電漿診斷學

對電漿的性質和狀態以及各種參量（即表征電漿性質和狀態的物理量）的測定，是電漿實驗研究和電漿各項套用中需要首先解決的一個問題。由於電漿的現象和行為複雜多變，對它的性質和狀態，往往不可能從單項測量直接得出準確的結論，而需要通過對幾種參量的並行測量和有關因素（例如，平衡狀況、粒子速度分布、磁場變化等）的綜合分析才能推斷出來，因此，習慣上使用“診斷”這個名詞。

基本介紹

• 中文名：電漿診斷學
• 種類：電漿種類繁
• 性質：診斷學
• 內容：電漿

種類

電漿種類繁多。就現在已經觀測到的天文範圍說，宇宙中的物質，包括發光的恆星在內，絕大部分是電漿。此外，人類自從發明取火以來，又創製出多種人造的電漿（圖1）。目前已知的各種電漿，就它們的參量來說，電子數密度相差達30個數量級以上，溫度相差 7個數量級以上；就它們的運動來說，有的處於巨觀地寧靜或恆定地流動的狀態，有的處於劇烈變化或散亂湍動的不穩定狀態。各種電漿的成分、電離度和其他多種性質，差別也很大。所有這些，都需要按照情況，根據各種電漿的不同特點，使用適合的方法,進行測量診斷。圖2以電子數密度為例，列舉了適用於不同量程範圍的各種方法和儀器。

電漿診斷學

淵源

從歷史發展看，電漿診斷學淵源於光學天文觀測。以恆星發射的可見光為起點的天文觀測現在已發展成為包括射頻電磁波、紅外線、紫外線、X 射線、γ射線以及各種粒子在內的天文電漿診斷，它是天體測量學與天體物理學的一個重要基礎。19世紀以來，氣體放電的研究，提供了電漿的實驗室觀測。核爆炸性能的確定要依靠對爆炸形成的電漿的診斷。現代高空飛行器和航天技術以及無線電通信技術的發展，也對電漿診斷起了促進作用。當前，受控熱核聚變和空間開發等研究和套用的需要，正在進一步推動電漿診斷學的發展。

電漿實驗

下文以實驗室中的電漿為主要對象，按巨觀考察到微觀測量的順序，分電漿照相、巨觀參量的探測、光譜分析。X射線、微波、雷射、粒子測量等七個方面（超高密度高溫電漿診斷見該條）,作一概述,並舉例說明。

電漿診斷學

電漿照相

電漿有自輻射,就是說,自身能發出可見光或其他波段的電磁輻射（見電漿輻射）。弧光燈和螢光燈是常見的例子。利用電漿自身發射的光(紅外線、可見光、紫外線、X射線)來照相,可以得到發光區的巨觀圖像結構及其變化。例如，星體、閃電、各種人工放電。除了太陽這個電漿之外，遙遠的天體只能給人們提供微弱的光照。而人造的電漿，則往往發光強烈，照相設備只能承受它極小的一部分；有的還變化迅速，需要特殊設備來觀察它的瞬態過程。對於這些情況，都可以套用高速照相技術和設備，如轉鏡、轉鼓、快速電影機等光學機械型高速照相機，克爾盒等電光型或磁光型快門，以及光導纖維、微通道板、變像管等光學及光電部件，進行照相。

光學機械型的高速照相機，分幅拍攝頻率可達 108幅/秒。連續動作的掃描式高速照相機，包括變像管、像增強器和計算機圖像處理系統，廣泛使用於激波、磁約束和慣性約束、電擊穿、爆炸火球等瞬態電漿的研究。時間分辨本領可達10-13秒。 　對於電漿自輻射較弱，不足以提供良好的“自顯示”的情況，可用傳統的外光源照射的光學顯形，其中包括利用電漿的散射光或漫反射和透射光這兩類方法。使用透射光的紋影照相和陰影照相，廣泛用於流體運動的研究，測量密度的細緻空間分布和變化，當折射率和電子數密度有關時，也可以用於測定電子數密度。照射所需的光束由普通光源或雷射光源提供。 　隨著現代光學、光電技術、影像對比顯示增強，計算機數據處理，特別是雷射和全息術的進展，電漿照相已發展到用自發光或外照光對電漿的圖像構造進行實時的時空分辨、三維斷層照相及綜合再現，並實現全信息的存儲、傳輸、檢索和再現。

