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目錄:先鋒科技(香港)股份有限公司>>激光與量測>>激光光譜儀>> 湯姆遜散射光譜診斷系統(tǒng)

湯姆遜散射光譜診斷系統(tǒng)
  • 湯姆遜散射光譜診斷系統(tǒng)
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基于激光技術(shù)發(fā)展起來的湯姆遜散射診斷原本用于高溫聚變等離子體的測量,借助激光技術(shù)和光電探測技術(shù)的突飛猛進(jìn),湯姆遜散射在近年也大量應(yīng)用于低溫等離子體的密度和電子溫度的測量。湯姆遜散射具有空間分辨率高(局域測量),測量值穩(wěn)定

一、前言

作為物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)的等離子體通常由電子、離子和處于基態(tài)以及各種激發(fā)態(tài)的原子、分子等中性粒子組成。等離子體中帶電離子間庫倫相互作用的長程特性,是帶電粒子組分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對等離子體特性的影響起決定性作用,其中的電子是等離子體與電磁波作用過程中最重要的能量與動(dòng)量傳遞粒子,因此,等離子體中最重要的基本物理參數(shù)是電子密度及其分布以及描述電子能量分布的函數(shù)以及相應(yīng)的電子溫度。而對于中高氣壓環(huán)境下產(chǎn)生的非熱低溫等離子體來說,等離子體中的主要組分是處于各種激發(fā)態(tài)的中性粒子,此時(shí)除了帶電粒子外,中性粒子的分布和所處狀態(tài)對等離子體電離過程和穩(wěn)定性控制也起著非常重要的作用,尤其是各種長壽命亞穩(wěn)態(tài)離子的激發(fā)。

為了可以充分描述等離子體的狀態(tài),在實(shí)驗(yàn)上不僅要對帶電粒子的分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行診斷,如電子溫度、電子密度、電離溫度等參數(shù),還需要對等離子體中的中性粒子進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)測量,來獲得有關(guān)物種的產(chǎn)生、能量分布以及各個(gè)激發(fā)態(tài)布居數(shù)分布等信息,如氣體溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)溫度、振動(dòng)溫度、激發(fā)溫度等參數(shù)。

基于這種要求,結(jié)合相關(guān)學(xué)科的各種技術(shù)形成了一個(gè)專門針對等離子體開展診斷研究的技術(shù)門類,如對等離子體中電子組分的診斷技術(shù)有朗繆爾探針法(Langmuir Probe),干涉度量法(Interferometer),全息法(Holographic Method),湯姆遜散射法(Thomason Scattering, TS),發(fā)射光譜法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等,對離子組分的光譜診斷技術(shù)有光腔衰減震蕩(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和發(fā)射光譜法(OES),而對中性粒子的光譜診斷技術(shù)包括了吸收光譜法(Absorption Spectroscopy, AS),發(fā)射光譜法(OES),單光子或者雙光子激光誘導(dǎo)熒光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等。


二、湯姆遜散射(Thomson Scattering)

基于激光技術(shù)發(fā)展起來的湯姆遜散射診斷原本用于高溫聚變等離子體的測量,借助激光技術(shù)和光電探測技術(shù)的突飛猛進(jìn),湯姆遜散射在近年也大量應(yīng)用于低溫等離子體的密度和電子溫度的測量。湯姆遜散射具有空間分辨率高(局域測量),測量值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

測量的物理量:

  • 電子溫度:下限0.1e

  • 密度:下限1019m-3.

圖1. 湯姆遜散射分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖


2.1、激光束在等離子體中的束斑大?。ㄊ鴱紻LP)

激光束經(jīng)過透鏡聚焦,等離子體應(yīng)該位于透鏡的焦點(diǎn),以達(dá)到激光束在等離子體中有最小的束徑,最高的功率密度。

DLP = f′q

其中f是聚焦透鏡的焦距,q是激光束發(fā)散角,考慮各種綜合因素,實(shí)際束徑是上述公式的2倍左右。假設(shè)使用f=1000mm的聚焦透鏡和q=0.5mrad的激光束,DLP大約是1mm。


