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马云云, 王永强, 敏琦, 曹世权, 张正荣, 苏茂根, 孙对兄, 董晨钟. 基于Ar分支比方法的光谱强度响应效率标定研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(5): 1375-1379.
MA Yun-yun, WANG Yong-qiang, MIN Qi, CAO Shi-quan, ZHANG Zheng-rong, SU Mao-gen, SUN Dui-xiong, DONG Chen-zhong. Relative Spectral Intensity Response Calibration of Spectrometers Using Ar Plasma Emission Branching Ratio Method[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(5): 1375-1379.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)05-1375-05  
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基于Ar分支比方法的光谱强度响应效率标定研究
马云云1, 王永强2, 敏琦2, 曹世权2, 张正荣1, 苏茂根2, 孙对兄2,*, 董晨钟2
1. 兰州城市学院电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070
2. 甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃 兰州 730070
*通讯联系人 e-mail: sundx@nwnu.edu.cn

作者简介: 马云云, 女, 1984年生, 兰州城市学院电子与信息工程学院讲师 e-mail: gansumayy@163.com

收稿日期: 2017-09-01
基金: 国家自然科学基金项目(11564037, 61741513, 11364037, 91126007, 11464025, 11464026), 西北师范大学青年教师科研能力提升计划项目(NWNU-LKQN-15-3), 电力系统国家重点实验室开放课题(SKLD17MK13)资助
摘要

利用Nd∶YAG激光器输出的1 064 nm激光在大气压环境中产生了Ar等离子体, 测量了Ar等离子体的发射光谱, 从Ar等离子体发射光谱中筛选出了来自Ar Ⅰ和Ar Ⅱ 15个上能级的35条跃迁谱线, 基于分支比方法计算了光谱仪的辐射强度响应效率标定系数。 此外, 利用氘灯和卤钨灯标准光源, 对光谱仪辐射强度响应效率进行了标定, 得到了针对不同光栅的光谱仪的辐射效率标定系数。 用分支比方法获得的辐射强度响应效率标定系数与标准光源得到辐射强度响应效率标定系数具有较好的一致性, 其最大相对误差为5.4%。 该研究的标定方法可以为一些大型聚变装置的光谱测量的在线标定提供借鉴和参考。

关键词: 分支比; 激光等离子体; 光谱仪; 强度响应效率标定
中图分类号:O433.1 文献标志码:A
Relative Spectral Intensity Response Calibration of Spectrometers Using Ar Plasma Emission Branching Ratio Method
MA Yun-yun1, WANG Yong-qiang2, MIN Qi2, CAO Shi-quan2, ZHANG Zheng-rong1, SU Mao-gen2, SUN Dui-xiong2,*, DONG Chen-zhong2
1. School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou City University, Lanzhou 730070, China
2. Key Laboratory of Atomic and Molecular Physics & Functional Materials of Gansu Province, College of Physics and Electronic Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China;
Abstract

Ar plasma was produced by using 1 064 nm laser at atmospheric pressure, the emission spectrum was measured, and 35 Ar Ⅰ and Ar Ⅱ emission lines from the 15 upper levels were selected to make calibration for spectrometer response based on the branch ration method. In addition, the intensity response of the spectrometer was calibrated by using deuterium lamp and tungsten halogen standard light source. The calibration coefficients of intensity response for spectrometers with different gratings were obtained. The calibration coefficient of the intensity response obtained by the branch ratio method was in good agreement with that by the standard light source, and the maximum relative error is 5.4%. The calibration method in this paper can be used as a reference for the on-line calibration of spectral measurements in some large-scale fusion devices.

