[发明专利]一种检测高纯气体中气溶胶的方法及装置

说明书

 

技术领域

    本发明涉及一种通过测量高纯气体的瑞利-米散射频谱来检测高纯气体中气溶胶的方法及装置。

背景技术

高纯气体在国防、化工、电子、冶金、能源等领域中有着广泛的用途。在半导体行业中高纯气体的作用显得更加重要，从半导体材料、半导体器件、集成电路的制造到半导体材料、器件的理论物理的研究都离不开各种高纯气体。因此，对高纯气体进行检测非常有必要。

光的弹性散射主要包括瑞利散射和米散射。当微粒的大小比入射光波长小的多时产生瑞利散射，当微粒的大小与入射光波长接近或者大于入射光波长时则产生米散射。可见光波长范围为390~760nm，常见气体分子直径小于0.5nm，主要引起瑞利散射，气溶胶直径在0.001～100μm 之间，主要引起米散射。因此，根据高纯气体瑞利-米散射频谱中是否存在米散射峰可以判断气体中是否存在气溶胶，根据米散射峰的强度可以判断气溶胶的浓度。

发明内容

为了实现对高纯气体中气溶胶的检测，我们提出了一种通过测量高纯气体的瑞利-米散射频谱来检测高纯气体中气溶胶的方法。该方法根据高纯气体瑞利-米散射频谱中是否存在米散射峰判断气体中是否存在气溶胶，当高纯气体中不存在气溶胶时，其散射频谱中不存在米散射峰,当高纯气体中存在气溶胶时，其散射频谱中存在米散射峰；根据米散射峰的强度判断气溶胶的浓度。。

本发明的装置包括激光器（1）、凸透镜（2、10）、气体散射池（3）、光学准直及滤波系统（4）、鉴频装置（9）、光电探测器（11）、数据采集卡（12）和计算机（13）。

本发明解决技术问题的方案是：激光器（1）输出的激光经凸透镜（2）聚焦到气体散射池（3）中，与里面的气体分子相互作用，产生散射信号。散射光经准直及滤波系统（4）准直、滤波后进入鉴频装置（9）中进行鉴频，然后通过凸透镜（20）聚焦到光电探测器（11）中。光电探测器（11）探测到的散射信号由数据采集卡（12）进行采集，最终在计算机（13）中进行显示，测得高纯气体的瑞利-米散射频谱。

其中,激光器（1）为连续泵浦激光器或脉冲激光器，输出激光的线宽小于100MHz；鉴频装置（9）为F-P扫描干涉仪或斐索干涉仪，F-P扫描干涉仪的自由光谱范围小于10GHz，精细度大于20，斐索干涉仪的分辨率小于或等于100MHz；光电探测器（11）为光子计数器、光电倍增管或ICCD。

本发明的技术优势如下：一、通过测量高纯气体的瑞利-米散射频谱来进行气溶胶的探测，根据散射频谱中是否存在米散射峰判断气体中是否存在气溶胶，根据米散射峰的强度判断气溶胶的浓度，具有高灵敏度的优点。二、使用光电探测器对散射光进行探测，并使用高速数据采集卡进行采集，可以获得高精度的瑞利-米散射频谱。

附图说明

    附图1给出了检测高纯气体中气溶胶的装置原理图；

附图2给出了高纯气体中有气溶胶和无气溶胶时的散射频谱图；

附图3给出了高纯气体中气溶胶浓度较低时的散射频谱图；

附图4给出了高纯气体中气溶胶浓度较高时的散射频谱图。

具体实施方式

如附图1所示，该装置包括激光器（1）、凸透镜（2、10）、气体散射池（3）、光学准直及滤波系统（4）、鉴频装置（9）、光电探测器（11）、数据采集卡（12）和计算机（13）。其中光学准直及滤波系统（4）包括凸透镜（5、6、8）和小孔光阑（7）。

首先在无尘环境下对气体散射池（3）进行清洗，彻底除去其附着的灰尘，然后将待检测的高纯气体充入到气体散射池（3）中。激光器（1）输出的窄带激光经凸透镜（2）聚焦到气体散射池（3）中，与里面的气体分子相互作用，产生散射信号。侧向90°的散射光经凸透镜（5、6）准直、汇聚，经小孔光阑（7）滤波、凸透镜（8）汇聚后进入鉴频装置（9）中进行鉴频，然后通过凸透镜（10）聚焦到光电探测器（11）中。光电探测器（11）探测到的散射信号由数据采集卡（12）进行采集，最终在计算机（13）中进行显示，测得高纯气体侧向90°的瑞利-米散射频谱。

附图2中虚线为高纯气体中不存在气溶胶时的散射频谱图，气体主要产生瑞利散射，其谱线近似为高斯线型；附图2中实线为高纯气体中存在气溶胶浓度时的散射频谱图，气体同时产生了瑞利散射和米散射，其谱线近似为高斯线型和洛伦兹线型的叠加，中间凸起的峰为米散射峰。附图3为高纯气体中气溶胶浓度较低时的散射频谱图，附图4为高纯气体中气溶胶浓度较高时的散射频谱图。由附图2可以看出，当高纯气体中不存在气溶胶时，其散射频谱中不存在米散射峰；当高纯气体中存在气溶胶时，其散射频谱中存在米散射峰。因此，根据高纯气体瑞利-米散射频谱中是否存在米散射峰可以判断气体中是否存在气溶胶。由附图3和附图4可以看出，米散射峰的强度与高纯气体中气溶胶的浓度成正相关，根据米散射峰的强度可以判断气溶胶的浓度。