CN112051213B - 一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头及其测量方法，包括光纤探头、陶瓷套、石英芯和保护套，所述陶瓷套一端为测量端，所述陶瓷套的另一端为配合端，所述陶瓷套的内部形成有测量腔，所述陶瓷套的测量端开设有圆形通孔，待测局部位置的等离子体通过所述圆形通孔进入所述陶瓷套内部的测量腔，所述石英芯设置在所述陶瓷套的测量腔中，用于传播等离子体产生的光，同时避免射频放电在陶瓷管内部产生等离子体对测量结果的影响，所述保护套可拆卸的套设在陶瓷套配合端的外部,所述光纤探头设置在所述保护套的内部，且与陶瓷套配合端可拆卸连接，通过陶瓷套测量端的圆形通孔缩小光纤探头的测量范围，提高光学诊断的空间分辨率。

Description

一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头及其测量方法
技术领域
本发明属于光学诊断技术领域，具体涉及一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头及其测量方法。
背景技术
原子发射光谱法，是指利用被激发原子发出的辐射线形成的光谱与标准光谱比较，识别物质中含有何种物质的分析方法。用电弧、火花或等离子体等作为激发源，使气态原子或离子受激发后发射出辐射。某种元素原子只能产生某些波长的谱线，根据光谱图中是否出现某些特征谱线，可判断是否存在某种元素。根据特征谱线的强度，可测定某种元素的含量。
传统的光学探头，测量发射光谱范围较大，约为m3的量级，不能精确测量局部特定较小区域内的等离子体，不利于对特定范围的等离子体进行分析；本发明旨在提高测量空间分辨率，根据需要选择测量局部区域特定等离子体的组成，从而实现对等离子体更细致的测量。
发明内容
基于传统探头存在的上述问题，本发明提供一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头，具体方案如下：
所述一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头包括光纤探头、陶瓷套、石英芯和保护套，所述陶瓷套一端为测量端，所述陶瓷套的另一端为配合端，所述陶瓷套的内部形成有测量腔，所述陶瓷套的测量端开设有圆形通孔，待测局部位置的等离子体通过所述圆形通孔进入所述陶瓷套内部的测量腔，所述石英芯设置在所述陶瓷套的测量腔中，用于传播等离子体产生的光，同时避免射频放电在陶瓷套内部产生等离子体对测量结果的影响，所述保护套可拆卸的套设在陶瓷套配合端的外部,所述光纤探头设置在所述保护套的内部，且与所述陶瓷套配合端可拆卸连接，通过所述陶瓷套测量端的圆形通孔缩小所述光纤探头的测量范围，提高光学诊断的空间分辨率；
所述陶瓷套外部涂有黑色磨砂漆，能够吸收外部环境的光，避免光由侧壁进入陶瓷套；
所述陶瓷套内壁涂有镜面银涂层，能够增强光的反射；
所述陶瓷套材质为氮化硼陶瓷，能够耐受等离子体的溅射，同时可耐受较长时间的高温；
所述保护套选用不锈钢材质，能够耐受等离子体的长时间溅射，同时可耐受长时间的高温，用于保护光纤探头；
所述陶瓷套的圆形通孔的直径为待测等离子体鞘层厚度的2-3倍。
使用所述一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头进行局部测量的方法：
1)将保护套拆下，将光纤探头与采集仪的光纤连接，然后在将保护套安装在陶瓷套上；
2)将保护套与一个光学夹具固定，保证保护套的水平，所述光学夹具与一个位移机构连接，可以实现将所述光学诊断探头移动到指定局部位置；
3)将所述光学诊断探头、光学夹具以及位移机构置于通过一个真空舱上的过舱法兰放入真空舱内；
4)真空舱开始工作，舱内真空度提升到约10-4Pa；