2.2、收集光學(xué)系統(tǒng)的光纖的像斑(fP)與等離子體中激光束徑DLP的匹配

為了有效的收集激光束上的散射光子,光纖的像斑fP應(yīng)該全部覆蓋激光的束徑。理想情況是光纖的像斑與DLP尺寸全部相同,并且二者全部重合,這樣激光的散射光最大,同時(shí)背景非散射光最小。但是考慮到實(shí)際的準(zhǔn)直的難度,這樣的理想條件在有限的資金投入下很難實(shí)現(xiàn)。建議fP是DLP的兩倍,既能有效的收集散射光子,也能比較容易準(zhǔn)直。如果DLP =1mm, fP =2mm是比較合適的。


2.3、光纖的芯徑、布局和光譜儀以及ICCD的選擇

湯姆遜散射譜線展寬與溫度的關(guān)系如下:

湯姆遜散射角度 Theta=90度;me是電子質(zhì)量,c是光速,kB是玻爾茲曼常數(shù),公式右邊分母下面:是激光的波長 532nm;分子是譜線展寬,不過是1/e展寬

因此湯姆遜散射光譜的半高寬△λ1/e(nm)與等離子體溫度Te(ev)的關(guān)系可以簡化為:

△λ1/e=1.487×Te1/2

Te  eV

0.1

0.2

0.3

0.4

1

2

4

5

10

△λ1/e nm

0.47

0.53

0.81

0.94

1.49

2.10

2.97

3.32

4.70

表1. 電子溫度與湯姆遜散射譜半高寬對應(yīng)值

在光譜儀沒有入射狹縫或者入射狹縫寬度超過光纖的芯徑的情況下,光纖的芯徑實(shí)際決定了譜儀的實(shí)際分辨率(儀器展寬):

△λof  = fof ′ LSP

fof是光纖的芯徑,LSP是譜儀的倒線色散率。


針對于此應(yīng)用,可以考慮選擇兩款光譜儀,分別是:

1、Zolix 北京卓立漢光儀器有限公司的Omni系列 750mm的譜儀,如果使用1200l/mm的光柵,LSP = 1nm/mm。測量電子溫度的原則是儀器展寬應(yīng)該與低溫度的展寬相當(dāng),才能有效的測量到zui低溫度。

2、選用207(670mm焦距)光譜儀,在搭配1200l/mm光柵的情況下,LSP=1.24nm/mm,可以滿足要求。同時(shí)可以考慮搭配1800l/mm光柵,這樣的話可以兼容高電子溫度和低電子溫度的同時(shí)測量,以及同時(shí)兼顧高分辨和寬光譜。

原則上,使用芯徑400mm的光纖,△λof=0.4-0.48nm,全部符合0.1eV的測量要求。但是還是建議譜儀安裝入射狹縫,靠狹縫來控制分辨率,不僅確保0.1 eV的測量要求,還能實(shí)現(xiàn)更低的溫度測量。同時(shí)在調(diào)試階段,靠狹縫來控制通光量,以免532nm的激光雜散光太強(qiáng),對ICCD造成破壞。

另一方面ICCD的尺寸決定了光纖的排布數(shù)量。光纖數(shù)量越多,對湯姆遜散射這種微弱光測量是越有利的。在信號很弱的時(shí)候,可以把幾道合成一道使用,以增加信噪比,提高信號質(zhì)量。因此在波長覆蓋范圍(CCD的橫向尺寸)滿足要求的情況下,ICCD的縱向尺寸應(yīng)該盡量大一些,以便容納更多的光纖。

  1. 選用iStar 334T探測器,這款CCD的尺寸是13.3 ′ 13.3 mm,對焦距目前的光譜儀無論是Omni-750還是207在搭配1200l/mm光柵的情況下,波長覆蓋范圍是13nm左右,同時(shí)縱向13.3mm,容納的光纖數(shù)量也更多,可以做更多的多道光譜。

  2. 如果已有更大面陣的CCDsCMOS或高速相機(jī),可以考慮使用Zolix 卓立漢光的IIM系列鏡頭耦合像增強(qiáng)模組與之配合,達(dá)到類似ICCD的功能和效果,同時(shí)獲得更大的相機(jī)選取自由度;IIM 內(nèi)部可以選擇25mm 尺寸的增強(qiáng)器,1:1耦合到CCD, 可以獲得更大的成像面,雙層增強(qiáng)器也可以獲得更高的增益;

