[發(fā)明專利]基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置及其測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110172274.5
• 申請日: 2011-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN102253029A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于欣;李曉暉;孫銳;陳德應(yīng);樊榮偉;彭江波
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/73
• 分類號(hào): G01N21/73;G01K13/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 張宏威

1.基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，其特征在于它包括Nd:YAG激光器(1)、聚焦透鏡(2)、密閉氣室(4)、會(huì)聚透鏡(6)和光譜儀(7)；所述密閉氣室(4)內(nèi)充滿待測量氣體；所述密閉氣室(4)的三個(gè)側(cè)面的中心處分別嵌裝有第一石英透光窗(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)的激光出射口發(fā)射的激光光束通過聚焦透鏡(2)和第一石英透光窗(4-1)后會(huì)聚到密閉氣室(4)的內(nèi)部中心點(diǎn)處；所述密閉氣室(4)的內(nèi)部中心點(diǎn)位于聚焦透鏡(2)的焦點(diǎn)處；所述Nd:YAG激光器(1)的激光出射口的中心軸線、聚焦透鏡(2)的中心光軸和第一石英透光窗(4-1)的中心軸線位于同一直線上；所述會(huì)聚透鏡(6)裝設(shè)在第二石英透光窗(4-2)的外側(cè)，所述第一石英透光窗(4-1)的中心軸線與第二石英透光窗(4-2)的中心軸線相互垂直；所述從第二石英透光窗(4-2)透射出的光譜線經(jīng)過會(huì)聚透鏡(6)后會(huì)聚到光譜儀(7)的光譜采集端；光譜儀(7)的光譜數(shù)據(jù)輸出端與外部控制器的光譜數(shù)據(jù)輸入端相連；所述第二石英透光窗(4-2)的中心軸線、會(huì)聚透鏡(6)的中心光軸和光譜儀(7)的光譜采集端位于同一直線上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，其特征在于它還包括氣壓計(jì)(3)；所述氣壓計(jì)(3)用于采集密閉氣室(4)內(nèi)部的氣體壓力。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，其特征在于它還包括余光收集裝置(8)；所述余光收集裝置(8)裝設(shè)在第三石英透光窗(4-3)的外側(cè)；余光收集裝置(8)的光線收集窗的中心軸線與第三石英透光窗(4-3)的中心軸線位于同一直線上。

4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，其特征在于所述Nd:YAG激光器(1)輸出的脈沖激光的波長為1064nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，其特征在于所述Nd:YAG激光器(1)輸出的脈沖激光的脈沖能量為20mJ～100mJ。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，其特征在于所述Nd:YAG激光器(1)輸出的脈沖激光的脈沖寬度為5～20ns。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，其特征在于所述會(huì)聚透鏡(6)的焦距為75mm～200mm，所述會(huì)聚透鏡(6)的口徑為50mm。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，其特征在于所述光譜儀(7)的測量范圍為200nm～1000nm。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，其特征在于所述光譜儀(7)的光譜分辨率為0.03nm～0.1nm。

10.采用權(quán)利要求1所述的基于激光誘導(dǎo)測量氣體中等離子體電子溫度的裝置測量氣體中等離子體電子溫度的方法，其特征在于它由如下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一、將待測量氣體充入密閉氣室(4)中；

步驟二、開啟Nd:YAG激光器(1)電源，所述Nd:YAG激光器(1)發(fā)射激光光束，所述激光光束通過聚焦透鏡(2)會(huì)聚并透過密閉氣室(4)側(cè)面上的第一石英透光窗(4-1)會(huì)聚到密閉氣室(4)內(nèi)部中心點(diǎn)處，所述透射到密閉氣室(4)內(nèi)部的激光光束誘導(dǎo)待測量氣體產(chǎn)生等離子體，所述等離子體產(chǎn)生發(fā)射光譜；

步驟三、光譜儀(7)通過會(huì)聚透鏡(6)收集所述等離子體產(chǎn)生的發(fā)射光譜；

步驟四、依據(jù)原子光譜數(shù)據(jù)庫，從步驟三所述光譜儀(7)采集到的發(fā)射光譜中選取同一粒子發(fā)射的n條原子譜線；所述n為大于2的自然數(shù)；

步驟五、通過光譜儀(7)得到步驟四選取n條原子譜線的強(qiáng)度I和波長λ；再通過原子光譜數(shù)據(jù)庫得到的上述各譜線的上能級(jí)能量E、上能級(jí)簡并度g和躍遷幾率A，并通過如下計(jì)算方法得到等離子體的電子溫度；

所述n條原子譜線的計(jì)算方法均相同，所述單條原子譜線的計(jì)算方法為：

依據(jù)原子光譜學(xué)，等離子體原子發(fā)射譜線的強(qiáng)度I表示為，

I＝(hcN₀gA/4πλ)exp(-E/kT)?????????公式1

其中，參數(shù)h為普朗克常量，參數(shù)c為真空中的光速，參數(shù)N₀為總粒子數(shù)，參數(shù)g為譜線上能級(jí)簡并度，參數(shù)A為躍遷幾率，參數(shù)λ為波長，參數(shù)E為上能級(jí)能量，參數(shù)k為玻耳茲曼常數(shù)，參數(shù)T為等離子體電子溫度；

通過對公式1進(jìn)行變換得到，

ln(Iλ/gA)＝-E/kT-ln(4πZ/hcN₀)?????公式2

依據(jù)公式2，以上能級(jí)能量E為自變量，參數(shù)ln(Iλ/gA)為因變量得到一個(gè)對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)；

利用所述n條原子譜線中每條原子譜線的上能級(jí)能量E和參數(shù)ln(Iλ/gA)得到的多個(gè)離散的坐標(biāo)點(diǎn)；再利用最小二乘法對所述離散的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得到直線的斜率S＝-1/kT，進(jìn)而得到對應(yīng)的電子溫度T＝-1/kS。