一種智能控制的激光等離子體測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光等離子體原子光譜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種智能控制的激光等離子體測量裝置；本發(fā)明還涉及一種利用該裝置測量等離子體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光等離子體技術(shù)(Laser produced plasma，簡稱LPP)是利用高能量脈沖激光聚焦于靶材料表面，燒蝕靶材產(chǎn)生等離子體，通過對等離子體光譜進行分析，可以得到原子結(jié)構(gòu)信息、等離子體參數(shù)和動力學特性的一種技術(shù)。激光等離子體技術(shù)作為一種非常有效的實驗方法，已廣泛應(yīng)用于天體物理、核聚變物理、光刻光源以及元素分析等領(lǐng)域的研究中。
[0003]目前實驗室所搭建的激光等離子體實驗裝置，每次測量只能獲得特定延遲時間、特定空間位置的等離子體光譜。激光作用于靶材所產(chǎn)生的等離子體在真空中會迅速向外膨脹，形成等離子體羽。等離子體隨著時間和空間快速演化，要獲得等離子體在演化過程中更多的信息，就需要進行多次測量。由于激光燒蝕靶材會在靶面上形成燒蝕坑，如果激光持續(xù)作用于靶面的同一位置，產(chǎn)生的等離子體的穩(wěn)定性會變差，這會很大程度上降低等離子體光譜測量的可重復性。
[0004]為了準確的獲得不同空間位置處的等離子體信息，智能控制的激光等離子體空間分辨測量裝置對激光等離子體光譜實驗以及工業(yè)應(yīng)用具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種計算機控制的操作簡便、智能化、精度高的激光等離子體測量裝置。
[0006]本發(fā)明的另一個目的是提供一種用上述裝置測量等離子體的方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
本發(fā)明激光等離子體測量裝置是計算機控制的一種操作簡便、智能化、精度高的激光等離子體測量裝置。利用該測量裝置提出的測量方法對激光等離子體進行空間測量時，靶材二維智能移動的方法可以保證激光等離子體的穩(wěn)定性，極大的提高了激光等離子體實驗的可重復性，另一方面也可以實現(xiàn)靶材的高效利用。該測量方法中設(shè)計的激光作用于靶面的圖示化模擬，使靶面的二維移動控制，更加直觀，更加方便，實現(xiàn)了智能化控制。同時，采用“等離子體移動法”實現(xiàn)了激光等離子體的高精度空間分辨測量。并實現(xiàn)了激光等離子體測量裝置的智能化控制。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明激光等離子體測量裝置的示意圖。
[0009]圖2是本發(fā)明激光等離子體測量裝置中樣品架位移臺的示意圖。
圖3是本發(fā)明測量方法中樣品靶二維移動示意圖。
[0010]圖4是本發(fā)明測量方法中給出的靶面網(wǎng)格示意圖。
[0011]圖5是激光脈沖能夠作用于圖4所示網(wǎng)格中的作用點的示意圖。
[0012]圖6是激光脈沖作用于圖5所示作用點后的示意圖。
[0013]圖7是整個靶面被激光脈沖作用后的示意圖。
