CN116136489A - 多色仪及汤姆逊散射诊断系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种多色仪及汤姆逊散射诊断系统，多色仪包括多色仪盒体、至少两个光谱检测模块和至少两个分光模块；光谱检测模块和分光模块均设置在多色仪盒体内腔中，多色仪盒体上开设有透光孔；光谱检测模块包括密封壳体、聚焦透镜组和探测器，聚焦透镜组和探测器设置在密封壳体内，密封壳体一侧设有通光孔，经分光模块选择性透过的光束通过通光孔入射到聚焦透镜组上，经聚焦透镜组聚焦到探测器上进行检测，可以有效避免多色仪盒体内无效的光束对光谱检测模块产生光串扰。

Description

多色仪及汤姆逊散射诊断系统

技术领域

本公开涉及光谱分析技术领域，尤其涉及一种多色仪及汤姆逊散射诊断系统。

背景技术

非相干的汤姆逊散射(Thomson Scattering，TS)诊断是一种用于高温等离子体电子温度和密度测量的重要方法。它可以通过测量散射光谱的展宽从而得到电子温度信息。随着电子温度的升高，散射光谱的展宽增加。散射光的强度与电子密度成正比。但由于汤姆逊散射的微分散射截面极其小，所能产生的散射光信号非常低，因此，增加了检测的难度。

多色仪为汤姆逊散射诊断系统的关键设备之一，其作用是对极微弱光谱的测量和分析。现有的多色仪在对极弱光光谱进行检测时，周围环境中的杂散光容易进入探测器中，对检测结果产生影响，而且多个探测器统一供电，容易形成电串扰，使探测器之间相互干扰，影响探测器的正常工作。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种多色仪及汤姆逊散射诊断系统。

本公开提供了一种多色仪，包括多色仪盒体、至少两个光谱检测模块和至少两个分光模块；

多色仪盒体上开设有透光孔，待测光束通过透光孔入射到多色仪盒体内，并穿过准直透镜、第一滤波片、分光模块入射到光谱检测模块中，光谱检测模块和分光模块均设置在多色仪盒体内腔中，分光模块用于选择性透过光束中特定波长范围的光，并将未透过的光束进行反射；

光谱检测模块包括聚焦透镜组、探测器和密封壳体，聚焦透镜组和探测器均设置在密封壳体内，密封壳体一侧设有通光孔，经分光模块选择性透过的光束通过通光孔入射到聚焦透镜组后，经聚焦透镜组聚焦到探测器上进行检测。

可选的，多色仪盒体内还设有吸光部，吸光部用于将多色仪盒体内散射的无效光束进行吸收。

可选的，还包括设置在多色仪盒体内部的第一滤波片和准直透镜；

准直透镜设置在透光孔的一侧，第一滤波片设置在准直透镜远离透光孔的一侧，光束入射到多色仪盒体后，依次穿过准直透镜、第一滤波片和分光模块，并入射到光谱检测模块中。

可选的，分光模块包括中继透镜和第二滤波片；

第二滤波片设置在密封壳体的外侧，中继透镜设置在第二滤波片远离光谱检测模块的一侧，中继透镜、第二滤波片和通光孔同轴设置。

可选的，多个分光模块与多个光谱检测模块一一对应设置，形成多个光谱检测单元，多个光谱检测单元分为两组，两组光谱检测单元交错设置。

可选的，多色仪盒体内腔中还设有支撑板，支撑板上设有与通光孔配合的通孔，密封壳体设置在支撑板一侧，分光模块设置在通孔远离密封壳体的一侧，通孔与分光模块的第二滤波片之间设有密封圈。

可选的，支撑板设置数量为两个，两个支撑板平行设置，每个支撑板上分别设有一组光谱检测单元，两组光谱检测单元相对设置。

可选的，吸光部包括基板和黑化膜层；

基板设置在多色仪盒体的内壁以及两个支撑板相对的一侧，黑化膜层设置在基板上。

可选的，探测器上设有电源输入端，电源输入端穿过密封壳体，设置在密封壳体远离通光孔的一端。

可选的，多色仪还包括多个直流电源，多个光谱检测模块的探测器上的电源输入端与多个直流电源一一对应连接。

可选的，探测器的后端电路包括去耦电容(9)，去耦电容用于为探测器的APD提供瞬时电荷而保持电压恒定。

本公开还提供了一种汤姆逊散射诊断系统，包括上述的多色仪。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本公开提供的多色仪通过设置多色仪盒体、至少两个光谱检测模块和至少两个分光模块，并将光谱检测模块中的聚焦透镜组和探测器密封在密封壳体中，通光孔是光束进入光谱检测模块的唯一通道，因此，可以有效避免多色仪盒体内无效的光束对光谱检测模块产生光串扰。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例所述多色仪整体结构示意图；

