一种基于激光诱导光谱击穿技术检测真空装置真空度的系统及方法与流程

本发明真空检测技术领域，具体涉及一种基于激光诱导光谱击穿技术检测真空装置真空度的系统及方法。

背景技术：

在生产及实验中，某些特殊事件需要在真空环境中实现。如电力系统中普遍使用的高压电器—真空断路器。为了提高开关的耐压，增强开关的开断能力，往往选择真空作为其灭弧室环境。又如Z箍缩实验中，为了实现金属丝阵的内爆并箍缩，其真空度一般要求低于10^-5Pa。为了达到真空环境，一般通过机械泵和分子泵联合使用抽出多余的空气。但用于判断并评价真空腔室真空度则需要专门的真空计实现。

常用的真空计包括直接测量真空计2种：1、利用U型管两端液面差来测量压力的静态液位真空计；2、利用与真空相连的容器表面上受到压力的作用而产生弹性变形来测量压力值的弹性元件真空计。间接测量真空计8种：1、利用体积和压力关系测量真空度的压缩式真空计；2、利用低压下气体热传导与压力有关这一原理制成的热传导真空计；3、利用低压下气体热辐射与压力有关的原理制成的热辐射真空计；4、利用低压下气体分子被荷能粒子碰撞电离，产生的离子流随压力变化的原理制成的电离真空计；5、利用气体放电情况和放电颜色与压力有关制成的放电管指示器；6、利用低压下气体与容器壁的动量交换即外摩擦原理制成的粘滞真空计；7、利用吸附和解吸时间与压力之间存在关系制成的场致显微仪；8、利用质谱技术进行混合气体分压力测量的分压力真空计。以上真空计均需要与被测真空腔室接触，在某些特殊环境中(如核辐射)并不适用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于激光诱导光谱击穿技术检测真空装置真空度的系统及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明利用激光诱导光谱击穿技术，通过诊断并分析真空腔室中产生的等离子体的光谱，评价该真空腔室的真空度，利用本发明的激光诱导光谱击穿技术可以实现非接触式真空度检测。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光诱导光谱击穿技术检测真空装置真空度的系统，包括纳秒激光器和真空腔体，真空腔体中设置有金属靶，金属靶的正前方设置有能够将纳秒激光器发出的激光光束聚焦在金属靶上的透镜，真空腔体上设有用于通过激光光束的第一观察窗口和用于通过激光烧蚀金属靶产生的等离子体自发光的第二观察窗口，第二观察窗口的正下方设置有用于测量等离子体自发光光谱的光谱测量装置，真空腔体上还设有用于控制真空度的出气口，还包括用于延时触发纳秒激光器和光谱测量装置的数字延时发生器。

进一步地，所述光谱测量装置包括设置在第二观察窗口的正下方的光谱仪，光谱仪和第二观察窗口之间设有用于将等离子体自发光聚焦于光谱仪狭缝的光学镜头，光谱仪上连接有像增强器。

进一步地，所述金属靶为黄铜靶或真空腔室内壁。

进一步地，所述纳秒激光器产生的激光能量不小于30mJ。

进一步地，所述透镜的焦距小于第一观察窗口和金属靶之间的间距。

进一步地，所述光谱仪狭缝宽度小于20μm。

一种基于激光诱导光谱击穿技术检测真空装置真空度的方法，包括以下步骤：

1)将金属靶安装于真空腔室中，并通过出气口抽真空；

2)利用数字延时发生器控制纳秒激光器产生激光光束并聚焦于金属靶表面；

3)利用数字延时发生器触发纳秒激光器后，延时触发光谱测量装置，测量金属靶产生的等离子体自发光光谱；

4)多次测量不同真空度下金属靶产生的等离子体自发光光谱，找到光谱强度与真空度的关系；

5)根据光谱强度与真空度的关系，利用像增强器记录的光谱强度即能够判断真空腔室的真空度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明系统通过设置纳秒激光器，真空腔室以及光谱测量装置，通过纳秒激光器发出的激光烧蚀真空腔室中靶材料，通过光谱测量装置测量通过激光烧蚀金属靶产生的等离子体自发光光谱，利用等离子体光谱和真空腔室气压的关系来检测真空腔室真空度，可以在不改动真空腔室的结构情况下，直接对真空腔室真空度进行实时、在线测量。

进一步地，纳秒激光器产生的激光能量至少大于30mJ，使其可以在真空环境中烧蚀金属或真空腔壁产生明亮的等离子体自发光。

进一步地，透镜焦距不得大于第一观察窗口和金属靶的间距，以保证激光光束能聚焦于金属靶表面。

进一步地，光谱仪狭缝应该足够小，至少应小于20μm，以保证光谱的分辨能力。

本发明方法是一种激光诱导光谱击穿技术，可以实时、在线检测，利用本发明方法可以通过检测真空腔室中金属靶某元素含量确定真空度，对腔室的真空度进行非接触式的检测，而且由于激光经过聚焦后斑点小，对金属靶或真空腔室壁的损害小，接近无损检测。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图；

其中，1、纳秒激光器；2、数字延时发生器；3、光谱仪；4、真空腔室；5、金属靶、；6、透镜；7、第一观察窗口；8、第二观察窗口；9、光学镜头；10、像增强器；11、出气口。

