CN102253029B - 基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置及其测量方法，它涉及一种测量等离子体电子温度的装置及其测量方法。它为解决现有测量等离子体电子温度的装置及方法存在的将检测探针插入到等离子体中，对等离子体的状态造成影响，而且探针表面容易污染，进而产生较大的测量误差的问题。Nd:YAG激光器的激光出射口发射的激光光束通过聚焦透镜和第一石英透光窗后会聚到密闭气室的内部中心点处；从第二石英透光窗透射出的光谱线经过会聚透镜后会聚到光谱仪的光谱采集端；测量方法，一、密闭气室充气；二、激光器诱导产生等离子体；三、光谱仪采集等离子体发射光谱；四、选取原子谱线；五、计算得到电子温度；它具有测量误差低，精度高的优点。

Description

基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量等离子体电子温度的装置及其测量方法。

背景技术

等离子体的电子温度是等离子体的一个重要的参数，它用于表征等离子体中粒子的活性。传统的测量等离子体电子温度的方法是采用朗缪探针测量的方法。这种方法需要将探针插入到等离子体中，不但会对等离子体的状态造成影响，而且探针表面容易污染，会引入较大的测量误差。

发明内容

本发明为了解决现有测量等离子体电子温度的装置及方法存在的将检测探针插入到等离子体中，对等离子体的状态造成影响，而且探针表面容易污染，进而产生较大的测量误差的问题，而提出的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置及其测量方法。

基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，它包括Nd:YAG激光器、聚焦透镜、密闭气室、会聚透镜和光谱仪；所述密闭气室内充满待测量气体；所述密闭气室的三个侧面的中心处分别嵌装有第一石英透光窗、第二石英透光窗和第三石英透光窗；所述Nd:YAG激光器的激光出射口发射的激光光束通过聚焦透镜和第一石英透光窗后会聚到密闭气室的内部中心点处；所述密闭气室的内部中心点与聚焦透镜之间的距离为聚焦透镜的焦距；所述Nd:YAG激光器的激光出射口的中心轴线、聚焦透镜的中心光轴和第一石英透光窗的中心轴线位于同一轴线上；所述会聚透镜装设在第二石英透光窗的外侧，所述第一石英透光窗的中心轴线与第二石英透光窗的中心轴线相互垂直；所述从第二石英透光窗透射出的光谱线经过会聚透镜后会聚到光谱仪的光谱采集端；光谱仪的光谱数据输出端与外部控制器的光谱数据输入端相连；所述第二石英透光窗的中心轴线、会聚透镜的中心光轴和光谱仪的光谱采集端位于同一轴线上。

采用上述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置测量气体中等离子体电子温度的方法，它由如下步骤实现：

步骤一、将待测量气体充入密闭气室中；

步骤二、开启Nd:YAG激光器电源，所述Nd:YAG激光器发射激光光束，所述激光光束通过聚焦透镜会聚并透过密闭气室侧面上的第一石英透光窗会聚到密闭气室内部中心点处，所述透射到密闭气室内部的激光光束诱导待测量气体产生等离子体，所述等离子体产生发射光谱；

步骤三、通过会聚透镜收集步骤二所述等离子体产生的发射光谱，所述等离子体产生的发射光谱经过会聚透镜后会聚到光谱仪的光谱采集端；所述光谱仪采集上述等离子体产生的发射光谱；

步骤四、依据原子光谱数据库，从步骤三所述光谱仪采集到的发射光谱中选取同一粒子发射的n条原子谱线；所述n为大于2的自然数；

步骤五、通过光谱仪得到步骤四选取n条原子谱线的强度I和波长λ；再通过原子光谱数据库得到的上述各谱线的上能级能量E、上能级简并度g和跃迁几率A，并通过如下计算方法得到等离子体的电子温度；