[0014]圖中:1.激光器，2.分束鏡，3.反射鏡，4.能量計，5.電動平移臺，6.聚焦透鏡，7.第一石英窗，8.第二石英窗，9.電子顯微鏡，10.第三石英窗，11.真空規(guī)管接口，12.分子栗接口，13.計算機，14.真空腔室，15.正方體樣品架，16.測量窗口，17.測量狹縫，18.移動控制器，19.樣品靶，20.函數(shù)信號發(fā)生器，21.數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器，22.連接桿，23.樣品靶X軸平移臺，24.樣品靶Z軸平移臺，25.樣品靶Y軸平移臺，26.樣品靶旋轉(zhuǎn)臺。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0016]如圖1所示，本發(fā)明激光等離子體測量裝置，包括激光器1、能量計4、聚焦透鏡6、計算機13、真空腔室14以及平行設(shè)置的分束鏡2和反射鏡3，分束鏡2與水平面之間的夾角和反射鏡3與水平面之間的夾角均為45°，分束鏡2位于激光器1和反射鏡3之間。真空腔室14的側(cè)壁上分別設(shè)有第一石英窗7、第二石英窗8、第三石英窗10、真空規(guī)管接口 11、分子栗接口 12和測量窗口 16，測量窗口 16上設(shè)有測量狹縫17。真空腔室14內(nèi)設(shè)有正方體樣品架15，正方體樣品架15與設(shè)于真空腔室14外的樣品架位移臺相連接，該樣品架位移臺可驅(qū)動正方體樣品架15沿X軸、Y軸和Z軸方向移動，并可驅(qū)動正方體樣品架15繞Y軸轉(zhuǎn)動。聚焦透鏡6位于第一石英窗7和反射鏡3之間，聚焦透鏡6安裝于電動平移臺5上。第二石英窗8外設(shè)有電子顯微鏡9，電子顯微鏡9與計算機13相連接。激光器1采用脈沖激光器，激光器1與數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器21相連接，數(shù)字脈沖延遲發(fā)生器21分別與移動控制器18和函數(shù)信號發(fā)生器20相連，移動控制器18還分別與計算機13、電動平移臺5和樣品架位移臺相連接。
[0017]圖2為本發(fā)明激光等離子體測量裝置中的樣品架位移臺，包括樣品靶X軸平移臺23、樣品靶Z軸平移臺24、樣品靶Y軸平移臺25和樣品靶旋轉(zhuǎn)臺26，樣品架位移臺通過連接桿22與正方體樣品架15相連接。樣品靶X軸平移臺23通過連接桿22驅(qū)動正方體樣品架15沿X軸方向移動；樣品靶Z軸平移臺24通過連接桿22驅(qū)動正方體樣品架15沿Z軸方向移動；樣品靶Y軸平移臺25通過連接桿22驅(qū)動正方體樣品架15沿Y軸方向移動，樣品靶旋轉(zhuǎn)臺26通過連接桿22驅(qū)動正方體樣品架15繞Y軸轉(zhuǎn)動。
[0018]正方體樣品架15為招合金殼體。
[0019]本發(fā)明提供了一種利用上述測量裝置進行激光等離子體測量的方法，具體按以下步驟進行:
步驟1:在正方體樣品架15的四個側(cè)壁上均并排裝載兩塊樣品靶19，樣品靶19長35mm、寬26mm，分子栗接口 12連接分子栗，真空規(guī)管接口 11連接真空計；
步驟2:手動觸發(fā)函數(shù)信號發(fā)生器20，函數(shù)信號發(fā)生器20產(chǎn)生觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號將觸發(fā)數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器21，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器21接收到該觸發(fā)信號后觸發(fā)激光器1產(chǎn)生第一次激光脈沖，該激光束經(jīng)過分束鏡2時，分束鏡2將其中5%的激光束分出，并將該部分激光束輸出到能量計4上，能量計4通過接收到的激光束檢測激光器1輸出的激光能量大小；另一部分激光束通過分束鏡2后，到達反射鏡3，反射鏡3將激光束轉(zhuǎn)向后射向聚焦透鏡6，通過聚焦透鏡6的激光束從第一石英窗7進入真空腔室14內(nèi)，并照射到樣品架15朝向第一石英窗7的側(cè)面安裝的樣品靶19上；通過移動控制器18使電動平移臺5沿激光入射方向往復輕微移動，調(diào)節(jié)聚焦透鏡6改變激光聚焦后的焦點距離樣品靶19表面的距離；同時，通過樣品靶X軸平移臺23、樣品靶Z軸平移臺24、樣品靶Y軸平移臺25和樣品靶旋轉(zhuǎn)臺26調(diào)整正方體樣品架15，使樣品靶19與激光束相垂直，并使首次激光脈沖作用于朝向激光束的兩個樣品靶19中一個樣品靶19靶面左上角靠近邊緣的位置；首次激光脈沖結(jié)束后，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器21給移動控制器18提供一個觸發(fā)信號，移動控制器18將接收到的觸發(fā)信號輸送給計算機13，計算機13接收到信號后向移動控制器18發(fā)送指令，通過移動控制器18控制樣品靶19在所在平面內(nèi)進行二維移動。