5)打开置于舱内的等离子体发生器，产生等离子体；
6)将探头置于准备测量的等离子体的局部位置处，上述局部位置的等离子体穿过陶瓷套上的圆孔进入测量腔；
7)光纤探头采集进入所述测量腔等离子体的信号，将信号通过光纤传递到一个采集仪；
8)所述采集仪采集数据，精确得到所述局部位置的等离子体的发射光谱测量结果；
9)移动所述位移机构，更换到下一待测局部位置，重复上述操作。
本发明的优点和效果在于：
1)本发明提高了通过发射光谱诊断等离子体的空间分辨率，有利于更细致的了解等离子体的空间结构，可用于优化等离子体应用设备(如电推力器装置、等离子体发生器等)；
2)本发明的所述探头能够进行长时间不间断的实验，不会受等离子体的腐蚀而发生形貌的变化，且能耐受较高温度；
3)本发明采用内置的石英芯，具有较高的光谱透射能力，能够使得等离子体发出的光传播到光纤探头同时最大程度地减弱传播过程中的衰减；并且在使用该探头进行等离子体测量的过程中可能会涉及到射频放电，对光学诊断产生干扰，使用石英芯可避免由射频放电在管内产生等离子体对测量进行的干扰。
附图说明
图1是本发明的一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头的结构图；
图2是应用本发明所述用于测量局部等离子体的光学诊断探头的测量系统示意图
图3是本发明的光学探头与传统光纤探头测量范围对比图
附图标记：
1-保护套、2-陶瓷套、3-石英芯、4-光纤探头、5-光学夹具、6-光纤、7-位移机构、8-过舱法兰、9-真空舱、10-等离子体发生器、11-等离子体、12-采集仪
具体实施方式
根据图1所示，本发明的一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头主要包括光纤探头4、陶瓷套2、石英芯3和保护套1，所述陶瓷套2一端为测量端，所述陶瓷套2的另一端为配合端，所述陶瓷套2的内部形成有测量腔，所述陶瓷套2的测量端开设有圆形通孔，待测局部位置的等离子体通过所述圆形通孔进入所述陶瓷2套内部的测量腔，所述石英芯3设置在所述陶瓷套2的测量腔中，用于传播等离子体产生的光，同时避免射频放电在陶瓷套2内部产生等离子体对测量结果的影响，所述保护套1可拆卸的套设在所述陶瓷套2配合端的外部,所述光纤探头4设置在所述保护套1的内部，且与所述陶瓷套2配合端可拆卸连接，通过所述陶瓷套2测量端的圆形通孔缩小所述光纤探头4的测量范围，提高光学诊断的空间分辨率，本发明的加入带孔陶瓷套的光学诊断探头的测量范围与仅使用光纤探头测量范围比对示意图参见附图3；
所述陶瓷套2外部涂有黑色磨砂漆，能够吸收外部环境的光，避免光由侧壁进入陶瓷套；
所述陶瓷套2内壁涂有镜面银涂层，能够增强光的反射；
所述陶瓷套2材质为氮化硼陶瓷，能够耐受等离子体的溅射，具有较好的加工性能，同时可耐受较长时间的高温；
所述保护套1选用不锈钢材质，能够耐受等离子体的长时间溅射，具有优秀的加工性能，同时可耐受长时间的高温，用于保护光纤探头4；
所述陶瓷套2的圆形通孔的直径为待测等离子体鞘层厚度的2-3倍。
参照附图2，使用所述用于测量局部等离子体的光学诊断探头测量氩气放电产生的射频等离子体的方法，根据氩气放电产生的等离子体鞘层厚度，将陶瓷套的圆形通孔的直径设置为0.5mm，具体为：
1)将所述保护套1拆下，将所述光纤探头4与一个采集仪12的光纤6连接，然后再将所述保护套1安装在所述陶瓷套2上；
2)将所述保护套1与一个光学夹具5固定，保证所述保护套1的水平，所述光学夹具5与一个位移机构7连接，可以实现将所述光学诊断探头移动到指定局部位置；
3)将所述光学诊断探头、所述光学夹具5以及所述位移机构7置于通过一个真空舱9上的过舱法兰8放入所述真空舱9内；
4)所述真空舱9开始工作，舱内真空度提升到约10-4Pa；
5)打开置于舱内的等离子体发生器10，产生氩气放电的等离子体11；