電漿巨觀參量的探測

對一個觀測對象，通過某種光學方法（肉眼、照相、光學顯形、傳真電視等），初步確定它是電漿並對它的形狀大小有了一個概念後，可以開始對它的各種巨觀性質，包括整體量、平均參量和各種參量的局部值進行探測。這裡重點介紹電漿的電磁性質，它常用探針進行測量。

用固體材料製成的小構件作為感測器，插入電漿內或放在它附近，接收電漿發射的粒子和電磁波，感受所在地點的電場和磁場，以測得電漿的各種巨觀量及其分布與變化,這就成為一個探針,如電探針、磁（場）探針、壓強探針、熱探針或量熱器等。這些探針可統稱為有質探針。在診斷方式上，探針可以單個使用；也可以結成陣列，組合使用。進一步可以由幾種不同的探測手段，組成綜合性的診斷系統，這樣的位置固定或可移的“診斷站”在電漿實驗室和空間活動中已有日益廣泛的用途。單項測量已發展成為多項參量的聯合診斷。

電探針（朗繆爾探針）用導體製成，它指向電漿的前梢（也稱電極）為短圓柱、平板、小圓球或其他特殊形狀；按電極的數目分單探針、雙探針、多柵探針等。由電探針得到的電壓和電流值，通過理論分析，確定電漿局部的電子數密度、電子溫度、電位、電流的漲落信號等。

位置和形狀固定的磁探針，套用法拉第電磁感應的原理，可測量電漿中隨時間變化的電流、電流密度，以及電漿的位移、磁場、壓強、電導率等。電流和磁場強度恆定的或變化很緩慢的情況，可用旋轉式磁探針進行測量。

電漿中的電流

受到外界電場或變化著的磁場的驅動，以及注入電磁波或粒子束(不一定是帶電的)的作用，電漿中都會產生電流。

測量電漿電流有時可用測量普通導體中的電流的辦法，即使電流通過一個已知的電阻，然後測定電阻兩端的電位差（電壓）。但由於待測的電漿電流往往很大，可高達107安培以上,因此需用尺寸較大的低值電阻（分流器），並注意連線的形狀，以避免電流產生的磁場影響測量值。 　測量電漿電流更常用的是測量線圈，也稱磁探針。實驗室中常用的是一種短圓柱形小線圈，直徑小的不到1毫米，適當地包裝絕緣,插入電漿內或放在它的附近。當電漿中的電流發生變化時，在連線線圈的電迴路上可測得由於電磁感應產生的電壓信號，它和電漿電流成正比，比例係數決定於線圈的形狀、大小、匝數、位置、迴路的連結方式，以及被測電流的分布等因素。 　羅戈夫斯基(Rogowski)線圈是一種多匝的長線圈，整個線圈彎成一個直徑較大的環，套在待測電漿的外面。測得的電壓信號和穿過環內的全部電漿電流成正比，環外的電漿電流不起作用。用上述這些線圈進行測量時，可測電流的變化頻率有低限及高限，並需用幅值和波形已知的脈衝電流進行校準。

電漿電位

由於電漿中的自由電子，在電場作用下，會迅速移動抵消外加的電場,因此,電漿內部只能出現和維持很小的電場（電位差）。此外，由於一些細緻運動或不穩定性，電漿局部電位也會有微小的漲落。 　但是，在電漿和外界接觸的邊緣區，則由於電子和離子擴散率的懸殊，正負粒子的分布不再能保持中和，因而造成電漿邊緣的鞘層結構，它能維持較大的電場。所以，通常說的電漿的電位，就電漿整體相對於外界而言，主要是由於邊緣區電場的存在而建立的。電漿的電位，可用各種電探針探測分析。 　各種有質探針直接和待測的電漿接觸，因此會對電漿產生干擾;探針暴露於高度電離的環境中,本身也容易損壞，放出雜質，影響電漿性質，使測量結果偏離原來的實際情況。以下討論的光譜分析和使用電磁波的其他一些方法，包括接收式的觀測和從電漿外注入電磁波束或粒子束的“主動”探測，則一般不會對電漿產生干擾。但高強度電磁波和粒子束對電漿的持續照射也會對它發生顯著的作用，如共振加熱等。

