JP3160622B2 - Plasma temperature distribution measuring method and apparatus - Google Patents

Plasma temperature distribution measuring method and apparatus

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JP3160622B2
JP3160622B2 JP24631498A JP24631498A JP3160622B2 JP 3160622 B2 JP3160622 B2 JP 3160622B2 JP 24631498 A JP24631498 A JP 24631498A JP 24631498 A JP24631498 A JP 24631498A JP 3160622 B2 JP3160622 B2 JP 3160622B2
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temperature distribution
line spectrum
intensity
parallel component
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進 塚本
義一 浅井
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科学技術庁金属材料技術研究所長
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この出願の発明は、プラズマ
温度分布測定方法および装置に関するものである。さら
に詳しくは、この出願の発明は、大出力レーザを用いた
加工技術やプラズマプロセシングなどの高精度、高性能
化に有用な、プラズマの二次元または三次元温度分布を
極短時間で計測することのできる、新しいプラズマ温度
分布測定方法および装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma temperature distribution measuring method and apparatus. More specifically, the invention of this application is to measure the two-dimensional or three-dimensional temperature distribution of plasma in a very short time, which is useful for high precision and high performance such as processing technology using a high power laser and plasma processing. And a new method and apparatus for measuring plasma temperature distribution.

【0002】[0002]

【従来の技術とその課題】近年、大出力レーザを用いた
鋼溶接などの加工技術が、高性能・高機能な新しい構造
材料の実現を図るべく、盛んに研究、開発されている。
しかしながら、図10に例示したように、レーザ(1
1)を鋼等の材料(12)に照射すると材料(12)上
の照射部分にプラズマ(10)が発生するが、このレー
ザ誘起プラズマ(10)の発生は、使用するレーザ(1
1)の大出力化に伴って非常に著しくなってきており、
このプラズマ(10)中でレーザ(11)が吸収され、
溶け込み深さが極端に減少したり、プラズマ(10)の
激しい変動によって種々の欠陥が誘発されてしまうとい
った問題があった。
2. Description of the Related Art In recent years, processing techniques such as steel welding using a high-power laser have been actively studied and developed in order to realize new structural materials having high performance and high functionality.
However, as illustrated in FIG.
When the material (12) such as steel is irradiated with the (1), a plasma (10) is generated in an irradiated portion on the material (12). The generation of the laser-induced plasma (10) depends on the laser (1) used.
It has become very remarkable with the large output of 1),
The laser (11) is absorbed in the plasma (10),
There are problems that the penetration depth is extremely reduced, and various defects are induced by a severe fluctuation of the plasma (10).

【0003】したがって、プラズマの状態を計測し、溶
接現象等に及ぼす影響を把握して、加工品質の向上を図
ることが非常に重要である。特に、プラズマの温度分布
は、加工品質や加工現象に対して多大な影響を及ぼす。
プラズマの温度を計測する方法としては、従来より、プ
ローブ法、分光法、散乱法、伝搬法等が一般によく知ら
れている。
[0003] Therefore, it is very important to measure the state of the plasma, to understand the influence on the welding phenomenon and the like, and to improve the processing quality. In particular, the plasma temperature distribution has a great influence on the processing quality and processing phenomena.
As a method for measuring the temperature of plasma, a probe method, a spectroscopic method, a scattering method, a propagation method, and the like are generally well known.

【0004】しかしながら、いずれの方法も、プラズマ
の単なる温度計測としては有用であるものの、温度の二
次元および三次元的な分布を求めるには計測位置を二次
元および三次元的に複雑に操作しなければならず、この
操作が多大な時間を要するため、時間変動の激しいプラ
ズマの温度分布を求めることが非常に困難であった。そ
こで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであり、従来技術の問題点を解消し、時間変
動の激しいプラズマの温度分布を二次元および三次元的
に、非常に短い時間で、且つ正確に測定することのでき
る、新しいプラズマ温度分布測定方法および装置を提供
することを目的としている。
[0004] However, any of these methods is useful as a simple temperature measurement of plasma, but in order to obtain a two-dimensional and three-dimensional distribution of the temperature, the measurement position must be manipulated in a two-dimensional and three-dimensional manner. Since this operation requires a long time, it has been very difficult to obtain the temperature distribution of the plasma, which has a large time variation. Therefore, the invention of this application has been made in view of the circumstances described above, and solves the problems of the prior art. It is an object of the present invention to provide a new plasma temperature distribution measuring method and apparatus capable of performing accurate measurement in a short time.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、プラズマの温度分布を測
定する方法であって、プラズマから発光する平行成分光
のうち、プラズマ構成元素の励起原子またはイオンによ
り放射される輝線スペクトルを分光器を用いて取り出
し、この輝線スペクトルのみで構成された輝線スペクト
ル画像を結像し、この輝線スペクトル画像の強度分布か
らプラズマの温度分布を算出することを特徴とするプラ
ズマ温度分布測定方法(請求項1)を提供し、この方法
において、絶対強度法を用いて輝線スペクトル画像の強
度分布から温度分布を算出すること(請求項2)や、プ
ラズマから発光する平行成分光を複数に分割し、これら
平行成分光それぞれのうち、プラズマ構成元素の励起原
子またはイオンにより放射される互いに異なる波長の輝
線スペクトルそれぞれで構成された輝線スペクトル画像
を同時に取得し、これらの輝線スペクトル画像それぞれ
における各位置の強度の相対比からプラズマの温度分布
を算出すること(請求項3)や、相対強度法を用いて強
度の相対比から温度分布を算出すること(請求項4)
や、色収差補正レンズと互いに直交する一組のスリット
スリットまたはピンホールとを用い、色収差補正レンズ
に入射したプラズマ像を、色収差補正レンズの焦点に配
置された互いに直交する一組のスリットまたはピンホー
ルに入射させることにより、プラズマから発光する平行
成分光を取り出すこと(請求項5)や、輝線スペクトル
画像を撮像すること(請求項)などをその態様として
提供する。
Means for Solving the Problems The present invention is directed to a method for measuring the temperature distribution of plasma, which solves the above-mentioned problems. Extract emission line spectra emitted by excited atoms or ions using a spectrometer
And, imaging the bright line spectrum image composed only this bright line spectrum, a plasma temperature distribution measurement method characterized by calculating a plasma temperature distribution from the intensity distribution of the bright line spectrum image (claim 1) In this method, the temperature distribution is calculated from the intensity distribution of the emission line spectrum image using the absolute intensity method (Claim 2), or the parallel component light emitted from the plasma is divided into a plurality of pieces, and Among them, simultaneously obtain emission line spectrum images composed of emission line spectra of different wavelengths emitted by excited atoms or ions of the plasma constituent elements, and obtain the plasma from the relative ratio of the intensity of each position in each of these emission line spectrum images. Calculating the temperature distribution (claim 3) or using the relative intensity method to calculate the temperature from the relative ratio of the intensity. Calculating the distribution (claim 4)
Alternatively, using a chromatic aberration correcting lens and a set of slit slits or pinholes orthogonal to each other, the plasma image incident on the chromatic aberration correcting lens is converted to a set of orthogonal slits or pinholes arranged at the focal point of the chromatic aberration correcting lens. The present invention provides, as its modes, taking out parallel component light emitted from the plasma by injecting the light into the plasma (Claim 5), and capturing a bright line spectrum image (Claim 6 ).

