基于光纤光谱仪的等离子体测量方法研究

蔡晓东

广州景颐光电科技有限公司510670

摘要：等离子体是大量粒子的集合，包括带电粒子和中性粒子，带电粒子包括正负离子和电子。随着等离子体技术的发展，等离子体在越来越多的行业中发挥着重要的作用。等离子体在能源、材料、化工、环保、国防、军事等领域有着广泛的应用。等离子体参数的测量也具有重要意义。研究了一种基于谱仪的等离子体光谱测量方法。在分析测量原理和研究测量过程的基础上，提出了一种快速、简便的等离子体光谱测量方法，对等离子体的研究具有重要意义。

关键词：等离子体；光谱仪；测量

引用：

等离子体通常被称为物质的“第四状态”。当一种物质的温度升高时，它的状态通常从固态变为液态，然后变为气态。当气体温度继续升高时，物质将转变为等离子体状态。等离子体是由大量带电的自由粒子组成的系统，如电子和离子，在宏观上是电中性的。血浆种类繁多，对不同类型血浆的诊断方法也不尽相同。有两种血浆诊断方法，接触诊断和非接触诊断。根据诊断对象的不同，等离子体诊断方法可分为低温等离子体诊断和高温等离子体诊断。这两种诊断分类方法没有严格的区别。朗缪尔探针是接触诊断中最常用的方法之一。另一种方法是阻抗测量，通常只用于测量射频放电产生的等离子体密度。非接触诊断方法一般包括微波干涉法、激光干涉法和光谱诊断法。

一、等离子体光谱测试原理分析

1.1原子光谱

由于原子的状态发生变化而产生的电磁辐射即为原子光谱。原子光谱是元素的固有特征，原子发射光谱是原子外层价电子受到激发，跃迁到激发态，再由高能态回到较低的能态或基态时，以辐射形式放出其激发能而产生的光谱。

式中，Nq代表某种粒子（原子、离子或分子）处于激发态q的浓度；N0为相应的粒子处于基态的浓度；qg为激发态能级的统计权重；0g为基态能级的统计权重；Eq为q能级的激发能；k为玻尔兹曼常数（K=8.614X10-5ev/k或1.380662X10-23j/k）；T为激发温度。上式表明，激发温度越高，越容易将原子激发到高能级，处于激发态的原子数越多

1.3谱线的辐射强度

谱线强度是谱线的又一特性，是光谱定量分析的依据。辐射的谱线强度，与处在激发态的原子数目、跃迁几率及辐射能量有关。若某原子从j→i跃迁，辐射光子的能量为hvji，当体系在一定温度下处于热力学平衡状态时，原子在能级上的布居数，服从玻尔兹曼分布，由式知，处于j能级的原子数为：

1.4萨哈方程

当等离子体是处于热平衡状态时，从气体电离到变成完全电离等离子体的状态变化过程可以用萨哈方程来描述。这个方程是由天体物理学家MeghnadSaha给出的，这个方程反映的是电子、离子和中性粒子之间的数量关系：

式中，ne为电子密度，λ为光谱线波长，A为跃迁几率，I为原子线的强度，I?为离子线的强度，g是统计权重，me是电子的质量，E＋为原子的一次电离电位，E为离子线激发电位，E为原子线激发电位，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。因此，在已知温度的情况下，只要测得同一元素的离子线和原子线强度比就可以算得电子密度ne。

二、等离子体光谱测量实验仪器及过程

2.1等离子体光谱测量实验仪器

实验采用广州景颐光电科技有限公司八通道光纤光谱仪。光谱仪是对称式光路设计，入射焦距和色散焦距都是75mm；包括光纤接头（标准SMA接口，也可以选择其它类型的接口）、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和线阵CCD探测器，波长范围200-1100nm，最高分辨率0.025nm，接口方面提供USB2.0接口、RS-232接口和I/O接口。

2.2等离子体光谱测量实验步骤

使用八通道光纤光谱仪测量等离子体参数分为以下几个步骤。首先，在计算机上安装测试软件；第二步，将光纤、光谱仪和计算机之间连接好，光纤一端固定并对准被测等离子体，运行软件；第三步：软件会将采集到的数据绘成光谱图。得到等离子体的发射光谱图以后，就可以利用前面的等离子体参数测量公式进行计算。

结束语

研究了等离子体测量方法，设计了一种基于光纤光谱仪的等离子体测量方法。通过对测量原理的分析，推导了等离子体参数测量公式，并对测量过程进行了研究。通过为了等离子体的实验测量提供了一种方便、可靠的测量方法。

参考文献：

[1]吴琳德.等离子体电子温度的发射光谱法诊断2014.6

[2]翁国峰.等离子体发射光谱研究2016.12

[3]翟洋.等离子体温度光谱法诊断技术研究及应用2015.11