光纖的布局是一字型密集排布,在13mm的長度內(nèi),盡量的密布盡可能多的光纖。同時(shí)光纖應(yīng)該嚴(yán)格排列在一條直線上,整排光纖的偏心距小于20mm。


2.4、收集透鏡的選擇

等離子體中心到透鏡的距離L和光纖的芯徑,及像斑決定了收集透鏡的焦距。舉例如下:如果像斑要求是fP =2mm,光纖芯徑400mm, 則物像比是4,如果L=320mm, 則透鏡的焦距就是320/4=80mm。同時(shí)如果觀測的等離子體范圍是50mm,那光纖一字排開的范圍就是50mm/4=12.5mm。這個(gè)寬度和連接譜儀一側(cè)的光纖束的尺寸很接近了,連接收集透鏡一側(cè)光纖也應(yīng)該是密集排布,這樣兩端容納的光纖數(shù)量就是匹配的。


2.5、瑞利散射的濾除與使用

瑞利散射信號通常也可以用來測試重粒子的相關(guān)信息比如中性原子。

但是相比于瑞利散射法來說,作為彈性散射的湯姆遜散射法更多用于自由電子的測試。和離子與原子相比,由于自由電子的速度更快,質(zhì)量更輕,因此具備更寬的光譜展寬。比較強(qiáng)的雜散光信號與更強(qiáng)的瑞利散射信號則可以通過例如布儒斯特窗、籠式結(jié)構(gòu)或者黑絲擋板的方式濾除掉。

圖2 濾除瑞利散射的籠式結(jié)構(gòu)示意光路

因此在實(shí)際的測試過程中,如何合理地使用這些信號為等離子體診斷服務(wù),則是另一個(gè)相關(guān)的話題。

如圖3[1]所示,為實(shí)際測試過程中得到的瑞利與湯姆遜散射信號

如圖4[2]所示,為實(shí)際測試過程中得到的濾除瑞利散射后的湯姆遜散射信號



圖3 包含瑞利散射與湯姆遜散射的實(shí)測信號

圖4 濾除瑞利散射后的湯姆遜信號


2.6其他附屬部件

  • 光電倍增管

  • 譜儀第二出射口配寬度可調(diào)的狹縫

  • 三維調(diào)整光學(xué)支架,用以調(diào)節(jié)鏡頭的方位和方向


三、整體解決方案匯總推薦

根據(jù)用戶需求,一般推薦的配置如下:

  1. 光譜儀:

  • Zolix 北京卓立漢光儀器有限公司的Omni-500I 或750i光譜儀搭配1200l/mm和1800l/mm的全息光柵

  • 高光通量光譜儀,搭配120*140mm 或110*110mm 的大尺寸,高分辨率的1200l/mm光柵和1800l/mm光柵


  1. 探測器:

  • ICCD, 18mm 增強(qiáng)器,13*13mm 探測面;

  • Zolix卓立漢光 公司的IIM-A系列 鏡頭耦合像增強(qiáng)模組,配合更大面陣的CCD或sCMOS相機(jī), 18mm或25mm 的大面積增強(qiáng)器,靈活的CCD 相機(jī)選擇; 

  1. DG645數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器:用于系統(tǒng)觸發(fā)控制

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  2. 其他的配件:包括多道光纖,收集光路,可以后續(xù)一并考慮,先購買標(biāo)準(zhǔn)部件

參考文獻(xiàn)

[1] Yong WANG, Cong LI, Jielin SHI, et al. Measurement of electron density and electron temperature of a cascaded arc plasma using laser Thomson scattering compared to an optical emission spectroscopic approach[J]. Plasma Sci. Technol. 19 (2017) 115403 (8pp) 

[2] Ma P, Su M, Cao S, et al. Influence of heating effect in Thomson scattering diagnosis of laser-produced plasmas in air[J]. Plasma Science and Technology, 2020.


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