光譜分析

光譜分析是電漿診斷中套用最廣泛的一種方法。利用長期以來物理學和化學實驗所積累的對物質發光的光譜數據，結合理論分析，能確定電漿的電子和離子溫度、數密度、速度分布、成分等多種物理性質。本節主要涉及電漿的發射譜。由於雷射等強光源的發展，散射譜（包括角分布）以及螢光光譜法也開始得到套用。

光譜一般是連續譜和線譜的疊加，連續譜又包括軔致輻射和複合輻射的譜（見電漿輻射、電漿光譜）。當電漿溫度升高時，線譜漸漸消失，連續譜逐步變強。對氫電漿的光譜分析，主要利用工作氣體中含有的、或不可避免地摻雜的各類基態或激發態離子和原子、分子所發射的適合的線譜和連續譜，進行測量；也可有意地引入作為診斷用的探測粒子。常用的方法，細分有下列幾種：

①特定譜線的出現、它的強度、光譜區域的分布，用於測定粒子的種類、電子溫度等；

②幾條譜線之間的強度比，測電子溫度；

③連續譜的強度，測電子溫度和數密度；

④譜線的頻移，測電漿粒子的定向速度；

⑤譜線的輪廓、增寬、分裂，測量離子溫度、電子數密度及磁場強度等。

光譜測量是將光源發射的光用各種分光系統如光譜儀、濾光片等進行分光，得到各個波段的光譜，經過照相或光電轉換，把信號記錄下來，進行分析。可作時空分辨測量，也可將信號輸入計算機處理及存儲。

光譜分析，特別是線譜鑑別，套用於高溫電漿診斷上的主要困難是：①對於輕元素說，高溫高電離度的稀薄電漿發光太弱；②對於瞬變電漿或穩態電漿的脈動漲落，需要時空分辨；③有用的譜線往往不在可見和紫外光區而在真空紫外以至X射線區,而目前對於重元素的高次電離譜線的基本數據知識積累還很不夠，套用時有局限性。

X 射線測量

X射線通常指波長短於100埃，即光子能量約大於 100電子伏的電磁波。隨著電漿中電子溫度的升高,它發出的電磁輻射越來越多地落在X射線範圍內。核爆炸、慣性約束、磁約束等人造的電漿已成為強X射線源。在自然界中,日冕的溫度約為100～250電子伏,它發射出X射線波段的連續譜和許多高次電離譜線。在天體中觀測到的遙遠的X 射線源是天文學研究的重要方面。

X射線譜一般由連續譜和線譜疊加而成。 連續譜主要來源於快電子的軔致輻射和複合輻射。線譜主要來源是較重元素原子內層(K、L和 M層)的電子躍遷輻射。產生 X射線的另一基本過程是電子在磁場中運動時產生的同步加速器輻射。

在放電形成過程中或電漿處於不穩定狀態時，產生的X射線比電漿穩定時強得多，這就使X射線診斷成為電漿不穩定性研究的重要手段，並可進而作為監測、控制的一個重要環節。

在高溫聚變電漿中，它的能量損失的重要因素是重元素雜質的輻射，因此，隨著電漿溫度和密度的增加，X射線的測量和控制也日益重要。

X射線測量在電漿診斷中還有下列一些用途：

①由 X射線連續譜測定電子溫度和電子能量的時空分布；

②由譜線的都卜勒頻移和展寬測定雜質離子溫度和電漿的整體運動；

③由譜線的絕對強度估計電子數密度及能量損失；

④電漿中超熱和逃逸電子的研究；

⑤用X射線照相直接得到發射區的圖像。

在慣性約束電漿研究方面的各種用途，見超高密度高溫電漿診斷。

高次電離譜線的使用，是X 射線診斷的一個不斷擴展的方面。在箍縮放電中常用碳、氮、氧的高次電離譜線，如CⅣ，CⅤ，NⅢ、NⅣ、NⅤ，OⅥ、OⅦ、OⅧ等譜線來估計電子和離子溫度。溫度在千電子伏以上時,需用一些較重的雜質元素，如鐵、鈦等，它們的電離目前已高達二十多次。例如,用類氦離子FeⅩⅩⅤ,波長1.85埃的譜線，通過晶體光譜儀分光測量，由測得的譜線寬度計算磁約束電漿的中心溫度。這樣短的波長，可以透過外部較冷的電漿，對測量電漿深部的溫度極為有利。研究其外圍的溫度,也可以注入某種雜質,觀察這雜質各次電離譜線出現的情況。

