作為物質存（cún）在的第四種狀態的等離子體（tǐ）通常由電子（zǐ）、離子和處於基態以及各種激發態的原（yuán）子、分子等（děng）中性（xìng）粒子組成。等離子體中帶電離（lí）子間（jiān）庫倫相互作用的長程特性，是帶電粒子組分的運動狀態對等離子體特性的（de）影響起決定性作用，其中的電子是等離子體與電磁波作用過程（chéng）中最重要的能量（liàng）與動量傳遞粒子，因此，等離（lí）子體中最（zuì）重要的基本物理參數是電子密（mì）度及（jí）其分布以及描述電子能量分布的函數以及相（xiàng）應的電子溫度。而對於中（zhōng）高氣壓環境下產生的非熱（rè）低溫等離子體來說，等離子體中的（de）主要組分是處於各（gè）種激（jī）發態的（de）中性粒子，此時除了帶電粒子外，中性粒子的分布和所處狀態對等離子體電離過程和穩定性控製也起著非常重要的作用，尤其是各（gè）種長壽（shòu）命亞穩態離子的激發（fā）。

為了（le）可以充（chōng）分描（miáo）述等離子體的狀態，在實驗上不僅要對帶電粒子的（de）分布和（hé）運（yùn）動狀態（tài）進行診斷（duàn），如電子溫度、電子密度、電（diàn）離溫度等參數，還需要（yào）對等離子體中的中性粒子進行必（bì）要（yào）的實驗測量（liàng），來獲得有關物種的產（chǎn）生、能量（liàng）分布以及各個激（jī）發態布居數分布等信息，如氣體溫度、轉動溫度、振動溫度、激發溫度等參數（shù）。

基於這種要求，結合相關（guān）學科的各（gè）種技術形成了一（yī）個專（zhuān）門針對（duì）等離子體開（kāi）展診斷研（yán）究（jiū）的技術門類，如對等離子體中電子組（zǔ）分的診斷技術（shù）有（yǒu）朗繆爾探針法（Langmuir Probe），幹涉度量（liàng）法(Interferometer)，全息法(Holographic Method)，湯姆遜散射法(Thomason Scattering, TS)，發射光譜法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等，對離子組（zǔ）分的光譜診（zhěn）斷技（jì）術有光腔衰（shuāi）減震蕩(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和發射光譜法(OES)，而對中性粒子的光譜診斷技術包括了（le）吸收光譜法(Absorption Spectroscopy, AS)，發射光譜法(OES)，單光子（zǐ）或者雙光子激光誘導熒光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等（děng）。

二、湯姆遜散射（Thomson Scattering）

基於激光技術發展起來的湯姆遜散射診斷原本（běn）用於（yú）高溫聚變等離子體的測量，借助激光技術和光電探測技術的突飛猛進，湯姆遜散射在近年也大量應用於低溫等（děng）離子體（tǐ）的密度和電子溫度的測量。湯姆遜散（sàn）射具有空間分辨率高（局域測量），測量值穩（wěn）定可靠等優點。

測（cè）量的物理量：

• 電子溫度：下限0.1e
• 密度：下限1019m-3.

圖1. 湯姆遜散射分（fèn）析係統結構示意圖

2.1、激光束在等離子體中的束斑大小（束徑DLP）

激光束（shù）經過透（tòu）鏡聚焦，等離（lí）子體應該位於透鏡的焦點，以達（dá）到激光束（shù）在等離子體中有（yǒu）最小的束徑，最高的（de）功率（lǜ）密度。

DLP = f´q

其中f是聚焦透鏡的（de）焦距，q是激光束（shù）發（fā）散角，考慮（lǜ）各種綜合因素，實際束徑是上述公式的2倍左右。假設使用f=1000mm的聚（jù）焦透（tòu）鏡和q=0.5mrad的激光束，DLP大約是1mm。

2.2、收集光學係統的（de）光纖（xiān）的像斑（bān）（fP）與等離子體中激光束徑DLP的匹配

為了有效的收集激光束上的散射光子，光纖的像斑fP應該完全覆蓋激光的束徑。理想情況是光（guāng）纖的像（xiàng）斑與DLP尺寸（cùn）完全相同，並且二者完全重合（hé），這樣激（jī）光的散射光最大，同時背景非散射光最小（xiǎo）。但是考慮到實際的準直的難度，這樣的理想條件在有限的資金投入下很難實現。建議fP是DLP的兩倍，既能有效（xiào）的收集散射光子，也能比較容易準直。如果（guǒ）DLP =1mm, fP =2mm是比較合適的。

