氦气等离子体射流电子密度诊断（汤姆逊散射）

 
激光在等离子体中传播时, 将激起电子或离子作受迫振动, 从而发出次级辐射。自由电子在电磁波辐射场的作用下作受迫振动, 发射出次级电磁辐射, 形成散射波的现象, 称为汤姆逊散射。

 

汤姆逊提出自由电子散射电磁波的理论，当电磁波辐射到一个自由电子上的时候，交变的电场使得电子产生交变的加速度。按照经典的电磁学理论，这个加速的电子会向外辐射电磁波。因此，整个过程就可以看作是电磁波辐射的吸收和再发射过程。需要再次强调的是，入射电磁波按照特定的传播方向辐射到电子上，但是电子发射的散射波是向四面八方辐射的。

在汤姆逊散射中，入射线和散射线波长相同，各电子散射的电磁波会发生干涉，故又称相干散射。从量子观点看，光子只是与原子发生弹性碰撞，没有能量损失，只是运动方向改变，因此称为弹性散射。

激光汤姆逊散射系统主要用于测量等离子体的电子温度和密度，相比其他诊断，激光汤姆逊散射诊断的优点是：

1.简单

在磁约束和惯性约束聚变中使用广泛，诊断方法基于的物理基础较为简单

2.灵活

由于是主动诊断，所诊断的空间位置完全由诊断光决定，比较灵活方便

3.高分辨率

 
  汤姆逊散射诊断可以得到较高的时间和空间分辨。一般的做法是将诊断光聚焦入射到等离子体中，那么聚焦焦斑的大小就基本决定了散射体积的大小，也就是诊断系统的空间分辨。汤姆逊散射诊断一般使用高速示波器或者纳秒门控像增强相机等探测设备，使得汤姆逊散射诊断的时间分辨可以达到纳秒甚至皮秒量级，所以相对于要探测的物理过程，汤姆逊散射诊断可以做到比较高的时间分辨率

4.可诊断参数范围宽

一般的光学汤姆逊散射诊断使用的波长一般在263～1064nm，可诊断的等离子体密度区间达到了，基本覆盖了磁约束聚变等离子体的密度到惯性约束聚变的冕区等离子体密度

5.诊断等离子体参数精度高

 
对于较高信噪比的信号，可以获得2％的电子密度不确定度以及3％的电子温度不确定度
 
实验过程

 

 

 

图1 氦气等离子体激光汤姆逊散射原理图

 

激光汤姆逊散射诊断系统主要由Nd:YAG脉冲激光器、光栅光谱仪、单光子计数相机、信号发生器以及氦气束流装置等组成。

在采集的汤姆逊汤姆逊散射光谱中，记录的光谱还包含连续的背景，这是由于等离子体的连续辐射和检测器中的暗电流引起的。另外，该光谱的中心有很强的杂散光贡献，这是由等离子体周围环境的散射和等离子体中的重粒子散射（瑞利散射）引起的。这些贡献可以从记录的频谱中减去，但是它们的噪声却不能。这种噪声会掩盖汤姆逊光谱本身，因此决定了实验装置的检测极限。从图3可以清楚地看出，汤姆逊信号须与其他信号源竞争。噪声主要影响汤姆逊光谱的低强度边缘，而杂散光会使光谱的中心失真。两者之间的区域须足够大，才能根据对测量光谱的拟合准确地确定ne和Te。除噪声外，为了获取足够准确的光谱信号和拟合结果，在一张汤姆逊光谱图中通常至少需要采集100个点，其中中间的20个点由于杂散光需要去除，同时需要满足以下两点原则:

背景噪声须小于从汤姆逊散射从中心波长到Δλ1/e处的强度（即信噪比为2）

在中心波长到Δλ1/e处杂散光强度要小于汤姆逊散射。

 

以上述氦气等离子体射流为例，对其放电初期的电子密度进行诊断。在去除瑞利散射和杂散光后，探测器实际采集到的信号由三部分组成：汤姆逊散射，N2和O2上的拉曼散射以及背景光。它们的光谱是重叠的，借助使用Matlab®编写的专门设计的软件，能够拟合这些重叠的信号并将其分离。

汤姆逊光谱使用公式1.1计算，拉曼光谱使用公式1.2计算的。假定仪器展宽对汤姆逊信号半高宽的影响可忽略不计，因此没有卷积应用于汤姆逊频谱。汤姆逊，N2拉曼和O2拉曼这三者的贡献是分别计算求和的，并添加恒定的背景信号C。所以对于总信号如式1.3所示：

 

（1.1）

 

（1.2）

 

（1.3）

 

式中：ne和Te分别为电子数密度和电子温度:PN2和PO2分别为N2和O2的气体分压；Trot为气体转动温度。为了获得压力和密度的绝对值，须对信号进行校准，确定校准系数。通过拟合周围环境空气的拉曼光谱来完成的。其实，使用分气压+和混合比/代替和作为拟合参数更为方便。拟合参数的总个数为6：ne，Te，Trot，+，/和C。在这种情况下，温度和气压均可确定，根据理想气体方程，分子的密度可以确定。注意在每次汤姆逊测量之前和之后都测量转动拉曼光谱，并将其平均以解决激光能量可能存在得漂移。

实验结果

拍摄设备：中智科仪逐光2DSPC单光子计数相机，2DSPC-S-H20-U

拍摄参数：门宽：20ns，MCP增益：3700，触发模式：外触发-Burst（10Hz），曝光时间：100ms，采集模式：单光子模式，叠加张数：6000张

图3 汤姆逊散射图像（单光子计数模式）

图4 汤姆逊散射图像（普通模式）

图5 拉曼散射光谱

图6 汤姆逊散射光谱

图7 汤姆逊拟合结果

 

由上述结果看出，逐光2DSPC单光子计数相机中单光子模式较普通模式下更适合微弱信号的探测，普通模式下各谱线边界较为模糊，在单光子模式下探测到的拉曼散射和汤姆逊散射都具有良好的轮廓，极大去除了噪声，且拟合效果很好。

注：数据来源华中科技大学低温等离子体实验室

测试结论
逐光2DSPC单光子计数相机的外部触发稳定抖动小于35ps，增益高，稳定连续且区分度高。单光子计数模式十分适合微弱信号的探测，例如拉曼光谱、汤姆逊散射、二次谐波等应用，可以在高增益下对微弱信号进行高精度地累加，对sCMOS噪声的过滤效果很好。
 
解决方案

中智科仪自主研发的2DSPC（2D Single Photon Counting Camera）单光子计数相机是一种能够准确识别单个光子的二维成像探测器。170万像素的二维阵列同时探测并记录到达探测单元内的所有单光子事件，借助实时光子识别算法，将电子学带来的读出噪声及暗噪声完全去除，获得高信噪比光子空间分布信息。

1. 单光子探测灵敏度

以高灵敏度捕获汤姆逊散射极微弱信号

2．高采样频率

98幅/秒的高帧频显著提升光子计数率，此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

3．时序控制

逐光2DSPC单光子计数相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10ps，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

4. 创新“零噪声”技术

得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被全去除。


2022-10-12