微波測量

這裡，微波指波長為分米到亞毫米的電磁波，相應的頻率為1～1 000吉赫。微波在電漿中傳播時，能產生波的相移、散射、吸收等現象。電漿自身也能發射微波，分析以上諸現象，可以得到電漿的許多信息。

微波干涉法

是測量電漿中電子數密度常用的方法。由單一頻率發生器輸出的微波，分成兩路，一路是通過待測電漿的探測波束，另一路是途中沒有電漿的參考波束。兩路波束重新會合後產生干涉條紋，由此可以算出電漿的電子數密度。

根據電漿中電磁波的傳播理論，電漿作為電磁波的傳播媒質，它的折射率為

，

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式中ne為待測的電子數密度；nc為截止數密度，它與電磁波的頻率或波長有關，即

nc=1.2×109f2=1.1×1014λ9米-3, 式中f為微波頻率，λ為其波長（米）。當ne高達 nc時，微波會從電漿表面反射或被吸收，而不能通過電漿。當ne< nc時，由於上述折射率的改變，在電漿中傳播的探測束會經受與電子數密度有關的相移。若探測束通過電漿的程長為l,則它相對於參考波束的附加相位差為 ，

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式中μ是波長λ的微波在電漿中位置為x處的折射率。這就是兩個波束會合後產生干涉條紋的原因。原則上講，微波干涉儀可測的最高電子數密度是由截止頻率決定的。但實際上，當電子數密度增高時，由於非線性和碰撞效應逐漸增強，可測電子數密度只能達到約

，

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例如，用波長為2毫米的微波， 可測電子數密度的最高值約為1.4×1019米-3。 　微波干涉儀有多種。其中常用的一種是條紋干涉儀，它可由條紋干涉移動的方向正確地辨認電子數密度的變化趨勢。圖3所示的多道微波干涉儀是其發展，它可測量電子數密度在一個截面上的分布。

電漿的微波輻射

微波區的電漿輻射接近於輻射平衡的熱輻射。用微波喇叭天線進行接收，測出電漿輻射功率後，可按黑體輻射理論推算它的電子溫度。

在有磁場的電漿中，電子繞著磁力線作迴旋運動，發出迴旋共振輻射，其強度為電子溫度和數密度的函式。在1～10特斯拉的磁場中,電子迴旋共振輻射的基波和二次諧波在毫米到亞毫米波段，需用高靈敏度探測元件，例如液氦冷卻的銻化銦，通過快速掃描技術，進行接收及頻譜分析，得到時空分辨的電子溫度數據。

雷射診斷

雷射作為相干光源所具有的特性（單色性、高光強）以及雷射器件和技術的迅速發展，使它成為電漿診斷的有力工具，用途日益廣泛。在電漿電子數密度的測量上，雷射干涉法可測量微波干涉法所不能測量的高密度區（圖2）。雷射診斷主要分雷射散射、雷射干涉和雷射光譜的套用等方面。

雷射散射法

雷射散射，指的是雷射在電漿中的湯姆孫散射，即電磁波在自由電子上的散射，它的截面很小(6.7×10-25厘米2)，只有像雷射這樣的強光才能得到可供測量的散射信號。在非相干散射情況下,散射光的強度和自由電子數密度成正比。湯姆孫散射有效套用的電子數密度範圍為1018～1024米-3，其低限由可得的散射光強度決定，高限由電漿自輻射造成的本底光決定。常用功率為幾十兆瓦到幾百兆瓦聚焦良好的紅寶石雷射 (6 943埃)或釹玻璃、釔鋁石榴石的倍頻雷射。通常用瑞利散射（見光的散射）對儀器進行標定，由此可測定散射的絕對光強，並求出電漿的電子數密度。

理論分析表明，對於接近熱平衡的電漿，雷射散射譜的強度分布為高斯型，分布曲線在峰

處的半寬度為 ，

電漿診斷學

電漿診斷學

式中k為玻耳茲曼常數，m為電子質量，с為光速，λ為入射雷射的波長,θ為散射角。由測得的散射譜的半寬度Δλe可計算出電子溫度Te（圖4）。也可以進行有空間分辨的多道測量；由於使用脈衝光源，並可實現時間分辨。