2.3、光纖的芯徑、布局和光譜儀以及ICCD的選擇

湯姆遜散射譜（pǔ）線展寬與溫（wēn）度的關係如（rú）下：

湯姆遜散射角度 Theta=90度；me是電子質量，c是光速，kB是玻爾茲曼常數（shù），公（gōng）式右邊分母下麵（miàn）：是激光的波長 532nm；分子是譜線展寬，不過是1/e展寬

因此（cǐ）湯姆遜散射光譜的半（bàn）高（gāo）寬△λ1/e（nm）與等（děng）離子體溫度Te（ev）的關係可以（yǐ）簡化為：

△λ1/e=1.487×Te1/2

表1. 電子溫度與湯姆遜散射譜半高寬對應值

在（zài）光譜儀沒（méi）有（yǒu）入射狹（xiá）縫或者入射狹縫寬度超過光纖的芯徑的情況下，光纖的芯徑實際決定了（le）譜儀的（de）實際分辨率（儀器展寬）：

△λof  = fof ´ LSP

fof是光纖的芯徑，LSP是譜儀的倒線色散率。

針對於此應用，可以考慮選擇兩款光譜儀，分別是：

1、Zolix 北京（jīng）www.91光儀器有限公司的Omni係列 750mm的譜儀，如果使用1200l/mm的光（guāng）柵，LSP = 1nm/mm。測（cè）量電子溫度的（de）原則是儀器展寬應該與最低溫度的展（zhǎn）寬相當（dāng），才能有效的測量到最低溫度。

2、選用207（670mm焦距）光譜儀，在搭配1200l/mm光柵的情況下，LSP=1.24nm/mm，可以滿足要求。同時可以考慮搭配1800l/mm光柵，這樣的話可以（yǐ）兼容高電子溫（wēn）度和低電子溫度的同時測量，以及同時兼顧（gù）高分（fèn）辨和（hé）寬光譜。

原則上（shàng），使用芯徑400mm的光纖，△λof=0.4-0.48nm，完全符合0.1eV的測量要求。但是（shì）還是建議譜儀安裝入射狹縫，靠狹縫來控製分辨率，不僅確保0.1 eV的測量要（yào）求，還能實現更低的溫度測量。同時在調試階段，靠狹縫來控製通光量（liàng），以免532nm的激光雜散光太強，對ICCD造（zào）成破壞。

另一方麵ICCD的尺寸決定了光纖的排（pái）布數量。光纖數（shù）量越多，對湯姆遜（xùn）散（sàn）射這種微弱光測量（liàng）是越有利的。在信（xìn）號很弱的時候，可以把幾道合成一道使用，以增（zēng）加信噪比，提高信號質量。因此在波長覆蓋範圍（wéi）（CCD的橫向尺（chǐ）寸）滿足要求的情況下，ICCD的縱向尺寸應該（gāi）盡量（liàng）大（dà）一些，以便容（róng）納更多的光纖（xiān）。

1. 選用iStar 334T探測器，這款CCD的尺寸是13.3 ´ 13.3 mm，對焦（jiāo）距目（mù）前的光譜儀無論是Omni-750還是207在搭配1200l/mm光柵的情況下，波長覆蓋範圍是（shì）13nm左右，同時縱向13.3mm，容（róng）納的光纖數量也更多，可以做更（gèng）多的多道光（guāng）譜。
2. 如果已有更大麵陣的CCDsCMOS或高（gāo）速相機，可（kě）以考慮使用Zolix www.91光（guāng）的IIM係列鏡頭耦合像增強模組與之（zhī）配合，達到類似ICCD的功能和效果，同時獲得更大的相機選取自由度；IIM 內（nèi）部可以選擇25mm 尺寸的增（zēng）強器，1：1耦合到CCD, 可以獲得更大的成像麵，雙層增（zēng）強器也可以獲得更（gèng）高的增益；

光纖的（de）布局是一字型密集排布，在13mm的長度內，盡量的密（mì）布盡可能多的光纖。同時光（guāng）纖應該嚴格排列（liè）在一條直線上，整排光（guāng）纖的偏心距小於20mm。

