來(lái)源

等離子體光譜

從等離子體內部發(fā)出的從紅外到真空紫外波段的電磁輻射譜。它攜帶了大量有關(guān)等離子體復雜的原子過(guò)程的信息。利用光譜學(xué)的原理和實(shí)驗技術(shù)，并借助于等離子體的理論模型，測量分析等離子體光譜，對于等離子體的研究是有重要意義的。

包括

美國利曼Leeman Prodigy

等離子體光譜主要是線(xiàn)狀譜和連續譜。線(xiàn)狀譜是等離子體中的中性原子、離子等由其高能級的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能級時(shí)所產(chǎn)生的，單個(gè)粒子發(fā)射的譜線(xiàn)強度主要決定于:①原子或離子的外層電子處于上能級的幾率,②這種電子從上能級躍遷到下能級的躍遷幾率，③光子在逸出等離子體之前被再吸收的幾率。但譜線(xiàn)的總強度與電子和離子的密度和溫度有關(guān)，每條譜線(xiàn)有它自己的強度分布規律，因此從譜線(xiàn)強度的測量，結合理論模型和上述光譜中的原子數據，可以得到電子、離子的密度、溫度等信息。根據多普勒效應，從譜線(xiàn)波長(cháng)的移動(dòng)可確定等離子體的宏觀(guān)運動(dòng)速度。連續譜是電子在其他粒子的勢場(chǎng)中被加速或減速而產(chǎn)生的。從連續光譜強度的測量，也可得到電子密度、溫度等數據。

變化

等離子體光譜

隨著(zhù)等離子體溫度的升高，如到達10度以上，原子的外層電子逐漸被剝落，形成各種離子態(tài)的離子，如CⅣ、CⅤ、OⅥ、NⅤ、FeⅪⅩ、TiⅪⅩ（Ⅰ為中性原子，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、…為失去 1、2、3、…個(gè)外層電子的離子）等。這些高次電離的離子，其線(xiàn)狀譜大都處在遠紫外波段。連續譜的情形，也是隨著(zhù)溫度的升高，其發(fā)射強度的極大值往短波方向移動(dòng)。對于高溫等離子體，如目前聚變高溫等離子體，其工作物質(zhì)是氫及其同位素氘和氚，但不可避免地會(huì )含有一些雜質(zhì)，如C、O、Fe、Ti、Mo、W等元素，溫度已達10度以上，這些雜質(zhì)離子的光譜大部分是在真空紫外及 X射線(xiàn)波段。分析這些較重雜質(zhì)的高次電離譜線(xiàn)的出現時(shí)間和位置，比較它們的強度，對這樣高的溫度的等離子體的參量測量、輸運過(guò)程和等離子體的輻射損失等的研究都是很重要的。尤其是對類(lèi)氫、類(lèi)氦離子的譜線(xiàn)強度的分析，更為有用，因為對于這些離子的原子數據較為完全。

形狀

等離子體光譜

等離子體光譜的另一個(gè)重要方面，是譜線(xiàn)的形狀或輪廓。光譜線(xiàn)并不是“線(xiàn)”，而是有一定寬度的輪廓。在等離子體光譜中，譜線(xiàn)增寬的機制較復雜，其中有兩個(gè)因素比較重要，就是多普勒效應和斯塔克效應。等離子體中的各種粒子處于無(wú)規熱運動(dòng)狀態(tài)，它們相對于觀(guān)察者具有各種方向和大小的速度，就會(huì )產(chǎn)生多普勒頻移，因此，所發(fā)射的光譜線(xiàn)不再是“線(xiàn)”，而是按波長(cháng)的某種分布，即譜線(xiàn)“變寬”了，這就是多普勒增寬。多普勒增寬同離子速度分布有關(guān)，如這種離子的速度呈麥克斯韋分布，則與其離子溫度有關(guān)。用多普勒增寬測量高溫等離子體中的離子溫度是一種常用的方法，離子溫度可用下式計算： ，

式中k為玻耳茲曼常數，Ti為離子溫度，A為所測原子或離子的原子量，墹λ為譜線(xiàn)輪廓在半高度處的寬度。計算時(shí)要扣除其他因素引起的增寬。

效應

另一個(gè)重要效應是斯塔克效應。等離子體中的每個(gè)發(fā)光粒子都處于其他粒子所帶電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)的作用，這個(gè)粒子所發(fā)射的光譜發(fā)生分裂，這就是斯塔克效應。分裂情況同等離子體中的粒子密度有關(guān)。帶電粒子產(chǎn)生的微觀(guān)電場(chǎng)是復雜的，引起各式各樣的斯塔克分裂，疊加的結果，使光譜線(xiàn)變寬，形成斯塔克增寬。在溫度較低(幾個(gè)電子伏)、密度較高（大于10τm ）的等離子體中，常用斯塔克增寬來(lái)測量電子密度。的斯塔克增寬理論較為完整，理論指出這類(lèi)斯塔克增寬譜線(xiàn)輪廓的半高全寬度與成正比，Ne為等離子體的電子密度。

