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摘 要 等離子體是繼氣體、液體、固體后的第四種物質的聚集態。等離子體物理學是一門蓬勃發展的新興科學，其應用領域包括受控熱核聚變、空間科學、環境科學、微電子與信息產業、材料合成與處理、國防和高技術應用諸方面。目前，測量等離子體特征譜線最簡單的方法就是使用荷蘭Avantes 公司的微小型、高分辨率、多通道光纖光譜儀。

1.引 言

隨著溫度的升高，一般物質依次表現為固體、液體和氣體，它們統稱物質的三態。當氣體溫度進一步升高時，其中許多，甚至全部分子或原子將由于激烈的相互碰撞而離解為電子和正離子。這時物質將進入一種新的狀態，即主要由電子和正離子（或是帶正電的核）組成的狀態。這種狀態的物質叫等離子體，它可以稱為物質的第四態。

目前，直接測量等離子體的儀器分為兩大類：一大類是測量等離子體的密度和溫度，方法又分兩種：一種是根據落到傳感器上的帶電粒子產生的電流來推算，如法拉第筒、減速勢分析器和離子捕集器，另一種是探針，通過在探針上加不同電壓引起的電源變化推算；另一大類是測量等離子體的特征譜線（光譜法），使用光纖探測等離子體信號，通過光譜儀進行數據采集和分析，如荷蘭Avantes 公司的微小型、高分辨率、多通道光纖光譜儀。下面主要介紹光譜法測量等離子體。

2.實驗部分

2.1 儀器原理

荷蘭Avantes 公司的AvaSpec-2048FT快觸發型光譜儀，采用對稱式光路設計，入射焦距和色散焦距都是75mm；包括光纖接頭（標準SMA 接口，也可以選擇其它類型的接口）、準直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和Sony ILX554B型2048 像素線陣CCD 探測器，波長范圍200-1100nm，最高分辨率0.04nm，接口方面提供USB1.1 或USB2.0接口、RS-232 接口和I/O 數字/模擬接口。

圖1 光學平臺

圖2 AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀

2.2 功能及特點

2.2.1 外觸發功能

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀能夠在接受外觸發信號之后僅延遲1.3 ,s 就開始采樣；該光譜儀還可以發出一個TTL 信號來觸發脈沖激光器，而且在AvaSoft 軟件中可以設置采樣開始時間與該激光脈沖之間的延遲（-42ns 至2.7 ms，步長42 ns），-42 ns 的負延遲采樣時間的特性對測量脈沖激光器非常有用。

AvaSpec-2048FT 的這些特點使其適用于需要快速響應和需要與外觸發信號精確同步的應用領域（它的時間抖動只有± 21 ns），例如傳送帶上的產品檢測等。而輸出TTL 信號的特性則可使其用于激光誘導擊穿光譜（LIBS）測量或熒光測量，這些應用都要求激光脈沖發射一段時間之后開始采樣。

圖3 外觸發時序圖

2.2.2 歷史通道功能

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀可以同時監測最多8 個輸出參數隨時間的變化，如用戶定義的函數、積分、峰值（波長，相對強度）等。函數可以用Visual-Basic 代碼編寫。時序測量的結果可以被存儲、載入或者打印。縮放和全景顯示功能可以把時序測量結果中感興趣的部分快速放大至全圖顯示。

2.2.3 獨立測量功能

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀可以配置成進行獨立測量工作，而不必使用計算機。

USB2 平臺的AvaSpec-2048 光譜儀添加了藍牙（-BT）通信以及在板卡上存儲光譜的SDRAM 卡選項，能夠實現遠距離測量和傳輸（大于300 米）以及長時間光譜數據存儲。

2.2.4 寬光譜范圍內的高分辨率

對于等離子體測量和LIBS 測量，一般都要求光譜儀在較寬的光譜范圍內，具有較高的分辨率。

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀的最高分辨率可達0.04nm，而多通道光譜儀可以滿足在200-900nm 光譜范圍內，分辨率優于0.1nm，同時使用光纖束進行探測（一端為一個光纖接頭，用于探測信號;另一端為多個接頭，連接各個通道），操作既簡單，又可以保證探測位于同一位置的信號。

2.2.5 對稱式光路設計

對稱式光路的入射焦距和色散焦距比是嚴格的1:1 關系，在CCD 上成的是完美的直線象，并且由于不存在光路交叉，使得雜散光的影響被降低到最小。

2.2.6 多通道間數據同步采樣

AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀可以配置成雙通道或多通道（USB1.1 平臺最多8 個，USB2.0 平臺最多128），采用主從電路板控制，各通道間實現真正意義上的同步數據采集。每個通道均包括一個獨立的光學平臺。

圖4 AvaSpec-2048FT-8-RM 八通道光譜儀

2.2.7 溫度穩定性好，熱漂移小

AvaSpec-2048 光譜儀的光學元件和底板間采用無應力裝配，出廠前經過特殊工序處理，因此環境溫度對光譜儀影響極小，環境溫度每變化1℃僅漂移0.1 個像元；優秀的溫度穩定性確保了長時間測量的精確性和可重復性。

2.3 測量方法

實際上，使用AvaSpec-2048FT 光譜儀測量等離子體的特征譜線的方法很簡單，如圖5 所示。第一步：安裝AvaSoft-Full 全功能軟件；第二步：將光纖、光譜儀和計算機之間連接好，光纖一端固定并對準被測等離子體，然后運行軟件；第三步：軟件會將采集到的數據繪成光譜圖。

由于光譜儀測量到的光譜強度是相對值（電子記數值，單位Counts），如果要進行絕對強度測量，可以選擇在荷蘭Avantes 公司的定標實驗室里對光譜儀進行絕對輻射定標，波長范圍200-1100nm。為了使整個測量裝置更加靈活，還可以購買一臺輻射定標光源，在現場進行標定。

圖5 等離子體特征譜線測量實驗布局圖

2.4 測試數據及裝置

上面是AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀測量某種等離子體的光譜圖數據。

圖6 是AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀測量惰性氣體在放電過程中等離子體的實際裝置。

3．典型應用及用戶

在國內，AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀用于等離子體測量的單位和應用如下：

1． 中科院等離子體物理研究所， 基于托卡馬克（TOKAMAK）的研究；
2． 清華大學 工程物理系，基于低溫等離子體物理和材料生長方面的研究；
3． 北京大學 化學與分子工程學院，基于納米材料的低溫等離子體合成的研究；
4． 復旦大學 現代物理研究所，氣體放電過程等離子體光譜測量；
5． 哈爾濱工業大學 等離子體推進實驗室，基于外太空環境下等離子體推進測量技術的研究；
6． 西北核技術研究所，氣體高壓放電過程等離子體研究；
7． 大連理工大學 等離子體物理化學實驗室，等離子體-催化及等離子體化學法制備納米催化劑的研究；
8． 解放軍電子工程學院，固體燃燒等離子體及等離子體隱身技術的研究；
9． 蘇州大學 物理學院，基于等離子體沉積的研究；
10． 中北大學 材料學院，基于電弧等離子體的研究；
11．北京服裝學院，基于低溫等離子體改性技術的研究；
12．北京印刷學院 等離子體物理與材料研究室，基于等離子體沉積的研究；
13．北京大學、核工業北京地質研究院、北方交通大學、華南理工大學、中國地質大學、山西大學、浙江師范大學等，基于激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術的研究；

4．結 論

使用AvaSpec-2048FT 快觸發型光譜儀進行等離子體測量，具有性價比高、靈敏度高、測量精度高、測量速度快、操作簡單等特點，而且體積小巧，方便集成到系統中進行在線測量。