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  • 等离子体诊断学

    由于等离子体的现象和行为复杂多变,对它的性质和状态,往往不可能从单项测量直接得出准确的结论,而需要通过对几种参量的并行测量和有关因素(例如,平衡状况、粒子速度分布、磁场变化等)的综合分析才能推断出来,因此,习惯上使用“诊断”这个名词。

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      对等离子体的性质和状态以及各种参量(即表征等离子体性质和状态的物理量)的测定,是等离子体实验研究和等离子体各项应用中需要首先解决的一个问题。由于等离子体的现象和行为复杂多变,对它的性质和状态,往往不可能从单项测量直接得出准确的结论,而需要通过对几种参量的并行测量和有关因素(例如,平衡状况、粒子速度分布、磁场变化等)的综合分析才能推断出来,因此,习惯上使用“诊断”这个名词。
      等离子体种类繁多。就现在已经观测到的天文范围说,宇宙中的物质,包括发光的恒星在内,绝大部分是等离子体。此外,人类自从发明取火以来,又创制出多种人造的等离子体(图1)。目前已知的各种等离子体,就它们的参量来说,电子数密度相差达30个数量级以上,温度相差 7个数量级以上;就它们的运动来说,有的处于宏观地宁静或恒定地流动的状态,有的处于剧烈变化或散乱湍动的不稳定状态。各种等离子体的成分、电离度和其他多种性质,差别也很大。所有这些,都需要按照情况,根据各种等离子体的不同特点,使用适合的方法,进行测量诊断。图2以电子数密度为例,列举了适用于不同量程范围的各种方法和仪器。