所述n条原子谱线的计算方法均相同，所述单条原子谱线的计算方法为：

依据原子光谱学，等离子体原子发射谱线的强度I表示为，

I＝(hcN₀gA/4πλ)exp(-E/kT)         公式1

其中，参数h为普朗克常量，参数c为真空中的光速，参数N₀为总粒子数，参数g为谱线上能级简并度，参数A为跃迁几率，参数λ为波长，参数E为上能级能量，参数k为玻耳兹曼常数，参数T为等离子体电子温度；

通过对公式1进行变换得到，

ln(Iλ/gA)＝-E/kT-ln(4πZ/hcN₀)     公式2

通过公式2得到，以上能级能量E为自变量，参数ln(Iλ/gA)为因变量得到一个对应的坐标点；

利用所述n条原子谱线中每条原子谱线的上能级能量E和参数ln(Iλ/gA)得到的多个离散的坐标点；再利用最小二乘法对所述离散的坐标点进行线性拟合，得到直线的斜率S＝-1/kT，进而得到对应的电子温度T＝-1/kS。

本发明所述基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置及其测量方法基于激光诱导等离子体的自身的发射光谱对等离子体的电子温度进行非侵扰性的测量，具有测量误差低，精度高的优点。克服了现有测量装置及方法存在的将检测探针插入到等离子体中，对等离子体的状态造成影响，而且探针表面容易污染，进而产生较大的测量误差的问题。

附图说明

图1为本申请所述基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置的结构示意图；图2为具体实施方式三的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，它包括Nd:YAG激光器1、聚焦透镜2、密闭气室4、会聚透镜6和光谱仪7；所述密闭气室4内充满待测量气体；所述密闭气室4的三个侧面的中心处分别嵌装有第一石英透光窗4-1、第二石英透光窗4-2和第三石英透光窗4-3；所述Nd:YAG激光器1的激光出射口发射的激光光束通过聚焦透镜2和第一石英透光窗4-1后会聚到密闭气室4的内部中心点处；所述密闭气室4的内部中心点与聚焦透镜2之间的距离为聚焦透镜2的焦距；所述Nd:YAG激光器1的激光出射口的中心轴线、聚焦透镜2的中心光轴和第一石英透光窗4-1的中心轴线位于同一轴线上；所述会聚透镜6装设在第二石英透光窗4-2的外侧，所述第一石英透光窗4-1的中心轴线与第二石英透光窗4-2的中心轴线相互垂直；所述从第二石英透光窗4-2透射出的光谱线经过会聚透镜6后会聚到光谱仪7的光谱采集端；光谱仪7的光谱数据输出端与外部控制器的光谱数据输入端相连；所述第二石英透光窗4-2的中心轴线、会聚透镜6的中心光轴和光谱仪7的光谱采集端位于同一轴线上。所述Nd:YAG激光器1为掺钕钇铝石榴石激光器。所述待测量气体为氮气、氧气、氮气和氧气的混合气或是氦气、氖气、氩气中的任一种气体；所述Nd:YAG激光器1的型号为Continuum公司9010型；光谱仪7的型号为Andor Technology公司Shamrock SR-750。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于它还增加了气压计3；所述气压计3的气压采集端伸入密闭气室4内部；所述气压计3的气压采集端与密闭气室4内部的待测量气体连通。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。增加气压计3的目的在于监测密闭气室4内部的气压。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于它还增加了余光收集装置8；所述余光收集装置8装设在第三石英透光窗4-3的外侧；余光收集装置8的光线收集窗的中心轴线与第三石英透光窗4-3的中心轴线位于同一轴线上。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。增加余光收集装置8的目的是消除激光光束产生的散射光对等离子体光谱产生的影响。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同点在于所述Nd:YAG激光器1的波长为1064nm。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同点在于所述Nd:YAG激光器1输出的脉冲能量为20mJ～100mJ。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。目的是提供足够的能量以诱导密闭气室4内部的待测量气体产生等离子体。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同点在于所述Nd:YAG激光器1的脉冲宽度为5～20ns。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。Nd:YAG激光器1的脉冲宽度在上述范围时，待测量气体产生的等离子体质量较好，测量精度较高。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同点在于所述会聚透镜6的焦距为75～200mm，所述会聚透镜6的口径为50mm。其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同点在于所述光谱仪7的测量范围为200nm～1000nm。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。光谱仪7在上述测量范围内可以测得所述待测量气体产生的光谱。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同点在于所述光谱仪7的光谱分辨率为0.03nm～0.1nm。其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。所述光谱分辨率在上述范围内，可在保证光谱强度的同时，提高各光谱线条的可分辨力。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同点在于所述Nd:YAG激光器1的波长为532nm。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式十不同点在于所述Nd:YAG激光器1的重复频率1～100Hz。其它组成和连接方式与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同点在于所述聚焦透镜2的焦距为50～250mm。其它组成和连接方式与具体实施方式十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式所述采用具体实施方式一所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置测量气体中等离子体电子温度的方法，它由如下步骤实现：

