等离子诊断分析

一、前言作为物质存在的第四种状态的等离子体通常由电子、离子和处于基态以及各种激发态的原子、分子等中性粒子组成。等离子体中带电离子间库伦相互作用的长程特性，是带电粒子组分的运动状态对等离子体特性的影响起决定性作用，其中的电子是等离子体与电磁波作用过程中最重要的能量与动量传递粒子，因此，等离子体中最重要的基本物理参数是电子密度及其分布以及描述电子能量分布的函数以及相应的电子温度。而对于中高气压环境下产生的非热低温等离子体来说，等离子体中的主要组分是处于各种激发态的中性粒子，此时除了带电粒子外，中性粒子的分布和所处状态对等离子体电离过程和稳定性控制也起着非常重要的作用，尤其是各种长寿命亚稳态离子的激发。为了可以充分描述等离子体的状态，在实验上不仅要对带电粒子的分布和运动状态进行诊断，如电子温度、电子密度、电离温度等参数，还需要对等离子体中的中性粒子进行必要的实验测量，来获得有关物种的产生、能量分布以及各个激发态布居数分布等信息，如气体温度、转动温度、振动温度、激发温度等参数。基于这种要求，结合相关学科的各种技术形成了一个专门针对等离子体开展诊断研究的技术门类，如对等离子体中电子组分的诊断技术有朗缪尔探针法（Langmuir Probe），干涉度量法(Interferometer)，全息法(Holographic Method)，汤姆逊散射法(Thomason Scattering, TS)，发射光谱法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等，对离子组分的光谱诊断技术有光腔衰减震荡(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和发射光谱法(OES)，而对中性粒子的光谱诊断技术包括了吸收光谱法(Absorption Spectroscopy, AS)，发射光谱法(OES)，单光子或者双光子激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等。二、汤姆逊散射（Thomson Scattering）基于激光技术发展起来的汤姆逊散射诊断原本用于高温聚变等离子体的测量，借助激光技术和光电探测技术的突飞猛进，汤姆逊散射在近年也大量应用于低温等离子体的密度和电子温度的测量。汤姆逊散射具有空间分辨率高（局域测量），测量值稳定可靠等优点。测量的物理量：电子温度：下限0.1e密度：下限1019m-3.图1. 汤姆逊散射分析系统结构示意图2.1、激光束在等离子体中的束斑大小（束径DLP）激光束经过透镜聚焦，等离子体应该位于透镜的焦点，以达到激光束在等离子体中有最小的束径，最高的功率密度。DLP = f´ q其中f是聚焦透镜的焦距，q是激光束发散角，考虑各种综合因素，实际束径是上述公式的2倍左右。假设使用f=1000mm的聚焦透镜和q=0.5mrad的激光束，DLP大约是1mm。2.2、收集光学系统的光纤的像斑（fP）与等离子体中激光束径DLP的匹配为了有效的收集激光束上的散射光子，光纤的像斑fP应该完全覆盖激光的束径。理想情况是光纤的像斑与DLP尺寸完全相同，并且二者完全重合，这样激光的散射光最大，同时背景非散射光最小。但是考虑到实际的准直的难度，这样的理想条件在有限的资金投入下很难实现。建议fP是DLP的两倍，既能有效的收集散射光子，也能比较容易准直。如果DLP =1mm, fP =2mm是比较合适的。2.3、光纤的芯径、布局和光谱仪以及ICCD的选择汤姆逊散射谱线展宽与温度的关系如下：汤姆逊散射角度 Theta=90度；me是电子质量，c是光速，kB是玻尔兹曼常数，公式右边分母下面：是激光的波长 532nm；分子是谱线展宽，不过是1/e展宽因此汤姆逊散射光谱的半高宽△λ1/e（nm）与等离子体温度Te（ev）的关系可以简化为△λ1/e=1.487×Te1/2Te eV0.10.20.30.4124510△λ1/e nm0.470.530.810.941.492.102.973.324.70表1. 电子温度与汤姆逊散射谱半高宽对应值在光谱仪没有入射狭缝或者入射狭缝宽度超过光纤的芯径的情况下，光纤的芯径实际决定了谱仪的实际分辨率（仪器展宽）：△λof = fof ´ LSPfof是光纤的芯径，LSP是谱仪的倒线色散率。