Keyword: Branching ratio method; Laser produced plasma; Spectrometer; Calibration of intensity response
引 言

光谱仪是测量原子、 分子以及等离子体等光谱的重要精密仪器, 高精度定量光谱的测量对物理、 化学等学科领域具有十分重要的意义。 在惯性约束聚变(ICF)、 磁约束聚变(ITEA)、 Z箍缩(Z-pinch)、 高离化态离子谱学、 等离子体等实验研究以及激光诱导激光光谱中的CF-LIBS技术中, 辐射光源定量光谱的测量可以获得准确的电子温度、 电子数密度、 不同离化态离子丰度以及元素含量等重要的参数信息[1, 2, 3]。

一般情况下, 光谱仪直接测量的光谱与辐射光源的真实光谱存在较大的差异, 引起这种差异的主要原因有3个方面: (1)外光路系统对不同能量光子的收集效率存在较大差异; (2)光栅衍射效率对光谱强度分布有较大的调制作用[4]; (3)探测器光阴极对不同能量光子具有不同的光量子效率[5]。 要从理论上对光谱仪的光谱强度响应效率进行标定通常比较困难, 这主要是由于待测光源的几何结构以及收集光路的“ 随时调整性” 所造成的。 因此, 一般通过实验方法来进行光谱强度响应效率标定。 对于体积较小的辐射光源, 例如LIBS技术中的激光等离子体、 辉光放电等离子体等容易操控的小型辐射光源, 通常选用离线标定方法。 而对于一些大型的辐射光源, 例如ICF等离子体、 ITEA等离子体等, 离线标定的标准辐射光源很难与真实要探测的光源相匹配, 在线原位标定则非常重要。

对近紫外至近红外波段光谱仪光谱强度响应效率标定常用的标准光源为氘灯和卤钨灯[6]或者同步辐射光源。 Yubero等利用卤钨灯代替带状灯对光谱仪进行了强度响应效率标定[7]; 唐玉国等介绍了同步辐射光源用于光谱辐射效率标定的方法[8]。 在实际应用中, 辐射标准灯具有一定的寿命, 每隔一定的时间需要重新返厂进行校准, 而同步辐射光源由于实验操作的成本也相对较高, 并且体积较大, 很难实时对光谱仪进行标定。 并且这些光源都不能用于在线以及原位标定。 利用谱线的分支比方法对光谱仪进行标定, 不但方法简单, 成本低廉, 而且很容易实现原位及在线标定, 对一些大型等离子体辐射光源的在线诊断具有重要的意义。Doidge等成功利用Fe, Se, Te, Ge和Pd元素光谱的分支比对ICP中的光谱仪进行了强度响应效率标定[9]; Li等比较了不同压强下激光产生Ar等离子体谱线的分支比方法与Ar的空心阴极灯以及标准卤钨灯对Czerny-Turner型光谱仪强度响应效率的标定结果, 他们利用分支比方法获得了与标准灯标定方法一致的结果[10]。 本文将利用大气压环境下激光产生Ar等离子体的发射光谱, 基于Ar谱线的分支比方法, 对配有3块不同光栅并带有ICCD探测器的Czerny-Turner型光谱仪进行辐射强度响应效率标定, 并详细介绍具体的标定方法, 同时, 与采用NIST溯源的氘灯-卤钨灯标定的结果进行对比, 确定用于光谱仪强度响应标定的最佳实验参数, 为光谱仪的在线实时标定提供借鉴。

1 实验部分
1.1 主要实验装置

实验装置如图1所示, Ar气经过气体流量质量控制器(Beijin Sevenstar Co., Ltd, MFC/MFM CS200A)调节流量为5 L· min-1后从管口直径为100 mm的硅胶管中流出。 Nd∶ YAG激光器(Spectra-Physics, PRO-350)输出波长为1 064 nm、 频率为1 Hz、 脉冲宽度(FWHM)为8 ns的脉冲激光经焦距为100 mm的石英透镜聚焦到距离硅胶管口2 mm的Ar气中产生等离子体。 等离子体经石英透镜组按照1∶ 1的比例成像到配有ICCD(Andor Tech., iStar-DH734)探测器的光谱仪(Andor Tech., Shamrock500i)的狭缝中心。 光谱仪配有600, 1 200和2 400 g· mm-1三块光栅, 三块光栅可由步进电机控制旋转选择。 激光能量的稳定性由能量计(Ophir, Nova Ⅱ )实时监控。 激光器的Q开关与ICCD的外触发同步由数字延迟发生器(Stanford Research System, DG535)来控制, 等离子体测量的延迟和积分门宽时间由ICCD来调节。 实验中所用的标准光源为美国国家标准技术研究所(NIST)溯源的标准光源(Avalight-D-CAL 1205001), 返厂校准时间为6个月, 实际使用时间为10 h。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

