微小型高分辨率光纖光譜儀在等離子體領(lǐng)域的應(yīng)用

1、微小型高分辨率光纖光譜儀在等離子體領(lǐng)域的應(yīng)用摘 要 等離子體是繼氣體、液體、固體后的第四種物質(zhì)的聚集態(tài)。等離子體物理學(xué)是一門蓬勃發(fā)展的新興科學(xué)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括受控?zé)岷司圩?、空間科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、微電子與信息產(chǎn)業(yè)、材料合成與處理、國(guó)防和高技術(shù)應(yīng)用諸方面。目前，測(cè)量等離子體最簡(jiǎn)單的方法就是使用荷蘭Avantes公司的微小型、高分辨率、多通道光纖光譜儀。1 引 言隨著溫度的升高，一般物質(zhì)依次表現(xiàn)為固體、液體和氣體。它們統(tǒng)稱物質(zhì)的三態(tài)。當(dāng)氣體溫度進(jìn)一步升高時(shí)，其中許多，甚至全部分子或原子將由于激烈的相互碰撞而離解為電子和正離子。這時(shí)物質(zhì)將進(jìn)入一種新的狀態(tài)，即主要由電子和正離子（或是帶正電的核）組成的狀態(tài)

2、。這種狀態(tài)的物質(zhì)叫等離子體，它可以稱為物質(zhì)的第四態(tài)。目前，直接測(cè)量等離子體的儀器分為兩大類：一大類是測(cè)量等離子體的密度和溫度，方法又分兩種：一種是根據(jù)落到傳感器上的帶電粒子產(chǎn)生的電流來推算，如法拉第筒、減速勢(shì)分析器和離子捕集器，另一種是探針，通過在探針上加不同電壓引起的電源變化推算；另一大類是測(cè)量等離子體的特征譜線（光譜法），使用光纖探測(cè)等離子體信號(hào)，通過光譜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，如荷蘭Avantes公司的微小型、高分辨率、多通道光纖光譜儀。下面主要介紹光譜法測(cè)量等離子體。2. 實(shí)驗(yàn)部分2.1 儀器原理荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048FT光纖光譜儀，采用對(duì)稱式光路設(shè)計(jì)，焦距75

3、mm，包括光纖接頭（標(biāo)準(zhǔn)SMA接口，也可以選擇其它類型的接口）、準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和Sony ILX554型2048像素線陣CCD探測(cè)器，測(cè)量波長(zhǎng)范圍200-1100nm，最高分辨率0.04nm，接口方面提供接口、RS-232接口和I/O外觸發(fā)接口。圖1 AvaSpec-2048FT光譜儀的光學(xué)平臺(tái)2.2 性能介紹AvaSpec-2048FT型光譜儀能夠在接受外觸發(fā)信號(hào)之后延遲1.3微秒開始采樣。此外，該光譜儀還可以發(fā)出一個(gè)TTL電平信號(hào)來觸發(fā)脈沖光源，如激光器或脈沖氙燈，而且在AvaSoft-Full軟件中可以設(shè)置-42ns到2.7ms的延遲采樣時(shí)間。AvaSpec-2048FT的這些

4、特點(diǎn)使其適用于需要快速響應(yīng)和需要與外觸發(fā)信號(hào)精確同步的應(yīng)用領(lǐng)域（它的時(shí)間抖動(dòng)只有±21ns），例如傳送帶上的產(chǎn)品檢測(cè)等。而輸出TTL信號(hào)的特性則可使其用于LIBS（激光誘導(dǎo)擊穿光譜）測(cè)量或熒光測(cè)量，這兩種應(yīng)用都是在激光器脈沖結(jié)束一段時(shí)間后才開始測(cè)量。圖2 AvaSpec-2048FT光譜儀外觸發(fā)時(shí)序圖t1= 激光脈沖延遲, 1.3ust2= 積分時(shí)間延遲, -42ns 2.7ms, 步長(zhǎng)42nstint= 積分時(shí)間, 2.0ms 60sec 多通道間同步采樣AvaSpec-2048FT光譜儀可以配置成雙通道或多通道（USB1.1平臺(tái)最多8個(gè)通道，USB2.0平臺(tái)最多128通道），整臺(tái)