针对于此应用，可以考虑选择两款光谱仪，分别是：1、Zolix 北京卓立汉光仪器有限公司的Omni系列 750mm的谱仪，如果使用1200l/mm的光栅，LSP = 1nm/mm。测量电子温度的原则是仪器展宽应该与最低温度的展宽相当，才能有效的测量到最低温度。2、选用207（670mm焦距）光谱仪，在搭配1200l/mm光栅的情况下，LSP=1.24nm/mm，可以满足要求。同时可以考虑搭配1800l/mm光栅，这样的话可以兼容高电子温度和低电子温度的同时测量，以及同时兼顾高分辨和宽光谱。原则上，使用芯径400mm的光纤，△λof=0.4-0.48nm，完全符合0.1eV的测量要求。但是还是建议谱仪安装入射狭缝，靠狭缝来控制分辨率，不仅确保0.1 eV的测量要求，还能实现更低的温度测量。同时在调试阶段，靠狭缝来控制通光量，以免532nm的激光杂散光太强，对ICCD造成破坏。另一方面ICCD的尺寸决定了光纤的排布数量。光纤数量越多，对汤姆逊散射这种微弱光测量是越有利的。在信号很弱的时候，可以把几道合成一道使用，以增加信噪比，提高信号质量。因此在波长覆盖范围（CCD的横向尺寸）满足要求的情况下，ICCD的纵向尺寸应该尽量大一些，以便容纳更多的光纤。选用iStar 334T探测器，这款CCD的尺寸是13.3 ´ 13.3 mm，对焦距目前的光谱仪无论是Omni-750还是207在搭配1200l/mm光栅的情况下，波长覆盖范围是13nm左右，同时纵向13.3mm，容纳的光纤数量也更多，可以做更多的多道光谱。如果已有更大面阵的CCDsCMOS或高速相机，可以考虑使用Zolix 卓立汉光的IIM系列镜头耦合像增强模组与之配合，达到类似ICCD的功能和效果，同时获得更大的相机选取自由度；IIM 内部可以选择25mm 尺寸的增强器，1：1耦合到CCD, 可以获得更大的成像面，双层增强器也可以获得更高的增益；光纤的布局是一字型密集排布，在13mm的长度内，尽量的密布尽可能多的光纤。同时光纤应该严格排列在一条直线上，整排光纤的偏心距小于20mm。2.4、收集透镜的选择等离子体中心到透镜的距离L和光纤的芯径，及像斑决定了收集透镜的焦距。举例如下：如果像斑要求是fP =2mm，光纤芯径400mm, 则物像比是4，如果L=320mm, 则透镜的焦距就是320/4=80mm。同时如果观测的等离子体范围是50mm，那光纤一字排开的范围就是50mm/4=12.5mm。这个宽度和连接谱仪一侧的光纤束的尺寸很接近了，连接收集透镜一侧光纤也应该是密集排布，这样两端容纳的光纤数量就是匹配的。2.5、瑞利散射的滤除与使用瑞利散射信号通常也可以用来测试重粒子的相关信息比如中性原子。但是相比于瑞利散射法来说，作为弹性散射的汤姆逊散射法更多用于自由电子的测试。和离子与原子相比，由于自由电子的速度更快，质量更轻，因此具备更宽的光谱展宽。比较强的杂散光信号与更强的瑞利散射信号则可以通过例如布儒斯特窗、笼式结构或者黑丝挡板的方式滤除掉。图2 滤除瑞利散射的笼式结构示意光路因此在实际的测试过程中，如何合理地使用这些信号为等离子体诊断服务，则是另一个相关的话题。如图3[1]所示，为实际测试过程中得到的瑞利与汤姆逊散射信号如图4[2]所示，为实际测试过程中得到的滤除瑞利散射后的汤姆逊散射信号图3 包含瑞利散射与汤姆逊散射的实测信号图4 滤除瑞利散射后的汤姆逊信号2.6其他附属部件光电倍增管谱仪第二出射口配宽度可调的狭缝三维调整光学支架，用以调节镜头的方位和方向三、整体解决方案汇总推荐根据用户需求，一般推荐的配置如下：光谱仪：Zolix 北京卓立汉光仪器有限公司的Omni-500I 或750i光谱仪搭配1200l/mm和1800l/mm的全息光栅高光通量光谱仪，搭配120*140mm 或110*110mm 的大尺寸，高分辨率的1200l/mm光栅和1800l/mm光栅探测器：ICCD, 18mm 增强器，13*13mm 探测面；Zolix卓立汉光 公司的IIM-A系列 镜头耦合像增强模组，配合更大面阵的CCD或sCMOS相机， 18mm或25mm 的大面积增强器，灵活的CCD 相机选择； DG645数字延迟脉冲发生器：用于系统触发控制标准A光源，用于系统强度校准其他的配件：包括多道光纤，收集光路，可以后续一并考虑，先购买标准部件参考文献[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.

