雷射塵埃粒子計數器光學探頭的製作方法
2023-10-29 06:08:22
專利名稱：雷射塵埃粒子計數器光學探頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及超淨檢測設備，是雷射塵埃粒子計數器的主體部件。
已有的雷射塵埃粒子計數器光學探頭，美國ROYCO公司的226型雷射塵埃粒子計數器光學探頭的結構原理如圖3所示，圖中18-雷射放電管，19-布儒斯特窗，20-45°平面反射鏡，6-集光拋物面反射鏡，7-雷射通道，8-光敏區，9-樣氣通道，12-聚光透鏡，21-雷射諧振腔反射鏡，22-固體光電管。該光學探頭採用半外腔式He-Ne雷射器，光敏區位於雷射器諧振腔內。其動態工作過程為含有塵埃粒子的待測樣氣經樣氣通道9流經光敏區8時產生光的散射。集光拋物面反射鏡6為散射光收集元件，因該反射面的焦點亦在光敏區內，這樣一定立體角範圍的粒子散射光經反射面後成為平行光，之後再經45°反射鏡20反射，聚光透鏡12將散射光會聚在固體光電管22(Solid State Photo Diode)的接收面上。光電管產生的光電信號由其後面的電子學部分處理後給出測量結果。
該光學探頭在實用中存在以下問題1、該光學探頭用於潔淨空間潔淨度檢測時，所用時間長，限制了工作效率的提高。按美國聯邦潔淨環境控制的209D標準，使用該光學探頭標定10級的淨化空間，需用28分鐘才能完成一個點的檢測，標定1級淨化空間則需用近5個小時的時間完成一個點的檢測。因此當淨化空間的檢測對時間提出要求時，已有探頭的實用性便受到限制。該光學探頭的採樣流量只有300毫升/分鐘，流量受限於光敏區的大小，而光敏區的尺寸則直接取決於腔內雷射束的直徑。
2、因為光敏區位於雷射諧振腔內，雷射諧振腔內特有的駐波現象使光敏區內的光強分布具有軸向周期性結構，同時光敏區沿雷射束的徑向分布光強亦呈高斯分布變化。因此，在實際探測時，相同粒徑的粒子在通過光敏區的不同位置時，將得出不同的測量結果，在小粒徑範圍測量誤差大，限制光學探頭的探測下限為0.12微米。
3、該光學探頭在探測粒徑大於2.0微米的塵埃粒子時，測量誤差大。因為雷射諧振腔內氣流擾動和大粒子對雷射功率的影響以及樣氣通道對粒子的靜電吸附等，造成光學探頭對塵埃的計數效率下降。此時探頭計數效率低於71%。
本發明的目的是為了克服上述問題，提供一種新的雷射塵埃粒子計數器光學探頭，該探頭具有測量塵埃粒徑範圍廣、速度快和計數效率高等特點，以滿足淨化空間測量的要求。
本發明的結構，沿光束前進方向依次是單模He-Ne雷射器、雷射擴束鏡組、具有光通道的集光拋物面反射鏡、供樣氣通過的樣氣通道、光敏區、後向反射鏡、聚光透鏡、消雜光光欄、光信號由光電倍增管接收。
本發明的特點是1、將探測塵埃的光敏區和樣氣通道設在He-Ne雷射器腔外的集光拋物面反射鏡的焦點附近和穿過集光拋物面反射鏡的光通道的雷射束上;
2、在He-Ne雷射器和集光拋物面反射鏡之間用雷射擴束鏡組將雷射束擴大，以增大光敏區，因而樣氣通道也可相應擴大。
3、在集光拋物面反射鏡和聚光透鏡之間有後向反射鏡，以實現對通過光敏區的樣氣準對稱照明，提高塵埃對雷射的散射;
4、採用靈敏度較高、響應速度快的光電倍增管作塵埃散射光接收器。
為了保證後向反射鏡上的雷射衍射和散射不致影響測量，所說的後向反射鏡最好套上一長筒光欄。
所說聚光透鏡的焦距範圍為集光拋物面反射鏡焦距的6～15倍。
所說的雷射擴束鏡組可由雷射擴束鏡、狹縫、雷射準直鏡和孔徑光欄組成，其擴束比的範圍為2∶1～20∶1，最佳擴束比為5∶1。
所說的雷射擴束鏡和雷射準直鏡可為球面透鏡，而以柱面透鏡最好。
在光電倍增管前最好再設置一前置鏡組，作用是防暈並進一步抑制光噪聲。前置鏡組可有各種不同形式，可為組合的或單一的雙球面透鏡，也可為組合的或單一的非球面透鏡。
本發明與已有技術相比的優點是1、光敏區設計在雷射腔外，避免了被測粒子和氣流對雷射功率的影響，擴展了塵埃粒徑的測試範圍。
2、已有光學探頭在動態條件下，光敏區沿雷射束方向的光強不均勻性可能大於±40%，由於本發明的光敏區在腔外，光敏區光強的均勻性大為改善，而且加了後向反射鏡，光敏區成為準對稱照明，光強不均勻性相應可限制在±10%以內。
3、使用雷射擴束鏡組來滿足測量對光敏區大小的要求，同時進一步減小了高斯雷射束所引起的光敏區範圍內光強的起伏。
