李愛俠，張子云，戴 鵬，王翠平，葉 柳

(安徽大學(xué)，安徽 合肥 230601)

隨著溫度的升高，一般物質(zhì)依次表現(xiàn)為固體、液體和氣體，統(tǒng)稱物質(zhì)的三態(tài)。當(dāng)氣體溫度進(jìn)一步升高時，分子或原子將由于激烈的相互碰撞而離解為電子和正離子。這時物質(zhì)將進(jìn)入一種新的狀態(tài)，即主要由電子和正離子(或是帶正電的核)組成的狀態(tài)。這種狀態(tài)的物質(zhì)叫等離子體，也可以稱為物質(zhì)的第四態(tài)[1]。

目前，直接測量等離子體的儀器分為兩大類：一大類是測量等離子體的密度和溫度，方法又分兩種：一種是根據(jù)落到傳感器上的帶電粒子產(chǎn)生的電流來推算，如法拉第筒[2]、減速勢分析器和離子捕集器，另一種是探針[3]，通過在探針上加不同電壓引起的電源變化推算；另一大類是測量等離子體的特征譜線(光譜法)，使用光纖探測等離子體信號，通過光譜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

光譜學(xué)是測量紫外、可見、近紅外和紅外波段光強(qiáng)度的技術(shù)。光譜測量被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如顏色測量、化學(xué)成份的濃度測量或輻射度學(xué)分析、膜厚測量、氣體成分分析等領(lǐng)域。

等離子體參數(shù)的測量，一般是探針法、微波法等，這些方法測量結(jié)果一般較為準(zhǔn)確，但是由于存在一定范圍的探測極限值，當(dāng)離子濃度較高時，測量的參數(shù)誤差較大，而光譜法恰好相反，強(qiáng)度與濃度成正比，特別是在高溫條件下，光譜探測法作為一種不介入測量診斷技術(shù)有著其他方法不可比擬的優(yōu)勢。

18世紀(jì)中期，Kirchhoff和Bunsen首次揭示了處于激發(fā)態(tài)的原子和離子的發(fā)光原理，分子和原子從外界吸收能量激發(fā)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的原子或離子[4]，激發(fā)態(tài)的原子或離子從高能級躍遷到低能級，多余的能量以光子的形式釋放出來，從而形成特性光譜，產(chǎn)生電子能級躍遷需要的能量可以是熱能或者是高頻輻射能。

光譜法一直被視作為診斷空間和實驗室等離子體最為重要的手段之一，最早應(yīng)用于有關(guān)于天體物理學(xué)的研究，之后被拓展到高溫核聚變等離子體的研究領(lǐng)域，熱等離子體的光譜測量獲得了長足的發(fā)展前景，冷等離子體的光譜診斷已經(jīng)有了很好的理論建立。

光譜診斷法是基于測量發(fā)射光譜、吸收光譜、連續(xù)光譜譜線的強(qiáng)度以及譜線的半寬和偏移的診斷技術(shù)。原子與離子的發(fā)射光譜譜線測量與吸收光譜的測量是光譜診斷中應(yīng)用最為廣泛的兩種測量技術(shù)[5]。隨著激光技術(shù)的不斷改進(jìn)與發(fā)展，使得采用單色性較好的高密度激光對等離子體進(jìn)行時間和空間高分辨率的測量的實施性成為可能，在很大程度上延伸了光學(xué)診斷在等離子體診斷中的應(yīng)用。

1 實驗原理

光譜儀是光譜檢測最常用的設(shè)備。將光纖與CCD技術(shù)應(yīng)用于微型光譜儀，可以大大提高其穩(wěn)定性和分辨率。微型光纖光譜儀的便攜性和高性價比，使得光譜檢測從實驗室走向檢測現(xiàn)場，拓展了光譜儀的應(yīng)用范圍。

1.1 光纖光譜儀原理與結(jié)構(gòu)

光譜儀器一般由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件(光柵或棱鏡)、聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測器構(gòu)成。由單色儀和探測器搭建的光譜儀中通常還包括出射狹縫，僅使整個光譜中波長范圍很窄的一部分光照射到單象元探測器上。單色儀中的入射和出射狹縫位置固定、寬度可調(diào)。對整個光譜的掃描時是通過旋轉(zhuǎn)光柵來完成。

