【{‘担保’}】等离子体光谱

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[拼音]:dengliziti guangpu

[外文]:plasma spectrum

从等离子体内部发出的从红外到真空紫外波段的电磁辐射谱。它携带了大量有关等离子体复杂的原子过程的资讯。利用光谱学的原理和实验技术,并借助于等离子体的理论模型,测量分析等离子体光谱,对于等离子体的研究是有重要意义的。

等离子体光谱主要是线状谱和连续谱。线状谱是等离子体中的中性原子、离子等由其高能级的激发态跃迁到较低能级时所产生的,单个粒子发射的谱线强度主要决定于:

(1)原子或离子的外层电子处于上能级的机率,②这种电子从上能级跃迁到下能级的跃迁机率,③光子在逸出等离子体之前被再吸收的机率。但谱线的总强度与电子和离子的密度和温度有关,每条谱线有它自己的强度分布规律,因此从谱线强度的测量,结合理论模型和上述光谱中的原子资料,可以得到电子、离子的密度、温度等资讯。根据多普勒效应,从谱线波长的移动可确定等离子体的巨集观运动速度。连续谱是电子在其他粒子的势场中被加速或减速而产生的。从连续光谱强度的测量,也可得到电子密度、温度等资料。

随著等离子体温度的升高,如到达106度以上,原子的外层电子逐渐被剥落,形成各种离子态的离子,如CⅣ、CⅤ、OⅥ、NⅤ、FeⅪⅩ、TiⅪⅩ(Ⅰ为中性原子,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、…为失去 1、2、3、…个外层电子的离子)等。这些高次电离的离子,其线状谱大都处在远紫外波段。连续谱的情形,也是随著温度的升高,其发射强度的极大值往短波方向移动。对于高温等离子体,如目前聚变高温等离子体,其工作物质是氢及其同位素氘和氚,但不可避免地会含有一些杂质,如C、O、Fe、Ti、Mo、W等元素,温度已达107度以上,这些杂质离子的光谱大部分是在真空紫外及 X射线波段。分析这些较重杂质的高次电离谱线的出现时间和位置,比较它们的强度,对这样高的温度的等离子体的参量测量、输运过程和等离子体的辐射损失等的研究都是很重要的。尤其是对类氢、类氦离子的谱线强度的分析,更为有用,因为对于这些离子的原子资料较为完全。

等离子体光谱的另一个重要方面,是谱线的形状或轮廓。光谱线并不是“线”,而是有一定宽度的轮廓。在等离子体光谱中,谱线增宽的机制较复杂,其中有两个因素比较重要,就是多普勒效应和斯塔克效应。等离子体中的各种粒子处于无规热运动状态,它们相对于观察者具有各种方向和大小的速度,就会产生多普勒频移,因此,所发射的光谱线不再是“线”,而是按波长的某种分布,即谱线“变宽”了,这就是多普勒增宽。多普勒增宽同离子速度分布有关,如这种离子的速度呈麦克斯韦分布,则与其离子温度有关。用多普勒增宽测量高温等离子体中的离子温度是一种常用的方法,离子温度可用下式计算:

式中k为玻耳兹曼常数,Ti为离子温度,A为所测原子或离子的原子量,墹λ为谱线轮廓在半高度处的宽度。计算时要扣除其他因素引起的增宽。

另一个重要效应是斯塔克效应。等离子体中的每个发光粒子都处于其他粒子所带电荷产生的电场中,由于电场的作用,这个粒子所发射的光谱发生分裂,这就是斯塔克效应。分裂情况同等离子体中的粒子密度有关。带电粒子产生的微观电场是复杂的,引起各式各样的斯塔克分裂,叠加的结果,使光谱线变宽,形成斯塔克增宽。在温度较低(几个电子伏)、密度较高(大于10τm-3 )的等离子体中,常用斯塔克增宽来测量电子密度。

的斯塔克增宽理论较为完整,理论指出这类斯塔克增宽谱线轮廓的半高全宽度与

成正比,Ne为等离子体的电子密度。

聚变装置的高温等离子体往往处于强磁场中,会引起光谱线分裂,这就是光谱学中熟知的塞曼效应。在一些大型聚变装置中,磁场强度为几个特斯拉(T),分裂正比于磁场强度B和波长λ的二次方的乘积,如λ=5000┱,B=1T时,则塞曼分裂=0.117┱。根据谱线塞曼分裂的大小可推算等离子体中的磁场强度。

如上所述,测量等离子体的辐射,如谱线强度、谱线轮廓以及谱线的分裂、位移等后,就可以得到等离子体的一些参量,如等离子体成分、温度、密度等。这方面的工作构成等离子体光谱诊断学,是等离子体诊断学的一个重要组成部分。

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