CN1034443C - 激光尘埃粒子计数器光学探头 - Google Patents

Abstract

一种用于超净检测的激光尘埃粒子计数器光学探头，由单模He-Ne激光器、激光扩束镜组、具有光通道的集光抛物面反射镜、样气通过光敏区并垂直于激光束的样气通道、后向反射镜、聚光透镜、消杂光光栏、光电倍增管等组成。本发明具有尘埃粒径可测范围大，计数效率高，检测速度快，结构调整方便，受外界环境影响小等特点。

Description

本发明涉及超净检测设备，是激光尘埃粒子计数器的主体部件。

已有的激光尘埃粒子计数器光学探头，美国ROYCO公司的226型激光尘埃粒子计数器光学探头的结构原理如图3所示，图中18-激光放电管，19-布儒斯特窗，20-45°平面反射镜，6-集光抛物面反射镜，7-激光通道，8-光敏区，9-样气通道，12-聚光透镜，21-激光谐振腔反射镜，22-固体光电管。该光学探头采用半外腔式He-Ne激光器，光敏区位于激光器谐振腔内。其动态工作过程为：含有尘埃粒子的待测样气经样气通道9流经光敏区8时产生光的散射。集光抛物面反射镜6为散射光收集元件，因该反射面的焦点亦在光敏区内，这样一定立体角范围的粒子散射光经反射面后成为平行光，之后再经48，反射镜20反射，聚光透镜12将散射光会聚在固体光电管22(Solid Slale Pholo Diode)的接收面上。光电管产生的光电信号由其后面的电子学部分处理后给出测量结果。

该光学探头在实用中存在以下问题：

1、该光学探头用于洁净空间洁净度检测时，所用时间长，限制了工作效率的提高。按美国联邦洁净环境控制的209D标准，使用该光学探头标定10级的净化空间，需用28分钟才能完成一个点的检测，标定1级净化空间则需用近5个小时的时间完成一个点的检测。因此当净化空间的检测对时间提出要求时，已有探头的实用性便受到限制。该光学探头的采样流量只有300毫升/分钟，流量受限于光敏区的大小，而光敏区的尺寸则直接取决于腔内激光束的直径。

2、因为光敏区位于激光谐振腔内，激光谐振腔内特有的驻波现象使光敏区内的光强分布具有轴向周期性结构，同时光敏区沿激光束的径向分布光强亦呈高斯分布变化。因此，在实际探测时，相同粒径的粒子在通过光敏区的不同位置时，将得出不同的测量结果，在小粒径范围测量误差大，限制光学探头的探测下限为0.12微米。

3、该光学探头在探测粒径大于2.0微米的尘埃粒子时，测量误差大。因为激光谐振腔内气流扰动和大粒子对激光功率的影响以及样气通道对粒子的静电吸附等，造成光学探头对尘埃的计数效率下降。此时探头计数效率低于71％。

本发明的目的是为了克服上述问题，提供一种新的激光尘埃粒子计数器光学探头。该探头具有测量尘挨粒径范围广、速度快和计数效率高等特点，以满足净化空间测量的要求。

本发明的结构，沿光束前进方向依次是单模He-Ne激光器、激光扩束镜组、具有光通道的集光抛物面反射镜、供样气通过的样气通道、光敏区、后向反射镜、聚光透镜、消杂光光栏、光信号由光电倍增管接收。

本发明的特点是：1、将探测尘埃的光敏区和样气通道设在He-Ne激光器腔外的集光抛物面反射镜的焦点附近和穿过集光抛物面反射镜的光通道的激光束上；

2、在He-Ne激光器和集光抛物面反射镜之间用激光扩束镜组将激光来扩大，以增大光敏区，因而样气通道也可相应扩大；

3、在集光抛物面反射镜和聚光透镜之间有后向反射镜，以实现对通过光敏区的样气准对称照明，提高尘埃对激光的散射；

4、采用灵敏度较高、响应速度快的光电倍增管作尘埃散射光接收器。

为了保证后向反射镜上的激光衍射和散射不致影响测量，所说的后向反射镜最好套上一长筒光栏。

所说聚光透镜的焦距范围为集光抛物面反射镜焦距的6～15倍。

所说的激光扩束镜组可由激光扩束镜、狭缝、激光准直镜和孔径光栏组成，其扩束比的范围为：2∶1～20∶1，最佳扩束比为5∶1。

所说的激光扩束镜和激光准直镜可为球面透镜，而以柱面透镜最好。

在光电倍增管前最好再设置一前置镜组，作用是防晕并进一步抑制光噪声。前置镜组可有各种不同形式，可为组合的或单一的双球面透镜，也可为组合的或单一的非球面透镜。

本发明与已有技术相比的优点是：

1、光敏区设计在激光腔外，避免了被测粒子和气流对激光功率的影响，扩展了尘埃粒径的测试范围。

2、已有光学探头在动态条件下，光敏区沿激光束方向的光强不均匀性可能大于±40％，由于本发明的光敏区在腔外，光敏区光强的均匀性大为改善，而且加了后向反射镜，光敏区成为准对称照明，光强不均匀性相应可限制在±10％以内。

