汤姆逊散射-等离子体诊断

高灵敏度汤姆逊散射成像

本应用笔记描述了Andor iStar DH734-18U-63像增强型CCD相机即ICCD（现型号为DH334T-18U-63）作为光谱系统中汤姆逊散射（TS）的探测器。激光散射技术被应用于同轴表面波激励等离子体。典型的参数是在20mbar的氩气环境中吸收50W的功率。这通常意味着电子密度（ne）为5•1019m-3，电子温度（Te）为1.1eV。

图1:a）汤姆逊散射的实验架构

汤姆逊散射是电离气体中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与等离子体的重要特性（如ne和Te）直接相关，因此它是等离子体诊断中最突出的技术之一。然而，入射激光束也会与束缚电子相互作用，从而产生瑞利或拉曼散射光，因此在探测过程中，我们必须将这些光子与汤姆逊散射的光子区分开来。由于同时也会收集真空容器上激光束或侧光束反射产生的假杂散光，因此汤姆逊散射是一项非常严苛的技术。此外，汤姆逊散射是一种主动诊断方法，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，汤姆逊散射的独特之处在于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，我们实现了5%的更佳精度。

我们研究中的汤姆逊散射实验是在同轴表面波激励诱导的等离子体上进行的。这又是另一个实验难点，等离子体位于狭窄的石英管内，这大大增加了杂散光的量。此外，与其他散射和杂散机制相比，汤姆逊散射信号的强度通常非常低。汤姆逊散射截面为s=6.7•10^-29m^-2，这意味着对于典型的等离子体，只有10^-15的入射激光光子能到达检测系统。为了克服这一点，本实验使用了配备Andor iStar ICCD相机的三光栅光谱仪（TGS）。通过这种设置，我们实现了低检测限和高杂散光抑制。

图1b）一个大气压条件下，等离子体激光散射的典型结果

图1a显示了光谱系统的设计。前两个光栅和一个物理掩模（往往是位于一二级谱仪中间面的一条金属细线）形成一个陷波滤波器，以阻挡中心激光波长（三级联光谱仪减模式），而第三个光谱仪则解析实际的光谱信息。对于典型的同轴表面波激励等离子体条件，光子是非相干散射的，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（色散方向），相机的另外一个维度（纵向）用于获得空间分辨的测量值。iStar中的CCD传感器具有1024 x 1024像元数，像元尺寸13x13um。结合光学设置，可获得约50µm的空间分辨率，这是研究等离子体空间分布的一个非常有利的条件。因此，我们能够以高空间和时间精度在一帧内确定等离子体特性2。根据设备的规格参数，相机的时间抖动低于0.1ns。所以，我们系统中的抖动是由激光决定的，低于5ns。此外，相机的线性响应使得整个动态强度范围均可用于采集信号。

如上所述，等离子体源是同轴表面波。微波通过位于石英管周围的发射器耦合到等离子体中。对于低压应用，可以设置受控压力，对于大气条件，石英管则保持打开状态。发射器腔产生表面波，形成空间延伸的等离子体柱³。整个等离子体装置可在轴向和径向方向上移动。对于汤姆逊散射，沿管轴对准532nm、能量为0.1J、重复频率为10Hz的倍频Nd:YAG激光器。这样，完整的诊断在空间中是稳定的，原则上不必校准，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，因此仅在激光脉冲的短时间内观察到等离子体。这意味着几乎没有记录到等离子光。

图2:a）使用ICCD相机系统通过汤姆逊散射获得的同轴表面波激励等离子体的EEDF。能量超过7.5 eV的电子无法检测。b） 来自同轴表面波低压等离子体放电柱末端的汤姆逊散射光的三维表示。

经过仔细的对齐，我们获得了如图1b所示的图像。它显示了以颜色标注的散射光子强度，是波长（横坐标）和轴向位置（纵坐标）的函数。由于三级联光谱仪减模式的滤波功能，在激光波长532nm处可以清楚地看到强度的中心下降。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采集的。拉曼光谱（见1b的上半部分）用于图像的绝对强度校准⁴。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。该信号的总强度与ne成正比。分布呈高斯形状，也可以在图1b的上半部分看到。这种形状反映了电子的多普勒展宽，从而得到一维速度分布。我们可以在半对数尺度上绘制汤姆逊散射信号作为波长偏移平方的函数，并进行线性拟合。图2a展示了一个示例。如果此拟合成功，我们可以安全地假设观察到麦克斯韦分布，其中斜率（或非对数图中的高斯宽度）以以下方式确定Te：

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

在我们的案例中

(f = p/2, ?i = 532 nm): Te = 5238 ??1/e 2 K.

图2a中汤姆逊散射获得的能量分布函数的示例强调了整个装置的整体灵敏度的重要性。灵敏度越好，检测到的高能电子就越多。对于前6 eV的线性拟合，噪声非常小。这表明暗电流和杂散光产生的噪声非常小。另一方面，整体检测限很重要。我们检测到空间分辨率低至10¹⁸m^-3的ne值。检测极限受到三级联谱仪杂散光抑制能力和相机噪声的强烈影响。级联谱仪的减模式的扣除北京能力抑制了杂散光。同时，使用低噪声相机也大大增强系统的灵敏度。

实验揭示了如图2b所示的放电结束的空间结构以及等离子体的时间行为。杂散光和激光抑制的复杂设置使我们能够记录放电图像，显示汤姆逊散射光子的空间和光谱信息^3,5。由于激光系统和光学检测系统是分开的，我们可以很容易地研究各种小尺度等离子体源，并对其进行空间分辨的研究。特别有趣的是超酷的大气压等离子体，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0.1mm的数量级进行控制。

参考文献

1) M. Moisan, Z. Zakrzewski, R. Pantel, The theory and characteristics of an efficient surface wave launcher (surfatron) producing long plasma columns, J. Phys. D Appl. Phys. 12 (1979) 219–237.

2) M.J. van de Sande, Laser scattering on low temperature plasmas—high resolution and stray light rejection, PhD Thesis Eindhoven University of Technology (2008), Eindhoven

3) H. Schlüter, A. Shivarova, Travelling-wave-sustained discharges, Phys. Rep. 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, Thomson scattering measurements on a low pressure surface wave sustained plasma in argon, J. Phys. D Appl. Phys. 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, Thomson scattering on argon surfatron plasmas at intermediate pressures: Axial profiles of the electron temperature and electron density, Spectrochim Acta B 65 (2010) 225–233.

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