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    等离子体诊断学等离子体诊断学

      从历史发展看,等离子体诊断学渊源于光学天文观测。以恒星发射的可见光为起点的天文观测现在已发展成为包括射频电磁波、红外线、紫外线、X 射线、γ射线以及各种粒子在内的天文等离子体诊断,它是天体测量学和天体物理学的一个重要基础。19世纪以来,气体放电的研究,提供了等离子体的实验室观测。核爆炸性能的确定要依靠对爆炸形成的等离子体的诊断。现代高空飞行器和航天技术以及无线电通信技术的发展,也对等离子体诊断起了促进作用。当前,受控热核聚变和空间开发等研究和应用的需要,正在进一步推动等离子体诊断学的发展。
      下文以实验室中的等离子体为主要对象,按宏观考察到微观测量的顺序,分等离子体照相、宏观参量的探测、光谱分析。X射线、微波、激光、粒子测量等七个方面(超高密度高温等离子体诊断见该条),作一概述,并举例说明。
      等离子体照相  等离子体有自辐射,就是说,自身能发出可见光或其他波段的电磁辐射(见等离子体辐射)。弧光灯和荧光灯是常见的例子。利用等离子体自身发射的光(红外线、可见光、紫外线、X射线)来照相,可以得到发光区的宏观图像结构及其变化。例如,星体、闪电、各种人工放电。除了太阳这个等离子体之外,遥远的天体只能给人们提供微弱的光照。而人造的等离子体,则往往发光强烈,照相设备只能承受它极小的一部分;有的还变化迅速,需要特殊设备来观察它的瞬态过程。对于这些情况,都可以应用高速照相技术和设备,如转镜、转鼓、快速电影机等光学机械型高速照相机,克尔盒等电光型或磁光型快门,以及光导纤维、微通道板、变像管等光学及光电部件,进行照相。
      光学机械型的高速照相机,分幅拍摄频率可达 108幅/秒。连续动作的扫描式高速照相机,包括变像管、像增强器和计算机图像处理系统,广泛使用于激波、磁约束和惯性约束、电击穿、爆炸火球等瞬态等离子体的研究。时间分辨本领可达10-13秒。
      对于等离子体自辐射较弱,不足以提供良好的“自显示”的情况,可用传统的外光源照射的光学显形,其中包括利用等离子体的散射光或漫反射和透射光这两类方法。使用透射光的纹影照相和阴影照相,广泛用于流体运动的研究,测量密度的细致空间分布和变化,当折射率和电子数密度有关时,也可以用于测定电子数密度。照射所需的光束由普通光源或激光光源提供。
      随着现代光学、光电技术、影像对比显示增强,计算机数据处理,特别是激光全息术的进展,等离子体照相已发展到用自发光或外照光对等离子体的图像构造进行实时的时空分辨、三维断层照相及综合再现,并实现全信息的存储、传输、检索和再现。
      等离子体宏观参量的探测  对一个观测对象,通过某种光学方法(肉眼、照相、光学显形、传真电视等),初步确定它是等离子体并对它的形状大小有了一个概念后,可以开始对它的各种宏观性质,包括整体量、平均参量和各种参量的局部值进行探测。这里重点介绍等离子体的电磁性质,它常用探针进行测量。
      用固体材料制成的小构件作为传感器,插入等离子体内或放在它附近,接收等离子体发射的粒子和电磁波,感受所在地点的电场和磁场,以测得等离子体的各种宏观量及其分布与变化,这就成为一个探针,如电探针、磁(场)探针、压强探针、热探针或量热器等。这些探针可统称为有质探针。在诊断方式上,探针可以单个使用;也可以结成阵列,组合使用。进一步可以由几种不同的探测手段,组成综合性的诊断系统,这样的位置固定或可移的“诊断站”在等离子体实验室和空间活动中已有日益广泛的用途。单项测量已发展成为多项参量的联合诊断。
      电探针(朗缪尔探针)用导体制成,它指向等离子体的前梢(也称电极)为短圆柱、平板、小圆球或其他特殊形状;按电极的数目分单探针、双探针、多栅探针等。由电探针得到的电压和电流值,通过理论分析,确定等离子体局部的电子数密度、电子温度、电位、电流的涨落信号等。
      位置和形状固定的磁探针,应用法拉第电磁感应的原理,可测量等离子体中随时间变化的电流、电流密度,以及等离子体的位移、磁场、压强、电导率等。电流和磁场强度恒定的或变化很缓慢的情况,可用旋转式磁探针进行测量。
      等离子体中的电流  受到外界电场或变化着的磁场的驱动,以及注入电磁波或粒子束(不一定是带电的)的作用,等离子体中都会产生电流。
      测量等离子体电流有时可用测量普通导体中的电流的办法,即使电流通过一个已知的电阻,然后测定电阻两端的电位差(电压)。但由于待测的等离子体电流往往很大,可高达107安培以上,因此需用尺寸较大的低值电阻(分流器),并注意连接的形状,以避免电流产生的磁场影响测量值。
      测量等离子体电流更常用的是测量线圈,也称磁探针。实验室中常用的是一种短圆柱形小线圈,直径小的不到1毫米,适当地包装绝缘,插入等离子体内或放在它的附近。当等离子体中的电流发生变化时,在连接线圈的电回路上可测得由于电磁感应产生的电压信号,它和等离子体电流成正比,比例系数决定于线圈的形状、大小、匝数、位置、回路的连结方式,以及被测电流的分布等因素。
      罗戈夫斯基(Rogowski)线圈是一种多匝的长线圈,整个线圈弯成一个直径较大的环,套在待测等离子体的外面。测得的电压信号和穿过环内的全部等离子体电流成正比,环外的等离子体电流不起作用。用上述这些线圈进行测量时,可测电流的变化频率有低限及高限,并需用幅值和波形已知的脉冲电流进行校准。
      等离子体电位  由于等离子体中的自由电子,在电场作用下,会迅速移动抵消外加的电场,因此,等离子体内部只能出现和维持很小的电场(电位差)。此外,由于一些细致运动或不稳定性,等离子体局部电位也会有微小的涨落。