雷射干涉法

雷射干涉法和微波干涉的基本原理相同。由於雷射波長可以覆蓋從紫外到亞毫米波段，所以它可測的電子數密度範圍很寬。目前一些重要的熱核聚變電漿的體積逐步擴大,數密度也隨即有所增加,就需要用比毫米波更短的亞毫米波來測量電子數密度。遠紅外雷射技術發展較快，HCN(337μm)雷射干涉儀已普遍使用（圖5）。也有用其他波長的遠紅外雷射進行測量的，如CH3(1 224μm)、CH3I(447μm)、CH3OH(119μm) 等雷射干涉儀均已用於電子數密度測量中。套用波長較短的雷射 CO2(10.6μm)、HeNe(6 328┱)、四倍頻的釹玻璃雷射(2 660┱)等干涉法，可量測更高的電子數密度。

雷射螢光分析

螢光光譜分析是研究電漿邊緣區的有效方法。由於器壁放出的低能工作氣體和雜質粒子，電漿邊緣區常含有數密度很低、溫度一般小於10電子伏的粒子。對於這類粒子，一般實驗方法很難套用，但可用調諧雷射器發出的可調頻強雷射束（功率幾百千瓦，並集中在較窄波段內）有選擇地使一些原子或離子產生共振激發，發出螢光。這一方法可用來測量碳、氧、鈦、鐵、鎳等雜質，靈敏度很高，目前測得的最低的雜質粒子數密度約為2×1012米-8。

粒子診斷

組成電漿的各種粒子，經常不斷地擴散並發射出來，可以作為診斷分析的對象。此外，觀察者也可以主動地向電漿注入特定種類和能量的粒子，作為探測束，進行探測。

中性粒子分析

在磁性電漿中，帶電粒子由於磁場的約束，不易逃逸出去。但在電漿內部的高溫離子中，能與外部滲透進來的低能中性原子發生電荷交換，成為高能的中性原子，這些高能中性粒子不受磁場的約束，能夠逃逸出來，可以進行測量。在局部平衡條件下，由逃逸中性原子的能譜，可以得到電漿的離子溫度。 　當電漿尺寸逐步加大後，冷中性原子擴散到電漿中心的幾率減小，同時，從中心向外的高能中性原子在逃逸過程中可能會重新被電離，引起外出粒子的嚴重衰減，使測量分析發生困難。補救的一個辦法是從外面注入一束與被測粒子相同的中性粒子，以增加電漿局部的中性粒子，同時並使測得的粒子數增加，結果可比原先的準確。而且，它可以得到電漿離子溫度的空間分布（圖6）。

電漿診斷學

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中子測量

氘-氘和氘-氚等聚變反應,產生中子,其產額和能譜可供測量分析。中子產額與粒子數密度的二次方成正比。反應截面和粒子能量的關係，在幾百電子伏至幾百千電子伏之間，已有比較可靠的實驗和理論編評數據。考慮到反應粒子的速度分布和中子的角分布後，由測得中子產額可計算電漿的離子溫度。

當電漿處於熱平衡狀態，反應核的速度為麥克斯韋分布時，理論分析表明，中子能譜的半高全寬度與離子溫度的二次方根成正比，因而，由測量得到的中子能譜，也可以推算離子溫度。這個方法要求的測量解析度較高，因此，只適用於中子產額足夠高時的高溫聚變電漿。

粒子探測束

用各種帶電的或中性的粒子束射入電漿，入射粒子被電漿散射或碰撞電離後被磁場及電場所偏轉，不斷損失。由粒子束衰減的情況，可估算電漿某一條弦上離子的線密度；在不同弦上進行測量，可得離子密度的空間分布。測量數據，需要對雜質的影響加以修正。

電漿診斷學

用鋰、鉀等原子束時，除求出離子線密度外，因束中的原子可能在電漿中被激發，發射特徵譜線，利用譜線在磁場中的塞曼分裂，可推算發光區局部的磁場強度及電漿電流的徑向分布。

用離子作探測束時,束中的離子進入電漿後,受到磁場的作用，作曲線運動，其曲率半徑必須大於電漿的截面半徑，這樣，離子束才能深入電漿內部並穿出來由探測器接收。因此，常用不易受磁場偏轉的重離子束,如Tl+、Rb+、Cs+等。在離子出口處分析所得粒子的電離狀態，包括中性化及次級電離的粒子，及其數量、能量、荷質比等，就可以同時得到電漿中的電位分布、電子密度分布及其漲落、極向磁場、電流的垂直向分布等。

參考書目

項志遴、俞昌旋編著：《高溫電漿診斷技術》，上、下冊，上海科學技術出版社，上海，1982。