聚變裝置的高溫等離子體往往處于強磁場(chǎng)中，會(huì )引起光譜線(xiàn)分裂，這就是光譜學(xué)中熟知的塞曼效應。在一些大型聚變裝置中，磁場(chǎng)強度為幾個(gè)特斯拉(T),分裂正比于磁場(chǎng)強度B和波長(cháng)λ的二次方的乘積，如

，

時(shí)，則塞曼分裂

。根據譜線(xiàn)塞曼分裂的大小可推算等離子體中的磁場(chǎng)強度。

輻射

如上所述，測量等離子體的輻射，如譜線(xiàn)強度、譜線(xiàn)輪廓以及譜線(xiàn)的分裂、位移等后，就可以得到等離子體的一些參量，如等離子體成分、溫度、密度等。這方面的工作構成等離子體光譜診斷學(xué)，是等離子體診斷學(xué)的一個(gè)重要組成部分。

相關(guān)知識

特點(diǎn)

光學(xué)系統：全新豎式光室設計，全封閉驅氣型，采用精密溫控恒溫系統，高能量中階梯光柵石英棱鏡交叉色散內光路，波長(cháng)和級次二維色散，所有光學(xué)元件均使用全反射球面鏡，保證高光通量和低圖象失真。

光柵：采用超高分辨干涉刻制技術(shù)，52.91條/mm，63.5?閃耀角

棱鏡：交叉色散，采用雙通過(guò)設計確保成像質(zhì)量，9.5?角，超純紫外熔融石英

波長(cháng)覆蓋：

全波長(cháng)覆蓋，Al 167.120nm測試可獲得更高紫外靈敏度，對于K 766.490nm和Na 818.326nm長(cháng)波同樣性能優(yōu)異

焦距： 383nm，緊湊型光室

分辨率

0.007nm在200nm處的光學(xué)分辨率，采用大衍射角高的光譜級次，在短焦距下可獲得高分辨率

光路：驅氣型光室，可以是氬氣或者氮氣，驅氣量

分鐘，典型1L/分鐘即可獲得優(yōu)異的紫外性能，特別對于A(yíng)s和P的測定。外光路設計，對于垂直炬可選擇觀(guān)測高度，對于雙向炬可選擇觀(guān)測方式

波長(cháng)校準：采用C、N和Ar線(xiàn)自動(dòng)波長(cháng)校準程序，確保長(cháng)期波長(cháng)穩定性

光室恒溫：

精密光室恒溫，恒溫速度小于20分鐘檢測器

新一代RACID86電荷注入式檢測器（CID）是高性能的固體成像系統。熱電的CID是能夠傳輸高反差/低噪音圖象的加強型電荷傳輸器件，它可以對分析范圍內的所有波長(cháng)進(jìn)行定性定量，而決無(wú)電荷溢出（Blooming）現象。

檢測器模式：隨機讀取積分（RAI）

經(jīng)選擇的分析波長(cháng)以最佳信噪比的方式同時(shí)積分，這樣光所產(chǎn)生的電荷量可以保持在CID的線(xiàn)性范圍內。它是利用了CID所獨有的非破壞性讀取(NDRO) 功能而獲得的。NDRO 允許觀(guān)測任意曝光點(diǎn)的任何像數單元上的信號。在這種方式下，像數與像數之間的讀出頻率隨著(zhù)發(fā)射強度的實(shí)時(shí)觀(guān)測而各不相同，因而得到最寬的動(dòng)態(tài)范圍線(xiàn)性。

陣列尺寸： 291,600個(gè)獨立尋址檢測單元，

陣列連續覆蓋所有可用波長(cháng)

像數尺寸：

量子化效率： 200nm紫外區可達65%以上

石英窗：前置成角度封閉式石英窗，提高CID可靠性并降低雜散光

檢測器冷卻：高效三級半導體制冷，制冷溫度-45℃，冷卻時(shí)間小于3分鐘，氣體和冷卻水安全連鎖

等離子體觀(guān)測：

觀(guān)測方式

垂直觀(guān)測：等離子體使用高效氟化鎂涂層鏡子以垂直模式直接觀(guān)測。入射光經(jīng)封閉驅氣的外光路，防腐蝕并可獲得最佳的紫外區光譜性能。觀(guān)測高度可以由軟件自動(dòng)最佳化，也可由操作者進(jìn)行選擇。

雙向觀(guān)測：等離子體可以水平觀(guān)察以適應于最低檢出限的應用要求，通過(guò)附加的垂直觀(guān)測方式減少基體效應。兩種觀(guān)察方式可以由計算機全自動(dòng)控制。觀(guān)察方式的選擇可以是全垂直、全水平或根據譜線(xiàn)靈活選擇。

