorption weniger Laserstrahlung gelangt und absorbiert wird und somit such weniger ~regungsenergie zur Verfiigung steht. In diesem Bereich sind Linienverbreiterung und SU, bezogen auf die Leuchtdichte, am stiirk- sten, wiihrend im obersten Plasmabereich viele sonst SU aufweisende Linien in die Emiesion iibergehen und-wie Abb. 1 zu erkennen gibt-damit such schmaler werden. Bntepreohend erstreckt sich die etarke Kontinuumsemission tiber die volle Plasmabreite.

Im obersten Spektrum (aufgenommen in einer Plasmahijhe von 3,2 mm) ist kein Untergrundkontinuum erkennbar, die Emission iet wesentlich schwlicher ale im mittleren Bereich, aber die SU ist z.B. bei Be 313011 und Y 3217 ganz bzw. bei Y 3242 fast ganz verschwunden. In diesen drei Spektren zeigt sich besonders deutlich der zueammenhang zwischen der Orts&bh~n~gkeit der maximalen Laser- etra~enabsorption bzw. Linien- und Kontinuumsemiesion. Die bei der Absorption der Laserstrahlung freigeeetzten Elektronen verursachen an dieser Stelle maximale Anregung und Ioniaierung zur Linienemission und maximale Bremsstrahlung bzw. Rekombination zum Untergrundkontinuum. Die verminderte SU und Linien- breite im Bereich der Plasmakuppe erklart aich u.a, durch die kleinere Sohichtdicke, die das emittierte Licht hier durchdringen mu& und durch den geringeren Partial- druck in diesem Randbereich des Plasmas.

4. M~~LIC~KEITEN ZUR BESEITICJ~N~ BZW. VERMINDE~UNG DER SU UNT) LJXIENVERBREITIRUNQ

Auf folgenden Wegen wurde versucht, SU und Li~enverbrei~r~g zu be- sei tigen :

(i) Erniedriguug der Elementkonzentration: (a) direkt verringerte durch Dotierungskonzentration; (b) indirekte durch geringeren Materialabtrag; (c) indirekte durch D~ckver~nderung.

3242 fi 3217it 3131 A 31308,

H’dhe 3.2 mm

Gber 2,2mm

Probe 0.7 mm

313113132 BelI

3217 3242

2,0 J

I,5 J

I,0 J

3242 3217 3131 EE

Hbhe 3’2 22

iiber

Probe 0,7

Abb. 1. Latoralc Abhiingigkeit. dc~- Emission in vemchicdrnrn Ptas~riatiiitien

(40. IO5 Pa Hc; 1,s J; f 150). Die Probe ist dot&t mit AI. Hf., Ti, Y, Zr. Die im

rlntc~rcw Spektrum in SU erscheincnden Ioncn-Linien gchen im obewn in Emission

iibrr.

Abb. 6. EinfluB dor Enorgiovariatiou auf die Emission in gteichcr Plnsmcdlijhc,

Qucwpoktrcn. .i\bstcmd zur Probe !?,O mm.

Mitte: .Maximtd c~mittiarcntlrr Mittclbcwicll,

llntcll: Stint dw pitxfiirmiywl ~L’tnsmn.5.

Atomemissionsspektroskopie mit Lsseranregung an araphit unter erhGhtem Druck-II 93

(ii) Beeinflussung der Temperaturverteilung im Plasma: (a) durch Energievariation des Lasers; (b) durch hderung der Brennweite der Fokussierungslinse; (c) durch Anderung des Fokussierungsortes; (d) durch Iinderung des Kammergases auf Ar (keine chemische Reaktion

mit C) bzw. 0, (Energiezufuhr durch chemische Reaktion mit C).

4.1 Erniedrigte Dotierungskonzentration

Erniedrigt man die Dotierungsstarke, so verringert sich die Zahl der absor- bierenden Spezies im “kalten” Plasmasaum; dies fiihrt, wie in Abb. 2 am Beispiel der Ti 3361 A-Linien gezeigt wird, zu einer Beseitigung der SU. Gleichzeitig ver- ringer% sich die Linienbreite, was auf verminderte Selbstabsorption (SA) und den geringeren Anteil des Eigendruck- bzw. Fremddruck- und quadratischen Stark- effekts zuriickzufiihren ist.

