基于二象限探测器的放电等离子体电子密度测量装置与方法

摘要

本发明公开了一种放电等离子体电子密度测量装置及方法。装置包括探测光源、二象限探测器和信号处理器。将探测光源与二象限探测器分别放置在两个旋转平移台上，分置于放电装置的两端，使探测光源的激光对准二象限探测器的中心；重复多次将探测光源与二象限探测器在同一个维度上移动相同的距离，记录放电时不同位置二象限探测器两个光敏面的响应幅值比；再由信号处理器根据两个光敏面的响应幅值比计算出该维度上放电等离子体电子密度分布。本发明克服了传统测量装置系统结构复杂、设备昂贵的缺点，同时能够有效的提高测量精度，并且对放电等离子体不造成干扰，得到放电等离子体电子密度的空间分布。

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是测量放电等离子体电子密度 的装置，特别是一种基于二象限光电探测器来测量放电等离子体电子密度 的装置。该方法尤其适用于气体激光器内放电等离子体电子密度的测量。

背景技术

气体放电作为一种最为常见的低温等离子体产生方式，在材料处理、 表面改性、切割、焊接、生物医疗以及气体激光器泵浦等领域都有着广泛 的应用。电子密度是衡量等离子体的重要指标，它直接影响着放电等离子 体在各种应用中的效果。例如，在气体激光器泵浦应用中，电子密度决定 着所能泵浦的上能级粒子数密度，进而决定了激光器的输出能量。

对于低温等离子体电子密度的测量主要有：探针法、微波法、光谱法。

探针法是最传统的等离子探测方法。它利用插入放电等离子体内部的 金属探针的伏安特性曲线，探测放电等离子体电子密度。由于它必须将探 针深入等离子体内部，不可避免的会对等离子体的放电特性产生影响。

微波法是通过测量放电等离子体对在其中传播的微波的相移，衰减等 其他传输特性，来测量放电等离子体电子密度。由于微波源体积庞大，价 格昂贵，且对操作人员的健康有一定的影响，所以应用的并不普遍。

光谱法是当前最为通用的测量方法。它利用放电等离子体自身的发射 光谱或者外加探测光源通过等离子体的吸收或散射光谱中原子谱线来测量 放电等离子体电子密度。但光谱仪装置复杂，价格昂贵，操作与数据处理 也相对复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种放电等离子体电子密度的测量装置，该装 置能够简单而准确地测量放电等离子体电子密度，信号的后续处理也相对 简单。

本发明提供的一种放电等离子体电子密度测量装置，包括探测光源、 二象限探测器和信号处理器，其特征在于：探测光源和二象限探测器分别 用于位置在放电等离子体两端，二象限探测器用于探测探测光源所发出的 光束经过放电等离子体所产生的偏折，信号处理器用于根据偏析得到放电 等离子体的电子密度。

利用上放电等离子体电子密度测量装置进行测量的方法，其特征在于， 将探测光源与二象限探测器分别放置在两个旋转平移台上，分置于放电装 置的两端，使探测光源的激光对准二象限探测器的中心；重复多次将探测 光源与二象限探测器在同一个维度上移动相同的距离，记录放电时不同位 置二象限探测器两个光敏面的响应幅值比；再由信号处理器根据两个光敏 面的响应幅值比计算出该维度上放电等离子体电子密度分布。

本发明克服了传统测量装置系统结构复杂、设备昂贵的缺点，同时能 够有效的提高测量精度，并且对放电等离子体不造成干扰，得到放电等离 子体电子密度的空间分布。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明中采用的二象限光电探测器的正面图；

图3为本发明的工作流程图；

图4为本发明应用于测量长方截面放电等离子体电子密度的一种实例。

具体实施方式

由于在放电等离子体中大量的自由电子的运动速度比正离子速度快得 多，微观上表现为自由电子以正离子为中心往复运动，宏观上表现为整个 放电等离子体的振荡。放电等离子体振荡频率ω_p为：

${\omega }_p={\left(\frac{{\mathrm{Ne}}^2}{{ϵ}_{0}m}\right)}^{1/2}---\left(1\right)$

式中N为放电等离子体电子密度，ε₀为真空中介电常数，e为电子电量， m为电子质量。由于放电等离子体自身振荡的存在，使得它对于电磁波(包 括光波)的传播都产生一定的影响，宏观表现为介质折射率的改变，公式 为：

$n=\sqrt{1-\frac{{{\omega }_p}^2}{{\omega }^2}}=\sqrt{1-\frac{{\mathrm{Ne}}^2}{{ϵ}_{0}m{\omega }^2}}\approx 1-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{Ne}}^2}{{ϵ}_0{\mathrm{m\omega }}^2}---\left(2\right)$

式中n为介质折射率，ω_p为放电等离子体振荡频率，ω为探测光频率。 当满足小量近似(ω_p²/ω²＜＜1)时，最后一个约等号成立。对于放电等离子 体，电子密度在10⁸cm^-3至10¹⁸cm^-3量级，对应的等离子体振荡频率为9GHz 至9THz，而本发明选用的探测光源为可见光，频率满足近似条件，例如532 nm半导体泵浦固体激光器频率为586THz，。