图2为本公开实施例所述多色仪盒体及支撑板结构示意图；

图3为本公开实施例所述光谱检测模块结构示意图；

图4为本公开实施例所述支撑板结构示意图；

图5为本公开实施例所述探测器供电电路示意图；

图6为本公开实施例所述光谱检测模块性能测试结果示意图。

其中，1、光束；2、多色仪盒体；21、透光孔；3、准直透镜；4、第一滤波片；5、分光模块；51、中继透镜；52、第二滤波片；6、光谱检测模块；61、聚焦透镜组；62、探测器；621、APD；622、信号输出端；623、电源输入端；63、密封壳体；7、支撑板；71、通孔；72、密封圈；8、直流电源；9、去耦电容；10、第一光谱检测模块；11、电阻。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

本公开提供的一种多色仪，如图1所示，包括多色仪盒体2、至少两个光谱检测模块6和至少两个分光模块5。

多色仪盒体2具体可以为长方体或正方体结构，并且其内部形成有空腔结构，光谱检测模块6和分光模块5均设置在多色仪盒体2的内腔中。多色仪盒体2一侧设有透光孔21，待测光束1通过透光孔21入射到多色仪盒体2内腔中，并穿过分光模块5入射到光谱检测模块6中，以对待测光束1进行检测分析。

分光模块5用于透过特定波长的光束1，并将未透过的光束1进行反射，反射到下一个分光模块5上，下一个分光模块5对反射来的光束1进行选择，透过特定波长的光束1，该特定波长的光束1透过分光模块5后，入射到对应的光谱检测模块6上进行光谱检测。可选的，分光模块5中可以设置滤光片，通过滤光片对光束进行选择，滤光片根据实际检测的需要来选择特定波长的光束。其中，特定波长的波长范围为800nm-1100nm，每个多色仪盒体2可根据自身检测的需要，来进一步选择具体的波长。本实施例中两个分光模块5可以选择不同的特定波长的光束，使得每个分光模块5对应的光谱检测模块6可以根据需要检测不同波长的光束。

具体的，光谱检测模块6包括聚焦透镜组61、探测器62和密封壳体63，聚焦透镜组61和探测器62均设置在密封壳体63内，密封壳体63一侧设有通光孔，经分光模块5选择性透过的光束1通过通光孔入射到聚焦透镜组61后，经聚焦透镜组61聚焦到APD光敏面上，以对经分光模块5选择性透过的光束1进行检测。

本公开提供的多色仪通过设置多色仪盒体2、至少两个光谱检测模块6和至少两个分光模块5，并将光谱检测模块6中的聚焦透镜组61和探测器62密封在密封壳体63中，通光孔是光束1进入光谱检测模块6的唯一通道，因此，可以有效避免多色仪盒体2内无效的光束1对光谱检测模块6产生光串扰。

多色仪盒体2内还设有吸光部(图中未示出)，吸光部用于将多色仪盒体2内散射的无效光束进行吸收，防止对光谱检测模块6产生光串扰，影响光谱检测模块6的检测结果。无效光束指的是没有进入光谱检测模块6的光束1；另外，由于中继透镜51和第二滤波片52镀膜的均匀性问题可能产生漫反射或散射也会产生无效光束。

通过在多色仪盒体2内设置吸光部，使得多色仪盒体2内的无效光束1可以得到有效吸收，进一步降低了对光谱检测模块6的光串扰。

优选的，还包括设置在多色仪盒体2内部的第一滤波片4和准直透镜3。

透光孔21、准直透镜3和第一滤波片4同轴设置，准直透镜3设置在透光孔21的一侧，第一滤波片4设置在准直透镜3远离透光孔21的一侧，光束1入射到多色仪盒体2后，依次穿过准直透镜3、第一滤波片4和分光模块5，并入射到光谱检测模块6中。