步骤一、将待测量气体充入密闭气室4中；

步骤二、开启Nd:YAG激光器1电源，所述Nd:YAG激光器1发射激光光束，所述激光光束通过聚焦透镜2会聚并透过密闭气室4侧面上的第一石英透光窗4-1会聚到密闭气室4内部中心点处，所述透射到密闭气室4内部的激光光束诱导待测量气体产生等离子体，所述等离子体产生发射光谱；

步骤三、通过会聚透镜6收集步骤二所述等离子体产生的发射光谱，所述等离子体产生的发射光谱经过会聚透镜6后会聚到光谱仪7的光谱采集端；所述光谱仪7采集上述等离子体产生的发射光谱；

步骤四、依据原子光谱数据库，从步骤三所述光谱仪7采集到的发射光谱中选取同一粒子发射的n条原子谱线；所述n为大于2的自然数；

步骤五、通过光谱仪7得到步骤四选取n条原子谱线的强度I和波长λ；再通过原子光谱数据库得到的上述各谱线的上能级能量E、上能级简并度g和跃迁几率A，并通过如下计算方法得到等离子体的电子温度；

所述n条原子谱线的计算方法均相同，所述单条原子谱线的计算方法为：

依据原子光谱学，等离子体原子发射谱线的强度I表示为，

I＝(hcN₀gA/4πλ)exp(-E/kT)       公式1

其中，参数h为普朗克常量，参数c为真空中的光速，参数N₀为总粒子数，参数g为谱线上能级简并度，参数A为跃迁几率，参数λ为波长，参数E为上能级能量，参数k为玻耳兹曼常数，参数T为等离子体电子温度；

通过对公式1进行变换得到，

ln(Iλ/gA)＝-E/kT-ln(4πZ/hcN₀)   公式2

通过公式2得到，以上能级能量E为自变量，参数ln(Iλ/gA)为因变量得到一个对应的坐标点；

利用所述n条原子谱线中每条原子谱线的上能级能量E和参数ln(Iλ/gA)得到的多个离散的坐标点；再利用最小二乘法对所述离散的坐标点进行线性拟合，得到直线的斜率S＝-1/kT，进而得到对应的电子温度T＝-1/kS。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，其特征在于它包括Nd:YAG激光器(1)、聚焦透镜(2)、密闭气室(4)、会聚透镜(6)和光谱仪(7)；所述密闭气室(4)内充满待测量气体；所述密闭气室(4)的三个侧面的中心处分别嵌装有第一石英透光窗(4-1)、第二石英透光窗(4-2)和第三石英透光窗(4-3)；所述Nd:YAG激光器(1)的激光出射口发射的激光光束通过聚焦透镜(2)和第一石英透光窗(4-1)后会聚到密闭气室(4)的内部中心点处；所述密闭气室(4)的内部中心点位于聚焦透镜(2)的焦点处；所述Nd:YAG激光器(1)的激光出射口的中心轴线、聚焦透镜(2)的中心光轴和第一石英透光窗(4-1)的中心轴线位于同一直线上；所述会聚透镜(6)装设在第二石英透光窗(4-2)的外侧，所述第一石英透光窗(4-1)的中心轴线与第二石英透光窗(4-2)的中心轴线相互垂直；从第二石英透光窗(4-2)透射出的光谱线经过会聚透镜(6)后会聚到光谱仪(7)的光谱采集端；光谱仪(7)的光谱数据输出端与外部控制器的光谱数据输入端相连；所述第二石英透光窗(4-2)的中心轴线、会聚透镜(6)的中心光轴和光谱仪(7)的光谱采集端位于同一直线上。