本发明利用放电等离子体电子密度引起的折射率的变化，通过探测激 光在其中的偏折来测量放电等离子体电子密度。

如图1所示，当光束1通过放电等离子区域2时由于折射率的变化， 引起光线在y方向上的偏折角θ：

$\theta =-\int \frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dy}}\mathrm{dz}\approx \frac{1}{2}\frac{e^2}{{ϵ}_0{\mathrm{m\omega }}^2}\int \frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dy}}\mathrm{dz}---\left(3\right)$

放电等离子体区域2在z方向上的长度为d，二象限探测器3与等离子 体区域2的距离为L。一般情况下，由于θ是小量，L大于d，光束1到达 二象限探测器3时的偏折距离Δy可近似为：

Δy≈(L+d/2)*θ                    (4)

如果L远大于d，光束1到达二象限探测器3时的偏折距离Δy可进一 步近似为：

Δy≈L*θ                    (5)

二象限探测器即是通过两个象限的光强比探测光线的偏折距离Δy，进 而得到在y方向上的电子密度梯度dN/dy，再由未放电区域气体中电子密度 约为10³cm^-3这一经验值，积分得到在y方向上的电子密度N的分布。

如图2所示，本发明中采用的二象限光电探测器的结构为：

二象限探测3由两个相互平行的光敏面4、5组成，中间有一条直缝隙 6将光敏面4、5分开。探测时需将二象限探测器3垂直于探测光源放置， 并且使直缝隙6与待测量电子密度分布的方向垂直。以图1方向指示为例， 二象限探测器3需与z轴垂直，直缝隙6需与y轴垂直。

在未放电时调整二象限探测器位置，使得探测光的光斑对称的辐照在 两个光敏面4、5上，使得4、5显示的光强读数相同。并且在与直缝隙6 垂直的方向上正向、反向步进移动探测光源，这样造成辐照在两个光敏面4、 5上的光斑面积大小不同，从而使得光敏面4、5显示的光强读数不同，记 录下位移距离和对应的光敏面4与光敏面5的光强读数比。线性拟合出位 移距离和对应的光敏面4与光敏面5的光强读数比的曲线作为测量基准。

当开始放电后，由于电子密度引起的折射率的变化，探测光束发生偏 折，通过测量光敏面4与光敏面5的光强读数比，对照之前拟合出的位移 距离和对应的光敏面4与光敏面5的光强读数比的曲线，即可得出光束偏 折的距离，进而计算出该位置的电子密度梯度。

如图3所示，本发明装置的工作流程为：

首先调整探测光源与二象限探测器位置，使得探测光穿过放电等离子 体区域2中心，光敏面4与光敏面5的光强读数相当。再先正方向后负方 向步进探测光源到二象限探测器极限位置(光敏面4或光敏面5读数为零)， 记录位移距离和对应的光敏面4与光敏面5的光强读数比，线性拟合出位 移距离和对应的光敏面4与光敏面5的光强读数比的曲线作为测量基准。

正式开始测量。将探测光源调到一侧放电等离子体区域2以外位置， 并移动二象限探测器3，使得光敏面4与光敏面5的光强读数相当的位置， 开始第一个点的测量，开始放电，记录光敏面4与光敏面5的光强读数比， 对照之前拟合出的位移距离和对应的光敏面4与光敏面5的光强读数比的 曲线，得出光束偏折的距离Δy。计算出该点的光束偏折角θ，进而计算出 该点的电子密度梯度dN/dy。向着放电等离子体区域的另一侧移动探测光源 到下一探测点，重复上述过程，直到探测光源移出放电等离子体区域。对 所得到的电子密度梯度dN/dy分布进行积分得到电子密度N的分布。

图4为应用于测量长方截面放电等离子体电子密度的一种实例。

探测光源7固定在旋转平移台8上，二象限探测器3固定在旋转平移 台10上。滤光片9垂直于光束1放置在二象限探测器3之前。示波器11 与二象限探测器3电连接。为保证探测光源7与二象限探测器2的调整与 移动灵活性，旋转平移台8为x轴、y轴二维平移，xoz面、yoz面二维旋转， 旋转平移台10为x轴、y轴二维平移，xoy面、xoz面、yoz面三维旋转。 滤光片9用于过滤掉放电过程中放电等离子体区域2自身的发光，仅让光 束1通过。示波器11读取两个光敏面4、5的光强读数。按图3所示步骤， 从放电区域一端a向另一端b逐点测量放电区域的电子密度梯度dN/dy，并 拟合曲线再进行积分，即得到放电区域y方向的电子密度N的分布。

本发明克服了传统测量装置系统结构复杂、设备昂贵的缺点，同时能 够有效的提高测量精度，并且对放电等离子体不造成干扰，得到放电等离 子体电子密度的空间分布。

本发明不仅仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本 发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡 是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落 入本发明保护的范围。