【0006】また、この出願の発明は、プラズマの温度
分布を測定する装置であって、平行成分光取出手段、輝
線スペクトル取出手段としての分光器、輝線スペクトル
画像取得手段、および演算手段が備えられており、平行
成分光取出手段によりプラズマから発光する平行成分光
が取り出され、分光器によりプラズマ構成元素の励起原
子またはイオンにより放射される輝線スペクトルが平行
成分光から取り出され、輝線スペクトル画像取得手段に
より輝線スペクトルのみで構成された輝線スペクトル画
像が求められ、演算手段により輝線スペクトル画像の強
度分布からプラズマの温度分布が算出されることを特徴
とするプラズマ温度分布測定装置(請求項)も提供
し、この装置において、絶対強度法を用いて輝線スペク
トル画像の強度分布から温度分布が算出されること(請
求項)や、分割手段が備えられており、この分割手段
によりプラズマから発光される平行成分光が複数に分割
され、一または複数の輝線スペクトル取出手段によりプ
ラズマ構成元素の励起原子またはイオンにより放射され
る互いに異なる波長の輝線スペクトルそれぞれが各平行
成分光から別々に取り出され、一または複数の輝線スペ
クトル画像取得手段により各輝線スペクトルそれぞれで
構成される輝線スペクトル画像が同時に求められ、演算
手段により各輝線スペクトル画像それぞれにおける各位
置の強度の相対比からプラズマの温度分布が算出される
こと(請求項)や、相対強度法を用いて強度の相対比
から温度分布が算出されること(請求項10)や、平行
成分光取出手段として色収差補正レンズと互いに直交す
る一組のスリットまたはピンホールとが備えられてお
り、色収差補正レンズに入射したプラズマ像が、色収差
補正レンズの焦点に配置された互いに直交する一組のス
リットまたはピンホールに入射されて、プラズマ像の平
行成分光が取り出されること(請求項11)や、輝線ス
ペクトル画像を撮像する撮像手段が備えられていること
(請求項12)などをその態様としている。
Further, the invention of this application is an apparatus for measuring the temperature distribution of plasma, comprising a parallel component light extracting means, a spectroscope as a bright line spectrum extracting means, a bright line spectrum image acquiring means, and a calculating means. Parallel component light emitted from the plasma is extracted by the parallel component light extraction means, and the emission line spectrum emitted by the excited atoms or ions of the plasma constituent elements is extracted from the parallel component light by the spectroscope, and the emission line spectrum image acquisition means A plasma temperature distribution measuring device (claim 7 ) is also provided, wherein a bright line spectrum image composed only of the bright line spectrum is obtained by the calculation, and a plasma temperature distribution is calculated from the intensity distribution of the bright line spectrum image by the calculating means. In this device, the intensity distribution of the emission line spectrum image is calculated using the absolute intensity method. (Claim 8 ), and a splitting means is provided. The splitting means splits the parallel component light emitted from the plasma into a plurality of pieces, and outputs one or a plurality of bright line spectrum extracting means. Emission line spectra of different wavelengths emitted by excited atoms or ions of plasma constituent elements are separately extracted from each parallel component light, and emission line spectrums constituted by each emission line spectrum by one or more emission line spectrum image acquisition means. The images are obtained simultaneously, and the temperature distribution of the plasma is calculated from the relative ratio of the intensity at each position in each of the bright line spectral images by the arithmetic means (Claim 9 ), or from the relative ratio of the intensity using the relative intensity method. the temperature distribution is calculated (claim 10) and the chromatic aberration correction les as parallel component light extraction means And a pair of slits or pinholes orthogonal to each other are provided, and the plasma image incident on the chromatic aberration correction lens is incident on a pair of orthogonal slits or pinholes disposed at the focal point of the chromatic aberration correction lens. In this case, the parallel component light of the plasma image is extracted (claim 11 ), and an imaging means for capturing a bright line spectrum image is provided (claim 12 ).

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとお
り、プラズマから発光する平行成分光のうち、プラズマ
構成元素の励起原子またはイオンにより放射される輝線
スペクトルのみで構成された輝線スペクトル画像を結像
し、この輝線スペクトル画像の強度部分からプラズマの
温度分布を算出することを特徴とするものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, the invention of this application provides a bright line spectrum image composed only of bright line spectra emitted by excited atoms or ions of plasma constituent elements among parallel component light emitted from plasma. An image is formed, and the temperature distribution of the plasma is calculated from the intensity portion of the bright line spectrum image.