4、本發明的雷射功率輸出不受採樣氣流影響，可適當提高樣氣流速，以減小樣氣管道對塵埃粒子的靜電吸附而引起的損失，提高了計數效率。
5、採用光電倍增管作為光電接收器，提高了探測靈敏度。
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
圖1是本發明最佳實施例的俯視剖面結構和光路圖。
圖2是圖1最佳實施例的縱剖正視結構和光路圖。
圖3是已有技術ROYCO226型光學探頭的結構示意圖。
從圖1和圖2可見，本發明的最佳實施例的結構為沿光束方向依次是單模He-Ne雷射器1，雷射擴束鏡2、狹縫3、雷射準直鏡4和孔徑光欄5組成雷射擴束鏡組，其擴束比為5∶1，所說的雷射擴束鏡2和雷射準直鏡4為柱面透鏡，具有光通道7的集光拋物面反射鏡6，光敏區8位於聚光拋物面反射鏡6的焦點附近，樣氣通道9垂直穿過所說的光敏區，後向反射鏡11套有長筒光欄10，聚光透鏡12，消雜光光欄13，14和15為兩球面透鏡，構成光電倍增管17的前置鏡組，16也是消雜光光欄。
本發明的檢測工作過程是來自He-Ne雷射器的單模雷射經擴束鏡組擴束後，穿過集光拋物面反射鏡6的光通道7，通過光敏區8，又被後向反射鏡11反射，兩束相向的雷射在光敏區對來自樣氣通道9的樣氣形成準對稱照明，待測粒子垂直於雷射束的方向流經光敏區產生光散射，一定立體角範圍的粒子散射光經集光拋物面反射鏡6集光後，以平行光入射其後的聚光透鏡12，消雜光光欄13位於聚光透鏡12的焦點，通過消雜光光欄的粒子散射光，再經過前置鏡組(14、15)匯聚在光電倍增管17的陰極面上，光電倍增管17輸出粒子散射光的電訊號，由其後儀器的電子學部分進行處理後給出測量結果。
本實施例用於超淨空間潔淨度檢測試驗表明允許樣氣流量每分鐘2.83～28.3升;塵埃粒徑可測範圍為0.09～10.0μm;計數效率大於85%;檢測速度快對10級淨化室標定，一個點的測量時間不超過1分鐘，最快6秒鐘，對1級淨化室標定，一個點的測量時間不超過6分鐘，最快只須36秒。
由此可見，本發明的實用性能大大改善，本發明的結構調整方便，受外界環境影響小，除精密標定測試外，還可作為一般用途的顆粒控制。
對本發明顯而易見的修改變換仍屬本發明的保護範圍。例如將後向反射鏡改為光陷阱，雖然不如後向反射鏡有準對稱照明光敏區的作用，只要允許塵埃可測粒徑的下限上移至0.2μm，上限不變，仍不失為一種可行的結構。
權利要求
1.一種用於空間塵埃粒子數測量的雷射塵埃粒子計數器光學探頭，其特徵在於由沿雷射前進方向的單模He-Ne雷射器、雷射擴束鏡組、具有光通道的集光拋物面反射鏡、樣氣通道，後向反射鏡、聚光透鏡、消雜光光欄和光電倍增管構成，光敏區位於He-Ne雷射器腔外的集光拋物面反射鏡的焦點附近。
2.按照權利要求1的光學探頭，其特徵在於所說的後向反射鏡套有一長筒光欄。
3.按照權利要求1的光學探頭，其特徵在於所說的聚光透鏡的焦距為集光拋物面反射鏡焦距的6～15倍。
4.按照權利要求1的光學探頭，其特徵在於所說的消雜光光欄和光電倍增管之間還有前置鏡組。
5.按照權利要求4的光學探頭，其特徵在於所說的前置鏡組由一對平凸球面透鏡組成。
6.按照權利要求1的光學探頭，其特徵在於所說的雷射擴束鏡組由雷射擴束鏡、狹縫、雷射準直鏡和孔徑光欄組成，其擴束比的範圍為2∶1～20∶1。
7.按照權利要求6的光學探頭，其特徵在於所說的雷射擴束鏡和雷射準直鏡為球面透鏡。
8.按照權利要求6的光學探頭，其特徵在於所說的雷射擴束鏡和雷射準直鏡為柱面透鏡。
9.按照權利要求1、2、3、4、5、6、7、8的光學探頭，其特徵在於所說的雷射擴束鏡組的擴束比為5∶1。
全文摘要
一種用於超淨檢測的雷射塵埃粒子計數器光學探頭，由單模He-Ne雷射器、雷射擴束鏡組、具有光通道的集光拋物面反射鏡、樣氣通過光敏區並垂直於雷射束的樣氣通道、後向反射鏡、聚光透鏡、消雜光光欄、光電倍增管等組成。本發明具有塵埃粒徑可測範圍大，計數效率高，檢測速度快，結構調整方便，受外界環境影響小等特點。
文檔編號G01N21/47GK1062209SQ9010299
公開日1992年6月24日 申請日期1990年12月5日 優先權日1990年12月5日
發明者馬國欣, 鄒海興, 王之江 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所