摘 要 等離子體是繼氣體、液體、固體后的第四種物質(zhì)的聚集態(tài)。等離子體物理學(xué)是一門蓬勃發(fā)展的新興科學(xué)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括受控熱核聚變、空間科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、微電子與信息產(chǎn)業(yè)、材料合成與處理、國防和高技術(shù)應(yīng)用諸方面。目前，測量等離子體特征譜線最簡單的方法就是使用荷蘭Avantes 公司的微小型、高分辨率、多通道光纖光譜儀。
1.引 言
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，它們統(tǒng)稱物質(zhì)的三態(tài)。當氣體溫度進一步升高時，其中許多，甚至全部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，它可以稱為物質(zhì)的第四態(tài)。
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、減速勢分析器和離子捕集器，另一種是探針，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，通過光譜儀進行數(shù)據(jù)采集和分析，如荷蘭Avantes 公司的微小型、高分辨率、多通道光纖光譜儀。下面主要介紹光譜法測量等離子體。
2.實驗部分
2.1 儀器原理
荷蘭Avantes 公司的AvaSpec-2048FT快觸發(fā)型光譜儀，采用對稱式光路設(shè)計，入射焦距和色散焦距都是75mm；包括光纖接頭（標準SMA 接口，也可以選擇其它類型的接口）、準直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和Sony ILX554B型2048 像素線陣CCD 探測器，波長范圍200-1100nm，最高分辨率0.04nm，接口方面提供USB1.1 或USB2.0接口、RS-232 接口和I/O 數(shù)字/模擬接口。
圖1 光學(xué)平臺
圖2 AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀
2.2 功能及特點
2.2.1 外觸發(fā)功能
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀能夠在接受外觸發(fā)信號之后僅延遲1.3 ,s 就開始采樣；該光譜儀還可以發(fā)出一個TTL 信號來觸發(fā)脈沖激光器，而且在AvaSoft 軟件中可以設(shè)置采樣開始時間與該激光脈沖之間的延遲（-42ns 至2.7 ms，步長42 ns），-42 ns 的負延遲采樣時間的特性對測量脈沖激光器非常有用。
AvaSpec-2048FT 的這些特點使其適用于需要快速響應(yīng)和需要與外觸發(fā)信號精確同步的應(yīng)用領(lǐng)域（它的時間抖動只有± 21 ns），例如傳送帶上的產(chǎn)品檢測等。而輸出TTL 信號的特性則可使其用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）測量或熒光測量，這些應(yīng)用都要求激光脈沖發(fā)射一段時間之后開始采樣。
圖3 外觸發(fā)時序圖
2.2.2 歷史通道功能
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀可以同時監(jiān)測最多8 個輸出參數(shù)隨時間的變化，如用戶定義的函數(shù)、積分、峰值（波長，相對強度）等。函數(shù)可以用Visual-Basic 代碼編寫。時序測量的結(jié)果可以被存儲、載入或者打印。縮放和全景顯示功能可以把時序測量結(jié)果中感興趣的部分快速放大至全圖顯示。
2.2.3 獨立測量功能
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀可以配置成進行獨立測量工作，而不必使用計算機。
USB2 平臺的AvaSpec-2048 光譜儀添加了藍牙（-BT）通信以及在板卡上存儲光譜的SDRAM 卡選項，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離測量和傳輸（大于300 米）以及長時間光譜數(shù)據(jù)存儲。
2.2.4 寬光譜范圍內(nèi)的高分辨率
對于等離子體測量和LIBS 測量，一般都要求光譜儀在較寬的光譜范圍內(nèi)，具有較高的分辨率。
