多光栅真空紫外光谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多光栅真空紫外光谱仪。所述多光栅真空紫外光谱仪包括：真空件，真空件内具有真空腔，真空腔的壁上设有入口狭缝；凹面光栅阵列，凹面光栅阵列设在真空腔内，凹面光栅阵列包括多个沿第一方向排列的凹面光栅，第一方向垂直于真空紫外光的入射面，其中多个凹面光栅的偏转角度彼此不同；用于将不同波长范围的真空紫外光转化为不同波长范围的可见光的荧光板，荧光板、入口狭缝和凹面光栅阵列位于同一个罗兰圆上；透镜成像系统，透镜成像系统与荧光板相对；和采集装置，采集装置与透镜成像系统相对。根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪可以同时采集宽范围的真空紫外光谱。
【专利说明】多光栅真空紫外光谱仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多光栅真空紫外光谱仪。
【背景技术】
[0002] 低温等离子体在工业生产中有广泛应用，涉及的工业领域包括半导体行业、材料 处理、能源利用与开放、航空、医药行业等等。为了优化等离子体在实际生产中的应用，需要 了解等离子体的某些特征参数（如电子密度，电子温度）与等离子体放电条件（如放电类 型，气压，功率）之间的关系。因此，同时在理论与实验上理解等离子体的放电状态与关键 参数对于指导等离子体应用于实际生产是非常必要的。对于诊断等离子体的关键参数，目 前使用的方法有电学探针诊断，激光诊断和发射光谱诊断。
[0003] 其中，发射光谱诊断是唯一一种对于等离子体状态干扰最小并且操作简便的诊断 方法，因此被广泛应用于等离子体的参数诊断。发射光谱诊断方法的主要原理是通过采集 活性粒子发出的光而获得活性粒子的密度。等离子体中原子的第一激发态往往具有较高 的能量与密度，而其中能够发射光谱的能级所对应的光谱波长范围往往是真空紫外波段 (10-200nm)，如稀有气体原子的共振态粒子。为了对该种活性粒子进行诊断，对其所发出的 真空紫外光谱的研究是非常重要的。另一个方面，此类真空紫外光在空气中衰减得非常严 重，因此只有利用具有高真空腔室的真空紫外光谱仪才能进行测量。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的 一个目的在于提出一种多光栅真空紫外光谱仪。
[0005] 根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪包括：真空件，所述真空件内具有真 空腔，所述真空腔的壁上设有入口狭缝；凹面光栅阵列，所述凹面光栅阵列设在所述真空腔 内，所述凹面光栅阵列包括多个沿第一方向排列的凹面光栅，所述第一方向垂直于真空紫 外光的入射面，其中多个所述凹面光栅的偏转角度彼此不同，用于对不同波长范围的真空 紫外光进行分光；用于将不同波长范围的真空紫外光转化为不同波长范围的可见光的荧光 板，所述荧光板、所述入口狭缝和所述凹面光栅阵列位于同一个罗兰圆上；透镜成像系统， 所述透镜成像系统与所述荧光板相对，用于对所述可见光进行成像；和采集装置，所述采集 装置与所述透镜成像系统相对，用于采集成像后的所述可见光。
[0006] 根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪通过设置多个沿第一方向排列的凹 面光栅且多个所述凹面光栅的偏转角度彼此不同，从而在获得真空紫外光谱的过程中，无 需转动所述凹面光栅阵列。
[0007] 也就是说，根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪能够在不转动所述凹面光 栅阵列的前提下，实现同时对较宽波长范围内的真空紫外光进行检测。特别对于非稳定光 源，现有的真空紫外光谱能够采集的波长范围非常窄，而利用根据本发明实施例的多光栅 真空紫外光谱仪能够实现实时测量宽范围的真空紫外光谱。
[0008] 因此，根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪可以同时采集宽范围的真空紫 外光谱，即根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪能够在同一时刻对较宽的真空紫外 光谱范围进行测量。
[0009] 另外，根据本发明上述实施例的多光栅真空紫外光谱仪还可以具有如下附加的技 术特征：
[0010] 根据本发明的一个实施例，所述真空腔的壁上设有用于与真空发生器相连的开 口。由此可以使所述真空腔始终保持较高的真空度。
[0011] 根据本发明的一个实施例，所述入口狭缝的宽度在〇. 1毫米至1毫米的范围内。由 此可以使真空紫外光更加容易地进入到所述真空腔内。
[0012] 根据本发明的一个实施例，多个所述凹面光栅的偏转角度沿所述第一方向增大或 减小。
[0013] 根据本发明的一个实施例，所述荧光板包括：本体；和荧光层，所述荧光层设在所 述本体的与所述凹面光栅阵列相对的表面上，其中所述荧光层、所述入口狭缝和所述凹面 光栅阵列位于同一个罗兰圆上。由此可以使所述荧光板的结构更加合理。
[0014] 根据本发明的一个实施例，所述透镜成像系统包括透镜，所述透镜与多个所述凹 面光栅相对，所述透镜用于对不同波长范围的可见光进行成像。
[0015] 根据本发明的一个实施例，所述采集装置为二维面阵相机。由此可以更好地采集 成像后的可见光。
[0016] 根据本发明的一个实施例，所述采集装置为二维面阵(XD相机。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪的结构示意图；
[0018] 图2是根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪的凹面光栅阵列的结构示意 图；