5、光譜儀采用主從電路板控制，各通道間可實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步數(shù)據(jù)采集。每個(gè)通道均包括一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)平臺(tái)。圖3 AvaSpec-2048FT-8 八通道光譜儀2.2.3 溫度穩(wěn)定性好，熱漂移小AvaSpec-2048FT光譜儀的光學(xué)元件和底版間采用無應(yīng)力裝配，出廠前經(jīng)過特殊工序處理，因此環(huán)境溫度對(duì)光譜儀影響極小，環(huán)境溫度每變化1僅漂移0.1個(gè)象元。優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性確保了其長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的精確性和可重復(fù)性。2.2.4 寬光譜范圍內(nèi)的高分辨率對(duì)于等離子體測(cè)量和LIBS測(cè)量，一般都要求光譜儀在較寬的光譜范圍內(nèi)，具有較高的分辨率。AvaSpec-2048FT光譜儀的最高分辨率為0.04nm，而多通道光譜儀可以滿

6、足在200-900nm光譜范圍內(nèi)，分辨率優(yōu)于0.1nm，同時(shí)使用光纖束進(jìn)行探測(cè)（一端為一個(gè)光纖接頭，用于探測(cè)信號(hào);另一端為多個(gè)接頭，連接各個(gè)通道），操作既簡(jiǎn)單，又可以保證探測(cè)位于同一位置的信號(hào)。 其它獨(dú)特性能AvaSpec-2048FT光譜儀?？梢耘渲贸蛇M(jìn)行獨(dú)立測(cè)量工作，而不必使用計(jì)算機(jī)。USB2平臺(tái)的AvaSpec-2048光譜儀添加了藍(lán)牙（-BT）通信以及在板卡上存儲(chǔ)光譜的SDRAM卡選項(xiàng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和傳輸（大于300米）以及長(zhǎng)時(shí)間光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。2.3 測(cè)量方法實(shí)際上，使用AvaSpec-2048FT光譜儀測(cè)量等離子體的特征譜線的方法很簡(jiǎn)單，如圖4所示。第一步：安裝AvaSoft-

7、Full全功能軟件；第二步：將光纖、光譜儀和計(jì)算機(jī)之間連接好，光纖一端固定并對(duì)準(zhǔn)被測(cè)等離子體，然后運(yùn)行軟件；第三步：軟件會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)繪成光譜圖。圖4 發(fā)射光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置由于光譜儀測(cè)量到的光譜強(qiáng)度是相對(duì)值，如果要進(jìn)行絕對(duì)強(qiáng)度測(cè)量，可以選擇在荷蘭Avantes公司的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)室里對(duì)光譜儀進(jìn)行絕對(duì)輻射定標(biāo)，波長(zhǎng)范圍200-1100nm。為了使整個(gè)測(cè)量裝置更加靈活，?？梢再?gòu)買一臺(tái)輻射定標(biāo)光源，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定。2.4 測(cè)試數(shù)據(jù)圖5是AvaSpec-2048FT-4四通道光譜儀測(cè)量等離子體的光譜圖：圖5 等離子體光譜圖 4典型應(yīng)用在國(guó)內(nèi)，AvaSpec-2048FT-xx多通道光纖光譜儀用于等離子體測(cè)量的單位和應(yīng)用如下：1 中科院等離子體物理研究所，基于托卡馬克（TOKAMAK）的研究；2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 等離子體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，基于外太空環(huán)境下等離子體推進(jìn)測(cè)量技術(shù)的研究；3 蘇州大學(xué) 物理學(xué)院，基于等離子體沉積的研究；4 北京交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、山西大學(xué)、浙江師范大學(xué)，基于LIBS（激光誘導(dǎo)擊穿光譜）技術(shù)的金屬/非金屬成分檢測(cè)的研究；5 中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，基于電弧等離子體的研究；6 北京大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，基于納米材料的