1.2 分支比方法

对来自于高能级Ek向低能级Ei跃迁的一条光谱线, 在等离子体为光学薄且处于局域热动平衡(LTE)状态下, 其积分后谱线的强度可表示为[11]

其中, N为某一离化度下的总粒子数密度; Aki为跃迁几率; gk为上能级的统计权重; Ek为上能级; U(T)为配分函数, kB为玻尔兹曼常数; T为电子温度。 对于来自于同一上能级的两条跃迁谱线, 其分支比定义为

其中, I̅1和 I̅2为在波长分别为λ 1和λ 2处测量的积分谱线强度; R(λ 1)和R(λ 2)为对应波长处的响应效率系数。 利用式(2)的分支比, 实验上测量两条谱线的积分强度, 则能得到光谱仪在波长为λ 1和λ 2处响应效率系数之比。 在测量的光谱范围之内, 如果有足够多谱线的分支比, 则可以对光谱仪的响应效率进行标定。 通常情况下, 来自同一上能级的不同谱线覆盖范围相对较宽, 不同能级之间的谱线之间的位置相互有交叉, 这样就可以在同一个标度之下获得光谱仪在整个波长范围内的相对强度响应效率标定系数。

2 结果与讨论
2.1 基于标准光源的辐射强度响应效率标定方法

图2给出了利用不同光栅测量的氘灯和卤钨灯的光谱及其NIST给出的标准灯的相对辐射光谱强度标准数据。 可以看出, 不同光栅下测得的光谱存在很大的差异, 且对于同一标准数据, 不同光栅测量的光谱也存在较大的差异。 从理论上来说, 对于600和1 200 g· mm-1的光栅, 其在500 nm闪耀波长附近光栅效率应该最高; 对于2 400 g· mm-1的光栅, 其在240 nm闪耀波长附近光栅效率应该最高, 但考虑到探测器光阴极的量子效率问题, 光谱仪真实测量效率最高的位置并不处于光栅的闪耀波长附近。 另外, 这三块光栅测量的标准灯的辐射光谱的相对强度都不能反映真实标准光源的相对光强分布, 利用NIST给出的标准灯的相对辐射标准强度数据并结合每块光栅测量的光谱, 就可以对光谱仪的辐射响应效率进行逐点标定, 生成效率标定系数。 在外光路相同的情况下, 利用效率标定系数可以对待测光源的辐射光谱定标, 定标后的光谱则能反映光源的真实发光情况。

图2 不同光栅测量的氘灯和卤钨灯的光谱及其NIST给出的标准灯的相对辐射光谱强度标准数据Fig.2 Relative spectral response with different grating and radiometric data of the standard deuterium and quartz tungsten halogen lamps indicated by NIST

2.2 Ar等离子体发射光谱分支比方法

基于分支比方法进行辐射强度响应效率标定时, 要求等离子体是光学薄的, 测量的谱线没有自吸收, 谱线覆盖较宽的波段, 且来自不同能级的谱线的波长位置相互交叉。 图3 给出了在激光能量为40 mJ· pulse-1, 测量延迟时间为1 000 ns, 积分门宽时间为500 ns时三块光栅测量的Ar等离子体的光谱, 图中标出了一些主要的来自ArⅠ 和ArⅡ 的跃迁谱线。 由于2 400 g· mm-1光栅的有效覆盖波长范围为200~700 nm, 因此700 nm之后的谱线没有测到, 并且在530~680 nm波段内, 没有测量到明显的跃迁谱线, 因此在光谱图中进行了截断处理。 从图3可以看出, 三块光栅测量的同一等离子体光源的光谱具有明显的差别。 如果不对谱仪进行强度响应效率标定, 谱线之间的相对强度由于受到收集光路和光谱仪的影响, 并不能直接反映真实的等离子体光源的发光情况, 要从这些光谱中获得等离子体中的电子温度和不同能级的相对离子数布居等信息则非常困难。

图3 不同光栅在延迟时间为1 000 ns、 门宽积分时间为500 ns时测量的Ar等离子体光谱Fig.3 Raw spectra of Ar plasma detected with different gratings with delay time of 1 000 ns and gate width of 500 ns