在上世紀(jì)九十年代以來，微電子領(lǐng)域中的多象元光學(xué)探測器(例如CCD，光電二極管陣列)制造技術(shù)迅猛發(fā)展，使得CCD器件廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。本實驗選用的光纖光譜儀使用了同樣的CCD(CCD光譜儀)和光電二極管陣列探測器，可以對整個光譜進(jìn)行快速掃描，不需要轉(zhuǎn)動光柵。

低損耗石英光纖，可以用于傳輸光譜信號，把被測樣品產(chǎn)生的信號光傳導(dǎo)到光譜儀的光學(xué)平臺中。由于光纖的連接、耦合非常容易，所以可以很方便地搭建起由光源、采樣附件和光纖光譜儀等模塊組成的測量系統(tǒng)。

光纖光譜儀的優(yōu)勢在于測量系統(tǒng)的模塊化和靈活性。本實驗使用的微小型光纖光譜儀的測量速度非常快，可以用于在線分析。由于光纖光譜儀使用了光纖傳導(dǎo)光信號，屏蔽了工作環(huán)境的雜散光，提高了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以用于較惡劣環(huán)境的現(xiàn)場測試。

本實驗光譜儀采用對稱式Czerny-Turner光學(xué)平臺設(shè)計，焦距有50 mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 光纖光譜儀結(jié)構(gòu)圖

光由一個標(biāo)準(zhǔn)的SMA905光纖接口進(jìn)入光學(xué)平臺，在被一個球面鏡準(zhǔn)直后由一塊平面光柵色散，然后經(jīng)由第二塊球面鏡聚焦至線陣探測器上[6]。

1.2 光學(xué)分辨率

光譜儀的光學(xué)分辨率定義為光譜儀所能分辨開的最小波長差。為了分辨兩個相鄰的譜線，這兩根譜線在探測器上的像至少要間隔2個像素遠(yuǎn)見圖2。

圖2 光譜儀分辨率示意圖

因為光柵決定了不同波長在探測器上可分開(色散)的程度，所以它是決定光譜儀分辨率的一個非常重要的參數(shù)。另一個重要參數(shù)是進(jìn)入到光譜儀的光束寬度，它基本上取決于光譜儀上安裝的固定寬度的入射狹縫或光纖芯徑(當(dāng)沒有安裝狹縫時)。

在指定波長處，狹縫在探測器陣列上所成的象通常會覆蓋幾個像元。如果要分開兩條光譜線，就必須把它們色散到這個象尺寸再加上一個像元。當(dāng)使用大芯徑的光纖時，可以通過選擇比光纖芯徑窄的狹縫來提高光譜儀的分辨率，因為這樣會大大降低入射光束的寬度。

表1是光譜儀的典型分辨率表。光柵的線對數(shù)越高，色散效應(yīng)隨波長變化就會越顯著，波長越長色散效應(yīng)越大，因此在最長波長處會得到最高分辨率。表1中的分辨率是FWHM值，即最大峰值光強(qiáng)50%處所對應(yīng)的譜線寬度(nm)。

表1 光譜儀的分辨率表(FWHM值，單位nm)

2 實驗設(shè)計

本實驗的實驗原理如圖3所示，使用光纖探測等離子體信號，并利用光譜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