3、使用激光扩束镜组来满足测量对光敏区大小的要求，同时进一步减小了高斯激光束所引起的光敏区范围内光强的起伏。

4、本发明的激光功率输出不受采样气流影响，可适当提高样气流速，以减小样气管道对尘埃粒子的静电吸附而引起的损失，提高了计数效率。

5、采用光电倍增管作为光电接收器，提高了探测灵敏度。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明最佳实施例的俯视剖面结构和光路图。

图2是图1最佳实施例的纵剖正视结构和光路图。

图3是已有技术ROYCO226型光学探头的结构示意图。

从图1和图2可见，本发明的最佳实施例的结构为：沿光束方向依次是单模He-Ne激光器1，激光扩束镜2、狭缝3，激光准直镜4和孔径光栏5组成激光扩束镜组，其扩束比为5∶1，所说的激光扩束镜2和激光准直镜4为柱面透镜，具有光通道7的集光抛物面反射镜6，光敏区8位于聚光抛物面反射镜6的焦点附近，样气通道9垂直穿过所说的光敏区，后向反射镜11套有长筒光栏10，聚光透镜12，消杂光光栏13，14和15为两球面透镜，构成光电倍增管17的前置镜组，16也是消杂光光栏。

本发明的检测工作过程是：来自He-Ne激光器的单模激光经扩束镜组扩束后，穿过集光抛物面反射镜6的光通道7，通过光敏区8，又被后向反射镜11反射，两束相向的激光在光敏区对来自样气通道9的样气形成准对称照明，待测粒子垂直于激光束的方向流经光敏区产生光散射，一定立体角范围的粒子散射光经集光抛物面反射镜6集光后，以平行光入射其后的聚光透镜12，消杂光光栏13位于聚光透镜12的焦点，通过消杂光光栏的粒子散射光，再经过前置镜组(14、15)汇聚在光电倍增管17的阴极面上，光电倍增管17输出粒子散射光的电讯号，由其后仪器的电子学部分进行处理后给出测量结果。

本实施例用于超净空间洁净度检测试验表明：允许样气流量每分钟2.83～28.3升，尘埃粒径可测范围为0.09～10.0μm；计数效率大于85％；检测速度快；对10级净化室标定，一个点的测量时间不超过1分钟，最快6秒钟，对1级净化室标定，一个点的测量时间不超过6分钟，最快只须36秒。

由此可见，本发明的实用性能大大改善，本发明的结构调整方便，受外界环境影响小，除精密标定测试外，还可作为一般用途的颗粒控制。

对本发明显而易见的修改变换仍属本发明的保护范围。例如将后向反射镜改为光陷阱，虽然不如后向反射镜有准对称照明光敏区的作用，只要允许尘埃可测粒径的下限上移至0.2μm，上限不变，仍不失为一种可行的结构。

Claims (9)

1.一种利用激光测量空间尘埃粒子数的激光尘埃粒子计数器光学探头，其特征在于由沿激光前进方向的单模He-Ne激光器、激光扩束镜组、具有光通道的集光抛物面反射镜、样气通道，后向反射镜、聚光透镜、消杂光光栏和光电倍增管构成，光敏区位于He-Ne激光器腔外的集光抛物面反射镜的焦点附近。

2.按照权利要求1的光学探头，其特征在于所说的后向反射镜套有一长筒光栏。

3.按照权利要求1的光学探头，其特征在于所说的聚光透镜的焦距为集光抛物面反射镜焦距的6～15倍。

4.按照权利要求1的光学探头，其特征在于所说的消杂光光栏和光电倍增管之间还有前置镜组。

5.按照权利要求4的光学探头，其特征在于所说的前置镜组由一对平凸球面透镜组成。

6.按照权利要求1的光学探头，其特征在于所说的激光扩束镜组由激光扩束镜、狭镜、激光准直镜和孔径光栏组成，其扩束比的范围为：2∶1～20∶1。

7.按照权利要求6的光学探头，其特征在于所说的激光扩束镜和激光准直镜为球面透镜。

8.按照权利要求6的光学探头，其特征在于所说的激光扩束镜和激光准直镜为柱面透镜。

9.按照权利要求1～8之中任意一项所述的光学探头，其特征在于所说的激光扩束镜组的扩束比为5∶l。