利用标准光源对不同光栅下获得的Ar等离子体光谱进行定标, 定标后的光谱如图4(a)— (c)所示, 可以看出经过定标后, 三块光栅测得的光谱的相对强度具有较好的一致性。 利用定标后的光谱数据, 通过Saha-Boltzmann方法[12]计算了等离子体中的电子温度为11 105 K, 根据Ar Ⅰ 842.46 nm谱线的Stark加宽[13]计算了电子数密度为1.2× 1017 cm-3。 同时, 为了验证等离子体是否接近于LTE状态及谱线的自吸收效应, 我们利用以前的光谱半经验理论模拟方法, 在以上得到的电子温度和电子数密度下模拟了Ar等离子体的光谱, 如图4(d)所示。 在理论模拟中, 我们采用相同的光谱分辨率, 而实验光谱中不同波长位置的光谱分辨率略有差别, 在忽略光谱分辨率的情况下, 可以看出, 理论模拟光谱与实验光谱具有较好的一致性。 因此, 我们从光谱中挑选出与理论模拟光谱相对强度一致性较好的来自15个跃迁上能级的35条谱线, 通过NIST数据库对比[14], 这些谱线的详细光谱跃迁参数如表1所示。 基于这些谱线利用分支比方法对光谱仪辐射强度响应效率进行标定。 这35条谱线覆盖波长范围为372.72~866.79 nm, 其详细的能级和波长分布如图5所示。 可以看出, 大部分Ar Ⅰ 谱线分布于700 nm之后, 而来自于Ar Ⅱ 谱线主要分布于500 nm之前, 此外, 没有来自同一上能级的跃迁谱线同时分布在这两个波段范围之内。 因此, 为了将辐射强度响应效率标定系数归一化在同一标度内, 我们利用多项式外推的方法进行处理。 采用分支比方法获得的三块光栅归一化的辐射强度响应效率标定系数如图6所示, 同时我们给出了利用标准灯计算的三块光栅下的辐射强度响应效率标定系数。 可以看出, 分支比方法获得的标定系数与标准灯得到的标定系数具有较好的一致性, 其最大相对误差为5.4%。 由于Ar的谱线数目的限制, 生成的标定系数只对应于一些特定的波长, 然而, 由于光谱仪对波长响应效率是随着波长在缓慢变化, 因此可以利用这些离散的标定系数进行外推和内插, 从而得到所需要波长位置处的辐射强度响应效率标定系数。 对于真空极紫外波段的光谱仪, 也可以用该方法对光谱仪的强度响应效率进行标定。

图4 标准光源校准后不同光栅下Ar等离子体光谱及LTE状态下Ar等离子体模拟光谱Fig.4 Spectra of Ar plasma calibrated with standard lamps and simulated spectrum under LTE condition

图5 源于15个跃迁上能级的35条谱线Fig.5 Spectra range of 35 emission lines from 15 upper levels

图6 用标准灯归一化相对光谱响应系数(线)与Ar分支比法(点)Fig.6 Normalized relative spectral response coefficient by using standard lamps (lines) and Ar branching ratio method (dots)

表1 确定谱线的原子参数 Table 1 Wavelength identified in spectra and corresponding atomic parameters[12]
3 结 论

利用大气压环境中产生的Ar等离子体光谱, 基于光谱的分支方法对光谱仪的强度响应效率进行了标定, 分支比方法标定的结果与标准灯标定的结果具有较好的一致性。 利用分支比标定的过程中, 通过光谱的半定量模拟, 我们选取了35条自吸收相对较弱的谱线, 对于一些自吸收较强的谱线, 可以通过等离子体建模, 进行自吸收修正, 从而利用该谱线对光谱仪的强度响应效率进行标定。 在利用等离子体光谱的分支比方法对光谱仪进行效率标定时, 对于产生标定光源元素的选择, 需要考虑待测光谱的波长覆盖范围, 所选取的元素的发射光谱尽量与待测光源波长范围相同, 从而减小由于外推和内插引入的误差。 该分支比方法除了可以用于光栅光谱仪外, 还可以用于晶体谱仪的标定, 从而用于大型光源的在线诊断研究中。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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