【0008】より具体的には、たとえば、プラズマから
発光する平行成分光を取り出し、この平行成分光から、
プラズマ構成元素の励起原子またはイオンにより放射さ
れる輝線スペクトルを取り出し、この輝線スペクトルの
みで描かれる輝線スペクトル画像を結像し、この輝線ス
ペクトル画像内の輝度分布から輝線スペクトルの強度分
布を求め、この強度分布から、たとえば公知の絶対強度
法を用いてコンピュータなどによりプラズマの二次元ま
たは三次元の温度分布を高精度、且つ高速に算出するこ
とができる。
More specifically, for example, parallel component light emitted from plasma is extracted, and from this parallel component light,
The emission line spectrum emitted by the excited atoms or ions of the plasma constituent elements is taken out, an emission line spectrum image drawn only with the emission line spectrum is formed, and the intensity distribution of the emission line spectrum is obtained from the luminance distribution in the emission line spectrum image. From the intensity distribution, for example, a two-dimensional or three-dimensional temperature distribution of the plasma can be calculated with high accuracy and high speed by a computer or the like using a known absolute intensity method.

【0009】また、たとえば、プラズマから発光する平
行成分光を複数に分割し、これら平行成分光それぞれか
ら、プラズマ構成元素の励起原子またはイオンにより放
射される互いに異なる波長の輝線スペクトルを別々に取
り出し、各輝線スペクトルそれぞれで構成された輝線ス
ペクトル画像を同時に取得し、これらの輝線スペクトル
画像それぞれにおける各位置の強度の相対比からプラズ
マの温度分布を算出するようにしてもよく、この場合に
は、たとえば公知の相対強度法を用いてコンピュータな
どによりプラズマ温度分布を二次元または三次元的に優
れた精度で、且つ極短時間で算出することができる。
Further, for example, the parallel component light emitted from the plasma is divided into a plurality of parts, and the emission line spectra of different wavelengths emitted by the excited atoms or ions of the plasma constituent elements are separately extracted from each of the parallel component lights. A bright line spectrum image composed of each bright line spectrum may be obtained at the same time, and the plasma temperature distribution may be calculated from the relative ratio of the intensity at each position in each of the bright line spectrum images. In this case, for example, The plasma temperature distribution can be calculated in a two-dimensional or three-dimensional manner with excellent accuracy and in a very short time by a computer or the like using a known relative intensity method.

【0010】図1は、プラズマ像を二つに分割する場合
のこの発明の方法に従った測定構成またはこの発明の測
定装置の一例を示した要部構成図である。たとえばこの
図1に示した測定装置では、プラズマ像(1)は、平行
成分取出手段としての色収差補正レンズ(2)に入射し
た後に、分割手段として備えられたビームスプリッタ
(3)によって2方向に分けられている。
FIG. 1 is a main configuration diagram showing an example of a measurement configuration or a measurement apparatus according to the present invention when a plasma image is divided into two. For example, in the measuring apparatus shown in FIG. 1, a plasma image (1) is incident on a chromatic aberration correcting lens (2) as a parallel component extracting means, and is then transmitted in two directions by a beam splitter (3) provided as a dividing means. Divided.

【0011】分割されたプラズマ像(1)は、各々、各
光路に配設された反射ミラー(4)を介して、二つの分
光器(5)それぞれの入射スリット(51)に入射され
る。この入射スリット(51)は、互いに直交する一組
のスリットによりなり、色収差補正レンズ(2)ととも
に平行成分取出手段を構成しており、色収差補正レンズ
(2)の焦点に配置されているため、プラズマ像(1)
から発光する平行成分光のみを取り出すことができる。
なお、このような入射スリット(51)の代わりに、た
とえばピンホールを用いても、平行成分光のみを取り出
すことができる。
Each of the divided plasma images (1) is incident on each of the entrance slits (51) of the two spectroscopes (5) via the reflection mirrors (4) arranged on each optical path. The entrance slit (51) is composed of a set of slits orthogonal to each other, and constitutes a parallel component extracting means together with the chromatic aberration correction lens (2). Since the entrance slit (51) is arranged at the focal point of the chromatic aberration correction lens (2), Plasma image (1)
, It is possible to extract only the parallel component light emitted from.
It should be noted that only the parallel component light can be extracted by using, for example, a pinhole instead of the incident slit (51).

【0012】次いで、各平行成分光は、輝線スペクトル
取出手段である分光器(5)内に導かれ、一方の分光器
(5)によってプラズマ構成元素である励起原子または
イオンにより放射されるある特定の波長を有する輝線ス
ペクトルが取り出され、他方の分光器(5)によってプ
ラズマ構成元素である励起原子またはイオンにより放射
されるある特定の波長を有する輝線スペクトルが取り出
される。これらの輝線スペクトルは、それぞれ励起原子
およびイオンのエネルギー準位に起因した互いに異なる
波長を有している。
Next, each parallel component light is guided into a spectroscope (5), which is an emission line spectrum extracting means, and is emitted by one of the spectroscopes (5) by excited atoms or ions which are plasma constituent elements. And the other spectroscope (5) takes out a bright line spectrum having a specific wavelength emitted by excited atoms or ions that are plasma constituent elements. These emission line spectra have different wavelengths due to the energy levels of the excited atoms and ions, respectively.

【0013】この分光器(5)は、たとえば、図2に例
示したような構造を有するものとすることができる。す
なわち、図2の例では、入射スリット(51)を介して
入射されたプラズマ平行成分光は分光器(5)内に配設
された凹面鏡(53)によって平行光とされ、平面鏡
(54)を介してグレーティング(55)に照射され
る。このグレーティング(55)は平行光を波長に応じ
て分散するものであり、その角度調整によって、ある特
定な波長の光のみを選別することができる。つまり、プ
ラズマ構成元素の励起原子またはイオンにより放射され
る互いに異なる固有の波長を持った輝線スペクトルをそ
れぞれ選別することができる。そして、選別された輝線
スペクトルは、凹面鏡(54)によって出射スリット
(52)に集光され、出射される。
The spectroscope (5) may have, for example, a structure as illustrated in FIG. That is, in the example of FIG. 2, the parallel plasma component light incident through the entrance slit (51) is converted into parallel light by the concave mirror (53) provided in the spectroscope (5), and the plane mirror (54) The light is applied to the grating (55) through the light source. The grating (55) disperses the parallel light according to the wavelength, and by adjusting the angle thereof, it is possible to select only light having a specific wavelength. That is, it is possible to select the emission line spectra having different unique wavelengths emitted by the excited atoms or ions of the plasma constituent elements. Then, the selected bright line spectrum is condensed by the concave mirror (54) to the exit slit (52) and exits.