圖3 等離子體實驗原理圖

2.1 實驗步驟

(1) 參照實驗實物圖4與圖5連接實驗儀器，開啟電腦，開啟光譜儀(SpectraSuite軟件)，將光譜儀模式選擇為S模式S-ATRI。

圖4 等離子體發(fā)光系統(tǒng)實物圖

圖5 等離子體檢到系統(tǒng)裝置實物圖

(2)開啟輝光球。

(3) 將光纖使用光纖卡具貼近積分球。注意:不能讓光纖端面與積分球接觸，否則容易導(dǎo)致光纖端面污損。

(4)調(diào)整光譜儀積分時間為10ms左右，使得最大光強(qiáng)在3 000左右。

(5)使用軟件自帶的測量功能測量各條特征譜線的波長值。

(6)根據(jù)實驗附錄提供的各種惰性氣體特征譜線，查表判斷其它成分。

2.2 數(shù)據(jù)采集和分析過程

⑴ 觀察實驗現(xiàn)象

輝光球的密閉球殼為采用高強(qiáng)度的透明玻璃而制成的，球體的中央有一個黑色球狀電極，電極內(nèi)是由金屬絲彎繞后填充，底座上安裝有振蕩電路板。將輝光球通電時，振蕩電路會產(chǎn)生高頻電壓電場，球內(nèi)低壓氣體(或稀疏氣體)在高頻強(qiáng)電場中由于受到電離作用而光芒四射如閃電一般，見圖6所示，觀察等離子產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象。

圖6 輝光球在實驗中的效果圖

向輝光球中輸入低壓的直流電時(一般在5～12V)，由于振蕩電路板的作用會將輝光球內(nèi)部變成高壓脈沖直流電，導(dǎo)致球體中心的電極中具有極高的電壓，此時的電極與外球之間會存在極高的電勢差，由E=U/d可得，球體中存在著很強(qiáng)的電場。外圍的電子會在強(qiáng)電場的作用下被電離，而處于游離態(tài)的電子會在強(qiáng)電場的作用中中受到電場力(F=Eq)，因而迅速加速，當(dāng)積累了足夠多的能量后，若與其余的受原子束縛的電子發(fā)生碰撞，則會使原子處于激發(fā)態(tài)并且會自發(fā)地向較低能級躍遷同時發(fā)出光子，就能觀察到耀眼的光芒。而實驗中觀察到的明亮的條紋形狀則是代表著電子受電場力作用時的加速路徑，因為不同原子的發(fā)光頻率是不相同的，所以當(dāng)選用不同氣體的輝光球進(jìn)行實驗時就會觀察到不同顏色的輝光[7]。

(2)數(shù)據(jù)采集

儀器調(diào)試完成之后使用光譜分析軟件(SpectraSuite軟件)在電腦中擬合出各種惰性氣體特征譜線。

(3)數(shù)據(jù)分析

本實驗選用的光纖光譜儀使用了同樣的CCD(CCD光譜儀)和光電二極管陣列探測器，可以對整個光譜進(jìn)行快速掃描，不需要轉(zhuǎn)動光柵，低損耗石英光纖，可以用于傳輸光譜信號，把被測樣品產(chǎn)生的信號光傳導(dǎo)到光譜儀的光學(xué)平臺中，本實驗使用的微小型光纖光譜儀的測量速度非?？?，可以用于在線分析。

由圖7各種惰性氣體特征譜線圖可知，通過觀察惰性氣體的強(qiáng)度峰值所對應(yīng)的波長值(圖中波長值已標(biāo)出)，查惰性氣體特征譜線表即可判斷該氣體包含哪些惰性氣體。

圖7 等離子體檢測惰性氣體特征譜線圖

2.3 實驗主要注意事項

(1)不能讓光纖端面與積分球接觸或用手直接接觸光纖端面，否則容易導(dǎo)致光纖端面污損。

(2)不能將探測光纖折疊，以免將光纖損壞。

(3)盡量屏蔽工作環(huán)境的雜散光，以提高光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

3 結(jié) 語

本實驗介紹了利用等離子體特性光譜測定氣體成分的實驗方法和原理，通過光譜儀顯示已知或者未知?dú)怏w的強(qiáng)度，從而推論出所給氣體中可能含有的原子種類，此外，通過進(jìn)一步的實驗改進(jìn)和軟件設(shè)計，則可以實現(xiàn)分析實際大氣中所可能含有的成分以及各種雜質(zhì)成分的含量，可用于對冶金、化工等重點(diǎn)企業(yè)廢氣排放的實時監(jiān)控，隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，人們對等離子體的認(rèn)識和儀器設(shè)備的改進(jìn)將不斷深入，等離子體特性光譜分析技術(shù)的日臻完善，其應(yīng)用前景較大。