      但是,在等离子体和外界接触的边缘区,则由于电子和离子扩散率的悬殊,正负粒子的分布不再能保持中和,因而造成等离子体边缘的鞘层结构,它能维持较大的电场。所以,通常说的等离子体的电位,就等离子体整体相对于外界而言,主要是由于边缘区电场的存在而建立的。等离子体的电位,可用各种电探针探测分析。
      各种有质探针直接和待测的等离子体接触,因此会对等离子体产生干扰;探针暴露于高度电离的环境中,本身也容易损坏,放出杂质,影响等离子体性质,使测量结果偏离原来的实际情况。以下讨论的光谱分析和使用电磁波的其他一些方法,包括接收式的观测和从等离子体外注入电磁波束或粒子束的“主动”探测,则一般不会对等离子体产生干扰。但高强度电磁波和粒子束对等离子体的持续照射也会对它发生显著的作用,如共振加热等。
      光谱分析  光谱分析是等离子体诊断中应用最广泛的一种方法。利用长期以来物理学和化学实验所积累的对物质发光的光谱数据,结合理论分析,能确定等离子体的电子和离子温度、数密度、速度分布、成分等多种物理性质。本节主要涉及等离子体的发射谱。由于激光等强光源的发展,散射谱(包括角分布)以及荧光光谱法也开始得到应用。
      光谱一般是连续谱和线谱的叠加,连续谱又包括轫致辐射复合辐射的谱(见等离子体辐射等离子体光谱)。当等离子体温度升高时,线谱渐渐消失,连续谱逐步变强。对氢等离子体的光谱分析,主要利用工作气体中含有的、或不可避免地掺杂的各类基态或激发态离子和原子、分子所发射的适合的线谱和连续谱,进行测量;也可有意地引入作为诊断用的探测粒子。常用的方法,细分有下列几种:
      ①特定谱线的出现、它的强度、光谱区域的分布,用于测定粒子的种类、电子温度等;
      ②几条谱线之间的强度比,测电子温度;
      ③连续谱的强度,测电子温度和数密度;
      ④谱线的频移,测等离子体粒子的定向速度;
      ⑤谱线的轮廓、增宽、分裂,测量离子温度、电子数密度及磁场强度等。
      光谱测量是将光源发射的光用各种分光系统如光谱仪、滤光片等进行分光,得到各个波段的光谱,经过照相或光电转换,把信号记录下来,进行分析。可作时空分辨测量,也可将信号输入计算机处理及存储。
      光谱分析,特别是线谱鉴别,应用于高温等离子体诊断上的主要困难是:①对于轻元素说,高温高电离度的稀薄等离子体发光太弱;②对于瞬变等离子体或稳态等离子体的脉动涨落,需要时空分辨;③有用的谱线往往不在可见和紫外光区而在真空紫外以至X射线区,而目前对于重元素的高次电离谱线的基本数据知识积累还很不够,应用时有局限性。
      X 射线测量  X射线通常指波长短于100埃,即光子能量约大于 100电子伏的电磁波。随着等离子体中电子温度的升高,它发出的电磁辐射越来越多地落在X射线范围内。核爆炸、惯性约束、磁约束等人造的等离子体已成为强X射线源。在自然界中,日冕的温度约为100~250电子伏,它发射出X射线波段的连续谱和许多高次电离谱线。在天体中观测到的遥远的X 射线源是天文学研究的重要方面。
      X射线谱一般由连续谱和线谱叠加而成。 连续谱主要来源于快电子的轫致辐射和复合辐射。线谱主要来源是较重元素原子内层(K、L和 M层)的电子跃迁辐射。产生 X射线的另一基本过程是电子在磁场中运动时产生的同步加速器辐射
      在放电形成过程中或等离子体处于不稳定状态时,产生的X射线比等离子体稳定时强得多,这就使X射线诊断成为等离子体不稳定性研究的重要手段,并可进而作为监测、控制的一个重要环节。
      在高温聚变等离子体中,它的能量损失的重要因素是重元素杂质的辐射,因此,随着等离子体温度和密度的增加,X射线的测量和控制也日益重要。
      X射线测量在等离子体诊断中还有下列一些用途:
      ①由 X射线连续谱测定电子温度和电子能量的时空分布;
      ②由谱线的多普勒频移和展宽测定杂质离子温度和等离子体的整体运动;
      ③由谱线的绝对强度估计电子数密度及能量损失;
      ④等离子体中超热和逃逸电子的研究;
      ⑤用X射线照相直接得到发射区的图像。
      在惯性约束等离子体研究方面的各种用途,见超高密度高温等离子体诊断
      高次电离谱线的使用,是X 射线诊断的一个不断扩展的方面。在箍缩放电中常用碳、氮、氧的高次电离谱线,如CⅣ,CⅤ,NⅢ、NⅣ、NⅤ,OⅥ、OⅦ、OⅧ等谱线来估计电子和离子温度。温度在千电子伏以上时,需用一些较重的杂质元素,如铁、钛等,它们的电离目前已高达二十多次。例如,用类氦离子FeⅩⅩⅤ,波长1.85埃的谱线,通过晶体光谱仪分光测量,由测得的谱线宽度计算磁约束等离子体的中心温度。这样短的波长,可以透过外部较冷的等离子体,对测量等离子体深部的温度极为有利。研究其外围的温度,也可以注入某种杂质,观察这杂质各次电离谱线出现的情况。
      微波测量  这里,微波指波长为分米到亚毫米的电磁波,相应的频率为1~1 000吉赫。微波在等离子体中传播时,能产生波的相移、散射、吸收等现象。等离子体自身也能发射微波,分析以上诸现象,可以得到等离子体的许多信息。
      微波干涉法  是测量等离子体中电子数密度常用的方法。由单一频率发生器输出的微波,分成两路,一路是通过待测等离子体的探测波束,另一路是途中没有等离子体的参考波束。两路波束重新会合后产生干涉条纹,由此可以算出等离子体的电子数密度。
      根据等离子体中电磁波的传播理论,等离子体作为电磁波的传播媒质,它的折射率为