作为一套现代化、模块化的数据采集分析和成像系统，平面激光诱导荧光(PLIF) 是对燃烧实验进行诊断的独特工具。通过对燃烧自由基、污染物、燃料示踪剂等的测量，该系统可以对诸如燃料注入、点火现象和火焰锋面等现象进行研究，从而加深对燃烧过程的理解。PLIF 中的LIF- 激光诱导荧光(LIF) 技术LIF 技术的工作原理为：调谐激光波长，使激光的光子输出频率和燃烧场内待探测离子的某一对上下能级间的跃迁频率相同，形成共振吸收，将下能态粒子泵浦到上能态，当相应的上能态粒子向下跃迁时，会产生荧光信号，然后通过分析荧光信号的强度或光谱形态，获得燃烧场内探测分子浓度、分布及温度等燃烧参量信息。激光诱导荧光LIF 技术对燃烧诊断的优点调谐激光实现待测分析或离子的共振吸收，选择性激发荧光，选择性探测荧光，极大的提升探测灵敏度与信噪比。可通过后数据分析获得被探测分子浓度，分布场和温度等丰富的燃烧参量信息。该系统具有如下特点1、激光辅助光学诊断，是光学非侵入式燃烧组分分析与成像的手段， 配套标准化光学测试系统，可用于航空航天、先进能源等燃烧过程检测2、集成一体式可调谐染料激光系统，稳定，易操作，易维护3、宽动态范围的高灵敏度的影像强化ICCD 实现纳秒级别的影像或光谱采集4、PLIF 系统具有亚纳秒级的同步时间精度5、具有系统搭建、数据采集、数据分析、结果可视化的完整软件平台6、系统具备燃烧自由基LIF 和燃料示踪剂LIF 的专用分析软件7、可实现单组份及多组份测试需求8、可根据用户实际需求， 提供个性化光学实验方案9、可扩展离子图像测速技术（PIV）平面激光诱导荧光（PLIF）PLIF: (Planar Laser Induced Fluorescence) 即所谓的“平面激光诱导荧光”，平面激光诱导荧光实验系统为二维测量系统。如下图所示：实验中通过柱面透镜，将激光光束厚度进行整形，形成激光片（laser sheet）, 激光片穿过火焰与火焰相交，形成一个二维截面，通过光学成像的办法，测量火焰中探测粒子的二维荧光图像，从而求出探测粒子在火焰中的浓度分布及温度场的分布等信息。小结：平面激光诱导荧光PLIF 是在LIF 基础上，将激光整形成片状光，切入到燃烧场内，从而激发并探测二维的燃烧场信息。 本公司代理ICCD 拍摄的PLIF 图像OH LIF, CO LIF, reaction rate (RR), temperature (T),and mixturefraction (f)平面激光诱导荧光（PLIF）系统架构&bull 染料激光系统：可以根据测试对象的不同，调谐输出不同的输出波长与能量；&bull 激光整形与传输光路：用于把激光变成可以用于PLIF 系统的片状光；&bull 探测系统：根据要求采用合适的ICCD，进行适当的延迟后得到特定时刻的荧光信息；同时还可以加上光谱仪等设备，进行光谱分析，以便得到更丰富的信息；&bull 时序控制装置：对整个实验的时序进行控制；&bull 附属设备：附属设备主要包括用于搭建光路所必须采用的光学平台，光具座，调整架以及反射镜，激光功率能量计等光学配件；&bull 数据采集与分析软件：可以对温度以及浓度场进行分析研究。PLIF图像处理框图配套推荐设备分项参数可调谐染料激光器及片光源整形传输光路&bull 激发波长：220-780nm 连续可调，可以根据要求延展到200-4500nm&bull 线宽： 0.06cm-1&bull 单脉冲能量：110mJ@560nm&bull 柱面镜焦距：50mm&bull 球形聚焦透镜：焦距500mm&bull 片光厚度：0.1-0.3mm&bull 重复频率：10Hz常用激发波长对应测试自由基及本设备对应激光能量时间延迟同步装置&bull 时间延时范围：0-2000s&bull 时间延迟精度5ps&bull 延迟同步通道：4 通道，可根据要求延展到8 通道超快探测器本公司提供多种纳秒超快探测器ICCDiStar 系列ICCD 采用高品质二代或三代像增强器，采用光纤锥高效耦合科学级CCD。 iStar 系列影像ICCD 是目前高端科研市场上应用*为广泛的带有时间闸门的增强型CCD。真实光学门宽小于2ns，该系列产品主要用于燃烧过程、生物发光机制、化学反应过程等研究领域，利用其信号增强功能和时间闸门控制特点，实现极弱信号采集、纳秒时间分辨影像捕捉等实验功能。