[發明專利]基于激光誘導測量氣體中等離子體電子溫度的裝置及其測量方法

有效

• 申請號: 201110172274.5
• 申請日: 2011-06-24
• 公開（公告）號: CN102253029A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 于欣;李曉暉;孫銳;陳德應;樊榮偉;彭江波
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N21/73
• 分類號: G01N21/73;G01K13/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明涉及一種測量等離子體電子溫度的裝置及其測量方法。

背景技術

等離子體的電子溫度是等離子體的一個重要的參數，它用于表征等離子體中粒子的活性。傳統的測量等離子體電子溫度的方法是采用朗繆探針測量的方法。這種方法需要將探針插入到等離子體中，不但會對等離子體的狀態造成影響，而且探針表面容易污染，會引入較大的測量誤差。

發明內容

本發明為了解決現有測量等離子體電子溫度的裝置及方法存在的將檢測探針插入到等離子體中，對等離子體的狀態造成影響，而且探針表面容易污染，進而產生較大的測量誤差的問題，而提出的基于激光誘導測量氣體中等離子體電子溫度的裝置及其測量方法。

基于激光誘導測量氣體中等離子體電子溫度的裝置，它包括Nd:YAG激光器、聚焦透鏡、密閉氣室、會聚透鏡和光譜儀；所述密閉氣室內充滿待測量氣體；所述密閉氣室的三個側面的中心處分別嵌裝有第一石英透光窗、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發射的激光光束通過聚焦透鏡和第一石英透光窗后會聚到密閉氣室的內部中心點處；所述密閉氣室的內部中心點與聚焦透鏡之間的距離為聚焦透鏡的焦距；所述Nd:YAG激光器的激光出射口的中心軸線、聚焦透鏡的中心光軸和第一石英透光窗的中心軸線位于同一軸線上；所述會聚透鏡裝設在第二石英透光窗的外側，所述第一石英透光窗的中心軸線與第二石英透光窗的中心軸線相互垂直；所述從第二石英透光窗透射出的光譜線經過會聚透鏡后會聚到光譜儀的光譜采集端；光譜儀的光譜數據輸出端與外部控制器的光譜數據輸入端相連；所述第二石英透光窗的中心軸線、會聚透鏡的中心光軸和光譜儀的光譜采集端位于同一軸線上。

采用上述的基于激光誘導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，它由如下步驟實現：

步驟一、將待測量氣體充入密閉氣室中；

步驟二、開啟Nd:YAG激光器電源，所述Nd:YAG激光器發射激光光束，所述激光光束通過聚焦透鏡會聚并透過密閉氣室側面上的第一石英透光窗會聚到密閉氣室內部中心點處，所述透射到密閉氣室內部的激光光束誘導待測量氣體產生等離子體，所述等離子體產生發射光譜；

步驟三、通過會聚透鏡收集步驟二所述等離子體產生的發射光譜，所述等離子體產生的發射光譜經過會聚透鏡后會聚到光譜儀的光譜采集端；所述光譜儀采集上述等離子體產生的發射光譜；

步驟四、依據原子光譜數據庫，從步驟三所述光譜儀采集到的發射光譜中選取同一粒子發射的n條原子譜線；所述n為大于2的自然數；

步驟五、通過光譜儀得到步驟四選取n條原子譜線的強度I和波長λ；再通過原子光譜數據庫得到的上述各譜線的上能級能量E、上能級簡并度g和躍遷幾率A，并通過如下計算方法得到等離子體的電子溫度；

所述n條原子譜線的計算方法均相同，所述單條原子譜線的計算方法為：

依據原子光譜學，等離子體原子發射譜線的強度I表示為，

I＝(hcN₀gA/4πλ)exp(-E/kT)?????????公式1

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

通過對公式1進行變換得到，

ln(Iλ/gA)＝-E/kT-ln(4πZ/hcN₀)?????公式2

通過公式2得到，以上能級能量E為自變量，參數ln(Iλ/gA)為因變量得到一個對應的坐標點；

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

本發明所述基于激光誘導測量氣體中等離子體電子溫度的裝置及其測量方法基于激光誘導等離子體的自身的發射光譜對等離子體的電子溫度進行非侵擾性的測量，具有測量誤差低，精度高的優點。克服了現有測量裝置及方法存在的將檢測探針插入到等離子體中，對等離子體的狀態造成影響，而且探針表面容易污染，進而產生較大的測量誤差的問題。

附圖說明

圖1為本申請所述基于激光誘導測量氣體中等離子體電子溫度的裝置的結構示意圖；圖2為具體實施方式三的結構示意圖。

具體實施方式