准直透镜3能够将入射到多色仪盒体2内的汤姆逊散射光束1变成一束平行的准直光束1，从而使光束1能形成光路，更多的入射到光谱检测模块6上，而不会随意散射，影响光谱检测模块6的检测。第一滤波片4用于对光束1进行选择性透过，透过预设波长范围内的光束1。光束1通过透光孔21后依次穿过准直透镜3和第一滤波片4，然后入射至光谱检测模块6中进行检测。

其中，第一滤波片4具体为宽带滤波片，本实施例中的宽带滤波片可透过的光束1的波长范围为800nm-1100nm。通过设置宽带滤波片可以将入射到多色仪中的光束1进行选择性透过，仅通过所需要的波长范围的光束1，从而防止其他波长范围的光束1进入光谱检测模块6中发生光串扰。

在其他一些实施例中，也可以根据实际需要选用透过其他波长范围的宽带滤光片。

具体的，分光模块5包括中继透镜51和第二滤波片52。

第二滤波片52设置在密封壳体63的外侧，中继透镜51设置在第二滤波片52远离光谱检测模块6的一侧，中继透镜51、第二滤波片52和通光孔同轴设置。中继透镜51用于将第二滤波片52反射回来的光束1聚焦后进一步反射。

其中，第二滤波片52具体为窄带滤波片，经窄带滤光片选择性透过的光束1由聚焦透镜组61进行聚焦，通过探测器62的三维调节机构保证光束1可以聚焦到APD光敏面上。窄带滤光片作为进入光谱检测模块6的唯一的光束1入射通道，降低了光谱检测模块6的光串扰。

窄带滤波片对一定波长的光束1具有高透射率，而对其他波长的光束1具有高反射率。探测器62具体为APD探测器，其中，APD，全称Avalanche Photodiodes，为雪崩光电二极管。该APD探测器62包括APD 621和后端电路，经第二滤波片52选择性透过的光束1经聚焦透镜组61聚焦到APD探测器光敏面上，APD探测器62将光束1信号转化为电信号经电路放大后，由探测器62的信号输出端622输出。

优选的，多个分光模块5与多个光谱检测模块6一一对应设置，形成多个光谱检测单元，多个光谱检测单元分为两组，两组光谱检测单元交错设置。光束1在各个分光模块5的作用下，经分光模块5选择、反射后依次入射到各个光谱检测模块6中。

光串扰是由于进入多色仪内腔中的光束1的波长范围比第二滤波片52过透过的波长范围要宽很多，从而使得没有进入光谱检测模块6的光束1会在多色仪的内腔中往复反射或者散射，从而对光谱检测模块6造成干扰。另外光束1在多个光谱检测单元之间往复反射的过程中，由于中继透镜51和第二滤波片52镀膜的均匀性问题可能产生漫反射或散射也会产生光串扰。

本实施例中通过调整中继透镜51和第二滤波片52的角度，使得在第二滤波片52反射光束1后，中继透镜51可以将光束1进行聚焦，并反射给相对的、邻近的另一个光谱检测模块6，另一个光谱检测模块6接收到光束1后，进行选择性透过、检测，并将未透过的光束1进行反射传输至下一个光谱检测模块6，以此类推，光束1可以在中继透镜51的作用下，在多个光谱检测模块6之间实现光束1的传输。

优选的，如图2和图4所示，多色仪盒体2内腔中还设有支撑板7，支撑板7上设有与所述通光孔配合的通孔71，密封壳体63设置在支撑板7一侧，通光孔穿设在通孔71中，分光模块5设置在通孔71远离光谱检测模块6的一侧，通孔71与分光模块5的第二滤波片52之间设有密封圈72。密封圈72具体为O型密封圈72，防止第二滤波片52表面上的镀膜被损坏，影响光学性能，并能进一步避免光串扰。