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀的最高分辨率可達0.04nm，而多通道光譜儀可以滿足在200-900nm 光譜范圍內(nèi)，分辨率優(yōu)于0.1nm，同時使用光纖束進行探測（一端為一個光纖接頭，用于探測信號;另一端為多個接頭，連接各個通道），操作既簡單，又可以保證探測位于同一位置的信號。
2.2.5 對稱式光路設(shè)計
對稱式光路的入射焦距和色散焦距比是嚴格的1:1 關(guān)系，在CCD 上成的是完美的直線象，并且由于不存在光路交叉，使得雜散光的影響被降低到最小。
2.2.6 多通道間數(shù)據(jù)同步采樣
AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀可以配置成雙通道或多通道（USB1.1 平臺最多8 個，USB2.0 平臺最多128），采用主從電路板控制，各通道間實現(xiàn)真正意義上的同步數(shù)據(jù)采集。每個通道均包括一個獨立的光學(xué)平臺。
圖4 AvaSpec-2048FT-8-RM 八通道光譜儀
2.2.7 溫度穩(wěn)定性好，熱漂移小
AvaSpec-2048 光譜儀的光學(xué)元件和底板間采用無應(yīng)力裝配，出廠前經(jīng)過特殊工序處理，因此環(huán)境溫度對光譜儀影響極小，環(huán)境溫度每變化1℃僅漂移0.1 個像元；優(yōu)秀的溫度穩(wěn)定性確保了長時間測量的精確性和可重復(fù)性。
2.3 測量方法
實際上，使用AvaSpec-2048FT 光譜儀測量等離子體的特征譜線的方法很簡單，如圖5 所示。第一步：安裝AvaSoft-Full 全功能軟件；第二步：將光纖、光譜儀和計算機之間連接好，光纖一端固定并對準被測等離子體，然后運行軟件；第三步：軟件會將采集到的數(shù)據(jù)繪成光譜圖。
由于光譜儀測量到的光譜強度是相對值（電子記數(shù)值，單位Counts），如果要進行絕對強度測量，可以選擇在荷蘭Avantes 公司的定標實驗室里對光譜儀進行絕對輻射定標，波長范圍200-1100nm。為了使整個測量裝置更加靈活，還可以購買一臺輻射定標光源，在現(xiàn)場進行標定。
圖5 等離子體特征譜線測量實驗布局圖
2.4 測試數(shù)據(jù)及裝置
上面是AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀測量某種等離子體的光譜圖數(shù)據(jù)。
圖6 是AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀測量惰性氣體在放電過程中等離子體的實際裝置。
3．典型應(yīng)用及用戶
在國內(nèi)，AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀用于等離子體測量的單位和應(yīng)用如下：
1． 中科院等離子體物理研究所， 基于托卡馬克（TOKAMAK）的研究；
2． 清華大學(xué) 工程物理系，基于低溫等離子體物理和材料生長方面的研究；
3． 北京大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，基于納米材料的低溫等離子體合成的研究；
4． 復(fù)旦大學(xué) 現(xiàn)代物理研究所，氣體放電過程等離子體光譜測量；
5． 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 等離子體推進實驗室，基于外太空環(huán)境下等離子體推進測量技術(shù)的研究；
6． 西北核技術(shù)研究所，氣體高壓放電過程等離子體研究；
7． 大連理工大學(xué) 等離子體物理化學(xué)實驗室，等離子體-催化及等離子體化學(xué)法制備納米催化劑的研究；
8． 解放軍電子工程學(xué)院，固體燃燒等離子體及等離子體隱身技術(shù)的研究；
9． 蘇州大學(xué) 物理學(xué)院，基于等離子體沉積的研究；
10． 中北大學(xué) 材料學(xué)院，基于電弧等離子體的研究；
11．北京服裝學(xué)院，基于低溫等離子體改性技術(shù)的研究；
12．北京印刷學(xué)院 等離子體物理與材料研究室，基于等離子體沉積的研究；
13．北京大學(xué)、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、北方交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)、山西大學(xué)、浙江師范大學(xué)等，基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)的研究；
4．結(jié) 論
使用AvaSpec-2048FT 快觸發(fā)型光譜儀進行等離子體測量，具有性價比高、靈敏度高、測量精度高、測量速度快、操作簡單等特點，而且體積小巧，方便集成到系統(tǒng)中進行在線測量。