Die Abnahme der Linienbreite mit der verminderten Dotierungskonzentration (such vor Verschwinden der SU) ist aus Abb. 3 zu erkennen. Hier ist am Beispiel der Y 3242 A-Linie der EinfluB von 4 verschieden starken Dotierungen auf das Linienprofil und den Untergrund zu erkennen. Das Gesamtkontinuum zeigt eine

Abb. 2.

‘p,

1.3 -

I-

0.7 -

0,52 -

0,4 -

UJ

!i a 0.3-

:p

; 0.22 -

0,16 -

w-

Qo5-

0-

Ti P 3361

300 wm

I, Konzentrationsabhiingigkeit der SU am B&spiel der Ti II 3361~Linie. Trotz niedriger Konzentration links stark eigendruckverbreitert.

94 H. J. STUPP und TH. OVEBHOBB

0.1

t 405 ioo0 Pm

Y II 3242

~~ ~

500 ppm 240 ppm

5.E s, --It--

-A_ 16 wm

Abb. 3. Konzentrationsabhingigkeit der Linienbreite und SU bei Y II 3242 A.

0.7-

OS-

0.4 -

OJ6 -

0.I -

0*05-

o-

Abb. 4. Be II 3130/31-Linien in 40 - 10s Pe He (Kodak Nr. 1) und Luft (Kodak I-O), f 50, Konz. 618 ppm, mittlerer Plasmabereich links SU mit starker Druck- verbreiterung, rechts nicht verbreitert in Emission. Der Untergrund ist hier

durch die eenaibilisierte I-O-Platte kbrnig.

Atomemieaionaqmktroskopie mit Lam rmregung an Graphit unter erhchtem Druck-II 96

merkliche Abhangigkeit von der Dotierungsstlirke, ein Zeichen dafiir, da8 die wesentliche Quelle bei den leichter ala C ionisierbaren (6 bis 93 eV gegen 11,3 eV) Dotierungsatomen zu suchen ist.

4.2 Verringerter Materialabtrag

Verringert man den Materialabtrag durch Energieerniedrigung (vgl. 4.4) bzw. Defokussierung bei gleichzeitiger ErhShung der Leistungsdichte im Plasma (vgl. 4.6), kann im zur Verfiigung stehenden Variationsbereich kein entscheidender EinfluD auf das Linienprofll erzielt werden.

4.3 Druckuerminderung

Eine Verminderung des Kammerdruckes fiihrt iiber eine kleinere Plasmadichte zu einer herabgesetzten Dichte der Dotierungselemente im Plasma. Mit der kleineren Plasmadichte verbunden ist jedoch aul3erdem eine veranderte Absorp- tion der Laserstrahlen und ein veriinderter Plasmaeigendruck, so da8 nicht nur eine Parameteranderung isoliert betrachtet werden kann. Natiirlich beeinflussen neben den Konzentrationen such die Element- und Ubergangseigenschaften das Verhalten bei Druckerniedrigung. So zeigt z.B. bei Ca die 4226 A-Linie such in Luft SU, wahrend die 3968- und 3934 A-Linien frei von SU sind. Ca-Linien 2 3934 A zeigen schon ab 10 - lo6 Pa He SU, die kiirzerwelligen bei 3179 bzw. 3159 A erst ab 30 - lo5 Pa He. Wie stark sich die Linienkonturen mit dem Druck des Kammergases iindern, zeigt Abb. 4 mit den Linien Be 3130/31 und Abb. 6 am extremen Beispiel der Zr-Linie 3306. Die Be 3 130/31-Linien zeigen wegen der hijheren Ionisierungsenergie von 9,3 eV im Vergleich zu den Linien der anderen Elemente eine starkere Intensitatssteigerung bei Druckerhohung von 30 auf 40 - lo5 Pa, verbunden mit einer Verstiirkung des Verbreiterungskontinuums, da8 von diesen Linien ausgeht.

