专利名称：一种放电等离子体光谱的时空分布测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种放电等离子体光谱的时空分布测量装置，通过该装置得到等离子体中电子密度和电子温度在空间中的分布。
背景技术：
等离子体是一种包含大量正负带电粒子而又在宏观上是电中性的高电离态的物质，在空气、氧气、氮气、氦气等气体中的辉光放电均可产生等离子体，放电激励的气体激光器也包含等离子体过程。要想了解放电等离子体的特性和放电机理，就必须知道等离子体中的电子温度和电子密度等重要参数的分布和演化过程。所以，设计一种测量放电等离子体时空分辨装置具有极大的现实意义。对等离子体的诊断是研究放电等离子体的重要途径，现在主要有探针法、干涉法和光谱法等诊断方法。探针法是一种利用一些探针深入到等离子体内部去诊断，是一种最传统的测量方法。这些探针包含各种形式，如静电探针、微波探针、粒子探针等，根据探针感受到的等离子体内部电场和磁场从而导出 等离子体内部的各种参量的分布和变化。但是探针法由于是插入到等离子体内部或等离子体附近，会干扰被测等离子体的固有的性质，影响放电特性，从而放大了放电等离子体诊断的误差。干涉法是一种测量等离子体中电子密度的常用方法，它主要是利用等离子体中折射率的变化引起的干涉条纹的移动来计算得到等离子体中的电子密度。其中，马赫增德尔干涉法就是利用一束激光穿过放电等离子体区域，另一束激光作为参考光，然后两束光路相干形成干涉条纹。利用干涉条纹的移动就能确定放电等离子体的折射率，进而推断得到放电等离子体中的电子密度。光谱法是一种利用放电等离子体本身发射出来的光谱辐射来测量得到等离子体的相关参数。在放电等离子体中，粒子之间的碰撞跃迁是非常频繁的，粒子在激发态之间的跃迁能向外辐射出连续光谱和非连续的线状光谱，这些发射光谱的特性能够直接反映出等离子体相关内部的状态。由于光谱法是一种间接的测量方法，对放电等离子体本身不会造成影响，并且光谱法装置简单，能够进行实时的测量，因此，光谱法已经成为当今放电等离子体诊断的一种最重要和应用最广泛的方法。但是在以往的测量手段中，很少涉及到放电等离子体的空间分布的测量。因此非常有必要研制出一套测量时空分辨放电等离子体参数的装置，用来研究放电等离子体的特性和放电机理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种放电等离子体光谱的时空分布测量装置，能够准确的测量得到时间演化和空间分布的等离子体光谱。一种放电等离子体光谱的时空分布测量装置，包括望远成像系统、光谱仪和增强型电荷耦合成像器件，望远成像系统由第一和第二双胶合消色散镜组成；在第一双胶合消色散镜的焦平面处的放电等离子体通过望远成像系统成像在第二双胶合消色散镜的焦平面处，第二双胶合消色散镜的焦平面处的像点又作为物点通过光谱仪分光后再次成像到增强型电荷耦合成像器件。进一步地,所述光谱仪的狭缝宽度为10 20 Ii m。进一步地，还包括反射镜组，所述放电等离子体不同直径方向的分布通过调节反射镜组的角度使其入射望远成像系统。本发明的技术效果体现在现在主要的光谱仪系统都是采用的光纤引入，本发明则通过改变光谱仪的接收光系统，去除光纤采集系统，直接利用光谱仪的狭缝接收，而从光谱仪的狭缝到电荷耦合成像器件(I(XD)阵面本身就是一套成像系统，这样，通过外部成像系统所成的像再一次通过光谱仪的成像系统成像于ICCD阵面上，如此，就形成了一套空间分辨的成像光谱系统；另外通过ICCD控制器的延时控制，可以得到在不同延时下的放电等离子体的光谱，从而形成了一套同时达到空间和时间分辨的成像光谱系统。本发明能够准确的测量得到时间演化和空间分布的等离子体光谱，后续再通过数据处理得到放电等离子体中的电子温度和电子密度的变化，最终达到对放电等离子体的全面诊断。
