基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法技术

本发明专利技术提供基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法包括：设定氦原子单态能级，处理第一单位时间探测光强；求取c能级的原子密度；考虑激光诱导，设中性氦吸收预设频率的激光已进行激光诱导，处理单位时间探测到的荧光光强；获取探测光强差值与单位时间探测光强的比值；利用激光器对氦原子进行激光诱导，将氦原子激发至预设能级，并处理得到能级c原子密度；根据玻尔兹曼分布处理得到能级a原子密度；计算爱因斯坦系数；计算局部热平衡下的基态密度；计算各能级原子密度及总密度。本发明专利技术解决了无法通过荧光信号反演氦密度及设备使用成本高的技术问题。技术问题。技术问题。

【技术实现步骤摘要】
基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法


[0001]本专利技术涉及通过激光诱导荧光进行密度反演的
，具体涉及基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法。

技术介绍

[0002]激光诱导荧光技术是指利用激光激发物质发射荧光，通过采集激光脉冲与介质相互作用产生的荧光信号进行判别的一种检测技术。LIF检测系统主要包括激光器、检测光路、光电探测器、信号处理模块几部分。LIF检测作为高灵敏度的检测技术近年来得到了快速发展，其浓度检验精度高,同时具有检测时间短、可实现在线检测等优点，在大气污染监测等领域得到广泛应用。
[0003]关于激光诱导荧光测量氦原子密度，目前主要应用于核聚变领域。国外，国际联合的ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor，即国际热核聚变实验堆)和德国的AXDEX Upgrade托卡马克装置，通过激光诱导荧光进行了氦原子密度测量或者进行了方案设计，采取的光谱方案主要有两种：入射激光波长388.9nm，探测荧光587.6nm；入射激光波长667.8nm，探测荧光667.8nm。但文献中都未给出具体的通过荧光信号反演氦密度的方法，而国内关于激光诱导荧光测量氦原子密度尚无相关文献。公开号为CN110146410A的现有专利技术专利文献《基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法》包括：采用两个脉冲光源，一个作为信号光，一个作为光学泵浦光。两束光合束后沿两条光路传播，其中一路放置原子池，作为信号光路，一路不放置原子池，作为吸收谱线的校准光路。两路光经探测器转化为电信号后相减，能够去除吸收谱线中由于光路及光源不稳定性带来的影响，提高测量精确度。该现有专利文献中利用吸收谱线的每个精细吸收峰分别确定处于各个能级的原子密度，利用完整吸收谱中的每个单独的吸收谱线与能级跃迁的对应关系，进行数据截取和积分操作，可以计算出原子每个能态的布居数，但无法计算得到特定热平衡条件等场景下处于各个能级的原子密度及总密度。公开号为CN101949852A的现有专利技术专利文献《一种基于光谱标准化的煤质在线检测方法》以经过光谱标准化后的原子特征谱线的强度为纵坐标，以原子特征谱线对应的元素的浓度作为横坐标，建立定标模型。对于未知成分的煤炭进行检测时，经过光谱标准化，根据定标模型即可得到待测元素的浓度。该方法把等离子体温度和电子密度，以及同一元素的离子原子密度比和玻尔兹曼定律考虑进来，从而达到补偿实验参数的波动，提高测量精度的目的。该现有专利文献通过光谱标准化方法进行LIBS定量化分析，以对煤质进行全元素分析，其从激光器出射出的激光经过聚焦透镜2聚焦后作用在定标煤样品3表面，在聚焦点产生等离子体，对于定标煤样中各元素的原子特征谱线，利用元素的离子原子密度比和玻尔兹曼定律，对原子特征谱线的原始强度进行标准化，可知，该现有技术仅考虑了考虑玻尔兹曼定律和离子密度原子密度比的变化，无法解决同一主量子数、相邻角量子数的能级间爱因斯坦系数未知问题，且该现有技术用于煤质元素测定，无法用于氦密度的反演。
[0004]综上，现有技术存在无法通过荧光信号反演氦密度且设备使用成本高的技术问
题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于如何解决现有技术无法通过荧光信号反演氦密度且设备使用成本高的技术问题。
[0006]本专利技术是采用以下技术方案解决上述技术问题的：基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法包括：
[0007]S1、设定氦原子单态能级数据，其中，氦原子单态能级数据包括：能级a、能级b、能级c以及能级d；
[0008]S2、设中性氦从能级c跃迁至能级d，获取c至d能级跃迁发射荧光频率以及c至d能级跃迁爱因斯坦系数；
[0009]S3、以预置逻辑处理c至d能级跃迁发射荧光频率、c至d能级跃迁爱因斯坦系数及单位时间探测光强，据以得到无激光诱导c能级原子密度；
[0010]S4、基于激光诱导，设中性氦吸收预设频率的激光，以从所述能级a跃迁至所述能级b，在向低能级跃迁时，经过能级c向能级d跃迁，将荧光频率保持为c至d级跃迁发射荧光频率，以通过预置逻辑处理得到探测光强差值；
[0011]S5、获取探测光强差值与单位时间探测光强的比值，据以获取第一激光诱导原子密度比例关系；
[0012]S6、使用预置能量的激光器，将能级a上的原子全部激发至能级b，设能级a的原子密度为n
a0
，能级b到能级c跃迁的爱因斯坦系数为A
bc
，据以通过下述逻辑处理激光诱导b能级原子密度的增量n
b
，以得到能级c原子密度：
[0013]n
c
＝n
b
A
bc
＝n
a0
A
bc
；
[0014]S7、设n1为局部热平衡下的基态(1s2)粒子密度，T