【0014】もちろん、分光器(5)の構造は、上述し
た図2の例に限定されるものではなく、プラズマ構成元
素の励起原子またはイオンからの輝線スペクトルを取り
出す機能が実現できるものであればよい。また、図1に
示した例では分光器(5)が二つ用いられているが、平
行成分光から各輝線スペクトルを別々に分解して出射す
ることのできる分光器(5)を一つのみ用いることもで
きる。さらに、互いに異なる波長の輝線スペクトルを三
つ以上選別するなどの場合によっては三つ以上の分光器
(5)を用いる。
Of course, the structure of the spectroscope (5) is not limited to the example shown in FIG. 2 as long as it can realize the function of extracting the emission line spectrum from the excited atoms or ions of the plasma constituent elements. Good. Although two spectrometers (5) are used in the example shown in FIG. 1, only one spectrometer (5) capable of separately decomposing each emission line spectrum from the parallel component light and emitting the same is provided. It can also be used. Further, three or more spectroscopes (5) are used in some cases such as selecting three or more bright line spectra having different wavelengths.

【0015】上述したように取り出された各々特定の波
長を有する輝線スペクトルは、輝線スペクトル画像取得
手段として各分光器(5)の出射側に配設された射出レ
ンズ(6)を通りイメージインテンシファイアー(7)
受光面に結像され、光強度が増幅されて、各々により描
かれた二次元の輝線スペクトル画像が同時に得られる。
The emission line spectra having the specific wavelengths extracted as described above pass through an exit lens (6) disposed on the exit side of each spectroscope (5) as an emission line spectrum image acquiring means, and the image intensity is increased. Fire (7)
An image is formed on the light receiving surface, the light intensity is amplified, and a two-dimensional bright line spectrum image drawn by each is simultaneously obtained.

【0016】ここで、図1に示した例では、各輝線スペ
クトル画像はCCDカメラ(8)により撮像される。こ
の二次元輝線スペクトル画像はコンピュータ(9)や別
体の記憶媒体に記憶させておくことができる。撮像手段
には、CCDカメラ(8)だけでなく、ビデオ撮影機や
フィルムカメラ等も用いられる。そして、演算手段とし
てのコンピュータ(9)により、たとえば、各輝線スペ
クトル画像の二次元輝度分布から二次元強度分布が得ら
れ、この二次元強度分布から、公知の方法、たとえば温
度分布が軸対称と仮定することができる場合にはアーベ
ル変換、または軸対称と仮定することができない場合に
はCT法などを用いて三次元の強度分布が解析されて、
この三次元プラズマ強度分布が公知の方法により三次元
のプラズマ温度分布に変換される。プラズマ像(1)を
分割した場合の図1の例では、公知の方法に従って、た
とえば各輝線スペクトル画像の三次元強度分布それぞれ
における各位置の強度の相対比からプラズマの三次元の
温度分布が算出される。この算出は、たとえば公知の相
対強度法を用いて算出することができる。
Here, in the example shown in FIG. 1, each bright line spectrum image is picked up by a CCD camera (8). This two-dimensional bright line spectrum image can be stored in the computer (9) or a separate storage medium. As the imaging means, not only a CCD camera (8) but also a video camera or a film camera is used. Then, for example, a two-dimensional intensity distribution is obtained from the two-dimensional luminance distribution of each bright-line spectrum image by the computer (9) as the calculating means. If it can be assumed, the three-dimensional intensity distribution is analyzed using the Abel transform or the CT method if it cannot be assumed to be axisymmetric,
This three-dimensional plasma intensity distribution is converted into a three-dimensional plasma temperature distribution by a known method. In the example of FIG. 1 in which the plasma image (1) is divided, for example, the three-dimensional temperature distribution of the plasma is calculated from the relative ratio of the intensity at each position in the three-dimensional intensity distribution of each bright line spectrum image according to a known method. Is done. This calculation can be performed using, for example, a known relative intensity method.

【0017】なお、プラズマ像(1)を分割しない場合
には、図1に例示した測定装置において、ビームスプリ
ッタ(3)が必要なく、分光器(5)、射出レンズ
(6)、イメージインテンシファイアー(7)、CCD
カメラ(8)はそれぞれ一つだけでよい。また、図3
は、プラズマ像(1)を分割しない、つまりプラズマか
ら発光する平行成分光を複数に分割しない場合におけ
る、この発明の一例を示した要部構成図である。
When the plasma image (1) is not divided, the spectroscope (5), the exit lens (6), and the image intensity do not need the beam splitter (3) in the measuring apparatus illustrated in FIG. Fire (7), CCD
Only one camera (8) is required. FIG.
FIG. 2 is a main part configuration diagram showing an example of the present invention when the plasma image (1) is not divided, that is, when the parallel component light emitted from the plasma is not divided into a plurality.

【0018】この図3に例示した測定装置では、上述し
た図1の測定装置における色収差補正レンズ(2)の代
りに、二つの色収差補正レンズ(14)とピンホール
(15)から構成される公知のテレセントリック光学系
(13)が備えられており、このテレセントリック光学
系(13)によって平行成分光が取り出されるようにな
っている。そして、取り出された平行成分光はフィール
ドレンズ(16)により入射スリット(51)に集光さ
れて分光器(5)に入射される。この分光器(5)で
は、プラズマ構成元素である励起原子またはイオンの一
方による輝線スペクトルが取り出され、次いで、この輝
線スペクトルで構成された輝線スペクトル画像が、上述
した図1の測定装置と同様にして射出レンズ(6)およ
びイメージインテンシファイアー(7)により得られ
る。
In the measuring device illustrated in FIG. 3, a known chromatic aberration correcting lens (14) and a pinhole (15) are used instead of the chromatic aberration correcting lens (2) in the measuring device of FIG. The telecentric optical system (13) is provided, and parallel component light is extracted by the telecentric optical system (13). Then, the extracted parallel component light is condensed on the entrance slit (51) by the field lens (16) and is incident on the spectroscope (5). In the spectroscope (5), an emission line spectrum by one of the excited atoms or ions, which are plasma constituent elements, is taken out. Then, an emission line spectrum image constituted by this emission line spectrum is obtained in the same manner as in the above-described measuring apparatus of FIG. And an exit lens (6) and an image intensifier (7).