6)将所述光学诊断探头置于准备测量的等离子体的局部位置处，所述局部位置的等离子体穿过所述陶瓷套2上的圆形通孔进入测量腔；
7)所述光纤探头4采集进入所述测量腔等离子体的信号，将所述信号通过光纤6传递到所述采集仪12；
8)所述采集仪12采集数据，精确得到所述局部位置的等离子体的发射光谱测量结果；
9)移动所述位移机构7，更换到下一待测局部位置，重复上述步骤6)-8)的操作。
本发明提供的用于测量局部等离子体的光学诊断探头具有可用于局部精确测量、耐高温、耐腐蚀、寿命长效率高等特点，能广泛应用于等离子体发生设备的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头，其特征在于，包括光纤探头(4)、陶瓷套(2)、石英芯(3)和保护套(1)，所述陶瓷套(2)一端为测量端，所述陶瓷套(2)的另一端为配合端，所述陶瓷套(2)的内部形成有测量腔，所述陶瓷套(2)的测量端开设有圆形通孔，待测局部位置的等离子体通过所述圆形通孔进入所述陶瓷套(2)内部的测量腔，所述石英芯(3)设置在所述陶瓷套(2)的测量腔中，用于传播等离子体产生的光，同时避免射频放电在陶瓷套(2)内部产生等离子体对测量结果的影响，所述保护套(1)可拆卸的套设在所述陶瓷套(2)配合端的外部,所述光纤探头(4)设置在所述保护套(1)的内部，且与所述陶瓷套(2)配合端可拆卸连接，通过所述陶瓷套(2)测量端的圆形通孔缩小所述光纤探头(4)的测量范围，提高光学诊断的空间分辨率；所述陶瓷套(2)内壁涂有镜面银涂层，能够增强光的反射；所述陶瓷套(2)的圆形通孔的直径为待测等离子体鞘层厚度的2-3倍。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头，其特征在于，所述陶瓷套(2)外部涂有黑色磨砂漆，能够吸收外部环境的光，避免光由侧壁进入所述陶瓷套(2)。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头，其特征在于，所述陶瓷套(2)材质为氮化硼陶瓷，能够耐受等离子体的溅射，同时可耐受较长时间的高温。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头，其特征在于，所述保护套(1)选用不锈钢材质，能够耐受等离子体的长时间溅射，同时可耐受长时间的高温，用于保护所述光纤探头(4)。
5.使用如权利要求1-4之一所述的一种用于测量局部等离子体的光学诊断探头进行局部测量的方法,具体步骤如下：
1)将所述保护套(1)拆下，将所述光纤探头(4)与一个采集仪(12)的光纤连接，然后再将保所述护套安装在所述陶瓷套(2)上；
2)将所述保护套(1)与一个光学夹具(5)固定，保证所述保护套(1)的水平，所述光学夹具(5)与一个位移机构(7)连接，可以实现将所述光学诊断探头移动到指定局部位置；
3)将所述光学诊断探头、所述光学夹具(5)以及所述位移机构(7)置于通过一个真空舱(9)上的过舱法兰(8)放入所述真空舱(9)内；
4)所述真空舱(9)开始工作，舱内真空度提升到约10-4Pa；
5)打开置于舱内的等离子体发生器(10)，产生等离子体(11)；
6)将所述光学诊断探头置于准备测量的等离子体的局部位置处，所述局部位置的等离子体穿过所述陶瓷套(2)上的圆形通孔进入测量腔；
7)所述光纤探头(4)采集进入所述测量腔等离子体的信号，将所述信号通过所述光纤传递到所述采集仪(12)；
8)所述采集仪(12)采集数据，精确得到所述局部位置的等离子体的发射光谱测量结果；
9)移动所述位移机构(7)，更换到下一待测局部位置，重复上述步骤6)-8)的操作。
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