e
为等离子体温度，g为简并度，E为能级能量，根据玻尔兹曼分布，以下述逻辑处理得到能级a原子密度：
[0015][0016]S8、利用下述逻辑处理能级c原子密度、能级a原子密度、第一激光诱导原子密度比例关系以及c至d能级跃迁爱因斯坦系数：
[0017][0018]从能级表中读取E
a
、E
c
，通过测量得到I,I0,T
e
，据以计算得到A
bc
；
[0019]S9、根据无激光诱导能级c原子密度n
c0
，将I
‑
I0和I0相比，以得到第二激光诱导原子密度比例关系：
[0020][0021]以根据下述逻辑处理得到局部热平衡基态密度：
[0022][0023]S10、根据玻尔兹曼分布，以下述逻辑处理各能级能量，以得到各能级原子密度：
[0024][0025]将各能级原子密度求和得到总密度。
[0026]本专利技术针对同一主量子数、相邻角量子数的能级间爱因斯坦系数未知问题，通过激光诱导荧光计算爱因斯坦系数，进而给出局部热平衡条件下四能级密度反演方法，结合氦原子能级数据表，可得到氦原子各能级密度和总密度，且易于推广，可应用到其他原子四能级反演问题中，对于氦原子其他四能级系统或其它元素的四能级系统同样适用。
[0027]在更具体的技术方案中，步骤S2中，以下述逻辑处理c至d能级跃迁发射荧光频率以及c至d能级跃迁爱因斯坦系数：
[0028][0029]其中，n
c0
为c能级的密度，V0为探测体积，Ω为探测立体角，k为光学系统透射率。
[0030]在更具体的技术方案中，光学系统包括：收光镜筒和光电倍增管，其中，收光镜筒包括501.6nm滤光片，滤光片为窄带宽、高透射率滤光片。
[0031]在更具体的技术方案中，步骤S3中，采用下述逻辑处理c至d能级跃迁发射荧光频率、c至d能级跃迁爱因斯坦系数及单位时间探测光强，以得到无激光诱导c能级原子密度：
[0032][00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法，其特征在于，所述方法包括：S1、设定氦原子单态能级数据，其中，所述氦原子单态能级数据包括：能级a、能级b、能级c以及能级d；S2、设中性氦从所述能级c跃迁至所述能级d，获取c至d能级跃迁发射荧光频率以及c至d能级跃迁爱因斯坦系数；S3、以预置逻辑处理所述c至d能级跃迁发射荧光频率、所述c至d能级跃迁爱因斯坦系数及所述单位时间探测光强，据以得到无激光诱导c能级原子密度；S4、基于激光诱导，设所述中性氦吸收预设频率的激光，以从所述能级a跃迁至所述能级b，在向低能级跃迁时，经过所述能级c向所述能级d跃迁，将荧光频率保持为所述c至d能级跃迁发射荧光频率，以通过预置逻辑处理得到探测光强差值；S5、获取所述探测光强差值与所述单位时间探测光强的比值，据以获取第一激光诱导原子密度比例关系；S6、使用预置能量的激光器，将所述能级a上的原子全部激发至所述能级b，设所述能级a的原子密度为n
a0
，所述能级b到所述能级c跃迁的爱因斯坦系数为A
bc
，据以通过下述逻辑处理激光诱导b能级原子密度的增量n
b
，以得到能级c原子密度：n
c
＝n
b
A
bc
＝n
a0
A
bc
；S7、设n1为局部热平衡下的基态(1s2)粒子密度，T
e
为等离子体温度，g为简并度，E为能级能量，根据玻尔兹曼分布，以下述逻辑处理得到能级a原子密度：S8、利用下述逻辑处理所述能级c原子密度、所述能级a原子密度、所述第一激光诱导原子密度比例关系以及所述c至d能级跃迁爱因斯坦系数：从能级表中读取E
a
、E
c
，通过测量得到I,I0,T
e
，据以计算得到A
bc
；S9、根据所述无激光诱导能级c原子密度n
c0
，将I
‑
I0和I0相比，以得到第二激光诱导原子密度比例关系：以根据下述逻辑处理得到局部热平衡基态密度：S10、根据玻尔兹曼分布，以下述逻辑处理各能级能量，以得到各能级原子密度：将各能级原子密度求和得到总密度。2.根据权利要求1所述的基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法，其特征在于，所述步骤S2中，以下述逻辑处理所述c至d能级跃迁发射荧光频率以及所述c至d能级跃迁爱因斯
坦系数：其中，n
c0
为c能级的密度，V0为探测体积，Ω为探测立体角，k为光学系统透射率。3.根据权利要求2所述的基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法，其特征在于，所述光学系统包括：收光镜筒和光电倍增管，其中，所述收光镜筒包括501.6nm滤光片，所述滤光片为窄带宽、高透射率滤光片。4.根据权利要求1所述的基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用下述逻辑处理所述c至d能级跃迁发射荧光频率、所述c至d能级跃迁爱因斯坦系数及所述单位时间探测光强，以得到所述无激光诱导c能级原子密度：5.根据权利要求1所述的基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法，其特征在于，所述步骤S4中，以下述逻辑处理获取所述探测光强差值：其中，n
c
为由于激光诱导c能级原子密度的增量。6.根据权利要求1所述的基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法，其特征在于，所述步骤S5中，以下述逻辑处理得到所述获取第一激光诱导原子密度比例关系：7.根据权利要求1所述的基于激光诱导荧光的氦原子密度反演方法，其特征在于：所述步骤S1到S3中排除激光入射，...

【专利技术属性】
技术研发人员：史博，祁俊力，浦文婧，张辉，韩佳佳，王申浩，张连庆，麻晓敏，单会会，王保明，左从菊，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军炮兵防空兵学院，
类型：发明
国别省市：