具体的，如图2所示，支撑板7设置数量为两个，两个支撑板7平行设置，并具有一定间隔空间，每个支撑板7上分别设有一组光谱检测单元，两组光谱检测单元相对设置。

具体的，吸光部包括基板和黑化膜层，基板设置在多色仪盒体2的内壁以及两个支撑板7相对的一侧，黑化膜层设置在基板上。黑化膜层可以保证入射到腔体内壁的光束1不继续反射，对多色仪的腔体的无效的光束1进行吸收，经过黑化处理后，多色仪盒体2的腔体内壁上黑化消光率可以达到95％以上，使得多色仪盒体2内的无效光束1可以得到有效吸收。

优选的，黑化膜层的厚度为30μm-60μm。

优选的，基板具体可以为不锈钢材质。

在其他一些实施例中，基板还可以为铁、铜、铝、塑料等其他材质构成。吸光部还可以包括其他结构以对光束1进行吸收。

本实施例中，光谱检测模块6和分光模块5设置数量均为五个，一个分光模块5和一个光谱检测模块6对应组合设置在一起，其中靠近透光孔21一侧的支撑板7上设置两个光谱检测模块6，远离透光孔21一侧的支撑板7上设置三个光谱检测模块6。支撑板7上设有与多个光谱检测模块6配合的多个通孔71，两组光谱检测模块6交错设置，每个分光模块5上的第二滤波片52具体透过光束1的波长范围，可以根据实际需要来选择。第一滤波片4和准直透镜3设置在靠近透光孔21一侧的支撑板7上，准直透镜3设置在支撑板7靠近透光孔21的一侧，第一滤波片4设置在另一侧，支撑板7上的通孔71设置在第一滤波片4与准直透镜3之间，以保证光束1的正常传输。

光束1在传输至第二滤波片52后，通过O型密封圈72保证支撑板7的通孔71与第二滤波片52的紧密配合，防止无效光束1进入到光谱检测模块6中，避免了无效光束1对光谱检测模块6的影响。

优选的，O型密封圈72的材质为橡胶，在其他一些实施例中，密封圈72的结构也可以根据实际需要来设置，密封圈72也可以为其他能起到密封效果的材料制成。

本实施例中将每个光谱检测模块6进行全密封设计，所以降低了多个光谱检测模块6之间的光串扰。

优选的，如图3所示，探测器62上设有电源输入端623，电源输入端623穿过密封壳体63，并设置在密封壳体63远离通光孔的一端。

多色仪还包括多个直流电源8，多个光谱检测模块6上的探测器62的电源输入端623分别与多个直流电源8一一对应连接，以使直流电源8分别对探测器62独立供电。直流电源8与电阻11串联。通过采用直流电源8解耦的方式，多个探测器62单独供电，可以有效降低多个探测器62之间的电路串扰，相比于现有技术中的一台多色仪的所有的探测器62统一供电模式，单独供电可以避免在部分光谱检测模块6出现问题的情况下，其他光谱检测模块6还可以进行正常测量，提高了检测的稳定性和效率。

进一步的，如图5所示，探测器的后端电路包括去耦电容9，去耦电容9用于为探测器的APD 621提供瞬时电荷而保持电压恒定。由于进入光谱检测模块6中的光束1的持续时间为纳秒量级，采用去耦电容9为探测器62瞬时供电，相比现有的高压直接供电给全部探测器62，采用去耦电容9瞬时供电后，每个光谱检测模块6的探测器62运行更稳定并且噪声低。

为了检测多色仪检测的准确性，本实施例进行了相关实验，实验条件为多色仪真空度10^-6Pa，激光能量1J/50Hz，波长为1064nm。为了方便区分，将光束1首先入射的光谱检测模块6成为第一光谱检测模块6，第一光谱检测模块6对应的分光模块5中第二滤波片52的透过的中心波长为1064nm。如图6所示，实验结果显示，其他光谱检测模块6的电压随时间保持不变，一直在0mV附近徘徊，而第一光谱检测模块6则有明显的电压波动，其最大达到了500mV以上。由此可以看出，本实施例提供的多色仪，可以有效防止光串扰和电路串扰对光谱检测模块6的影响。

本公开还提供了一种汤姆逊散射诊断系统，包括上述的多色仪。通过在汤姆逊散射诊断系统中设置本实施例提供的多色仪，可以有效解决多色仪盒体内无效的光束对光谱检测模块6产生光串扰的问题。同时还可以在部分光谱检测模块6出现问题的情况下，其他光谱检测模块6还可以进行正常测量，提高了检测的稳定性和效率。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种多色仪，其特征在于，包括多色仪盒体(2)、至少两个光谱检测模块(6)和至少两个分光模块(5)；

