汤姆逊散射等离子体诊断

汤姆逊散射信号的高灵敏度成像

本说明书描述了安多星DH734-18U-63增强CCD相机(ICCD)在光谱系统中作为探测器进行汤姆逊散射(TS)的功能。将激光散射技术应用于表面等离子体。典型的参数是在20毫巴的氩气环境下吸收功率为50瓦。这通常导致电子密度(ne)为5·1019 m-3，电子温度(Te)为1.1 eV。

图1:a)设置汤姆逊散射，

汤姆逊散射是电离气体中的自由电子对光子的散射。由于散射光子的数量密度及其光谱分布直接关系到重要的等离子体性质，如ne和Te，它是等离子体诊断中最重要的技术之一。然而，入射的激光束也与束缚电子相互作用，产生瑞利或拉曼散射光。在探测过程中，我们必须将这些光子与汤姆逊散射的光子区分开来。结合激光或侧束在真空容器上反射产生的假杂散光的收集，使得TS技术要求非常高。此外，TS是一种主动的诊断方法，因此必须仔细监测诊断激光束对等离子体本身的影响。尽管有这些要求，TS有一个独特的特点，即它不依赖于对等离子体平衡状态的假设。在直接探测ne和Te时，准确率达到5%。

本研究的TS实验是在表面活性剂诱导等离子体上进行的。这增加了另一个实验难度。等离子体被安置在一个狭窄的石英管中，这大大增加了杂散光的数量。此外，与其他散射和杂散机制相比，TS信号通常具有非常低的强度。汤姆逊截面为s = 6.7·10-29 m-2，这意味着在典型等离子体中，只有10-15个入射激光光子到达探测系统。为了克服这一点，使用了配备Andor star ICCD相机的三光栅摄谱仪(TGS)2。通过这种设置，我们实现了低检测极限和高杂散光抑制。

图1b)激光对大气压等离子体散射的典型结果

图1a示意显示了TGS的设计。前两个光栅和一个物理掩模形成陷波滤波器，以阻挡中心激光波长，而第三个光谱仪解决实际光谱信息。后者被记录在相机上。在典型的表面加速器等离子体条件下，光子是非相干的散射，这意味着电子对激光电场独立响应。

当ICCD的水平方向收集光谱信息时，相机的第二维用于获得空间分辨率测量。iStar中的CCD传感器具有1024 x 1024 x 13 m像素。结合光学装置，这将导致50 μ m的空间分辨率，这是一个非常有利的特征，以研究等离子体的空间分布。因此，我们能够用一帧图像在高时空精度下确定等离子体的性质2。根据规格，相机抖动低于0.1 ns。然而，我们系统中的抖动是由激光决定的，低于5 ns。此外，相机的线性度允许使用整个动态强度范围。

如上所述，等离子体源是一个surftron。微波通过放置在石英管周围的发射器耦合到等离子体中。对于低压应用，可以设置一个控制的压万博电脑网页版登录力，对于大气条件，管是开放的。发射腔产生表面波，形成一个空间扩展的等离子体柱3。整个等离子体装置可在轴向和径向移动。对于TS，沿管轴方向排列了一个频率为532 nm、能量为0.1 J、重复频率为10 Hz的倍频Nd:YAG激光器。这样，完整的诊断在空间上是稳定的，原则上不需要校准，而等离子体可以移动，以探测完整的等离子体体积。记录ICCD相机由激光触发，这样等离子体只能在激光脉冲的短时间内观察到。这意味着几乎没有等离子体光被记录下来。

图2:a)利用ICCD相机系统汤姆逊散射得到的Surfatron等离子体的EEDF。不能检测到能量高于7.5 eV的电子。b)从Surfatron低压等离子体放电柱末端的汤姆逊散射光的三维表现。

经过仔细的校准程序，我们得到了如图1b所示的图像。它显示了彩色编码散射光子强度作为波长(横坐标)和轴向位置(纵坐标)的函数。在532 nm激光波长处，由于TGS的滤波作用，可以清楚地看到中心倾角的强度。在图片的顶部和底部可以看到周围空气中的拉曼散射光子，因为该图像是在大气条件下记录的。拉曼光谱(见1b的上半部分)用于图像4的绝对强度校准。在垂直中心区域可以看到不同的强度分布，即汤姆逊散射光子的强度分布。信号的总强度与ne成正比。分布是一个高斯形状，在图1b的上半部分也可以看到。这种形状反映了电子的多普勒展宽。这样就得到了一维的速度分布。 We can plot the TS signal in a semi-log scale as a function of the wavelength-shift squared and make a linear fit. An example of that is shown in figure 2a. If this fitting is successful, we can safely assume to observe a Maxwellian distribution where the slope (or the Gaussian width in non-log plot) determines Te in the following way:

Te = mec2/8kBsin2(f/2) (??1/e/?i

在我们的例子中

(f = p/2， ?i = 532 nm): Te = 538 ?1 / e 2 K。

图2a中由TS得到的能量分布函数的例子强调了整个设置的整体灵敏度是多么重要。灵敏度越好，检测到的高能电子就越多。前6 eV的线性拟合噪声非常小。这表明由暗电流和杂散光产生的噪声非常小。另一方面，总检测限是重要的。我们检测到ne值下降到1018 m-3的空间分辨率。TGS的杂散光抑制能力和相机的噪声对检测限有很大的影响。背景的减法过程允许抑制杂散光。然而，低噪声相机的使用大大增强了这一点。

放电结束的空间结构如图2b所示，以及等离子体的时间行为可以被揭示。一个复杂的杂散光和激光抑制装置使我们能够记录放电图像，同时显示空间和光谱信息的汤姆逊散射光子3,5。由于激光系统和光学探测分支分离，我们可以很容易地研究各种小型等离子体源，并对它们进行空间分辨率研究。特别有趣的是较冷的大气压等离子体，其良好的空间分辨率尤其令人感兴趣，因为这些等离子体的梯度可以在0.1毫米左右。

参考文献

1) M. Moisan, Z. Zakrzewski, R. Pantel，一种产生长等离子体柱的高效表面波发射装置(surfatron)的理论和特性，J.物理学报。D:。物理学报(1979)219-237。

2) M.J. van de Sande，激光在低温等离子体中的散射，高分辨率和杂散光抑制，博士论文，艾恩德霍芬理工大学(2008)

3) H. Schlüter, A. Shivarova，行波持续放电，物理学报。众议员443(2007)121-255。

4) N. de Vries, J. m . Palomares, W.J. van Harskamp, E. Iordanova, G.M.W. Kroesen, J.J.A.M. van der Mullen，氩气中低压面波持续等离子体的汤姆逊散射测量，J.物理学报。D:。物理学报41(2008)105209。

5) J.M. Palomares, E. Iordanova, E. m . van Veldhuizen, L. Baede, A. Gamero, A. Sola, J.J.A.M. van der Mullen，中压氩气表面等离子体的Thomson散射:电子温度和电子密度的轴向分布，光谱学报(2010)225-233。

联系

j.j.a.m. van der Mullen教授
气体排放的基本过程
应用物理系
埃因霍温理工大学
5600 MB埃因霍温
荷兰

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