【0019】そして、この輝線スペクトル画像の強度分
布から、公知の方法に従ってプラズマ温度分布が二次元
または三次元的に算出される。ここでは、三次元強度分
布からの三次元温度分布への変換は絶対強度法が用いら
れる。なお、上述のように得られた三次元強度分布か
ら、その断面を取ることにより二次元の温度分布を得る
ことができ、また二次元強度分布から直接二次元の温度
分布を得ることもできる。
From the intensity distribution of the bright line spectrum image, a plasma temperature distribution is calculated two-dimensionally or three-dimensionally according to a known method. Here, the conversion from the three-dimensional intensity distribution to the three-dimensional temperature distribution uses an absolute intensity method. Note that a two-dimensional temperature distribution can be obtained by taking a cross section of the three-dimensional intensity distribution obtained as described above, or a two-dimensional temperature distribution can be directly obtained from the two-dimensional intensity distribution.

【0020】このようなこの発明は、プラズマから発光
する平行成分光のうち、プラズマ構成元素の励起原子ま
たはイオンにより放射される輝線スペクトルを二次元画
像として取得することで、輝線スペクトル強度の二次元
分布を容易に得ることができるので、後はこの強度の二
次元分布を用いてコンピュータ等により上述した各種の
公知演算方法に従った演算を行なうだけで、たとえば数
10μから数10ms程の極短時間で、且つ優れた精度
で、変動の激しいプラズマの二次元または三次元温度分
布の計測が可能となる。さらにまた、この温度分布を高
速度撮影することにより、高時間分解能で温度分布の変
化を知ることも可能である。
According to the present invention, the two-dimensional emission line spectrum intensity is obtained by acquiring, as a two-dimensional image, the emission line spectrum emitted by the excited atoms or ions of the plasma constituent elements from the parallel component light emitted from the plasma. Since the distribution can be easily obtained, only the calculation according to the above-mentioned various known calculation methods is performed by a computer or the like using the two-dimensional distribution of the intensity. It is possible to measure a two-dimensional or three-dimensional temperature distribution of a plasma with a large fluctuation in time and with excellent accuracy. Furthermore, by photographing this temperature distribution at a high speed, it is possible to know a change in the temperature distribution with high time resolution.

【0021】なお、平行成分光取出手段、輝線スペクト
ル取出手段、輝線スペクトル画像取得手段は、それぞれ
の機能を果たすことができれば、上述した例に限定され
るものではない。以下、添付した図面に沿って実施例を
示し、この発明の実施の形態についてさらに詳しく説明
する。
The parallel component light extracting means, the bright line spectrum extracting means, and the bright line spectrum image acquiring means are not limited to the above examples as long as they can fulfill their respective functions. Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings, and embodiments of the present invention will be described in further detail.

【0022】[0022]

【実施例】(実施例1)一般溶接構造用鋼SM490
を、レーザ出力5kW、溶接速度50cm/min、ア
シストガス流量40L/min(Ar)の条件下でCO
2 レーザ溶接を行なった際に形成されたプラズマの温度
分布を、図1に例示したこの発明によって測定した。
(Example 1) Steel SM490 for general welding structure
Under the conditions of a laser output of 5 kW, a welding speed of 50 cm / min, and an assist gas flow rate of 40 L / min (Ar).
The temperature distribution of the plasma formed when performing the two laser welding was measured according to the present invention illustrated in FIG.

【0023】分割されたプラズマから発光する平行成分
光それぞれのうち、プラズマ構成元素Arの励起原子
(ArI )およびイオン(ArII)により放射される互
いに異なる波長の輝線スペクトルを取り出し、各々の輝
線スペクトルで描かれた二次元輝線スペクトル画像を、
高感度のCCDカメラ(8)により同時に撮像し、記録
した。励起原子(ArI )からの輝線スペクトルの波長
は696.5nm、イオン(ArII)からの輝線スペク
トルの波長は480.7nmであり、本実施例において
は分光器(5)によるこれら輝線スペクトルの波長分解
能は1nm以下であった。
From each of the parallel component lights emitted from the divided plasma, emission line spectra of different wavelengths emitted by the excited atoms (ArI) and ions (ArII) of the plasma constituent element Ar are extracted, and the respective emission line spectra are obtained. The drawn two-dimensional emission line spectrum image,
Images were taken and recorded simultaneously by a high-sensitivity CCD camera (8). The wavelength of the emission line spectrum from the excited atom (ArI) is 696.5 nm, and the wavelength of the emission line spectrum from the ion (ArII) is 480.7 nm. In this embodiment, the wavelength resolution of these emission line spectra by the spectroscope (5) is used. Was 1 nm or less.

【0024】そして、コンピュータ(9)により、アー
ベル変換を用いて各輝線スペクトル画像の二次元強度分
布から三次元強度分布を算出し、この三次元強度分布か
ら、相対強度法の一種であるArII/ArI 2線強度比
法を用いてプラズマの二次元温度分布を算出した。一
方、プラズマから発光する平行成分光を分割しない場合
についても、前述したようにプラズマ温度分布を測定し
た。励起原子(ArI )による輝線スペクトルで構成さ
れた輝線スペクトル画像を結像し、この輝線スペクトル
画像の二次元強度分布から、アーベル変換により三次元
強度分布を算出し、さらに三次元強度分布から、絶対強
度法の一種であるオフアキシス最大放射計数法を用いて
プラズマの三次元温度分布を算出した。
Then, a computer (9) calculates a three-dimensional intensity distribution from the two-dimensional intensity distribution of each emission line spectral image using Abel transform, and, based on the three-dimensional intensity distribution, an ArII / The two-dimensional temperature distribution of the plasma was calculated using the ArI two-line intensity ratio method. On the other hand, when the parallel component light emitted from the plasma was not split, the plasma temperature distribution was measured as described above. An emission line spectrum image composed of emission line spectra by excited atoms (ArI) is imaged, a three-dimensional intensity distribution is calculated from the two-dimensional intensity distribution of this emission line spectrum image by Abel transform, and further, an absolute value is calculated from the three-dimensional intensity distribution. The three-dimensional temperature distribution of the plasma was calculated using the off-axis maximum radiation counting method, which is a kind of intensity method.