4.4 Eir$utl der Energievariation dea Lasers auf die Temperaturverteilung im Plclsma

Hierdurch andert sich-vom Anregungsmechanismus bedingt-die Tempe- raturverteilung nur in einem iirtlich eng begrenzten Bereich. Die Wirkung erkennt man aus Abb. 6, welche die Querepektren de8 Plasmas wiedergibt, die in gleicher Hiihe mit Energien von 2 J; I,5 J und I,0 J aufgenommen wurden. Man sieht hier die reduzierte SU beim 2 J-Spektrum gegeniiber dem bei 1,5 J. Da8 niedrigere Kontinuum beim 2 J-Spektrum gegeniiber dem bei 1,6 J ist damit zu erkliiren, da8 sich die Stelle maximaler Emission mif der Energie de8 Laserpulses verlagert.

Quantitative Meseungen von Linienintensitat und Untergrund mit Hilfe von Photomultipliern und einer Analogelektronik werden in einem spliteren Abschnitt angefiihrt.

4.5 A’nderung der Brennweite der Foku88ierunga&zae und ihr Einfluss auf die Temperaturverteilung im Plasma

Die Linienprofile wurden beim Wecheel der Linsenbrennweiten (50 auf 150 mm) nicht erkennbar veriindert trotz der damit verkoppelten unterschiedlichen Lei- stungsdichte auf der Probe. (Auswirkung dee Plasmas ale kurzbrennweitige Linse.)

90 H. J. STUPP und TE. OVERHOW

?r I.3 -

I-

0.7 -

0.52 -

0.4 - * I 0

s 2 0.3-

z

i=i a22- zr II

40

30

i

3327 I / 3306.3

OS6

\

/

0.1

dk

IO

0.05

0

Abb. 5. Druckabhlingigkeit der Linienprofile von Ti und Zr grundes. Probe mit Be, Al, Ti, Y, Zr dotiert.

und des Unter-

4.6 Verlagerung des Fokus und deren Einjbu.6 auf die Temperaturverteilung im Pla8ma

Wird der Fokus von der Probe weg etwa 3-4 mm ins Plasma verlagert, so entstehen, durch den geringeren Materialabtrag bedingt, etwas schwiichere Spek- tren, jedoch ohne wesentliche Anderung der Linienprofile. Verlagert man dagegen den Fokus kurzbrennweitiger Linsen (f unter 50 mm), so entstehen Spektren wie bei Fokussierung der ltingerbrennweitigen aufs Target, doch mit etwas verminderter su.

4.7 Wechsel des Kammergases und sein EinJluB auf die Temperaturverteilung im Plasma

Der die Selbstumkehr verursachende “kalte” Plasmasaum 1LiBt sich am ehesten noch durch schlechteren Warmeiibergang (WO) zum Kammergas hin bzw. durch exotherme Reaktion mit diesem beeinflussen. Dabei ist die Warmeiibertragung wesentlich durch Ionisationsvorgange und StoBanregung bestimmt.

(a) Den schlechteren m kann Ar bewirken, jedoch waren die Spektren in Ar schwiicher und schlechter reproduzierbar.

Atomemiesionsspektroskopie mit Laseranregung an Graphit unter erh(ihtem Druck-II 97

(b) Eine starke Vergnderung zeigt sich dagegen mit 0, ala Kammergas. Abb. 7

liiI3t im Vergleich zur entsprechenden Abb. 1 bei den in verschiedenen Plasma- hohen aufgenommenen Querspektren schlrfere und mehr Spektrallinien (vgl. [4]

bei 1 - lo6 Pa 0, mit Nachanregung) bei geringerer SU, z.T. geringerem Unter- grund und vergleichbarer Intensitgt erkennen. Die kleinere SU ist im wesentlichen auf eine zus8;tzliche Aufheizung vor allem des Plasmasaumes durch die Reaktionen

2C + O,qe2C0 + 52,8 kcal (1) und

C + 0, z CO2 + 94,0 kcal (2)

zuriickzufiihren. Die dabei zusltzlich frei werdende Energie von max. 0,4 J wird vornehmlich im Plasmasaum frei. Von den zur Vermeidung der SU untersuchten Methoden bleibt somit sllein iibrig, die Dotierungen mijglichst gering einzustellen.