[0019] 图3是根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪的二维面阵相机的结构示意 图。
【具体实施方式】
[0020] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0021] 下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪10。如图 1-图3所示，根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪10包括真空件101、凹面光栅阵 列102、荧光板103、透镜成像系统104和采集装置105。
[0022] 真空件101内具有真空腔1011，真空腔1011的壁上设有入口狭缝1012。真空紫外 光20通过入口狭缝1012进入到真空腔1011内。凹面光栅阵列102设在真空腔1011内， 凹面光栅阵列102包括多个沿第一方向排列的凹面光栅1021，所述第一方向垂直于真空紫 外光20的入射面。其中，多个凹面光栅1021的偏转角度彼此不同，多个凹面光栅1021用 于对不同波长范围的真空紫外光20进行分光。荧光板103、入口狭缝1012和凹面光栅阵 列102位于同一个罗兰圆C上，荧光板103用于将不同波长范围的真空紫外光转化为不同 波长范围的可见光。透镜成像系统104与荧光板103相对，透镜成像系统104用于对不同 波长范围的可见光进行成像。采集装置105与透镜成像系统104相对，采集装置105用于 采集成像后的可见光。
[0023] 真空紫外光在传播及反射过程中都有较大的损失，为了提高信噪比，往往需要较 长的积分时间。另一方面，在保证一定的光谱分辨率的前提下，真空紫外光谱仪在某一个时 刻只能采集到比较有限的一段光谱范围。当需要采集一段较长范围的真空紫外光谱时，现 有的真空紫外光谱仪是通过转动衍射光栅对光谱进行分段采集，而不能同时采集这个波长 范围内的光谱。但是对于不稳定的等离子体，现有的真空紫外光谱仪无法获得瞬时的宽波 长范围的真空紫外光谱。
[0024] 下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪10的工作过 程。
[0025] 处于真空状态的放电腔体可以通过入口狭缝1012密封地与真空腔1011相连。真 空紫外光20由入口狭缝1012进入到真空腔1011内。通过凹面光栅阵列102的位于不同 纵向位置且具有不同偏转角度的多个凹面光栅1021对真空紫外光20进行分光，分光后的 真空紫外光投射到荧光板103的不同纵向位置。
[0026] 凹面光栅阵列102的多个具有不同偏转角度的凹面光栅1021可以使投射在荧光 板103上不同纵向位置的真空紫外光的波长范围不同。换言之，投射到荧光板103的不同 纵向位置上的真空紫外光都在一定的波长范围内，即投射到荧光板103的不同纵向位置上 的真空紫外光都具有一定的波长范围（光线30与光线40之间）。这些不同的波长范围首 尾连接在一块，形成了一个较宽的总波长范围。也就是说，这些光谱的波长范围首尾相接， 连接成较宽的光谱范围。其中，该纵向可以是该第一方向，该第一方向可以垂直于图1的纸 面方向。
[0027] 通过突光板103上的突光物质，从突光板103的另一面将发射出相应的可见光。突 光板103发出的可见光经过透镜成像系统104将在采集装置105上形成清晰的像。然后通 过相应的数据处理，可以将采集装置105采集到的光信号转化成由所有纵向方向波长范围 所组成的一个较宽范围内的真空紫外光谱。而该真空紫外光谱的实际范围是单个凹面光栅 1021 (衍射光栅）所形成的波长范围乘以凹面光栅1021的数量。
[0028] 由于多个凹面光栅1021沿第一方向排列且多个凹面光栅1021的偏转角度彼此不 同（每个凹面光栅1021的偏转角度是相对固定的），因此在获得该真空紫外光谱的过程中， 凹面光栅阵列102无需转动。也就是说，即便不转动凹面光栅阵列102,也能够实现波长范 围覆盖整个真空紫外光谱范围，即实现同时对宽波长范围的真空紫外光的测量。
[0029] 根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪10通过设置多个沿第一方向排列的 凹面光栅1021且多个凹面光栅1021的偏转角度彼此不同，从而在获得真空紫外光谱的过 程中，无需转动凹面光栅阵列102。
[0030] 也就是说，根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪10能够在不转动凹面光 栅阵列102的前提下，实现同时对较宽波长范围内的真空紫外光进行检测。特别对于非稳 定光源，现有的真空紫外光谱能够采集的波长范围非常窄，而利用根据本发明实施例的多 光栅真空紫外光谱仪10能够实现实时测量宽范围的真空紫外光谱。
[0031] 因此，根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪10可以同时采集宽范围的真 空紫外光谱，即根据本发明实施例的多光栅真空紫外光谱仪10能够在同一时刻对较宽的 真空紫外光谱范围进行测量。
[0032] 如图1所示，在本发明的一些实施例中，真空腔1011的壁上设有用于与真空发生 器相连的开口 1013。也就是说，真空发生器可以通过开口 1013对真空腔1011抽真空。由 此可以使真空腔1011始终保持较高的真空度。
[0033] 入口狭缝1012的宽度在0. 1毫米至1毫米的范围内。由此可以使真空紫外光20 更加容易地进入到真空腔1011内。
[0034] 采集装置105可以是二维面阵相机。由此可以更好地采集成像后的可见光。具体 地，采集装置105可以是二维面阵C⑶相机。也就是说，采集装置105可以包括多个C⑶相 机 1051。
[0035] 在本发明的一个实施例中，突光板103包括本体和突光层，突光层设在本体的与 凹面光栅阵列102相对的表面上。其中，荧光层、入口狭缝1012和凹面光栅阵列102位于 同一个罗兰圆C上。由此可以使荧光板103的结构更加合理。