【0025】その結果、プラズマから発光する平行成分
光を分割し、ArII/ArI 2線強度比法を用いた場
合、およびプラズマから発光する平行成分光を分割せ
ず、オフアキシス最大放射計法を用いた場合は共に、
互いに良く一致した高精度の三次元温度分布を極短時間
で得ることができた。(実施例2)本実施例2では、図
3に例示した測定装置を用いてプラズマの温度分布を測
定した例を示す。
[0025] As a result, divides the parallel component light emitted from the plasma, in the case of using the ARII / ArI 2-wire intensity ratio method, and without dividing the parallel component light emitted from the plasma, the off-axis maximum radiation counting method When used together,
A high-precision three-dimensional temperature distribution that matched well with each other was obtained in an extremely short time. (Embodiment 2) In Embodiment 2, an example in which the temperature distribution of plasma is measured using the measuring apparatus illustrated in FIG. 3 will be described.

【0026】図3の測定装置において、テレセントリッ
ク光学系(13)を構成するピンホール(15)は直径
3mmとし、分光器(5)は焦点距離277nmのもの
であり、波長分解能約1nmでプラズマ発光中の特定な
輝線スペクトルのみを選別できる。また、CCDカメラ
(8)は1280×1024ピクセルのものである。こ
のような装置を用いて、レーザ出力5kW、溶接速度
8.3mm/s、Arシールドガス流量40L/min
のもとで材料(12)に対してCO2 レーザ溶接を行な
い、このときに発生するプラズマの輝線スペクトル画像
を10msの高速で取り込み、プラズマの温度分布を計
測した。
In the measuring apparatus shown in FIG. 3, the pinhole (15) constituting the telecentric optical system (13) has a diameter of 3 mm, the spectroscope (5) has a focal length of 277 nm, and emits plasma with a wavelength resolution of about 1 nm. Only a specific bright line spectrum in it can be selected. The CCD camera (8) has 1280 × 1024 pixels. Using such a device, a laser output of 5 kW, a welding speed of 8.3 mm / s, and an Ar shielding gas flow rate of 40 L / min.
The material (12) was subjected to CO 2 laser welding under the conditions described above, and a bright line spectrum image of the plasma generated at this time was captured at a high speed of 10 ms, and the temperature distribution of the plasma was measured.

【0027】図4(a)は、レーザ溶接時に形成された
プラズマ像の一例を示した図面に代わる写真である。こ
の図4(a)に例示したようなプラズマ像からの平行成
分光のうち、プラズマ構成元素Arの励起原子(ArI
)により放射される波長696.5nmの輝線スペク
トルを取り出し、この輝線スペクトルの二次元画像を結
像した。図4(b)は、この輝線スペクトル画像の一例
を示した図面に代わる写真である。
FIG. 4A is a photograph instead of a drawing showing an example of a plasma image formed during laser welding. In the parallel component light from the plasma image as exemplified in FIG. 4A, the excited atoms (ArI
), A bright line spectrum having a wavelength of 696.5 nm was extracted, and a two-dimensional image of the bright line spectrum was formed. FIG. 4B is a photograph replacing a drawing showing an example of the bright line spectrum image.

【0028】そして、本実施例2では、この輝線スペク
トル画像の強度分布から、オフアキシス最大放射計数法
を用いてプラズマの温度分布を求める。この場合では、
まず、図5に例示したようにArI輝線スペクトル強度
の積分値(図中斜線部)でスペクトル強度を評価する必
要がある。そこで、始めに、図6に例示したように、分
光器(5)の入射スリット(51)のスリット幅を0.
1mmに固定し、出射スリット(52)のスリット幅に
対するArI輝線スペクトル強度の増加率が一定となる
0.3mmを出射スリット(52)のスリット幅に設定
すると共に、この波長近辺で計測したバックグランド強
度を差し引くことにより積分強度を求めた。図7は、図
4(b)の輝線スペクトル画像から得られた材料(1
2)から高さ6mmの位置におけるArI輝線スペクト
ルの二次元強度分布を例示したものである。次いで、こ
の二次元強度分布をアーベル変換することにより局所に
おける強度分布に変換し、さらにプラズマが局所熱平衡
状態にあると仮定して二次元温度分布を求め、このよう
な二次元温度分布の取得をビーム軸方向の各位置で行な
うことにより三次元温度分布を解析した。この解析に要
した時間は約10msであった。図8および図9は、各
々、得られた二次元温度分布および三次元温度分布の一
例を示したものであり、これらからわかるように、約1
0msの極短時間でも、高精度の二次元または三次元の
温度分布を得ることができている。
In the second embodiment, the temperature distribution of the plasma is obtained from the intensity distribution of the emission line spectrum image by using the off-axis maximum radiation counting method. In this case,
First, as illustrated in FIG. 5, it is necessary to evaluate the spectrum intensity based on the integrated value of the ArI emission line spectrum intensity (the shaded portion in the diagram). Therefore, first, as illustrated in FIG. 6, the slit width of the entrance slit (51) of the spectroscope (5) is set to 0.
The slit width of the exit slit (52) is fixed at 0.3 mm, which is fixed at 1 mm, and the increase rate of the spectral intensity of the ArI emission line with respect to the slit width of the exit slit (52) is constant. The integrated intensity was determined by subtracting the intensity. FIG. 7 shows the material (1) obtained from the emission spectrum image of FIG.
FIG. 2 illustrates a two-dimensional intensity distribution of an ArI emission line spectrum at a position 6 mm in height from 2). Next, this two-dimensional intensity distribution is converted into a local intensity distribution by performing an Abel transform, and further, a two-dimensional temperature distribution is obtained assuming that the plasma is in a local thermal equilibrium state. Three-dimensional temperature distribution was analyzed by performing at each position in the beam axis direction. The time required for this analysis was about 10 ms. FIGS. 8 and 9 show examples of the obtained two-dimensional temperature distribution and three-dimensional temperature distribution, respectively.
A very accurate two-dimensional or three-dimensional temperature distribution can be obtained even in an extremely short time of 0 ms.