图2是真空度与谱线Zn II 492.40nm/Cu I 521.8nm强度比的线性关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1，一种基于激光诱导光谱击穿技术检测真空装置真空度的系统，包括真空腔室4、出气口11、第一观察窗口7、第二观察窗口8构成的被测真空装置；以及由纳秒激光器1、数字延时发生器2、光谱仪3、像增强器(ICCD)10、光学镜头9、透镜6和金属靶5组成的真空度检测系统。

真空腔室4指任意真空装置的真空腔室，其大小至少能容纳直径1cm的金属靶5，且真空腔室4至少拥有两个观察窗口和一个出气口11，第一观察窗口7主要用于通过激光光束，第二观察窗口8主要用于收集激光诱导金属靶5产生等离子体的自发光，出气口11用于抽气和进气从而控制真空腔室4的真空度。纳秒激光器1产生的激光能量不小于30mJ，经过第一观察窗口7再由透镜6聚焦于金属靶5。透镜6焦距不得大于第一观察窗口7和金属靶5的间距，以保证激光光束能聚焦于金属靶5表面。金属靶5可以是黄铜靶材料，可以是装置内部的某一金属器件，也可以是真空腔室4壁。

由光谱仪3、光学镜头9和像增强器ICCD10构成光谱测量系统主要用于测量激光烧蚀金属靶5产生等离子体的自发光。光学镜头9用于聚焦等离子体自发光于光谱仪3的狭缝，通过光谱仪3分光后在像增强器ICCD10上成像。

数字延时发生器2用于触发和控制纳秒激光器1和光谱仪3的动作时间，调整光谱仪检测等离子体自发光光谱的延时。

一种基于激光诱导光谱击穿技术检测真空装置真空度的方法，主要包括以下步骤：

1)将金属靶5安装于真空腔室4中，并抽真空；

2)利用数字延时发生器2控制纳秒激光器1产生激光聚焦于金属靶5表面；

3)利用数字延时发生器2触发纳秒激光器1后，延时触发光谱测量系统动作，测量金属靶5产生的等离子体光谱；

4)多次测量不同气压下金属靶5产生的等离子体光谱，找到其中谱线强度与气压的关系；

5)根据像增强器ICCD10记录的光谱强度判断真空腔室4的真空度。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述：

一种基于激光诱导光谱击穿技术检测真空装置真空度的方法，需要包括一台可用于产生短脉冲激光的纳秒激光器1，产生激光并通过透镜6聚焦于真空腔室4内；包括一套光谱测量装置，其中主要包含光学镜头9、光谱仪3和像增强器10，用于测量等离子体自发光光谱；包括被检测的真空腔室4，真空腔室4至少需要两个观察窗口，且观察窗口不能在同一直线上；包括一台用于控制触发纳秒激光器1和光谱仪3动作的数字延时发生器2。

该技术方案的实现需要遵循以下步骤：

1)利用数字延时发生器2控制触发纳秒激光器1产生激光，产生的激光通过透镜6聚焦于真空腔室4的黄铜靶(或者其他金属材料，或者真空腔室壁)；

2)黄铜靶(或者其他金属材料，或者真空腔室壁)产生等离子体通过光学透镜9聚焦于光谱仪3狭缝；

3)利用数字延时发生器2控制触发光谱仪3，光谱仪3动作将进入狭缝的等离子体自发光经过分光后呈像于像增强器10，测量出氮及铜(或其他金属)的谱线；

4)多次测量不同真空环境下氮及铜(或其他金属)的谱线，找出不同真空度与氮/铜谱线强度比值的关系。

为了保证技术方案的可靠实现和测量精度还需要注意以下事项：

1)纳秒激光器1产生的激光能量足够强，至少大于30mJ，可以在真空环境中烧蚀金属或真空腔壁产生明亮的等离子体自发光；

2)在保证测量谱线强度足够强的情况下，光谱仪3狭缝应该足够小，至少应小于20μm，以保证光谱的分辨能力；

3)谱线测量中应选择合适的测量时刻和ICCD曝光时间，以保证谱线信噪比高，线谱明显；

4)在多次测量不同真空环境下氮及铜(或其他金属)的谱线时，应保证除腔室真空度以外的其他测量条件保持不变。

本实施例中，如图1所示，纳秒激光器1产生能量＞30mJ的1064nm激光，激光经过第一观察窗口7进入真空腔室4，由焦距f＝30cm透镜6聚焦于黄铜靶表面产生等离子体。等离子体自发光经过光学镜头9聚焦于光谱仪3狭缝，狭缝宽度＜20μm。经过光谱仪3分光，像增强器10成像，可测得等离子体光谱图像，通过出气口11调节真空腔室4的真空度，可以测得不同真空度下等离子体光谱图像。

图2是不同气压环境下，谱线Zn II 492.40nm和Cu I 521.8nm的强度比。经过拟合发现，谱线Zn II 492.40nm/Cu I 521.8nm的强度比与气压成线性度最好，适合用于真空度的测量。这样只需通过测量谱线Zn II 492.40nm/Cu I 521.8nm的强度比就可以计算出真空腔室的真空度。

如上所述，本发明基于激光诱导光谱击穿测试技术，通过测量激光烧蚀靶材料产生的等离子自发光光谱，利用等离子体光谱和真空腔室气压的关系来检测真空腔室真空度。