所述多色仪盒体(2)上开设有透光孔(21)，待测光束(1)通过所述透光孔(21)入射到所述多色仪盒体(2)内，并穿过所述分光模块(5)入射到所述光谱检测模块(6)中，所述光谱检测模块(6)和所述分光模块(5)均设置在所述多色仪盒体(2)内腔中，所述分光模块(5)用于选择性透过所述光束(1)中特定波长范围的光，并将未透过的所述光束(1)进行反射；

所述光谱检测模块(6)包括聚焦透镜组(61)、探测器(62)和密封壳体(63)，所述聚焦透镜组(61)和所述探测器(62)均设置在所述密封壳体(63)内，所述密封壳体(63)一侧设有通光孔，经所述分光模块(5)选择性透过的所述光束(1)通过所述通光孔入射到所述聚焦透镜组(61)后，经所述聚焦透镜组(61)聚焦到所述探测器(62)上进行检测。

2.根据权利要求1所述的多色仪，其特征在于，所述多色仪盒体(2)内还设有吸光部，所述吸光部用于将所述多色仪盒体(2)内散射的无效光束进行吸收。

3.根据权利要求1所述的多色仪，其特征在于，还包括设置在所述多色仪盒体(2)内部的第一滤波片(4)和准直透镜(3)；

所述准直透镜(3)设置在所述透光孔(21)的一侧，所述第一滤波片(4)设置在所述准直透镜(3)远离所述透光孔(21)的一侧，所述光束(1)入射到所述多色仪盒体(2)后，依次穿过所述准直透镜(3)、所述第一滤波片(4)和所述分光模块(5)，并入射到所述光谱检测模块(6)中。

4.根据权利要求2所述的多色仪，其特征在于，所述分光模块(5)包括中继透镜(51)和第二滤波片(52)；

所述第二滤波片(52)设置在所述密封壳体(63)的外侧，所述中继透镜(51)设置在所述第二滤波片(52)远离所述光谱检测模块(6)的一侧，所述中继透镜(51)、所述第二滤波片(52)和所述通光孔同轴设置。

5.根据权利要求4所述的多色仪，其特征在于，多个所述分光模块(5)与多个所述光谱检测模块(6)一一对应设置，形成多个光谱检测单元，多个所述光谱检测单元分为两组，两组所述光谱检测单元交错设置。

6.根据权利要求5所述的多色仪，其特征在于，所述多色仪盒体(2)内腔中还设有支撑板(7)，所述支撑板(7)上设有与所述通光孔配合的通孔(71)，所述光谱检测模块(6)设置在所述支撑板(7)一侧，所述分光模块(5)设置在所述通孔(71)远离所述光谱检测模块(6)的一侧，所述通孔(71)与所述分光模块(5)的所述第二滤波片(52)之间设有密封圈(72)。

7.根据权利要求6所述的多色仪，其特征在于，所述支撑板(7)设置数量为两个，两个所述支撑板(7)平行设置，每个所述支撑板(7)上分别设有一组所述光谱检测单元，两组所述光谱检测单元相对设置。

8.根据权利要求6所述的多色仪，其特征在于，所述吸光部包括基板和黑化膜层；

所述基板设置在所述多色仪盒体(2)的内壁以及两个所述支撑板(7)相对的一侧，所述黑化膜层设置在所述基板上。

9.根据权利要求1所述的多色仪，其特征在于，所述探测器(62)上设有电源输入端(623)，所述电源输入端(623)穿过所述密封壳体(63)，设置在所述密封壳体(63)远离所述通光孔的一端。

10.根据权利要求9所述的多色仪，其特征在于，所述多色仪还包括多个直流电源(8)，多个所述光谱检测模块(6)的所述探测器(62)的所述电源输入端(623)与多个所述直流电源(8)一一对应连接。

11.根据权利要求10所述的多色仪，其特征在于，所述探测器(62)的后端电路包括去耦电容(9)，所述去耦电容(9)用于为所述探测器(62)的APD(621)提供瞬时电荷而保持电压恒定。

12.一种汤姆逊散射诊断系统，包括如权利要求1-11任一项所述的多色仪。

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