【0029】そして、約10msの間隔でこのような温
度分布を高速度撮影することにより、プラズマ温度分布
の時間的変動を高時間分解能で取得することができる。
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではな
く、細部については様々な態様が可能であることは言う
までもない。
By photographing such a temperature distribution at a high speed at intervals of about 10 ms, it is possible to obtain a temporal variation of the plasma temperature distribution with a high temporal resolution.
Of course, the present invention is not limited to the above-described example, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明は、
時間変動の激しいプラズマの温度分布を二次元および三
次元的に、非常に短い時間で、且つ正確に測定すること
ができ、プラズマ形成現象の基礎的な解析に非常に有用
であるばかりでなく、高時間分解能での温度分布のモニ
ターも可能であるため、プラズマを積極的に制御するた
めの制御信号としても有効に活用できる。
As described in detail above, the present invention provides
It is possible to measure the temperature distribution of the plasma with rapid time variation two-dimensionally and three-dimensionally, in a very short time and accurately, and it is very useful for basic analysis of plasma formation phenomena, Since the temperature distribution can be monitored with high time resolution, it can be effectively used as a control signal for positively controlling the plasma.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明のプラズマ温度分布測定方法に従った
測定構成またはこの発明の測定装置の一例を示した要部
構成図である。
FIG. 1 is a main part configuration diagram showing an example of a measurement configuration according to a plasma temperature distribution measurement method of the present invention or a measuring apparatus of the present invention.

【図2】分光器の一例を示した要部構成図である、FIG. 2 is a main configuration diagram showing an example of a spectroscope.

【図3】この発明のプラズマ温度分布測定方法に従った
測定構成またはこの発明の測定装置の別の一例を示した
要部構成図である。
FIG. 3 is a main part configuration diagram showing another example of a measurement configuration according to the plasma temperature distribution measurement method of the present invention or a measuring apparatus of the present invention.

【図4】(a)(b)は、各々、プラズマ像および輝線
スペクトル画像の一例を示した図面に代わる写真であ
る。
FIGS. 4 (a) and 4 (b) are photographs instead of drawings showing examples of a plasma image and a bright line spectrum image, respectively.

【図5】波長と輝線スペクトル相対強度との関係を例示
した図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a wavelength and a relative intensity of a bright line spectrum;

【図6】出射スリット幅とArI輝線スペクトル相対強
度との関係を例示した図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the exit slit width and the relative intensity of the ArI emission line spectrum.

【図7】ArI輝線スペクトルの二次元強度分布の一例
を示した図である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of a two-dimensional intensity distribution of an ArI emission line spectrum.

【図8】プラズマの二次元温度分布の一例を示した図で
ある。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a two-dimensional temperature distribution of plasma.

【図9】プラズマの三次元温度分布の一例を示した図で
ある。
FIG. 9 is a diagram showing an example of a three-dimensional temperature distribution of plasma.

【図10】レーザ照射によるプラズマの発生例を示した
概念図である。
FIG. 10 is a conceptual diagram showing an example of generation of plasma by laser irradiation.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 プラズマ像 2 色収差補正レンズ 3 ビームスプリッタ 4 反射ミラー 5 分光器 51 入射スリット 52 出射スリット 53 凹面鏡 54 平面鏡 55 グレーティング 56 凹面鏡 6 射出レンズ 7 イメージインテンシファイアー 8 CCDカメラ 9 コンピュータ 10 プラズマ 11 レーザ 12 材料 13 エレセントリック光学系 14 色収差補正レンズ 15 ピンホール 16 フィールドレンズ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma image 2 Chromatic aberration correction lens 3 Beam splitter 4 Reflecting mirror 5 Spectroscope 51 Incident slit 52 Exit slit 53 Concave mirror 54 Planar mirror 55 Grating 56 Concave mirror 6 Ejection lens 7 Image intensifier 8 CCD camera 9 Computer 10 Plasma 11 Laser 12 Material 13 Electric lens system 14 Chromatic aberration correction lens 15 Pinhole 16 Field lens