图1为本发明测量装置结构示意图；图2为测量放电等离子体电子温度和电子密度参数的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步地详细说明。利用成像光谱仪和延时控制的ICCD系统能够实时监控放电等离子体在每一个时间点和不同空间位置的性质，从而了解放电等离子体的特性和放电机理。本发明装置结构如图1所示，两块双胶合消色散镜LI和L2组成一个望远成像系统，在第一双胶合消色散镜LI的焦平面Pl处的放电等离子体通过成像系统成像在第二双胶合消色散镜L2的焦平面P2处。第二双胶合消色散镜L2的焦平面P2处的像点作为物点通过光谱仪I分光再次成像到增强型电荷耦合成像器件(ICCD) 2，再次成像的光强分布传送给计算机，计算机进行数据处理得到电子温度和密度的时间和空间分布。由于实验测量的光谱有一定的频谱宽度，所以，必须采用双胶合消色散镜，保证不同波长的光都能够清晰的成像于L2的焦平面P2处。同时，为了保证成像系统的球差尽量小，就要避免双胶合消色散镜使用过小的F数即f/d( —般取4以上，同时应兼顾与光谱仪口径的配合)，其中，f为双胶合消色散镜焦距，d为入射光瞳直径。为了保证光谱仪的分辨率，光谱仪的狭缝宽度设置为10 20 ii m,狭缝的竖直高度则用来实现空间分辨的光谱探测。如果在LI和L2组成的成像系统前没有增加反射镜组，则探测得到的是竖直方向宽度为10 20 的放电等离子体的空间分布。为了实现探测不同直径方向的放电等离子体的空间分布，可以在LI和L2组成的成像系统前调整两块全反镜Ml和M2的角度来达到。ICCD的延时控制控制器可以设置在不同延时时间下采集放电等离子体的光谱，这样就可以通过设置连续变化的延时时间来获得随着时间变化的放电等离子体光谱，从而这套装置就实现了对放电等离子体的时间演化过程的测量。对于光路的调节，首先采用He-Ne激光进行光路的整个光轴的调节，让成像光路中的各个元件都在光轴上。可以按以下方式，进行成像质量的预判断在放电等离子体区域放置一个画有网格的小纸片，用手电筒将这个小纸片照亮，然后用ICCD探测，看能否在电脑上看到纸片中的网格的清晰的像，若不能看到清晰的像，就需要对整个成像光路系统继续调节，直至能看到清晰的像。如图2所示，得到的光谱数据在通过数据处理则可以得到放电等离子体中的电子温度和电子密度的时间演化和空间分布，具体可利用波尔兹曼(BoItzmann )斜线法、双谱线法、萨哈(Saha)-波尔兹曼(Boltzmann)法等等得到电子温度的分布情况，采用谱线展宽法、谱线拟合法等等得到电子密度的分布情况。电子温度的分布分析以波尔兹曼斜线法示例说明在局部热力学平衡平衡的假设下，等离子体中的粒子分布满足波尔兹曼统计规律，
权利要求
1.一种放电等离子体光谱的时空分布测量装置，包括望远成像系统、光谱仪和增强型电荷耦合成像器件，望远成像系统由第一和第二双胶合消色散镜组成；在第一双胶合消色散镜的焦平面处的放电等离子体通过望远成像系统成像在第二双胶合消色散镜的焦平面处，第二双胶合消色散镜的焦平面处的像点又作为物点通过光谱仪分光后再次成像到增强型电荷耦合成像器件。
2.根据权利要求1所述的时空分布测量装置，其特征在于，所述光谱仪的狭缝宽度为10 20 μ m0
3.根据权利要求1或2所述的时空分布测量装置，其特征在于，还包括反射镜组，所述放电等离子体不同直径方向的分布通过调节反射镜组的角度使其入射望远成像系统。
全文摘要
本发明公开了一种放电等离子体光谱的时空分布测量装置，包括望远成像系统、光谱仪和增强型电荷耦合成像器件，望远成像系统由第一和第二双胶合消色散镜组成；在第一双胶合消色散镜的焦平面处的放电等离子体通过望远成像系统成像在第二双胶合消色散镜的焦平面处，第二双胶合消色散镜的焦平面处的像点又作为物点通过光谱仪分光后再次成像到增强型电荷耦合成像器件。本发明通过将望远成像系统所成的像耦合进光谱仪的狭缝，这样，通过光谱仪的成像系统再一次成像于ICCD阵面上，如此，就形成了一套空间和时间分辨的成像光谱装置，利用其测量得到时间演化和空间分布的等离子体光谱，进而计算得到电子温度和电子密度的变化。
文档编号G01T1/29GK103048676SQ20121053757
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者唐建, 徐勇跃, 左都罗, 王新兵, 陆培祥, 杨晨光, 李斌, 涂嫔 申请人:华中科技大学