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1 简介

随着温度的升高，一般物质依次表现为固态、液态和气态，统称为物质的三态。 当气体的温度进一步升高时，许多甚至全部的分子或原子会因剧烈的相互碰撞而离解成电子和正离子。 此时物质将进入主要由电子和正离子（或带正电的原子核）组成的新状态。 这种状态的物质称为等离子体，可以称为物质的第四态。

目前直接测量等离子体的仪器分为两大类：一类是测量等离子体的密度和温度多通道光纤光谱仪，方法有两种：一是计算带电粒子落在传感器上产生的电流，如法拉第杯、减速电势分析仪和离子阱等，另一种是探针，因功率变化而给探针加上不同的电压来计算； 另一类是测量等离子体的特征谱线（光谱学），利用光纤检测等离子体信号，通过光谱仪进行数据采集和分析，如微型、高分辨率、多通道光纤光谱仪等。荷兰的 Avantes。 下面主要介绍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快速触发光谱仪，采用对称光路设计，入射焦距和色散焦距均为75mm； 包括光纤接头（标准SMA接口，也可选择其他类型接口）、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和索尼ILX554B 2048像素线阵CCD探测器，波长范围200-1100nm，最高分辨率0.04nm ，接口提供USB1.1或USB2.0接口、RS-232接口和I/O数字/模拟接口。

图1 光学平台

图2 AvaSpec-2048FT快速触发光谱仪

2.2 功能与特点

2.2.1 外触发功能

AvaSpec-2048FT快速触发光谱仪在接收到外部触发信号后，只需延迟1.3s即可开始采样； 光谱仪也可以发送TTL信号触发脉冲激光多通道光纤光谱仪，采样开始时间和激光脉冲可以在AvaSoft软件中设置 Delay 之间（-42ns to 2.7 ms, step size 42 ns）, -42 ns负延迟采样时间功能对于测量脉冲激光非常有用。

AvaSpec-2048FT 的这些特性使其适用于需要快速响应和与外部触发信号精确同步（其时间抖动仅为 ± 21 ns）的应用，例如传送带上的产品检测。 输出 TTL 信号的性质使其可用于激光诱导击穿光谱 (LIBS) 测量或荧光测量，这需要在一段时间的激光脉冲发射后进行采样。

图3 外触发时序图[p]

2.2.2 历史通道功能

AvaSpec-2048FT 快速触发光谱仪可以随时间同时监测多达 8 个输出参数，例如用户定义的函数、积分、峰值（波长、相对强度）等。函数可以用 Visual-Basic 代码编写。 定时测量结果可以存储、加载或打印。 缩放和全景显示功能可以将计时测量结果中感兴趣的部分快速放大到全图显示。

2.2.3 独立测量功能

AvaSpec-2048FT 快速触发光谱仪可以配置为在不使用计算机的情况下执行独立测量。

USB2平台的AvaSpec-2048光谱仪增加了蓝牙（-BT）通信和SDRAM卡选项，可在板上存储光谱，实现远距离测量和传输（大于300米）和长期光谱数据存储。

2.2.4 宽光谱范围内的高分辨率

对于等离子体测量和LIBS测量，通常要求光谱仪在更宽的光谱范围内具有更高的分辨率。

AvaSpec-2048FT快速触发光谱仪最高分辨率可达0.04nm，而多通道光谱仪可满足200-900nm的光谱范围，分辨率优于0.1nm。 用于检测信号； 另一端是多个连接器，连接每个通道），操作简单，可以保证在同一位置检测信号。

2.2.5 对称光路设计

对称光路的入射焦距与色散焦距之比严格为1:1，在CCD上形成完美的直线图像，由于没有光路交叉，杂散光的影响降到最低路径。

2.2.6 多通道间同步数据采样

AvaSpec-2048FT快速触发光谱仪可配置为双通道或多通道（USB1.1平台最多8个，USB2.0平台最多128个），采用主从电路板控制实现数据真正同步渠道间收购。 每个通道包括一个独立的光具座。

图4 AvaSpec-2048FT-8-RM 八通道光谱仪 2.2.7 温度稳定性好，热漂移小

AvaSpec-2048光谱仪光学元件与底板无应力组装，出厂前均经过特殊工艺处理，因此环境温度对光谱仪影响很小，环境温度漂移仅为0.1环境温度每变化 1°C 的像素； 出色的温度稳定性确保了长期测量的准确性和重复性。

2.3 测量方法

其实使用AvaSpec-2048FT光谱仪测量等离子体的特征谱线非常简单，如图5所示。 第一步：安装AvaSoft-Full全功能软件； 第二步：连接光纤、光谱仪和计算机，将光纤的一端固定好对准被测等离子体，然后运行软件； 第 3 步：软件将收集获得的数据绘制为频谱图。

由于光谱仪测量的光谱强度是一个相对值（电子计数值，单位Counts），如果要测量绝对强度，可以选择在美国Avantes公司的校准实验室对光谱仪进行绝对辐射校准。荷兰，波长范围为 200-1100nm。 为了使整个测量装置更加灵活，也可以购买辐射校准光源进行现场校准。

图5 等离子体特征线测量实验布置图[p] 2.4 试验数据及设备

以上是AvaSpec-2048FT快速触发光谱仪测得的某等离子体的谱图数据。

图6是AvaSpec-2048FT快速触发光谱仪在惰性气体放电过程中测量等离子体的实际装置。

三、典型应用及用户

在国内，用于等离子体测量的AvaSpec-2048FT快速触发光谱仪的单位和应用如下：

1. 中国科学院等离子体物理研究所，基于托卡马克研究；

2. 清华大学工程物理系，基于低温等离子体物理与材料生长研究；

3. 北京大学化学与分子工程学院，基于纳米材料的低温等离子体合成研究；

4. 复旦大学近代物理研究所，气体放电过程等离子体光谱测量；

5. 哈尔滨工业大学等离子推进实验室，基于外层空间环境等离子推进测量技术的研究；

6.西北核技术研究院气体高压放电过程等离子体研究；

7. 大连理工大学等离子体物理化学实验室，等离子体催化和等离子体化学法制备纳米催化剂的研究；

8. 中国人民解放军电子工程研究所，固体燃烧等离子及等离子隐身技术研究；

9. 苏州大学物理学院，基于等离子体沉积的研究；

10. 中北大学材料学院，基于电弧等离子体的研究；

11. 北京服装学院，基于低温等离子改性技术的研究；

12. 北京印刷学院等离子体物理与材料实验室，基于等离子体沉积的研究；

13. 北京大学、北京核工业地质研究所、北方交通大学、华南理工大学、中国地质大学、山西大学、浙江师范大学等基于激光诱导击穿光谱（LIBS）技术的研究；

4.总结

使用AvaSpec-2048FT快速触发光谱仪进行等离子体测量具有性价比高、灵敏度高、测量精度高、测量速度快、操作简单等特点，且体积小，便于集成到系统中。在线测量系统。 （结尾）