[0036] 具体而言，本体可以是透明的，即本体可以由透明材料制成。真空腔1011上可以 设有缺口，本体可以设在真空件101上且本体可以覆盖该缺口。其中，本体可以密封地设在 真空腔1011的壁上或真空件101的外表面上。
[0037] 多个凹面光栅1021的偏转角度可以沿第一方向增大或减小。透镜成像系统104 包括透镜，透镜与多个凹面光栅1021相对，透镜用于对不同波长范围的可见光进行成像。
[0038] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、 "厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底" "内"、"外"、"顺时 针"、"逆时针"、"轴向"、"径向"、"周向"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或 位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必 须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0039] 此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或 者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是至少两个，例如两个， 三个等，除非另有明确具体的限定。
[0040] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"、"固定"等 术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连 接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内 部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员 而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0041] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征"上"或"下"可以 是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在 第二特征"之上"、"上方"和"上面"可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"可以是 第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0042] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任 一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技 术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结 合和组合。
[0043] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例 性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述 实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1. 一种多光栅真空紫外光谱仪，其特征在于，包括： 真空件，所述真空件内具有真空腔，所述真空腔的壁上设有入口狭缝； 凹面光栅阵列，所述凹面光栅阵列设在所述真空腔内，所述凹面光栅阵列包括多个沿 第一方向排列的凹面光栅，所述第一方向垂直于真空紫外光的入射面，其中多个所述凹面 光栅的偏转角度彼此不同，用于对不同波长范围的真空紫外光进行分光； 用于将不同波长范围的真空紫外光转化为不同波长范围的可见光的荧光板，所述荧光 板、所述入口狭缝和所述凹面光栅阵列位于同一个罗兰圆上； 透镜成像系统，所述透镜成像系统与所述荧光板相对，用于对所述可见光进行成像；和 采集装置，所述采集装置与所述透镜成像系统相对，用于采集成像后的所述可见光。
2. 根据权利要求1所述的多光栅真空紫外光谱仪，其特征在于，所述真空腔的壁上设 有用于与真空发生器相连的开口。
3. 根据权利要求1所述的多光栅真空紫外光谱仪，其特征在于，所述入口狭缝的宽度 在0. 1毫米至1毫米的范围内。
4. 根据权利要求1所述的多光栅真空紫外光谱仪，其特征在于，多个所述凹面光栅的 偏转角度沿所述第一方向增大或减小。
5. 根据权利要求1所述的多光栅真空紫外光谱仪，其特征在于，所述荧光板包括： 本体；和 荧光层，所述荧光层设在所述本体的与所述凹面光栅阵列相对的表面上，其中所述荧 光层、所述入口狭缝和所述凹面光栅阵列位于同一个罗兰圆上。
6. 根据权利要求1-5中任一项所述的多光栅真空紫外光谱仪，其特征在于，所述透镜 成像系统包括透镜，所述透镜与多个所述凹面光栅相对，所述透镜用于对不同波长范围的 可见光进行成像。
7. 根据权利要求1-6中任一项所述的多光栅真空紫外光谱仪，其特征在于，所述采集 装置为二维面阵相机。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的多光栅真空紫外光谱仪，其特征在于，所述采集 装置为二维面阵(XD相机。
【文档编号】G01J3/28GK104121989SQ201410345840
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】程治文, 蒲以康, 陈良尧, 谭熠 申请人:清华大学