汤姆孙散射系统中发黑材料的表面散射特性测量 
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1 引言
在惯性约束聚变[1]和磁约束聚变[2]的研究中,汤姆孙散射是诊断等离子体的电子温度和电子密度的标准方法之一[3-13]。由于汤姆孙散射截面的面积仅有6.65×10-29
光学元件表面上的散射光在传输管道及真空腔室内壁上经历若干次反射后,往往能够耦合进汤姆孙散射光收集系统中,这是汤姆孙散射系统中杂散光的主要来源之一[16]。提高散射信号信噪比的方法:一是直接在光谱上区分汤姆孙散射信号和杂散信号;二是屏蔽进入散射光收集区域中的杂散光[17]。具体做法:使用光阑和光学挡板阻止杂散光进入收集光路中[18];在空间滤波器中利用针孔屏蔽激光的高频部分,以屏蔽杂散光[19];使用光垃圾斗吸收高能量激光,防止其再次进入主光路中而成为杂散光[20];使用光陷阱吸收散射光收集系统视场内的杂散光[21]。但应用这些技术手段需要对相关器件的关键表面进行消光处理,以减少杂散光的再散射。
汤姆孙散射系统中的吸收材料对杂散光的抑制效果会影响信噪比的好坏,所以需要对材料表面的散射特性开展深入研究。安装在‘科大一环’装置[22]上的汤姆孙散射系统使用的诊断光的波长为1064 nm,针对此波长设计一套全自动的表面散射光测试平台,通过该测试平台可以快速测试各种吸收材料的散射光分布情况。比较不同材料的散射光强度分布,所得结果可以为汤姆孙散射系统中杂散光吸收材料的选取提供一个很好的数据参考,以最大限度地抑制杂散光,从而提高汤姆孙散射信号的信噪比。通过实验测量得到的散射光空间分布可以得到材料的双向反射分布函数(BRDF),进而拟合得到ABg模型的相关参数,为杂散光射线追踪计算提供重要数据[23-28]。
2 实验方法和设置
材料表面入射光的散射行为通常可以利用BRDF来描述。对于吸收材料的散射角分辨谱(ARS)和BRDF可以表示为[29]
式中:B'表示BRDF;Pi表示入射光的功率;ΔΩS表示立体角;ΔPS表示散射光功率;ΔPS(θS)/ΔΩS表示单位立体角内的散射光功率;θS表示散射角。BRDF可以描述入射到物质表面后在各个反射方向上的散射光分布。若对(1)式和(2)式采用直接测量法,则需要对入射光功率、散射光功率以及探测器的视场角等物理量进行绝对测量。为了降低测量难度、增加实验的可靠性,采用相对测量法,可以表示为
式中:B'(θS)sample表示待测材料在θS下的BRDF;ΔPS(θS)sample表示待测材料样品在θS下的散射光功率;ΔPS(θS)standard表示标准参照物在θS下的散射光功率;B'(θS)standard表示标准参照物在θS下的BRDF。由(3)式可知,在已知标准参照物BRDF的情况下,通过对比标准参照物和待测材料样品的散射光功率,便可以得到待测材料的BRDF。相对测量法的实验误差来源于散射光功率的测量误差,以及标准参考物与理想值的偏差。实验中采用标准白板作为标准参照物,其BRDF为1/π。
在分析杂散光的TracePro等软件中,采用ABg模型来描述物质表面的散射特性。ABg模型的BRDF可以表示为
式中:β和β0分别表示散射方向和反射方向的方向正弦;A、B和g表示ABg模型的参数,其中B和g决定散射特性,A决定散射率。对实验数据进行拟合,可以获得ABg模型的A、B和g,从而为杂散光的模拟计算提供科学且可靠的实验数据。
为了便于快速测试多种材料在不同入射角下的散射光分布,设计一套全自动的测试系统,如
图 1. 全自动的测试系统。(a)反射计系统构成的示意图;(b)现场照片
Fig. 1. Fully automatic test system. (a) Schematic of reflectometer system composition; (b) on-site photo
编写LabVIEW程序来控制旋转台和数据采集以实现自动测试,
3 结果与分析
实验测量直径为30 mm的标准白板、10 cm×10 cm的304不锈钢板、5 cm×5 cm的6061阳极氧化发黑铝合金板、3 cm×5 cm石墨板、5 cm×5 cm Avian Black-S发黑涂料和5 cm×5 cm Acktar公司的Metal VelvetTM coated Foil Roll发黑箔6种材料的表面散射分布。通过原子力显微镜(AFM)对6种材料的表面进行测量,每种材料均测试10 μm大小的区域,