主要特点&bull 18mm 或25mm 像增强器可选&bull 提供P43 和P46 两种类型的荧光屏&bull *短时间闸门宽度: 2ns( 真正光学闸门宽度)&bull 光阴极重复频率高达500KHz&bull 半导体制冷温度-40℃&bull 内置多通道数字延时发生器，可轻松同步多台设备&bull 内置数字延迟发生器&bull 10ps 的延迟分辨率&bull *低的传输延迟:19ns&bull In telligateTM 微通道板与光阴极实现同步门控，在深紫外段也保持1:108的开关比&bull USB2.0 计算机接口技术参数指标:附件选项:C 接口适配器、F 接口适配器、水冷机IntelligateTM: 优化 的 UV-VUV 区域门控技术( 标准配置)iStarCMOS 相机，更高帧率！ANDOR 的*新的iStar sCMOS 系列像高灵敏度瞬态探测器可提供要求高分辨率，高帧频以及纳秒时间分辨测试的解决方案。2560×2160 分辨率的探测器广泛应用于时间分辨实验的应用领域，例如等离子体分析。做PLIF 实验测试时，可满足快速瞬态现象采集实验，提供多兆赫兹读出速度，USB3.0 接口，以及配置一台完全集成的、软件控制的数字延时脉冲发生器。该系列探测器可应用于各种复杂的试验中，可通过软件对时间和增益进行控制，二代及三代像增强器可配合各种入射窗口光阴极材料。&bull USB3.0 接口: 即插即用&bull 550 万像素高分辨率sCMOS&bull 50 帧每秒全幅帧频，203 帧@512*512 ROI&bull 内置脉冲延时发生器: 功能软件可控&bull 光学快门: 小于2ns 的真实光学门宽&bull *低的插入延时: *低19ns&bull 独特PIV 模式: 两幅连拍*小间隔200ns&bull IntelligateTM 微通道板与光阴极实现同步门控: 紫外关断比优于10-8:1&bull 光阴极开关速率高达500kHz: 高速激光实验中，增加信噪比&bull 独特的Crop 模式: 专门的采集模式，实现*快的图像采集速度&bull GII 及GIII 像增强器可选&bull 热电制冷*低0℃ C: 理想的低光应用领域&bull 实时控制: 用户界面实时采集优化&bull 光阴极干燥气体吹扫端口: 减小EBI，适用于微光测试领域技术参数指标:附件选项:C 接口适配器、F 接口适配器、水冷机行业**的影像采集速度超快多通道模式读出速度通道数( 中心垂直 )通道高度(h 像素数 )通道间隔(d 像素数 )*快帧速fps212121,967220201,37021547726520121222220202013550121289502020542568052

前言作为物质存在的第四种状态的等离子体通常由电子、离子和处于基态以及各种激发态的原子、分子等中性粒子组成。等离子体中带电离子间库伦相互作用的长程特性，是带电粒子组分的运动状态对等离子体特性的影响起决定性作用，其中的电子是等离子体与电磁波作用过程中最重要的能量与动量传递粒子，因此，等离子体中最重要的基本物理参数是电子密度及其分布以及描述电子能量分布的函数以及相应的电子温度。而对于中高气压环境下产生的非热低温等离子体来说，等离子体中的主要组分是处于各种激发态的中性粒子，此时除了带电粒子外，中性粒子的分布和所处状态对等离子体电离过程和稳定性控制也起着非常重要的作用，尤其是各种长寿命亚稳态离子的激发。为了可以充分描述等离子体的状态，在实验上不仅要对带电粒子的分布和运动状态进行诊断，如电子温度、电子密度、电离温度等参数，还需要对等离子体中的中性粒子进行必要的实验测量，来获得有关物种的产生、能量分布以及各个激发态布居数分布等信息，如气体温度、转动温度、振动温度、激发温度等参数。