Применение гиперспектральной камеры Specim IQ для исследований взаимодействия плазмы с материалами

Аннотация

На линейной плазменной установке PSI-2 проведены исследования с использованием гиперспектральной камеры Specim IQ для изучения процессов взаимодействия плазмы с материалами.
Камера обеспечила регистрацию трёхмерных данных (x, y, λ) в спектральном диапазоне 400–1000 нм с разрешением около 7 нм (FWHM) и пространственным форматом 512×512 пикселей.

На основе радиометрически откалиброванных данных выполнены две ключевые задачи:

1. Плазменная диагностика на гелиевой плазме с восстановлением распределений температуры (Te) и плотности электронов (ne);

2. Исследование процессов распыления вольфрама (W) при воздействии неоновой плазмы.

Результаты показали, что Specim IQ обеспечивает точную и стабильную визуализацию распределений излучения плазмы и примесей, позволяя получать двумерные карты физических параметров без контактных зондов.
Методика открывает новые возможности для контроля взаимодействия плазмы с материалами и оптической диагностики в установках с низкотемпературной плазмой.

Введение

Оптическая эмиссионная спектроскопия (OES) традиционно используется для диагностики плазмы, но классические методы не позволяют одновременно достичь высокой спектральной и пространственной точности.
Использование гиперспектральной визуализации (HSI) даёт возможность регистрировать полный спектр в каждой точке изображения, что делает её эффективным инструментом для анализа плазменных процессов и примесей.

Specim IQ — это портативная гиперспектральная камера, объединяющая функции спектрометра и высокочувствительной камеры. Она позволяет получать гиперкуб данных — трёхмерный массив, где каждой точке изображения соответствует собственный спектр.
Это обеспечивает детальную картину распределения интенсивности излучения по всей наблюдаемой области и делает возможным бесконтактное определение параметров плазмы и контроль поверхности материалов во время экспериментов.

Рисунок 1 - (a) Схема установки PSI-2, а также HSC, LP и Spectrelle (вид сверху). (b) Пространственный диапазон HSC, диапазон сканирования LP и радиальная хорда Spectrelle (вид с торца).

Рисунок 2 - Пример измерения, выполненного с помощью HSC: W мишень, распыленная Ne плазмой при перпендикулярном воздействии в PSI-2: (a) псевдоцветное изображение средней интенсивности; (b) истинное цветное изображение, преобразованное из гиперспектральных данных; и псевдоцветное изображение в спектральных диапазонах камеры (c) при 429.08 нм для W I и (d) при 702.58 нм для Ne I.

Экспериментальная установка

Исследования выполнялись на линейной плазменной установке PSI-2, предназначенной для анализа взаимодействия плазмы с материалами.
В экспериментах использовались плазмы гелия (He) и неона (Ne) с диапазоном параметров:

• температура электронов (Te): 0,8–13,4 эВ;
• плотность электронов (ne): (0,2–3,9)×10¹⁸ м⁻³.

Для контроля параметров применялись:

• двойной зонд Лэнгмюра — измерение Te и ne;
• высокорасширяющий спектрометр Spectrelle — спектральная верификация линий излучения He, Ne и W.

Камера Specim IQ размещалась сбоку от вакуумной камеры, на расстоянии около 600 мм от оси плазменного столба, с фокусным расстоянием объектива 21 мм и углом обзора 31×31°.
Поле зрения составляло около 170 мм вдоль оси плазмы, что позволяло наблюдать основную часть разряда и область взаимодействия с мишенью.

Основные параметры Specim IQ

Обработка данных

Полученные изображения проходили радиометрическую калибровку и коррекцию по тёмновому фону.
Калибровка проводилась с использованием эталонного источника Labsphere USS-600, что позволило перевести данные в абсолютные единицы интенсивности.

Для устранения фонового и континуального излучения использовался метод спектрального вычитания, при котором фоновая составляющая оценивалась по соседним каналам без выраженных линий излучения.
В результате получались чистые карты интенсивности по выбранным линиям спектра, соответствующим определённым элементам — He, Ne и W.

Рисунок 3 – Сравнение спектра эмиссии He плазмы, измеренного Specim IQ (красный) и Spectrelle (синий) при r = 2 см (случай 4 в таблице III).

Рисунок 4 – Пример удаления фона теплового излучения в спектре, полученном с помощью гиперспектрального метода. Спектр получен в ~5 мм от W мишени в гелиевой плазме, которая смещена на -100 В и имеет температуру поверхности ~900 °C.

Применение

Диагностика плазмы (He)

В гелиевой плазме использовались соотношения интенсивностей линий He I для определения Te и ne.
Гиперспектральные данные позволили построить двумерные карты распределения этих параметров без использования зондов.
Результаты совпали с прямыми измерениями, полученными с помощью зонда Лэнгмюра, с расхождением не более ±20%.

Такой подход обеспечивает бесконтактную диагностику и может применяться в условиях, где использование зондов невозможно — например, в высокотемпературных или ограниченных по доступу плазменных камерах.

Рисунок 5 – Сравнение (а) Te и (b) ne, измеренных LP и рассчитанных с использованием отношений линий. Надстрочные индексы "probe" и "cal" указывают на измерения LP и расчеты отношения линий, соответственно.

Рисунок 6 – Сравнение радиальных профилей Te и ne в He плазме, которые были измерены LP (линии) и рассчитаны на основе отношений линий (точки). (а) Случаи 1-3 - данные для регрессии, (b) случай 4 - данные для сравнения.

Исследование взаимодействия плазмы с материалом (Ne–W)

Второе направление экспериментов — анализ распыления вольфрама (W) при воздействии неоновой плазмы (Ne).
Мишень из вольфрама имела отрицательное смещение –100 В, что обеспечивало бомбардировку ионами Ne⁺ и запускало процесс физического распыления.

С помощью Specim IQ регистрировались линии:

• W I (429,5 нм) — излучение нейтральных атомов вольфрама;
• Ne I (703,2 нм) — излучение неоновой плазмы.

Камера позволила одновременно и пространственно раздельно наблюдать области излучения плазмы и распылённых частиц.
Построенные карты интенсивности показали распределение нейтрального вольфрама вблизи поверхности мишени и позволили оценить направление потоков частиц.

Эти результаты подтверждают возможность применения гиперспектральной съёмки для наблюдения процессов эрозии и переноса примесей в плазменных установках.

Рисунок 7 – Двумерное распределение рассчитанных (а) Te и (b) ne гелиевой плазмы на основе измерения камерой (случай 1 в таблице III, сглажено в радиальном направлении).

Выводы

Применение гиперспектральной камеры Specim IQ на установке PSI-2 показало, что технология HSI является эффективным инструментом для:

• бесконтактной диагностики параметров плазмы (Te, ne);
• визуализации распределений излучения и примесей;
• анализа взаимодействия плазмы с материалами;
• комбинирования с другими методами (спектрометрия, зондовые измерения).

Ключевые преимущества Specim IQ:

• одновременное получение спектральных и пространственных данных;
• широкий спектральный диапазон (400–1000 нм);
• компактность и мобильность, удобная установка в экспериментальных зонах;
• универсальность применения — от лабораторных исследований до промышленных задач.

Таким образом, камера Specim IQ демонстрирует высокую эффективность в задачах оптической плазменной диагностики и может быть рекомендована для применения в исследовательских центрах, университетах и лабораториях, занимающихся плазменно-материальными взаимодействиями и разработкой термоядерных технологий.

Рисунок 8 – Сравнение спектров, полученных Spectrelle (синяя кривая) и Specim IQ (красная кривая). Спектр был получен примерно в 5 мм от W мишени в Ne плазме.