[发明专利]实时自动分析低温等离子体激光汤姆逊散射诊断光谱方法

说明书

本发明涉及低温等离子体诊断技术领域，提供一种实时自动分析低温等离子体激光汤姆逊散射诊断光谱方法，包括：步骤1，采集并获取光谱数据，所述光谱数据包括汤姆逊散射光谱、转动拉曼散射光谱、等离子体辐射背景光谱和强度校准系数；步骤2，对获取的光谱数据进行预处理；步骤3，基于最小二乘法，采用高斯函数对激光汤姆逊散射光谱进行理论拟合；步骤4，对激光汤姆逊散射光谱强度进行绝对校准；步骤5，基于最小二乘法，采用转动拉曼散射公式对转动拉曼散射光谱进行理论拟合；步骤6，计算等离子体参数。本发明能够快速地获取低温等离子体电子温度和电子密度，有效地提高激光汤姆逊散射光谱数据分析的准确性和效率。

技术领域

本发明涉及低温等离子体诊断技术领域，尤其涉及一种实时自动分析低温等离子体激光汤姆逊散射诊断光谱方法。

背景技术

在低温等离子体中，自由电子可以快速响应外界电磁场，从电磁场中获得能量，通过碰撞激发或者电离等反应影响其他粒子(如原子、分子和自由基等)的温度和密度。因此，精确地测量等离子体中自由电子的温度和密度是非常必要的。在低温等离子体诊断技术中，朗缪尔探针(Langmuir Probe)是最为常用的一种方法。但是这种方法需要把探针伸入到等离子体中来测量相关的参数，属于侵入式测量，容易干扰等离子体的运行状态。发射光谱(Optical Emission Spectroscopy,OES)是一种被动光学诊断技术，属于非侵入式测量，不会对等离子体状态产生干扰。但是如果等离子体偏离局域热力学平衡，OES测量的电子温度与真实的电子温度有非常大的偏差。同时，OES需要进行复杂的阿贝尔反演(Abelinversion)才能够获得等离子体相关参数的空间分布信息。激光汤姆逊散射(LaserThomson Scattering,LTS)技术是通过测量等离子体中自由电子与入射激光相互作用发射出的次级辐射来获取等离子体电子温度和电子密度。与探针相比，激光汤姆逊散射技术是一种非侵入式诊断方法，不会干扰等离子体的状态。同时，激光汤姆逊散射技术不依赖于等离子体是否处于局域热力学平衡就可以准确地得到电子温度。此外，激光汤姆逊散射技术还具有出色的时空分辨测量能力。

然而，在低温等离子体的诊断应用中，激光汤姆逊散射技术面临两大挑战。一是自由电子的微分散射截面极低，且电子密度一般远低于等离子体中原子或分子密度，因此激光汤姆逊散射信号非常微弱；二是瑞利散射(Rayleigh Scattering)和来自窗口和腔室壁表面的杂散光(Stray Light)等强噪声信号容易湮没汤姆逊散射信号。为了抑制瑞利散射和杂散光的影响，需要采用结构复杂的光谱仪。目前，主流的解决方法是利用多光栅陷波滤波光谱仪在物理层面上滤除杂散光和瑞利散射，实现对激光汤姆逊散射信号的提取。然而，该技术在屏蔽瑞利散射和杂散光的过程中，会不可避免地导致汤姆逊散射光谱中心波长(λi)区域发生缺失等严重形变。因此，在分析光谱时需要对缺失部分进行理论拟合复原。另外，由于中心波长处的瑞利散射已被滤除，只能采用转动拉曼散射(Rotational RamanScattering)光谱对汤姆逊散射光谱进行定量校准。相比于瑞利散射，转动拉曼散射光谱较为复杂，且其涉及的光谱参数较多。另外，多光栅陷波滤波光谱仪也会对转动拉曼散射光谱造成形变等。上述因素导致激光汤姆逊散射光谱处理的复杂性，严重地限制了数据处理的效率和方法的推广。

发明内容

本发明主要解决现有技术在处理激光汤姆逊散射光谱时的存在的复杂程度高、数据处理效率不高、效果不好等问题，提出一种实时自动分析低温等离子体激光汤姆逊散射诊断光谱方法，以快速地获取低温等离子体电子温度和电子密度。

本发明提供了一种实时自动分析低温等离子体激光汤姆逊散射诊断光谱方法，包括以下步骤：

步骤1，采集并获取光谱数据，所述光谱数据包括汤姆逊散射光谱、转动拉曼散射光谱、等离子体辐射背景光谱和强度校准系数；

步骤2，对获取的光谱数据进行预处理；

步骤3，基于最小二乘法，采用高斯函数对激光汤姆逊散射光谱进行理论拟合；