即首先通過樣品靶X軸平移臺23帶動樣品靶19沿X軸正方向移動一步；再次通過函數(shù)信號發(fā)生器20產(chǎn)生下一個觸發(fā)信號，并將該觸發(fā)信號發(fā)送給觸發(fā)數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器21，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器21接收到該觸發(fā)信號后觸發(fā)激光器1產(chǎn)生第二次激光脈沖，第二次激光脈沖作用于樣品靶19產(chǎn)生等離子體，然后通過樣品靶X軸平移臺23帶動樣品靶19沿X軸正方向再移動一步；接著激光每作用一次后，就使樣品靶19沿X軸正方向移動一步，直至激光脈沖作用于樣品靶19的位置接近靶面右邊緣時，通過樣品靶Y軸平移臺25帶動樣品靶沿Y軸負方向向上移動一步；之后在每一次激光脈沖結(jié)束后通過樣品靶X軸平移臺23控制靶面沿X軸負方向橫向移動，當激光脈沖作用的位置到達樣品靶19的左端邊緣附近時，控制樣品靶19沿Y軸負方向再走一步，這樣就完成了一次往復運動；此后，計算機13通過移動控制器18控制樣品架位移臺使樣品靶19按照“弓”字型的運動軌跡進行移動，一直到激光燒蝕位置到達樣品靶19的下端邊緣。
[0020]樣品靶19 二維移動的步長由激光作用于樣品靶19形成燒蝕坑的大小來確定，具體為:調(diào)節(jié)電子顯微鏡9的位置和焦距，使其對激光作用于樣品靶19的位置清晰成像，固定電子顯微鏡9 ;在一次激光脈沖結(jié)束后，通過計算機13控制電子顯微鏡對樣品靶19靶面進行成像，然后通過與標尺比較確定燒蝕坑的直徑；由于激光能量的不穩(wěn)定以及不同的聚焦條件，導致激光作用于靶面之后形成的燒蝕坑的大小有所差別，所以樣品靶19移動步長的確定準則是:多次測量選取最大的燒蝕坑的直徑作為靶面19 二維移動的步長。
[0021]在激光燒蝕過程中，計算機13給移動控制器18發(fā)出指令，移動控制器18控制樣品架位移臺按“弓”字型的運動軌跡進行移動，如圖3所示，圖3中的白色圓為每次激光脈沖在樣品靶19上的燒蝕坑，圖中箭頭方向為每次激光脈沖后樣品靶19的移動方向。通過這樣的運動軌跡使整個靶面被全部利用，這不但保證了每次激光脈沖都能作用于新的靶面位置，而且也實現(xiàn)了靶材的高效利用。
[0022]本發(fā)明測量方法在控制界面中顯示激光作用于靶面的圖示化的模擬，激光作用于靶面的圖示化模擬與激光實際作用于靶面的位置是完全匹配的。這樣可以使靶面的二維移動控制更加直觀方便。激光作用于靶面的圖示化模擬的設(shè)計方案為:首先對靶面信息進行分析，在控制軟件中輸入靶面橫向和縱向的尺寸，第一次激光作用后計算出每次移動的步長，然后在界面上給出靶面作用區(qū)域橫向和縱向的網(wǎng)格數(shù)，如圖4所示；最后給出激光的作用區(qū)域，用白色圓來表示，如圖5所示；接下來與靶面二維移動的方式同步，激光脈沖作用結(jié)束后，圖示化模擬中激光作用區(qū)域的第一個白色圓變?yōu)楹谏珗A，表示該位置已經(jīng)被激光作用，如圖6所示；每次激光作用結(jié)束后白色圓變?yōu)楹谏０凑者@樣的方式，每次激光作用的位置為下一個白色圓的位置；如前面所述，按照“弓”字型的運動模式，直到所有的白色圓都變?yōu)楹谏珗A為止，表示所有的區(qū)域都作用結(jié)束，給出“靶面已使用完，請換靶”的提示