微小型高分辨率光纤光谱仪在等离子体领域的应用

　　1 引 言

　　随着温度的升高, 一般物质依次表现为固体、液体和气体。它们统称物质的三态。当气体温度进一步升高时, 其中许多, 甚至全部分子或原子将由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子。这时物质将进入一种新的状态, 即主要由电子和正离子(或是带正电的核) 组成的状态。这种状态的物质被称为等离子体, 它可以称为物质的第 4 态。

         目前, 直接测量等离子体的仪器分为两大类:一大类是测量等离子体的密度和温度, 方法分为两种: 一种是根据落到传感器上的带电粒子产生的电流来推算, 如法拉第筒、减速势分析器和离子捕集器, 另一种是探针, 通过在探针上施加不同电压引起的电源变化推算; 另一大类是测量等离子体的特征谱线 (光谱法), 使用光纤探测等离子体信号, 通过光谱仪进行数据采集和分析, 如荷兰 Avantes 公司的微小型高分辨率多通道光纤光谱仪。下面主要介绍用光谱法测量等离子体。

　　2 实验部分

　　2.1 仪器原理

　　荷兰 Avantes 公司的 AvaSpec- 2048FT 光纤光谱仪采用对称式光路设计, 焦距 75 mm, 包括光纤接头 (标准 SMA 接口, 也可以选择其他类型的接口) 、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和 Sony ILX554 型 2048像素线阵 CCD 探测器, 测量波长范围 200~ 1 100nm, 最高分辨率 0.04 nm, 接口方面提供 USB1.1 或USB2.0 接口、RS- 232 接口和 I/O 外触发接口。

　　2.2 性能介绍

　　2.2.1 外触发功能

　　AvaSpec- 2048FT 型光谱仪能够在接受外触发信号后延迟 1.3 !s 开始采样。此外, 该光谱仪还可以发出一个 TTL 电平信号来触发脉冲光源, 如激光器或脉冲氙灯, 而且在 AvaSoft- Full 软件中可以设置- 42 ns~2.7 ms 的延迟采样时间。

　　AvaSpec- 2048FT 的这些特点使其适用于需要快速响应和需要与外触发信号精确同步的应用领域( 它的时间抖动只有±21 ns) , 例如传送带上的产品检测等。而输出 TTL 信号的特性则可使其用于激光诱导击穿光谱 (LIBS) 测量或荧光测量, 这两种应用都是在激光器脉冲结束一段时间后才开始测量。

　　2.2.2 多通道间同步采样

　　AvaSpec- 2048FT 光谱仪可以配置成双通道或多通道 (USB1.1 平台最多 8 个通道, USB2.0 平台最多128 通道)。整台光谱仪采用主从电路板控制, 各通道间可实现真正意义上的同步数据采集。每个通道均包括一个独立的光学平台。

　　2.2.3 温度稳定性好, 热漂移小

AvaSpec- 2048FT 光谱仪的光学元件和底版间采用无应力装配, 出厂前经过特殊工序处理, 因此环境温度对光谱仪影响极小, 环境温度每变化 1 ℃仅漂移 0.1 个像元。优秀的温度稳定性确保了其长时间测量的精确性和可重复性。