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微型高分辨率光纤光谱仪在等离子体领域的应用

导读: 等离子体是继气体、液体、固体后的第四种物质的聚集态。等离子体物理学是一门蓬勃发展的新兴科学,其应用领域包括受控热核聚变、空间科学、环境科学、微电子与信息产业、材料合成与处理、国防和高技术应用诸方面。目前,测量等离子体特征谱线最简单的方法就是使用荷兰Avantes公司的微小型、高分辨率、多通道光纤光谱

                            作者:张志伟  侯统熙

1.引 言

     随着温度的升高,一般物质依次表现为固体、液体和气体,它们统称物质的三态。当气体温度进一步升高时,其中许多,甚至全部分子或原子将由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子。这时物质将进入一种新的状态,即主要由电子和正离子(或是带正电的核)组成的状态。这种状态的物质叫等离子体,它可以称为物质的第四态。

     目前,直接测量等离子体的仪器分为两大类:一大类是测量等离子体的密度和温度,方法又分两种:一种是根据落到传感器上的带电粒子产生的电流来推算,如法拉第筒、减速势分析器和离子捕集器,另一种是探针,通过在探针上加不同电压引起的电源变化推算;另一大类是测量等离子体的特征谱线(光谱法),使用光纤探测等离子体信号,通过光谱仪进行数据采集和分析,如荷兰Avantes公司的微小型、高分辨率、多通道光纤光谱仪。下面主要介绍光谱法测量等离子体。

2. 实验部分
2.1 仪器原理

     荷兰Avantes公司的AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪,采用对称式光路设计,焦距75mm,包括光纤接头(标准SMA接口,也可以选择其它类型的接口)、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和Sony ILX554型2048像素线阵CCD探测器,测量波长范围200-1100nm,最高分辨率0.04nm,接口方面提供USB1.1或USB2.0接口、RS-232接口和I/O数字/模拟接口。

       
                                                 图1  光学平台 

           
                                图2  AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪

2.2 功能及特点
2.2.1 外触发功能

     AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪能够在接受外触发信号之后延迟1.3微秒开始采样;此外,该光谱仪还可以发出一个TTL电平信号来触发脉冲光源,如脉冲激光器或脉冲氙灯,而且在AvaSoft-Full软件中可以设置-42ns到2.7ms的延迟采样时间,步长为
AvaSpec-2048FT的这些特点使其适用于需要快速响应和需要与外触发信号精确同步的应用领域(它的时间抖动只有±21ns),例如传送带上的产品检测等。而输出TTL信号的特性则可使其用于LIBS(激光诱导击穿光谱)测量或荧光测量,这两种应用都是在激光器脉冲结束一段时间后才开始测量。
参数 2048FT
t 1 激光脉冲延迟 fixed 1.3 μs
t 1 的步长 n.a.
t 2 积分时间延迟 -42ns-2.7ms
t 2 的步长 42ns
t 3 脉冲宽度 fixed 15μs
t 3 的步长 n.a
t int 积分时间 2ms-60sec
t int 的步长 1 ms

           
                                                图3  外触发时序图

2.2.2 历史通道功能

     AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪可以同时监测最多8个输出参数随时间的变化,如用户定义的函数、积分、峰值(波长,相对强度)等。函数可以用Visual-Basic代码编写。时序测量的结果可以被存储、载入或者打印。缩放和全景显示功能可以把时序测量结果中感兴趣的部分快速放大至全图显示。

2.2.3 独立测量功能

     AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪可以配置成进行独立测量工作,而不必使用计算机。
USB2平台的AvaSpec-2048光谱仪添加了蓝牙(-BT)通信以及在板卡上存储光谱的SDRAM卡选项,能够实现远距离测量和传输(大于300米)以及长时间光谱数据存储。

2.2.4 宽光谱范围内的高分辨率

     对于等离子体测量和LIBS测量,一般都要求光谱仪在较宽的光谱范围内,具有较高的分辨率。AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪的最高分辨率可达0.04nm,而多通道光谱仪可以满足在200-900nm光谱范围内,分辨率优于0.1nm,同时使用光纤束进行探测(一端为一个光纤接头,用于探测信号;另一端为多个接头,连接各个通道),操作既简单,又可以保证探测位于同一位置的信号。

2.2.5 对称式光路设计

     对称式光路的入射焦距和色散焦距比是严格的1:1关系,在CCD上成的是完美的直线象,并且由于不存在光路交叉,使得杂散光的影响被降低到最小。

2.2.6 多通道间数据同步采样

     AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪可以配置成双通道或多通道(USB1.1平台最多8个通道,USB2.0平台最多128通道),整台光谱仪采用主从电路板控制,各通道间可实现真正意义上的同步数据采集。每个通道均包括一个独立的光学平台。
图4  AvaSpec-2048FT-8 八通道光谱仪

2.2.7 温度稳定性好,热漂移小

     AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪的光学元件和底版间采用无应力装配,出厂前经过特殊工序处理,因此环境温度对光谱仪影响极小,环境温度每变化1℃仅漂移0.1个象元。优秀的温度稳定性确保了其长时间测量的精确性和可重复性。

2.3 测量方法

     实际上,使用AvaSpec-2048FT光谱仪测量等离子体的特征谱线的方法很简单,如图5所示。第一步:安装AvaSoft-Full全功能软件;第二步:将光纤、光谱仪和计算机之间连接好,光纤一端固定并对准被测等离子体,然后运行软件;第三步:软件会将采集到的数据绘成光谱图。
由于光谱仪测量到的光谱强度是相对值,如果要进行绝对强度测量,可以选择在荷兰Avantes公司的定标实验室里对光谱仪进行绝对辐射定标,波长范围200-1100nm。为了使整个测量装置更加灵活,还可以购买一台辐射定标光源,在现场进行标定。

            
                            图5  等离子体特征谱线测量实验布局图


2.4 测试数据及装置
              
                图6是AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪测量某种等离子体的光谱数据图

                          
             图7是AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪测量惰性气体高压放电的实际情况

3.典型应用及用户
在国内,AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪用于等离子体测量的单位和应用如下:
1.中科院等离子体物理研究所,基于托卡马克(TOKAMAK)的研究;
2.哈尔滨工业大学 等离子体推进实验室,基于外太空环境下等离子体推进测量技术的研究;
3.苏州大学 物理学院,基于等离子体沉积的研究;
4.北京大学、北京交通大学、华南理工大学、中国地质大学、山西大学、浙江师范大学,基于LIBS(激光诱导击穿光谱)技术的金属/非金属成分检测的研究;
5.中北大学 材料科学与工程学院,基于电弧等离子体的研究;
6.北京大学 化学学院,基于纳米材料的低温等离子体合成的研究;
7.西北核技术研究所,气体在高压放电过程的等离子体测量;

4.结 论
     使用AvaSpec-2048FT快触发型光谱仪进行等离子体测量,具有性价比高、灵敏度高、测量精度高、测量速度快、操作简单等特点,而且体积小巧,方便集成到系统中进行在线监测。
(北京晨辉日升光电技术有限公司)

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