2.根据权利要求1所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，其特征在于它还包括气压计(3)；所述气压计(3)用于采集密闭气室(4)内部的气体压力。

3.根据权利要求2所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，其特征在于它还包括余光收集装置(8)；所述余光收集装置(8)装设在第三石英透光窗(4-3)的外侧；余光收集装置(8)的光线收集窗的中心轴线与第三石英透光窗(4-3)的中心轴线位于同一直线上。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，其特征在于所述Nd:YAG激光器(1)输出的脉冲激光的波长为1064nm。

5.根据权利要求4所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，其特征在于所述Nd:YAG激光器(1)输出的脉冲激光的脉冲能量为20mJ～100mJ。

6.根据权利要求5所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，其特征在于所述Nd:YAG激光器(1)输出的脉冲激光的脉冲宽度为5～20ns。

7.根据权利要求6所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，其特征在于所述会聚透镜(6)的焦距为75mm～200mm，所述会聚透镜(6)的口径为50mm。

8.根据权利要求7所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，其特征在于所述光谱仪(7)的测量范围为200nm～1000nm。

9.根据权利要求8所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置，其特征在于所述光谱仪(7)的光谱分辨率为0.03nm～0.1nm。

10.采用权利要求1所述的基于激光诱导测量气体中等离子体电子温度的装置测量气体中等离子体电子温度的方法，其特征在于它由如下步骤实现：

步骤一、将待测量气体充入密闭气室(4)中；

步骤二、开启Nd:YAG激光器(1)电源，所述Nd:YAG激光器(1)发射激光光束，所述激光光束通过聚焦透镜(2)会聚并透过密闭气室(4)侧面上的第一石英透光窗(4-1)会聚到密闭气室(4)内部中心点处，透射到密闭气室(4)内部的激光光束诱导待测量气体产生等离子体，所述等离子体产生发射光谱；

步骤三、光谱仪(7)通过会聚透镜(6)收集所述等离子体产生的发射光谱；

步骤四、依据原子光谱数据库，从步骤三所述光谱仪(7)采集到的发射光谱中选取同一粒子发射的n条原子谱线；所述n为大于2的自然数；

步骤五、通过光谱仪(7)得到步骤四选取n条原子谱线的强度I和波长λ；再通过原子光谱数据库得到的上述n条原子谱线的上能级能量E、上能级简并度g和跃迁几率A，并通过如下计算方法得到等离子体的电子温度；

所述n条原子谱线的计算方法均相同，所述n条原子谱线中的单条原子谱线的计算方法为：

依据原子光谱学，等离子体原子发射谱线的强度I表示为，

I=(hcN₀gA/4πλ)exp(-E/kT)         公式1

其中，参数h为普朗克常量，参数c为真空中的光速，参数N₀为总粒子数，参数g为谱线上能级简并度，参数A为跃迁几率，参数λ为波长，参数E为上能级能量，参数k为玻耳兹曼常数，参数T为等离子体电子温度；

通过对公式1进行变换得到，

ln(Iλ/gA)=-E/kT-ln(4πZ/hcN₀)         公式2

依据公式2，以上能级能量E为自变量，参数ln(Iλ/gA)为因变量得到一个对应的坐标点；

利用所述n条原子谱线中每条原子谱线的上能级能量E和参数ln(Iλ/gA)得到的多个离散的坐标点；再利用最小二乘法对所述离散的坐标点进行线性拟合，得到直线的斜率S＝-1/kT，进而得到对应的电子温度T＝-1/kS。

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