5. DRUCKEFFEKTE

Umgebungs- und “Innen’‘-Druck des Plasmas sind sehr hoch. Aufgrund des besonderen Anregungsmechanismus kommen dazu die ijrtlich und zeitlich gro9en Schwankungen der Ladungstriigerdichte. Diese bewirken zusammen durch Eigen- und Fremddruck und quadratischen Stark-Effekt veriinderte Linienprofile, niimlich

Verbreiterung der Linien, die nicht zur SU neigen ohne Verschiebung; Verbreiterung von Linien mit Verschiebung (z.B. Absorptionslinie gegen Emissionslinie urn ca. 0,8 A verschoben bei Al 3093 und 3082 A in Abb. 8); asymmetrische Verbreiterung und Verschiebung von Linien (Beispiel Be 3321

in Abb. 9).

0.7 I Al I

3.52-

Abb. 8. Verbreiterung und Verschiebung der Al 3003/82 A-Linden (mit Selbst- umkehr) in 40 * lo6 P8 He. Die Strahlung dea Kontinu- wird mit absorbiert.

[4] A. PETRAEIEV und G. D~MITEOV, Vombdrucke 16thCoZZ. Spectry. ht., Retie&erg 1971, Bd. I S. 188. Hilger, London (1971).

98 H. J. Smrm und Ta. OVWHOBP

Abb. 9. Aaymmetrische

0,52

0.i

0,3

022

~

0.16

41

0.

0

3321,34 3321,09

Verbreiterung und Verechiebung (n&here Awwgen in [8]) der Be 3321 A-Union.

RA~BER~Y-SCRIBNER-MAXUOSHES [5], SCOTT-STIZAS~IXE~M [S] und PLEPMEIEB- OSTEN [7] haben diese Effekte mit der ver~uc~tech~g~hen Besonderheit fur den Q-switch-Bet&b, niimlioh hohen Eigendruck, bei niedrigem Fremddruck unter- such& Fiir diese Arbeiten mit frei spikendem Laser lassen sich Fremd- und Eigen- druck in weiten Grenzen varieren, Eliheres dazu in einer geplanten Verijffent- lichung [8].

6. TEMPER~TURABSCH&TZUN~

Weil das PIasma rliumlich und zeitiich i~tation~r ist, scheiden die herkiimm- lichen Methoden zur Temperaturbestimmung wie die Zwei-Linien-Methode, die lineare Steigerung des Logarithmus einer Linienintensitlit gegen die Anregungs- energie und die Kontinuumvermessung aus. Trotz dieser Bedenken durchge- fiihrte Messungen ergaben als untere Grenze einer gemittelten Temperatur etwa 8.000 K.

[6] ST. D.RA~BERBY, B. F. Smmm undM. MARGOSHES, AppLOpt.6,8? (1967). [6] R. H. SCOW und A. Smaes~mm, Spectrochkm. Actca MB, 311 (1970). [I 3 G. H. P~~MEIER und D. E. OSTEN, Appl. Spectry 85,642 (1971). [8] F. AUSSENEW, TH. OVERHOFF und H. J. STUPP, Verdffentliuhung in Vorbereitung.

Atomemieeionaapektroskopie mit Leseranregung an Graphit untcr erhdhtem Druck-II 99

7. LIhlrENINTENSITaT Das Intensit~tsverh~ltnis der Zr II 3284-I&& zum Untergrund wurde an

einem umgeriisteten McPherson 216 mit Lichtleiterpolyspalt, Photomultipliern [9]

und Analog-Elektronik gemessen. Der Quotient Linienintensitiit/Untergrund- intensit;it und der Wert dea Untergrundes wurden jeweils an einem Doppel-ADC angezeigt. Bei 40 * IO6 Pa He wurden aus 30 MeBwerten (3 x je 10 Laserpulse auf die gleiche St&e) die arithmetischen Mittel und die Stand&rdabweichungen zu verschiedenen Laserenergien bestimmt.

