血浆诊断的汤姆森散射

汤森散射信号的高灵敏度成像

本说明将Andor Istar DH734-18U-63的功能描述为在光谱系统中作为检测器加强CCD摄像头（ICCD），以执行汤姆森散射（TS）。激光散射技术应用于表面等离子体。典型的参数是在20 MBAR的氩气环境中吸收的50 W功率。这通常导致电子密度（NE）为5·1019 m-3，电子温度（TE）为1.1 eV。

图1：a）汤姆森散射的设置，

汤森散射是电离气体中游离电子的光子散射。由于散射光子的数量密度及其光谱分布与重要的等离子体特性（例如NE和TE）直接相关，因此它是血浆诊断中最突出的技术之一。但是，传入的激光束也与结合电子相互作用，从而产生雷利或拉曼散射光。在检测过程中，我们必须将这些光子与散落的光子区分开。结合通过真空容器上激光束或侧梁的反射产生的假静电灯的收集使TS成为非常苛刻的技术。此外，TS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。尽管有这些需求，但TS具有独特的特征，它不取决于对平衡血浆状态的假设。在直接探测NE和TE的同时，我们的准确性更好5％。

我们研究中的TS实验已在表面诱导的质量质量上进行。这增加了另一个实验困难。等离子体位于狭窄的石英管中，这大大增加了散落光的量。此外，与其他散射和杂物机制相比，TS信号通常具有非常低的强度。汤姆森横截面为s = 6.7·10-29 m-2，这意味着对于典型的血浆，只有10-15个传入激光光子的一部分到达检测系统。为了克服这一点，使用了配备Andor istar ICCD摄像头的三重光栅光谱仪（TGS）2。通过这种设置，我们达到了低检测极限和高弹性降压。

图1B）激光散射在大气压力等离子体上的典型结果

图1a示意性地显示了TGS的设计。前两个光栅和物理掩膜形成凹口滤波器，以阻止中央激光波长，而第三光谱仪可以解析实际的光谱信息。后者被记录到相机上。对于典型的表面等离子体条件，光子散射不连贯，这意味着电子对激光电子场独立响应。

当ICCD的水平方向收集光谱信息时，摄像机的第二维度用于获得空间分辨的测量。ISTAR中的CCD传感器具有1024 x 1024 x 13 µm像素。结合光学设置，这导致了约50 µm的空间分辨率，这是研究血浆空间分布的非常有利的功能。因此，我们能够以高空间和时间精度确定一个框架的等离子体特性2。根据规格，相机的抖动低于0.1 ns。但是，我们系统中的抖动由激光确定，低于5 ns。此外，相机的线性允许使用整个动态强度范围。

如上所述，等离子源是表面。通过位于石英管周围的发射器，微波耦合到血浆中。对于低压应用，可以设置受控压力，对bob综合app官网登录于大气条件，将管子打开。发射器腔创建表面波，形成空间扩展的等离子体列3。整个血浆设置可在轴向和径向方向上移动。对于Ts，在532 nm处的频率加倍，YAG激光器的能量为0.1 J，重复频率为10 Hz，沿着管轴对齐。这样，完整的诊断在空间上是稳定的，原则上不必校准，同时可以移动血浆以探测完整的等离子体积。记录ICCD摄像机是由激光触发的，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等离子光。

图2：a）通过ICCD摄像头系统汤姆森散射获得的表面等离子体的EEDF。无法检测到具有高于7.5 eV的能量的电子。b）从浮雕低压等离子体的放电柱末端的汤姆森散射光的3维表示。

经过仔细的对齐过程后，我们获得图像如图1B所示。它显示颜色编码的散射光子强度是波长（横坐标）和轴向位置（坐骨）的函数。由于TGS的过滤函数，强度的中心倾角在激光波长532 nm处可以清楚地看到。在图片的顶部和底部，由于在大气条件下记录了该图像，因此可以看到拉曼散射的光子。拉曼光谱（参见1B的上半部分）用于图像4的绝对强度校准。在垂直中央区域，人们可以看到不同的强度分布，即汤姆森散射光子的分布。该信号的总强度与NE成正比。该分布是高斯形状，在图1b的上半部分也可以看到。这种形状反映了电子的多普勒拓宽。因此，获得了一维速度分布。 We can plot the TS signal in a semi-log scale as a function of the wavelength-shift squared and make a linear fit. An example of that is shown in figure 2a. If this fitting is successful, we can safely assume to observe a Maxwellian distribution where the slope (or the Gaussian width in non-log plot) determines Te in the following way:

te = mec2/8kbsin2（f/2）（?? 1/e/？i）2

在我们的情况下

（f = p/2，？i = 532 nm）：te = 5238 ?? 1/e 2 k。

图2a中TS获得的能量分布函数的示例强调了整个设置的总体灵敏度的重要性。灵敏度越好，检测到越高的能量电子。前6 eV线性拟合的噪声非常小。这表明黑暗电流和流浪光产生的噪音非常小。另一方面，总体检测极限很重要。我们检测到降至1018 m-3的NE值已空间解析。检测极限受到TGS的杂散拒绝能力和相机噪声的强烈影响。背景的减法程序允许抑制流浪光。但是，使用低噪声摄像头可以大大增强这一点。

如图2B所示，排放末端的空间结构以及等离子体的时间行为。用于流浪光和激光射击的复杂设置使我们能够记录放电的图像，显​​示汤姆森散射光子的空间和光谱信息一次3,5。由于激光系统和光学检测分支是分离的，因此我们可以轻松研究各种小型等离子体源并在空间上研究它们。特别有趣的是凉爽的大气压力等离子体，其中良好的空间分辨率特别感兴趣，因为这些等离子体的梯度可以按0.1 mm为单位。

参考

1）M。Moisan，Z。Z。Zakrzewski，R。Pantel，有效的表面波发射器（Surfatron）的理论和特征，生产长血浆柱，J。Phys。D应用。物理。12（1979）219–237。

2）M.J. Van de Sande，低温等离子体上的激光散射 - 高分辨率和流浪拒绝，博士学位论文Eindhoven技术大学（2008年），Eindhoven

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5）范德穆伦（Van der Mullen），在中间压力上的氩气表面等离子体上的汤姆森（Thomson）散射：电子温度和电子密度的轴向剖面，Spectrochim acta b 65（2010）225-233。

接触

J.J.A.M教授van der Mullen
气体排放中的基本过程
应用物理系
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