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    式中ne为待测的电子数密度;nc为截止数密度,它与电磁波的频率或波长有关,即
       nc=1.2×109f2=1.1×1014λ9-3,
    式中f为微波频率,λ为其波长(米)。当ne高达 nc时,微波会从等离子体表面反射或被吸收,而不能通过等离子体。当ne< nc时,由于上述折射率的改变,在等离子体中传播的探测束会经受与电子数密度有关的相移。若探测束通过等离子体的程长为l,则它相对于参考波束的附加相位差为

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    式中μ是波长λ的微波在等离子体中位置为x处的折射率。这就是两个波束会合后产生干涉条纹的原因。原则上讲,微波干涉仪可测的最高电子数密度是由截止频率决定的。但实际上,当电子数密度增高时,由于非线性和碰撞效应逐渐增强,可测电子数密度只能达到约 等离子体诊断学,例如,用波长为2毫米的微波, 可测电子数密度的最高值约为1.4×1019-3
      微波干涉仪有多种。其中常用的一种是条纹干涉仪,它可由条纹干涉移动的方向正确地辨认电子数密度的变化趋势。图3所示的多道微波干涉仪是其发展,它可测量电子数密度在一个截面上的分布。

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      等离子体的微波辐射  微波区的等离子体辐射接近于辐射平衡的热辐射。用微波喇叭天线进行接收,测出等离子体辐射功率后,可按黑体辐射理论推算它的电子温度。
      在有磁场的等离子体中,电子绕着磁力线作回旋运动,发出回旋共振辐射,其强度为电子温度和数密度的函数。在1~10特斯拉的磁场中,电子回旋共振辐射的基波和二次谐波在毫米到亚毫米波段,需用高灵敏度探测元件,例如液氦冷却的锑化铟,通过快速扫描技术,进行接收及频谱分析,得到时空分辨的电子温度数据。
      激光诊断  激光作为相干光源所具有的特性(单色性、高光强)以及激光器件和技术的迅速发展,使它成为等离子体诊断的有力工具,用途日益广泛。在等离子体电子数密度的测量上,激光干涉法可测量微波干涉法所不能测量的高密度区(图2)。激光诊断主要分激光散射、激光干涉和激光光谱的应用等方面。
      激光散射法  激光散射,指的是激光在等离子体中的汤姆孙散射,即电磁波在自由电子上的散射,它的截面很小(6.7×10-25厘米2),只有像激光这样的强光才能得到可供测量的散射信号。在非相干散射情况下,散射光的强度和自由电子数密度成正比。汤姆孙散射有效应用的电子数密度范围为1018~1024-3,其低限由可得的散射光强度决定,高限由等离子体自辐射造成的本底光决定。常用功率为几十兆瓦到几百兆瓦聚焦良好的红宝石激光 (6 943埃)或钕玻璃、钇铝石榴石的倍频激光。通常用瑞利散射(见光的散射)对仪器进行标定,由此可测定散射的绝对光强,并求出等离子体的电子数密度。
      理论分析表明,对于接近热平衡的等离子体,激光散射谱的强度分布为高斯型,分布曲线在峰值等离子体诊断学处的半宽度为

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    式中k为玻耳兹曼常数,m为电子质量,с为光速,λ为入射激光的波长,θ为散射角。由测得的散射谱的半宽度Δλe可计算出电子温度Te(图4)。也可以进行有空间分辨的多道测量;由于使用脉冲光源,并可实现时间分辨。