Tab&e 1. Verhiiltnis von Linienintensitlit (Zr II 3264 A) zur Untwgrundinten&t& (Iv), Untergrundintensitiit (Iv) und

S~dard&b~eich~en (a)

Izr 5284 Laeerenergie (J) - 1,

8 1, 8

2 2,4 92 I,9 0,4 1,s 294 0.4 X,1 982 1 174 0,3 w OS

Aus TabelIe I erkennt man, dalj das Verhaltnis van Linienintensitat zu Unter- grund bei Ener~eerh~h~g von 1,5 J auf 2 J etwa gleich bfeibt, da der Untergrund in gleichem Malle wie die Linienintensitat anwiichst. Die Streuung beim MeSwert des Quotienten wird bei dieser Energieerhohung geringer.

Bei Energieerniedrigung von 1,5 J auf 1 J nimmt der Untergrund auf ea. die HIlfte ab, aber durch stgrkere Abnahme der Linienintensitat erniedrigt sich das Verh~ltnis von Lime zu Untergrund von 2,4 auf 1,4, und such die Streuung wird (prozentual) ungtinstiger. Der Untergrund verdoppelt sich in diesem Energie- bereich jeweils bei Erhijhung urn 0,5 J.

Die Laserenergie von ca. 1,5 J erweist sich also als relativ giinstig, da eine weitere ErhGhung nicht zur Verbesserung des Intensit~tsverh~lt~sses van Linie zu Untergrund fuhrt, wenn das ganze Plasma spektroskopiert wird. Dabei mu13 jedoch die Mijglichkeit einer Energieerhiihung fiir geringere Streuung und SU ins Auge gefal3t werden.

8. ZEFFAUFQEL~STE SPEKT~O~ETRIE Die Abhiingigkeit der Emissionsst~rke einiger Linien von der Zeit wurde mit

den jeweiligen Photomultiplier-Strimen iiber einen 2 k%Arbeitswiderstand am Verstarkereingang des Oszillographen registriert (Kapazitilt der Anoden zu den Dynoden 8 pF, Anodenpuishalbwertsbreite 15 ns, resultierende Bandbreite NL MHz).

Abbildung 10 zeigt am Beispiel der Zr II 3284 A-Linie (benachbarter Unter- grund mit OszillographenverstLirker subtrahiert) die in den Streak-Aufnahmen (Teil I) gesehene zeitliche Verschiebung (40 bis 50 ps) zwischen dem Start des Laserpulses (Pl&sm&biIdung) und dem Beginn der stlirkeren Emission unter 40 l 10’ Pa He, f 150 mm und 1,5 J. Die mit dem Laserpuls sohon einsetzende

[9] H. J. STUPP, Jti-933-RG (1973); Dktmrtution, TH-Aachen (1973).

100 H. J. STUI’P und !th &‘EEHOBg

schwache Emission ist erkennbar. (Diese Aufnahme ist eine Doppelbelichtung, d.h. Laserpuls und Zr II-Emission wurden wegen der besseren Zeitauflosung nicht gleichzeitig registriert.)

Ein Vergleich der Emission der Be 12651 A-Linie und der Y III 2817 A- Linie (Abb. 11; links oben Be mit Untergrund, links unten Y ohne Untergrund) llil3t bei der Linie des zweifach ionisierten Y-Atoms eine kiirzere Emissionszeit und eine stlirkere Spikeabhiingigkeit-entsprechend SCOTT-STRASSHEIM [6]--erkennen. Dies ist als Folge der fiir die Anregung hijherer Ionisierungs bzw. Anregungsgrade notwendigen hoheren Spike-Leistungsdichten und der kiirzeren Verweilzeiten zu erklaren.

Die verstarkte Emission endet praktisch mit dem Laserpuls, bei Ubergiingen hijherer Anregungsenergie-z.B. Y III 2817-jedoch friiher. Dariiber hinaus treten noch schwachere Emissionen bis 400 1~s nach Pulsende auf.

Aus der Dauer der verstarkten Emission bis praktisch zum Ende des Laser- pulses (vergl. such die Streakaufnahmen Abb. 10 in Teil I [I]) kann geschlossen werden, da2 die nach dem verzijgerten Beginn der inversen Bremsstrahlungs- absorption erzeugte hohe Elektronendichte im absorbierenden Plasmabereich zu einer stsrken Erniedrigung der Absorptionsschwelle fiihrt, so da13 such die schwa- cheren Spikes am Pulsende noch abaorbiert werden.