一快速融入、前言
作為物質存在的第四種狀態(tài)的等離子體通常由電子、離子和處于基態(tài)以及各種激發(fā)態(tài)的原子系統、分子等中性粒子組成增強。等離子體中帶電離子間庫倫相互作用的長程特性，是帶電粒子組分的運動狀態(tài)對等離子體特性的影響起決定性作用形式，其中的電子是等離子體與電磁波作用過程中最重要的能量與動量傳遞粒子置之不顧，因此，等離子體中最重要的基本物理參數(shù)是電子密度及其分布以及描述電子能量分布的函數(shù)以及相應的電子溫度數字化。而對于中高氣壓環(huán)境下產生的非熱低溫等離子體來說方便，等離子體中的主要組分是處于各種激發(fā)態(tài)的中性粒子，此時除了帶電粒子外各領域，中性粒子的分布和所處狀態(tài)對等離子體電離過程和穩(wěn)定性控制也起著非常重要的作用應用領域，尤其是各種長壽命亞穩(wěn)態(tài)離子的激發(fā)。
為了可以充分描述等離子體的狀態(tài)進行培訓，在實驗上不僅要對帶電粒子的分布和運動狀態(tài)進行診斷發展機遇，如電子溫度、電子密度物聯與互聯、電離溫度等參數(shù)穩定，還需要對等離子體中的中性粒子進行必要的實驗測量，來獲得有關物種的產生供給、能量分布以及各個激發(fā)態(tài)布居數(shù)分布等信息優勢與挑戰，如氣體溫度、轉動溫度解決方案、振動溫度趨勢、激發(fā)溫度等參數(shù)。
基于這種要求上高質量，結合相關學科的各種技術形成了一個專門針對等離子體開展診斷研究的技術門類一站式服務，如對等離子體中電子組分的診斷技術有朗繆爾探針法（Langmuir Probe），干涉度量法(Interferometer)深入交流，全息法(Holographic Method)引領作用，湯姆遜散射法(Thomason Scattering, TS)加強宣傳，發(fā)射光譜法(Optical Emmission Spectroscopy, OES)等，對離子組分的光譜診斷技術有光腔衰減震蕩(Cavity Ring-Down Spectroscopy, CRDS)和發(fā)射光譜法(OES)效率和安，而對中性粒子的光譜診斷技術包括了吸收光譜法(Absorption Spectroscopy, AS)設計能力，發(fā)射光譜法(OES)品牌，單光子或者雙光子激光誘導熒光(Laser Induced Fluorescence, LIF)等深入開展。
二、湯姆遜散射（Thomson Scattering）
基于激光技術發(fā)展起來的湯姆遜散射診斷原本用于高溫聚變等離子體的測量等形式，借助激光技術和光電探測技術的突飛猛進技術的開發，湯姆遜散射在近年也大量應用于低溫等離子體的密度和電子溫度的測量。湯姆遜散射具有空間分辨率高（局域測量）飛躍，測量值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點更高效。
測量的物理量：
圖1. 湯姆遜散射分析系統(tǒng)結構示意圖
2.1、激光束在等離子體中的束斑大兄匾渴?。ㄊ鴱紻LP）
激光束經過透鏡聚焦具體而言，等離子體應該位于透鏡的焦點，以達到激光束在等離子體中有最小的束徑智慧與合力，最高的功率密度喜愛。
DLP = f′q
其中f是聚焦透鏡的焦距，q是激光束發(fā)散角開放要求，考慮各種綜合因素向好態勢，實際束徑是上述公式的2倍左右。假設使用f=1000mm的聚焦透鏡和q=0.5mrad的激光束記得牢，DLP大約是1mm註入了新的力量。
2.2、收集光學系統(tǒng)的光纖的像斑（fP）與等離子體中激光束徑DLP的匹配
為了有效的收集激光束上的散射光子更多可能性，光纖的像斑fP應該完quan覆蓋激光的束徑去創新。理想情況是光纖的像斑與DLP尺寸完quan相同，并且二者完quan重合緊迫性，這樣激光的散射光最大結構，同時背景非散射光最小。但是考慮到實際的準直的難度多元化服務體系，這樣的理想條件在有限的資金投入下很難實現(xiàn)規劃。建議fP是DLP的兩倍，既能有效的收集散射光子深度，也能比較容易準直帶動擴大。如果DLP =1mm, fP =2mm是比較合適的。
2.3開拓創新、光纖的芯徑持續發展、布局和光譜儀以及ICCD的選擇
湯姆遜散射譜線展寬與溫度的關系如下：
湯姆遜散射角度 Theta=90度必然趨勢；me是電子質量，c是光速擴大，kB是玻爾茲曼常數(shù)多樣性，公式右邊分母下面：
是激光的波長 532nm；分子是譜線展寬新格局，不過是1/e展寬
因此湯姆遜散射光譜的半高寬△λ1/e（nm）與等離子體溫度Te（ev）的關系可以簡化為：
△λ1/e=1.487×Te1/2
Te eV | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 1 | 2 | 4 | 5 | 10 |
△λ1/e nm | 0.47 | 0.53 | 0.81 | 0.94 | 1.49 | 2.10 | 2.97 | 3.32 | 4.70 |
表1. 電子溫度與湯姆遜散射譜半高寬對應值
在光譜儀沒有入射狹縫或者入射狹縫寬度超過光纖的芯徑的情況下明顯，光纖的芯徑實際決定了譜儀的實際分辨率（儀器展寬）：
△λof = fof ′ LSP
fof是光纖的芯徑，LSP是譜儀的倒線色散率顯示。
針對于此應用創新為先，可以考慮選擇兩款光譜儀，分別是：
1科普活動、Zolix 北京卓立漢光儀器有限公司的Omni系列 750mm的譜儀創新延展，如果使用1200l/mm的光柵，LSP = 1nm/mm長期間。測量電子溫度的原則是儀器展寬應該與最di溫度的展寬相當基本情況，才能有效的測量到最di溫度。