基于这种要求，结合相关学科的各种技术形成了一个专门针对等离子体开展诊断研究的技术门类，如对等离子体中电子组分的诊断技术有朗缪尔探针法（Langmuir Probe），干涉度量法(Interferometer)，全息法(Holographic Method)，汤姆逊散射法(Thomason Scattering, TS)，发射光谱法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等，对离子组分的光谱诊断技术有光腔衰减震荡(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和发射光谱法(OES)，而对中性粒子的光谱诊断技术包括了吸收光谱法(Absorption Spectroscopy, AS)，发射光谱法(OES)，单光子或者双光子激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等。二、激光诱导荧光（LIF or TALIF）LIF在等离子体上的应用诊断开始于1975年左右，首先是由R.Stern和J.Johnson提出的利用LIF装置可以测量中性基团和离子的相对速度、速度分布函数等。90年代后，LIF被陆续应用到了ECR、ICR、磁控管、螺旋波HELIX、ICP以及微波驱动CVD等等离子体源中。2.1、 等离子体 LIF诊断的基本模型处于基态或亚稳态的粒子吸收具有一定能量的光子后被激发，再从激发态衰变为自旋多重度相同的基态或低能态时，就会发出荧光辐射。而荧光光强与粒子数成正比，因此，通过测量荧光光强，可以确定处于基态或亚稳态的粒子密度。由于这种荧光发射的时间长度低于微妙量级，必须采用脉冲宽度在纳秒量级的激光来激发荧光，这种诊断方法因此被称作激光诱导荧光（LIF）。 图1. LIF基本原理图图１[1]为LIF的基本原理图，在一个三能级系统中：离子处于亚稳态时，当照射激光能量等于跃迁激发的能量，离子被泵浦到激发态。由于激发态不稳定，离子又会迅速退激到基态并辐射出荧光。在激发态上停留时间很短暂（一般只有几纳秒宽度）。由于离子不是静止的，根据多普勒效应可知，在激光传输方向上存在一个速度选择，只有在激光传输方向上满足一定速度的离子才能被特定频率的激光诱导激发：窄带激光束（ωlaser，κlaser）入射，在入射方向上，只有离子速度 和激光频率满足关系式 时，才能通过相应的激光激发被泵浦到激发态。对入射激光频率进行扫描变换，测量相应的荧光光强变化，就能得到亚稳态离子速度分布函数在入射激光方向上的投影。如果假定亚稳态离子温度和主体基态离子温度一致，离子速度分布函数等动力学参数即可获得。2.2、 典型LIF实验架构与世界上的LIF架构参考如图2所示，为典型的等离子体装置LIF诊断实验架构图。图2 典型的等离子体LIF诊断架构图因为基团和粒子的激发波长不同，因此我们选择了波长可调谐的纳秒脉宽染料激光器，通过添加不同的染料，输出不同的波长对被测试的粒子和基团进行激发，从而得到激光诱导的荧光衰减与光谱信号，这些信号经由相关的搜集光路被捕获到光谱仪与ICCD探测器组成的光谱探测系统中，从而得到光谱、强度与时间尺度的三维荧光光谱，让研究人员进行相关的分析。图中所用的DG535/645作为整个实验系统的时序控制装置。图3到图4为世界上比较典型的不同等离子体装置的LIF诊断情况。图3. University of Greifswald LIF诊断系统（H原子）图4. IHP LIF诊断系统2.3、典型的LIF波长选择举例对Ar等离子体和He等离子体放电，常用的激光器波长可调谐范围不需要太宽要测H（氢）等离子体，激光波长需要205nm测CF等离子体 需要261nm同时测 Ar等离子体的LIF，因为观测另一条谱线，所用的激光波长又是611nm的所以LIF的波长范围应该根据要观测的等离子体放电的气体种类及观测那条谱线来决定2.4、硬件配置推荐 根据用户需求，一般推荐的配置如下：1、染料可调激光器：可选配置从200-4500nm 宽范围调谐2、 光谱仪：Ø Zolix 北京卓立汉光仪器有限公司的Omni-500I 或750I光谱仪搭配1200l/mm和1800l/mm的全息光栅Ø 207或者205高光通量光谱仪，搭配110*110mm 的大尺寸1200l/mm光栅和1800l/mm光栅2、 探测器： ICCD, 18mm 增强器，13*13mm 探测面；DG645：用于系统触发控制的时序单元其他光学平台及光路设计等光电倍增管PMT/锁相放大器/ Boxcar 模块 等请咨询卓立汉光销售人员！参考文献[1] 赵岩, 柏洋, 金成刚, 等．激光诱导荧光在低温等离子体诊断中的应用[J]. 激光与红外, 2012, 4(42): 365-371.