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等離子體光譜（等離子體光譜）

119次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-01-04

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等離子體光譜

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等離子體光譜

從等離子體內(nèi)部發(fā)出的從紅外到真空紫外波段的電磁輻射譜。它攜帶了大量有關(guān)等離子體復(fù)雜的原子過(guò)程的信息。利用光譜學(xué)的原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并借助于等離子體的理論模型，測(cè)量分析等離子體光譜，對(duì)于等離子體的研究是有重要意義的。

包括

美國(guó)利曼Leeman Prodigy

等離子體光譜主要是線狀譜和連續(xù)譜。線狀譜是等離子體中的中性原子、離子等由其高能級(jí)的激發(fā)態(tài)躍遷到較低能級(jí)時(shí)所產(chǎn)生的，單個(gè)粒子發(fā)射的譜線強(qiáng)度主要決定于:①原子或離子的外層電子處于上能級(jí)的幾率,②這種電子從上能級(jí)躍遷到下能級(jí)的躍遷幾率，③光子在逸出等離子體之前被再吸收的幾率。但譜線的總強(qiáng)度與電子和離子的密度和溫度有關(guān)，每條譜線有它自己的強(qiáng)度分布規(guī)律，因此從譜線強(qiáng)度的測(cè)量，結(jié)合理論模型和上述光譜中的原子數(shù)據(jù)，可以得到電子、離子的密度、溫度等信息。根據(jù)多普勒效應(yīng)，從譜線波長(zhǎng)的移動(dòng)可確定等離子體的宏觀運(yùn)動(dòng)速度。連續(xù)譜是電子在其他粒子的勢(shì)場(chǎng)中被加速或減速而產(chǎn)生的。從連續(xù)光譜強(qiáng)度的測(cè)量，也可得到電子密度、溫度等數(shù)據(jù)。

變化

等離子體光譜

隨著等離子體溫度的升高，如到達(dá)10度以上，原子的外層電子逐漸被剝落，形成各種離子態(tài)的離子，如CⅣ、CⅤ、OⅥ、NⅤ、FeⅪⅩ、TiⅪⅩ（Ⅰ為中性原子，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、…為失去 1、2、3、…個(gè)外層電子的離子）等。這些高次電離的離子，其線狀譜大都處在遠(yuǎn)紫外波段。連續(xù)譜的情形，也是隨著溫度的升高，其發(fā)射強(qiáng)度的極大值往短波方向移動(dòng)。對(duì)于高溫等離子體，如目前聚變高溫等離子體，其工作物質(zhì)是氫及其同位素氘和氚，但不可避免地會(huì)含有一些雜質(zhì)，如C、O、Fe、Ti、Mo、W等元素，溫度已達(dá)10度以上，這些雜質(zhì)離子的光譜大部分是在真空紫外及 X射線波段。分析這些較重雜質(zhì)的高次電離譜線的出現(xiàn)時(shí)間和位置，比較它們的強(qiáng)度，對(duì)這樣高的溫度的等離子體的參量測(cè)量、輸運(yùn)過(guò)程和等離子體的輻射損失等的研究都是很重要的。尤其是對(duì)類(lèi)氫、類(lèi)氦離子的譜線強(qiáng)度的分析，更為有用，因?yàn)閷?duì)于這些離子的原子數(shù)據(jù)較為完全。

形狀

等離子體光譜

等離子體光譜的另一個(gè)重要方面，是譜線的形狀或輪廓。光譜線并不是“線”，而是有一定寬度的輪廓。在等離子體光譜中，譜線增寬的機(jī)制較復(fù)雜，其中有兩個(gè)因素比較重要，就是多普勒效應(yīng)和斯塔克效應(yīng)。等離子體中的各種粒子處于無(wú)規(guī)熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，它們相對(duì)于觀察者具有各種方向和大小的速度，就會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，因此，所發(fā)射的光譜線不再是“線”，而是按波長(zhǎng)的某種分布，即譜線“變寬”了，這就是多普勒增寬。多普勒增寬同離子速度分布有關(guān)，如這種離子的速度呈麥克斯韋分布，則與其離子溫度有關(guān)。用多普勒增寬測(cè)量高溫等離子體中的離子溫度是一種常用的方法，離子溫度可用下式計(jì)算：，

式中k為玻耳茲曼常數(shù)，Ti為離子溫度，A為所測(cè)原子或離子的原子量，墹λ為譜線輪廓在半高度處的寬度。計(jì)算時(shí)要扣除其他因素引起的增寬。

效應(yīng)

另一個(gè)重要效應(yīng)是斯塔克效應(yīng)。等離子體中的每個(gè)發(fā)光粒子都處于其他粒子所帶電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)的作用，這個(gè)粒子所發(fā)射的光譜發(fā)生分裂，這就是斯塔克效應(yīng)。分裂情況同等離子體中的粒子密度有關(guān)。帶電粒子產(chǎn)生的微觀電場(chǎng)是復(fù)雜的，引起各式各樣的斯塔克分裂，疊加的結(jié)果，使光譜線變寬，形成斯塔克增寬。在溫度較低(幾個(gè)電子伏)、密度較高（大于10τm ）的等離子體中，常用斯塔克增寬來(lái)測(cè)量電子密度。的斯塔克增寬理論較為完整，理論指出這類(lèi)斯塔克增寬譜線輪廓的半高全寬度與成正比，Ne為等離子體的電子密度。

聚變裝置的高溫等離子體往往處于強(qiáng)磁場(chǎng)中，會(huì)引起光譜線分裂，這就是光譜學(xué)中熟知的塞曼效應(yīng)。在一些大型聚變裝置中，磁場(chǎng)強(qiáng)度為幾個(gè)特斯拉(T),分裂正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度B和波長(zhǎng)λ的二次方的乘積，如

，

時(shí)，則塞曼分裂

。根據(jù)譜線塞曼分裂的大小可推算等離子體中的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

輻射

如上所述，測(cè)量等離子體的輻射，如譜線強(qiáng)度、譜線輪廓以及譜線的分裂、位移等后，就可以得到等離子體的一些參量，如等離子體成分、溫度、密度等。這方面的工作構(gòu)成等離子體光譜診斷學(xué)，是等離子體診斷學(xué)的一個(gè)重要組成部分。

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