2高端化、選用207（670mm焦距）光譜儀力量，在搭配1200l/mm光柵的情況下，LSP=1.24nm/mm效果，可以滿足要求使用。同時可以考慮搭配1800l/mm光柵，這樣的話可以兼容高電子溫度和低電子溫度的同時測量密度增加，以及同時兼顧高分辨和寬光譜有效性。
原則上，使用芯徑400mm的光纖機遇與挑戰，△λof=0.4-0.48nm廣泛關註，完quan符合0.1eV的測量要求。但是還是建議譜儀安裝入射狹縫集成技術，靠狹縫來控制分辨率就能壓製，不僅確保0.1 eV的測量要求，還能實現(xiàn)更低的溫度測量適應能力。同時在調試階段更優美，靠狹縫來控制通光量，以免532nm的激光雜散光太強防控，對ICCD造成破壞成效與經驗。
另一方面ICCD的尺寸決定了光纖的排布數(shù)量。光纖數(shù)量越多堅實基礎，對湯姆遜散射這種微弱光測量是越有利的稍有不慎。在信號很弱的時候重要作用，可以把幾道合成一道使用，以增加信噪比最為顯著，提高信號質量尤為突出。因此在波長覆蓋范圍（CCD的橫向尺寸）滿足要求的情況下，ICCD的縱向尺寸應該盡量大一些環境，以便容納更多的光纖空間載體。
選用iStar 334T探測器，這款CCD的尺寸是13.3 ′ 13.3 mm優勢與挑戰，對焦距目前的光譜儀無論是Omni-750還是207在搭配1200l/mm光柵的情況下經驗分享，波長覆蓋范圍是13nm左右解決方案，同時縱向13.3mm趨勢，容納的光纖數(shù)量也更多，可以做更多的多道光譜上高質量。
如果已有更大面陣的CCDsCMOS或高速相機相互配合，可以考慮使用Zolix 卓立漢光的IIM系列鏡頭耦合像增強模組與之配合，達到類似ICCD的功能和效果著力增加，同時獲得更大的相機選取自由度智能化；IIM 內部可以選擇25mm 尺寸的增強器，1：1耦合到CCD, 可以獲得更大的成像面處理，雙層增強器也可以獲得更高的增益建設；
光纖的布局是一字型密集排布，在13mm的長度內助力各行，盡量的密布盡可能多的光纖前來體驗。同時光纖應該嚴格排列在一條直線上，整排光纖的偏心距小于20mm確定性。
2.4更加廣闊、收集透鏡的選擇
等離子體中心到透鏡的距離L和光纖的芯徑，及像斑決定了收集透鏡的焦距講故事。舉例如下：如果像斑要求是fP =2mm非常完善，光纖芯徑400mm, 則物像比是4，如果L=320mm, 則透鏡的焦距就是320/4=80mm全面革新。同時如果觀測的等離子體范圍是50mm作用，那光纖一字排開的范圍就是50mm/4=12.5mm。這個寬度和連接譜儀一側的光纖束的尺寸很接近了行業分類，連接收集透鏡一側光纖也應該是密集排布技術特點，這樣兩端容納的光纖數(shù)量就是匹配的。
2.5數據顯示、瑞利散射的濾除與使用
瑞利散射信號通常也可以用來測試重粒子的相關信息比如中性原子高質量。
但是相比于瑞利散射法來說也逐步提升，作為彈性散射的湯姆遜散射法更多用于自由電子的測試。和離子與原子相比註入了新的力量，由于自由電子的速度更快重要的作用，質量更輕，因此具備更寬的光譜展寬去創新。比較強的雜散光信號與更強的瑞利散射信號則可以通過例如布儒斯特窗足夠的實力、籠式結構或者黑絲擋板的方式濾除掉。
圖2 濾除瑞利散射的籠式結構示意光路
因此在實際的測試過程中結構，如何合理地使用這些信號為等離子體診斷服務更適合，則是另一個相關的話題。
如圖3[1]所示應用優勢，為實際測試過程中得到的瑞利與湯姆遜散射信號
如圖4[2]所示高質量發展，為實際測試過程中得到的濾除瑞利散射后的湯姆遜散射信號
圖3 包含瑞利散射與湯姆遜散射的實測信號
圖4 濾除瑞利散射后的湯姆遜信號
2.6其他附屬部件
三高效節能、整體解決方案匯總推薦
根據(jù)用戶需求影響力範圍，一般推薦的配置如下：
光譜儀：
探測器：
ICCD, 18mm 增強器邁出了重要的一步，13*13mm 探測面；
Zolix卓立漢光 公司的IIM-A系列 鏡頭耦合像增強模組設施，配合更大面陣的CCD或sCMOS相機需求， 18mm或25mm 的大面積增強器，靈活的CCD 相機選擇組合運用；
DG645數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器：用于系統(tǒng)觸發(fā)控制
標準A光源更讓我明白了，用于系統(tǒng)強度校準
其他的配件：包括多道光纖，收集光路競爭力，可以后續(xù)一并考慮充分，先購買標準部件
參考文獻
[1] Yong WANG, Cong LI, Jielin SHI, et al. Measurement of electron density and electron temperature of a cascaded arc plasma using laser Thomson scattering compared to an optical emission spectroscopic approach[J]. Plasma Sci. Technol. 19 (2017) 115403 (8pp)
[2] Ma P, Su M, Cao S, et al. Influence of heating effect in Thomson scattering diagnosis of laser-produced plasmas in air[J]. Plasma Science and Technology, 2020.