自動(dòng)準直水平觀(guān)測中心通道。

獨特的SiN錐接口技術(shù)有效去除尾焰，并且保持良好的紫外性能。

等離子體源：固態(tài)RF發(fā)生器

頻率： 27.12MHz

操作模式：全自動(dòng)軟件控制點(diǎn)火與操作，直接耦合變頻阻抗控制自動(dòng)調諧。功率穩定性?xún)?yōu)于0.1%

功率輸出：

(確認值1500)，計算機控制連續可調

輸出效率：大于78%，適用于包括甲醇等有機樣品在內的各種樣品分析

冷卻方式：水冷和風(fēng)冷

進(jìn)樣系統：

霧化器：玻璃同心圓霧化器

SeaSpray高鹽霧化器、V型槽霧化器、耐HF酸霧化器和超聲霧化器可選配

霧化室：玻璃漩流霧化室，配置垂直和水平不同的連接管

蠕動(dòng)泵：高精度12滾輪3通道蠕動(dòng)泵，0-125轉/分鐘連續可調。當等離子體熄火時(shí)處于Standby狀態(tài)防止泵管損壞。

炬管

：配置1.5mm垂直或2.0mm水平中心管的可拆卸式石英炬管。可選配1.0，1.5，2.0mm石英中心管和2.0mm耐HF酸剛玉中心管。預準直卡式炬管設計，方便快速更換，無(wú)需拆卸冷卻氣和輔助氣氣管。

氣體控制：霧化器氣體，冷卻氣和輔助氣三路獨立氣體控制

霧化器氣體：采用MFC質(zhì)子流量計控制，連續可調。

冷卻氣： 12L/分鐘

輔助氣： 0，0.5，1.0，1.5L/分鐘可調

操作系統：Microsoft WindowsTM 2000或XP

iTEVA軟件：iCAP6000系列的iTEVA操作軟件提供對儀器所有功能全控制，包括等離子體點(diǎn)火，氣體流量，觀(guān)測方式和安全連鎖的監控。

日常分析軟件：在任何像數位置或指定的子陣列區域中進(jìn)行定量分析

自動(dòng)或手動(dòng)實(shí)時(shí)背景校正點(diǎn)選擇

缺省的系統參數設置和全過(guò)程程序的執行

對于垂直觀(guān)測，用戶(hù)可選等離子體觀(guān)測區域或全自動(dòng)最佳化

分析過(guò)程中子陣列數據采集，用于條件優(yōu)化后的數據后處理

多重光譜圖疊加顯示方式，簡(jiǎn)化方法的開(kāi)發(fā)

全譜“指紋”攝譜研究模式：

拍攝整個(gè)發(fā)射光譜或部分譜圖，以彩色或灰度顯示發(fā)射強度，2D線(xiàn)性或對數（強度與波長(cháng)）顯示

全譜線(xiàn)或峰值識別，全互動(dòng)式譜線(xiàn)庫，評價(jià)潛在的譜線(xiàn)干擾，進(jìn)行元素定性分析

同一材料的全譜圖比對和基體或空白的減扣模式

自動(dòng)進(jìn)樣器模式：全兼容自動(dòng)進(jìn)樣器使得無(wú)人操作和關(guān)機。基于HTML樣品文件，靈活控制定制樣品放置位置。

質(zhì)量控制檢查：針對于QC表，自動(dòng)檢查QC樣確保整個(gè)測試過(guò)程的重復性和準確度

校正模式：多點(diǎn)校正曲線(xiàn)，每條校正曲線(xiàn)的標準點(diǎn)不受無(wú)限制

可選擬合類(lèi)型：線(xiàn)性，曲線(xiàn), 全擬合，

曲線(xiàn)擬合顯示：線(xiàn)性或對數，自動(dòng)調節量程

報告軟件：標準報告格式，用戶(hù)可根據樣品名稱(chēng)、方法名稱(chēng)、日期、時(shí)間、元素、濃度、強度、平均值、標準偏差、相對標準偏差等來(lái)過(guò)濾報告輸出。使用第三方軟件定制報告生成，兼容SQL服務(wù)器，DDE-格式數據庫等無(wú)限制數據庫功能

可選格式：分析數據可以復制到商用用戶(hù)數據管理器，如電子表格，Word文字處理，圖形程序等。

兼容附件：iCAP 6300可以兼容包括標準進(jìn)樣系統、有機和揮發(fā)性有機進(jìn)樣系統、高鹽進(jìn)樣系統和耐HF酸進(jìn)樣系統在內的所有進(jìn)樣附件包。另外兼容：

自動(dòng)進(jìn)樣器： Cetac ASX260、ASX520、EXR-8智能化自動(dòng)進(jìn)樣器

超聲霧化器： Cetac U5000AT+，對于水樣的靈敏度可提高10-15倍

氫化物發(fā)生器：在線(xiàn)-氫化物組件分樣品、硼氫化鈉和廢液獨立通道，可 使As、Sb、Bi、Hg、Sn和Te的靈敏度提高8-10倍