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      激光干涉法  激光干涉法和微波干涉的基本原理相同。由于激光波长可以覆盖从紫外到亚毫米波段,所以它可测的电子数密度范围很宽。目前一些重要的热核聚变等离子体的体积逐步扩大,数密度也有所增加,就需要用比毫米波更短的亚毫米波来测量电子数密度。远红外激光技术发展较快,HCN(337μm)激光干涉仪已普遍使用(图5)。也有用其他波长的远红外激光进行测量的,如CH3(1 224μm)、CH3I(447μm)、CH3OH(119μm) 等激光干涉仪均已用于电子数密度测量中。应用波长较短的激光 CO2(10.6μm)、HeNe(6 328┱)、四倍频的钕玻璃激光(2 660┱)等干涉法,可量测更高的电子数密度。

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      激光荧光分析  荧光光谱分析是研究等离子体边缘区的有效方法。由于器壁放出的低能工作气体和杂质粒子,等离子体边缘区常含有数密度很低、温度一般小于10电子伏的粒子。对于这类粒子,一般实验方法很难应用,但可用调谐激光器发出的可调频强激光束(功率几百千瓦,并集中在较窄波段内)有选择地使一些原子或离子产生共振激发,发出荧光。这一方法可用来测量碳、氧、钛、铁、镍等杂质,灵敏度很高,目前测得的最低的杂质粒子数密度约为2×1012-8
      粒子诊断  组成等离子体的各种粒子,经常不断地扩散并发射出来,可以作为诊断分析的对象。此外,观察者也可以主动地向等离子体注入特定种类和能量的粒子,作为探测束,进行探测。
      中性粒子分析  在磁性等离子体中,带电粒子由于磁场的约束,不易逃逸出去。但在等离子体内部的高温离子中,能与外部渗透进来的低能中性原子发生电荷交换,成为高能的中性原子,这些高能中性粒子不受磁场的约束,能够逃逸出来,可以进行测量。在局部平衡条件下,由逃逸中性原子的能谱,可以得到等离子体的离子温度。
      当等离子体尺寸逐步加大后,冷中性原子扩散到等离子体中心的几率减小,同时,从中心向外的高能中性原子在逃逸过程中可能会重新被电离,引起外出粒子的严重衰减,使测量分析发生困难。补救的一个办法是从外面注入一束与被测粒子相同的中性粒子,以增加等离子体局部的中性粒子,同时并使测得的粒子数增加,结果可比原先的准确。而且,它可以得到等离子体离子温度的空间分布(图6)。

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      中子测量  氘-氘和氘-氚等聚变反应,产生中子,其产额和能谱可供测量分析。中子产额与粒子数密度的二次方成正比。反应截面和粒子能量的关系,在几百电子伏至几百千电子伏之间,已有比较可靠的实验和理论编评数据。考虑到反应粒子的速度分布和中子的角分布后,由测得中子产额可计算等离子体的离子温度。
      当等离子体处于热平衡状态,反应核的速度为麦克斯韦分布时,理论分析表明,中子能谱的半高全宽度与离子温度的二次方根成正比,因而,由测量得到的中子能谱,也可以推算离子温度。这个方法要求的测量分辨率较高,因此,只适用于中子产额足够高时的高温聚变等离子体。
      粒子探测束  用各种带电的或中性的粒子束射入等离子体,入射粒子被等离子体散射或碰撞电离后被磁场及电场所偏转,不断损失。由粒子束衰减的情况,可估算等离子体某一条弦上离子的线密度;在不同弦上进行测量,可得离子密度的空间分布。测量数据,需要对杂质的影响加以修正。
      用锂、钾等原子束时,除求出离子线密度外,因束中的原子可能在等离子体中被激发,发射特征谱线,利用谱线在磁场中的塞曼分裂,可推算发光区局部的磁场强度及等离子体电流的径向分布。
      用离子作探测束时,束中的离子进入等离子体后,受到磁场的作用,作曲线运动,其曲率半径必须大于等离子体的截面半径,这样,离子束才能深入等离子体内部并穿出来由探测器接收。因此,常用不易受磁场偏转的重离子束,如Tl+、Rb+、Cs+等。在离子出口处分析所得粒子的电离状态,包括中性化及次级电离的粒子,及其数量、能量、荷质比等,就可以同时得到等离子体中的电位分布、电子密度分布及其涨落、极向磁场、电流的垂直向分布等。
      参考书目
     项志遴、俞昌旋编著:《高温等离子体诊断技术》,上、下册,上海科学技术出版社,上海,1982。

     

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