2.4、收集（jí）透鏡的選（xuǎn）擇

等離子體中心到透鏡的距離（lí）L和光纖的芯徑，及像（xiàng）斑（bān）決定了收集透鏡的焦距。舉例如下：如果像斑要求是fP =2mm，光纖芯徑400mm, 則（zé）物像比是4，如果L=320mm, 則透鏡的焦距就是320/4=80mm。同時如果觀測的等離子體範圍是（shì）50mm，那光纖一字排開的範圍就（jiù）是50mm/4=12.5mm。這個寬度和連接譜儀一側的光纖束的尺寸很（hěn）接近了，連接收集透（tòu）鏡一側（cè）光纖也應該是密集排布，這樣兩端容納的光纖數量就是匹配的。

2.5、瑞利散射的濾除（chú）與使用

瑞利散射信號（hào）通常也可以用來測試重粒子的相關信息比如（rú）中性原子。

但是相比於瑞利散（sàn）射法來說，作為彈性散射的湯（tāng）姆（mǔ）遜散射法更多（duō）用於自由電子的（de）測試。和離（lí）子與（yǔ）原子相比，由於自由電子的速度更快，質量更輕，因此具備更寬的（de）光譜展（zhǎn）寬。比較強的雜散（sàn）光信號與更強的瑞利散（sàn）射信號則可以通過例如（rú）布儒斯特（tè）窗、籠式結構或者黑絲擋板的方（fāng）式濾除掉。

圖2 濾除瑞利散射的（de）籠式結構示意光路

因此在實際的（de）測試過程中，如（rú）何合理地使用這些信（xìn）號為等（děng）離子體診斷服務，則是（shì）另一個相關的（de）話題。

如圖3[1]所示，為（wéi）實際測（cè）試過程中得到的瑞利與湯姆遜（xùn）散射信號

如圖（tú）4[2]所示，為實際測試（shì）過程中得到的濾除（chú）瑞利散射後的（de）湯姆遜散射信號

圖3 包含瑞利散射（shè）與湯姆（mǔ）遜散射的實測信號

圖（tú）4 濾除瑞利散射後的湯姆遜信號

2.6其他附屬部件

• 光電倍增管
• 譜儀第二出射（shè）口配寬度可調的狹縫（féng）
• 三維調整光學（xué）支架，用以調節鏡頭的方位和方向（xiàng）

三、整體解決（jué）方案匯總推薦（jiàn）

根據（jù）用戶（hù）需求，一般推薦的配置如下：

1. 光譜儀：

• Zolix 北京（jīng）www.91光儀器有限公司的Omni-500I 或750i光譜儀搭配1200l/mm和1800l/mm的全息光柵

• 高光（guāng）通量光譜儀，搭配120*140mm 或110*110mm 的大尺寸，高分辨率的1200l/mm光柵和1800l/mm光柵
• ICCD, 18mm 增（zēng）強（qiáng）器，13*13mm 探測麵；

2. ISCMOS像增強型相機：

• ISCMOS, 18mm 增強（qiáng）器，13*13mm 探（tàn）測麵；
• 科學級（jí）製冷型IsCMOS
• 18/25mm 大口（kǒu）徑二代高效像增強器
• 光譜響應範圍：S20 光陰極，200-850nm
• 光學快門： <3ns
• 延（yán）遲與門控（kòng）精度：10ps
• 增強器陰極門控最高同（tóng）步頻率 300kHz;
• 內置時序（xù）控製器DDG
• 耦合方式：1:1 光纖麵板耦合
• sCMOS 芯片： 高分辨2048*2048陣列
• 位（wèi）深： 16bit
• 製冷溫（wēn）度：室溫減35度
• 最快幀速： 35fps.
• 專業化數據采集控製（zhì）軟件

• Zolixwww.91光 公司（sī）的IIM-A係列 鏡頭耦合像增強模組，配合更大麵陣的（de）CCD或sCMOS相機， 18mm或25mm 的（de）大麵積增強器，靈活的CCD 相機選擇； 

3. DG645數字延遲脈衝發生（shēng）器：用於係統觸發（fā）控製

4. 標準A光源，用於係統強度校準（zhǔn）
5. 其他的配件：包括多道光纖，收集光路，可以（yǐ）後續一並考慮，先購買標準部件

參考文獻

[1] Yong WANG, Cong LI, Jielin SHI, et al. Measurement of electron density and electron temperature of a cascaded arc plasma using laser Thomson scattering compared to an optical emission spectroscopic approach[J]. Plasma Sci. Technol. 19 (2017) 115403 (8pp) 

[2] Ma P, Su M, Cao S, et al. Influence of heating effect in Thomson scattering diagnosis of laser-produced plasmas in air[J]. Plasma Science and Technology, 2020.