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 プラズマの温度分布を測定する方法であ
って、プラズマから発光する平行成分光のうち、プラズ
マ構成元素の励起原子またはイオンにより放射される輝
線スペクトルを分光器を用いて取り出し、この輝線スペ
クトルのみで構成された輝線スペクトル画像を結像し、
この輝線スペクトル画像の強度分布からプラズマの温度
分布を算出することを特徴とするプラズマ温度分布測定
方法。
1. A method for measuring a temperature distribution of a plasma, wherein, among parallel component lights emitted from the plasma, an emission line spectrum emitted by excited atoms or ions of a plasma constituent element is taken out using a spectroscope, and Bright line spec
Imaging the bright line spectrum image composed only vector,
A plasma temperature distribution measuring method, wherein a plasma temperature distribution is calculated from the intensity distribution of the bright line spectrum image.
【請求項2】 絶対強度法を用いて輝線スペクトル画像
の強度分布から温度分布を算出する請求項1のプラズマ
温度分布測定方法。
2. The plasma temperature distribution measuring method according to claim 1, wherein the temperature distribution is calculated from the intensity distribution of the emission line spectrum image using an absolute intensity method.
【請求項3】 プラズマから発光する平行成分光を複数
に分割し、これら平行成分光それぞれのうち、プラズマ
構成元素の励起原子またはイオンにより放射される互い
に異なる波長の輝線スペクトルそれぞれで構成された輝
線スペクトル画像を同時に取得し、これらの輝線スペク
トル画像それぞれにおける各位置の強度の相対比からプ
ラズマの温度分布を算出する請求項1のプラズマ温度分
布測定方法。
3. The parallel component light emitted from the plasma is divided into a plurality of parallel component lights, and among these parallel component lights, emission lines composed of emission line spectra having different wavelengths emitted by excited atoms or ions of the plasma constituent elements. 2. The plasma temperature distribution measuring method according to claim 1, wherein a spectrum image is simultaneously obtained, and a plasma temperature distribution is calculated from a relative ratio of the intensity at each position in each of these bright line spectrum images.
【請求項4】 相対強度法を用いて強度の相対比から温
度分布を算出する請求項3のプラズマ温度分布測定方
法。
4. The plasma temperature distribution measuring method according to claim 3, wherein a temperature distribution is calculated from a relative ratio of intensity using a relative intensity method.
【請求項5】 色収差補正レンズと互いに直交する一組
のスリットまたはピンホールとを用い、色収差補正レン
ズに入射したプラズマ像を、色収差補正レンズの焦点に
配置された互いに直交する一組のスリットまたはピンホ
ールに入射させることにより、プラズマから発光する平
行成分光を取り出す請求項1ないし4のプラズマ温度分
布測定方法。
5. Using a chromatic aberration correcting lens and a set of slits or pinholes orthogonal to each other, a plasma image incident on the chromatic aberration correcting lens is converted to a set of orthogonal slits or a pair of slits arranged at the focal point of the chromatic aberration correcting lens. 5. The method of measuring a plasma temperature distribution according to claim 1, wherein parallel component light emitted from the plasma is extracted by being incident on a pinhole.
【請求項6】 輝線スペクトル画像を撮像する請求項1
ないしのいずれかのプラズマ温度分布測定方法。
6. The method according to claim 1, wherein a bright line spectrum image is taken.
Any one of the plasma temperature distribution measuring methods according to any one of the first to fifth aspects.
【請求項7】 プラズマの温度分布を測定する装置であ
って、平行成分光取出手段、輝線スペクトル取出手段
しての分光器、輝線スペクトル画像取得手段、および演
算手段が備えられており、平行成分光取出手段によりプ
ラズマから発光する平行成分光が取り出され、分光器
よりプラズマ構成元素の励起原子またはイオンにより放
射される輝線スペクトルが平行成分光から取り出され、
輝線スペクトル画像取得手段により輝線スペクトルのみ
で構成された輝線スペクトル画像が求められ、演算手段
により輝線スペクトル画像の強度分布からプラズマの温
度分布が算出されることを特徴とするプラズマ温度分布
測定装置。
7. An apparatus for measuring a temperature distribution of plasma, comprising: a parallel component light extracting means, an emission line spectrum extracting means .
Spectrometer and, bright line spectrum image acquiring means, and calculating means are provided, parallel component light is taken out of the light emitting from the plasma by parallel component light extraction means, a plasma constituent elements than <br/> spectroscope The emission line spectrum emitted by the excited atoms or ions is extracted from the parallel component light,
A plasma temperature distribution measuring apparatus characterized in that a bright line spectrum image composed of only a bright line spectrum is obtained by a bright line spectrum image acquiring means and a plasma temperature distribution is calculated from an intensity distribution of the bright line spectrum image by an arithmetic means.
【請求項8】 絶対強度法を用いて輝線スペクトル画像
の強度分布から温度分布が算出される請求項のプラズ
マ温度分布測定装置。
8. The plasma temperature distribution measuring apparatus according to claim 7 , wherein the temperature distribution is calculated from the intensity distribution of the emission line spectrum image using an absolute intensity method.
【請求項9】 分割手段が備えられており、この分割手
段によりプラズマから発光される平行成分光が複数に分
割され、一または複数の輝線スペクトル取出手段により
プラズマ構成元素の励起原子またはイオンにより放射さ
れる互いに異なる波長の輝線スペクトルそれぞれが各平
行成分光から別々に取り出され、一または複数の輝線ス
ペクトル画像取得手段により各輝線スペクトルそれぞれ
で構成される輝線スペクトル画像が同時に求められ、演
算手段により各輝線スペクトル画像それぞれにおける各
位置の強度の相対比からプラズマの温度分布が算出され
る請求項のプラズマ温度分布測定装置。
9. A splitting means is provided, the splitting means splits parallel component light emitted from plasma into a plurality of pieces, and radiates by one or more emission line spectrum extracting means by excited atoms or ions of plasma constituent elements. Each of the emission line spectra having different wavelengths is separately extracted from each parallel component light, and an emission line spectrum image composed of each emission line spectrum is obtained at the same time by one or more emission line spectrum image obtaining means. 8. The plasma temperature distribution measuring apparatus according to claim 7 , wherein the temperature distribution of the plasma is calculated from the relative ratio of the intensity at each position in each of the bright line spectrum images.
【請求項10】 相対強度法を用いて強度の相対比から
温度分布が算出される請求項のプラズマ温度分布測定
装置。
10. The plasma temperature distribution measuring apparatus according to claim 9 , wherein a temperature distribution is calculated from a relative ratio of intensity using a relative intensity method.
【請求項11】 平行成分光取出手段として色収差補正
レンズと互いに直交する一組のスリットまたはピンホー
ルとが備えられており、色収差補正レンズに入射したプ
ラズマ像が、色収差補正レンズの焦点に配置された互い
に直交する一組のスリットまたはピンホールに入射され
て、プラズマ像の平行成分光が取り出される請求項
いし10のいずれかのプラズマ温度分布測定装置。
11. A chromatic aberration correcting lens and a pair of slits or pinholes orthogonal to each other are provided as parallel component light extracting means, and a plasma image incident on the chromatic aberration correcting lens is arranged at a focal point of the chromatic aberration correcting lens. The plasma temperature distribution measuring apparatus according to any one of claims 7 to 10 , wherein the laser beam is incident on a pair of slits or pinholes orthogonal to each other and a parallel component light of the plasma image is extracted.
【請求項12】 輝線スペクトル画像を撮像する撮像手
段が備えられている請求項ないし11のいずれかのプ
ラズマ温度分布測定装置。
12. Any of the plasma temperature distribution measurement apparatus of claims 7 imaging means is provided for imaging a line spectrum image 11.
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