图 3. 304不锈钢表面粗糙度的测量结果
Fig. 3. Measurement result of 304 stainless steel surface roughness
表 1. 不同材料的表面粗糙度
Table 1. Surface roughness of different materials
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表 2. 不同材料拟合所得的ABg参数
Table 2. ABg parameters obtained by fitting different materials
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图 4. 正入射下吸收材料的双向反射分布函数曲线
Fig. 4. Bidirectional reflection distribution function curves of absorbing material under normal incidence
通过测得材料表面的散射分布,可以得到这些材料的BRDF,采用ABg模型对上述不锈钢、阳极氧化发黑铝合金、石墨板、Avian Black-S发黑涂料和Acktar发黑箔的实验结果进行拟合,相关拟合结果如
图 5. 不同材料的BRDF与ABg模型的拟合结果
Fig. 5. Fitting results of BRDF and ABg models of different materials
通过测试这些材料在激光正入射条件下的散射光分布,可以得到每种材料对杂散光的吸收效果。但是在汤姆孙散射实验中,当杂散光在管道内壁传导时,其入射角是不断变化的,因此对上述材料进行不同入射角下的散射光分布测量,测试结果如
从
图 6. 不同吸收材料在不同入射角下的散射光强度分布。(a)标准白板;(b)不锈钢;(c)阳极氧化发黑铝合金;(d)石墨;(e) Avian Black-S发黑涂料;(f) Acktar公司的Metal VelvetTM coated Foil Roll发黑箔
Fig. 6. Scattered light intensity distribution of different absorbing materials at different incident angles. (a) Standard white board; (b) stainless steel; (c) anodized black aluminum alloy; (d) graphite; (e) Avian Black-S black coating; (f) Acktar's Metal VelvetTM coated Foil Roll Black foil
给出40°和70°入射角下的散射数据,如
图 7. 不同入射角下吸收材料的散射数据。(a) 40°入射角;(b) 70°入射角
Fig. 7. Scattering data of absorbing materials at different incident angles. (a) 40° incident angle; (b) 70° incident angle
需要特别指出的是,根据实验的研究结果,在‘科大一环’装置上的汤姆孙散射系统中最终选取发黑箔和发黑涂料这两种材料,可以成功地将系统的杂散光抑制到本底噪声的水平,并取得理想的杂散光抑制效果。
4 结论
设计一套散射光自动测试平台,并针对汤姆孙散射系统中的杂散光吸收材料进行散射测量实验。经过测试检验,这套测试平台可以快速准确测量材料的散射光分布。实验结果表明,石墨平板对于杂散光只有近1个量级的吸收,并且会产生较强的镜面反射杂散光;Avian Black-S发黑涂料和Acktar公司的Metal VelvetTM coated Foil Roll发黑箔的吸收效果最好,可以降低近2个量级的杂散光水平。在非掠入射的条件下,发黑箔的吸光效果稍好一些,但在掠入射的条件下,发黑涂料对杂散光吸收效果更好。根据实验研究结果,在‘科大一环’装置上的汤姆孙散射系统中,最终选取发黑箔和发黑涂料这两种材料,可以取得理想的杂散光抑制效果。
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