隨著溫度的升高，一般物質形態依次表現為(wei) 固體(ti) 、液體(ti) 和氣體(ti) ，它們(men) 統稱物質的三態。當氣體(ti) 溫度進一步升高時，其中許多、甚至全部分子或原子將由於(yu) 激烈的相互碰 撞而離解為(wei) 電子和正離子。這時物質將進入一種新的狀態，即主要由電子和正離子（或是帶正電的核）組成的狀態。這種狀態的物質叫等離子體(ti) ，它可以稱為(wei) 物質的 第四態。

目 前，直接測量等離子體(ti) 的儀(yi) 器分為(wei) 兩(liang) 大類：一類用於(yu) 測量等離子體(ti) 的密度和溫度，方法又分兩(liang) 種：一種是根據落到傳(chuan) 感器上的帶電粒子產(chan) 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，通過在探針上施加不同電壓引起的電源變化來推算；另一類用於(yu) 測量等離子體(ti) 的特征譜線（光譜法），使用光纖探 測等離子體(ti) 信號，通過高分辨率多通道光纖光譜儀(yi) 進行數據采集和分析。下麵主要介紹利用光譜法測量等離子體(ti) 的特征譜線。

實驗部分

儀(yi) 器原理

實驗所用的光纖光譜儀(yi) （見圖1和圖2）采用Czerny-Turner對稱式光路設計，入射焦距和色散焦距都是75mm；其包括光纖接頭（標準SMA接口，也可以選擇其他類型的接口）、準直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和線陣CCD探測器，波長範圍為(wei) 200~1100nm，最高分辨率為(wei) 0.025nm，提供USB2.0、RS-232和I/O接口。

圖1：光纖光譜儀(yi) 的光學平台

圖2：單通道光譜儀(yi)

功能及特點

（1） 外觸發功能

該光纖光譜儀(yi) 能夠在接收外觸發信號之後僅(jin) 延遲1.3µs就開始采樣，還可以發出一個(ge) TTL#p#分頁標題#e#信號來觸發脈衝(chong) 激光器，而且在軟件中可以設置采樣開始時間與(yu) 激光脈衝(chong) 之間的延遲（-20ns~ 89s，步長21ns），其獨特的-20ns負延遲采樣時間特性，對測量脈衝(chong) 激光器非常有用（見圖3）。

光纖光譜儀(yi) 的這些特點，使其適用於(yu) 需要快速響應和需要與(yu) 外觸發信號精確同步的應用領域（它的時間抖動隻有± 21ns），例如傳(chuan) 送帶上的產(chan) 品檢測等。而輸出TTL信號的特性則可使其用於(yu) 激光誘導擊穿光譜（LIBS）測量或熒光測量，這些應用都要求激光脈衝(chong) 發射一段時間之後開始采樣。

圖3：外觸發時序圖

（2）曆史通道功能

光纖光譜儀(yi) 可以同時監測最多8路輸出參數隨時間的變化，如用戶定義(yi) 的函數、積分、峰值（波長，相對強度）等。函數可以用Visual-Basic代碼編寫(xie) 。時序測量的結果可以被存儲(chu) 、載入或者打印。縮放和全景顯示功能可以把時序測量結果中感興(xing) 趣的部分快速放大至全圖顯示。

（3） 獨立測量功能

該光纖光譜儀(yi) 還可以配置成獨立測量工作模式，而不必使用計算機。

USB2平台的光譜儀(yi) 添加了藍牙（-BT）通信以及在板卡上存儲(chu) 光譜的SDRAM卡選項，能夠實現遠距離測量和傳(chuan) 輸（大於(yu) 300米）以及長時間光譜數據存儲(chu) 。

（4）寬光譜範圍內(nei) 的高分辨率

對於(yu) 等離子體(ti) 測量和LIBS測量，一般都要求光譜儀(yi) 在較寬的光譜範圍內(nei) 具有較高的分辨率。實驗使用的光纖光譜儀(yi) 的最高分辨率可達0.04nm/0.025nm。如果配置成多通道光譜儀(yi) ，則可以在200~1000nm#p#分頁標題#e#光譜範圍內(nei) 實現分辨率優(you) 於(yu) 0.1nm；同時使用光纖束進行探測（一端為(wei) 一個(ge) 光纖接頭用於(yu) 探測信號；另一端為(wei) 多個(ge) 接頭用於(yu) 連接各個(ge) 通道），不但操作簡單，而且還可以保證探測位於(yu) 同一位置的信號。

（5）對稱式光路設計

對稱式光路的入射焦距和色散焦距比是嚴(yan) 格的1:1關(guan) 係，在CCD上呈現的是完美的直線像，並且由於(yu) 不存在光路交叉，使得雜散光的影響被降到最小。

（6）多通道間數據同步采樣

光纖光譜儀(yi) 可以配置成雙通道或多通道（見圖4，USB2.0平台最多128），采用主從(cong) 電路板控製，各通道間實現真正意義(yi) 上的同步數據采集。每個(ge) 通道均包括一個(ge) 獨立的光學平台。

圖4：四通道和八通道光纖光譜儀(yi)

（7）溫度穩定性好，熱漂移小

該光纖光譜儀(yi) 的光學元件和底板間采用無應力裝配，出廠前經過特殊工序處理，因此環境溫度對光譜儀(yi) 影響極小，環境溫度每變化1℃僅(jin) 漂移0.1個(ge) 像元，其優(you) 異的溫度穩定性確保了長時間測量的精確性和可重複性。

測量方法

實際上，使用光纖光譜儀(yi) 測量等離子體(ti) 的特征譜線的方法非常簡單（見圖5）。第一步：安裝AvaSoft-Full全功能軟件；第二步：將光纖、光譜儀(yi) 和計算機之間連接好，光纖一端固定並對準被測等離子體(ti) ，運行軟件；第三步：軟件會(hui) 將采集到的數據繪成光譜圖。

由於(yu) 光譜儀(yi) 測量到的光譜強度是相對值（電子記數值，單位counts），如果要進行絕對強度測量，可以選擇在定標實驗室裏對光譜儀(yi) 進行絕對輻射定標，波長範圍200~1100nm。為(wei) 了使整個(ge) 測量裝置更加靈活，還可以購買(mai) 一台輻射定標光源，在現場進行標定。#p#分頁標題#e#

圖5：等離子體(ti) 特征譜線測量實驗布局圖

測試數據及裝置

圖6：光纖光譜儀(yi) 測量等離子體(ti) 的光譜數據

結論