1、设计：李波设计：李波激光与物质相互作用激光与物质相互作用朱海红朱海红 武汉光电国家实验室激光部Tel:027-87544774,13016467839Email: Laser-Matter Interaction 设计：李波设计：李波4.3:4.3:等离子体诊断及应用等离子体诊断及应用1 1、.金兹堡等，电磁波在等离子体中的传播，金兹堡等，电磁波在等离子体中的传播，197819782 2、郑启光等，激光与物质相互作用，华中理工大学出版社，、郑启光等，激光与物质相互作用，华中理工大学出版社，199619962 2、陆建等，激光与材料相互作用物理学，机械工业出版社，、陆建等，激光与材料相互作用物理
2、学，机械工业出版社，19961996设计：李波设计：李波等离子体诊断技术等离子体诊断技术l 激光等离子体的实验和诊断技术是认识激光与等激光等离子体的实验和诊断技术是认识激光与等离子体相互作用的重要途径，诊断技术的关键是离子体相互作用的重要途径，诊断技术的关键是了解微小尺度和快速变化物理过程所要求的了解微小尺度和快速变化物理过程所要求的时空时空分辨率。分辨率。l 激光等离子体的产生和消失往往是一个很快的过激光等离子体的产生和消失往往是一个很快的过程程产生在产生在nsns量级量级设计：李波设计：李波l均匀等离子体状态参量：密度、温度、粒均匀等离子体状态参量：密度、温度、粒子数密度、电离度子数密度、
3、电离度等离子体参数测量等离子体参数测量l非均匀等离子体状态：上述参数的分布非均匀等离子体状态：上述参数的分布l等离子体发展过程：运动方向、运动速度、等离子体发展过程：运动方向、运动速度、形貌检测等形貌检测等设计：李波设计：李波等离子体性质等离子体性质l准中性：带电粒子+中性粒子l电：l光：l声：l磁：设计：李波设计：李波激光等离子体诊断方法激光等离子体诊断方法1、发光法：包括、发光法：包括发光分光法发光分光法和和吸光光度法。吸光光度法。l吸光光度法吸光光度法有可能对分光法不能测定的位有可能对分光法不能测定的位于基态附近能态的原子团进行认定。于基态附近能态的原子团进行认定。l对等离子体的光谱进行
4、对等离子体的光谱进行发光分光发光分光分析，探测离分析，探测离子体中存在的分子和原子激发和离子化状态，子体中存在的分子和原子激发和离子化状态，然后根据强度计算分子的转动或者振动温度，然后根据强度计算分子的转动或者振动温度，以及由电子状态决定的原子温度；以及由电子状态决定的原子温度；设计：李波设计：李波激光等离子体诊断方法激光等离子体诊断方法2、电子探针法、电子探针法测电流、电压测电流、电压l计算等离子体中的电子、离子密度计算等离子体中的电子、离子密度3、高速照相法、高速照相法测等离子体形貌测等离子体形貌l计算等离子体中的膨胀速度计算等离子体中的膨胀速度4、光学方法、光学方法测量等离子体的折射率测
5、量等离子体的折射率l从而得到电子密度等信息从而得到电子密度等信息设计：李波设计：李波等离子体诊断等离子体诊断 从诊断方式来分：从诊断方式来分：l实时测量：高速摄影；光谱测量；光学干实时测量：高速摄影；光谱测量；光学干涉测量涉测量l定量测量各种粒子的数量并判别粒子的种定量测量各种粒子的数量并判别粒子的种类：质谱分析；电荷收集类：质谱分析；电荷收集 从测试参数来分：从测试参数来分：l粒子测量粒子测量l测量物理性能测量测量物理性能测量设计：李波设计：李波激光光致等离子体诊断激光光致等离子体诊断从实验方法分：l等离子体照相l探针法l微波法l激光法l光谱法l光学法l粒子束法l超高密度高温等离子体诊断还有
6、X射线法等。设计：李波设计：李波激光等离子体折射率测量激光等离子体折射率测量1,31,3l 等离子体是由大量的处于基态或者激发态的电等离子体是由大量的处于基态或者激发态的电子、离子和原子等不向粒子组成的一个混合物。子、离子和原子等不向粒子组成的一个混合物。低温等离子体还还包含分子。不同类型的粒子低温等离子体还还包含分子。不同类型的粒子对等离了体折射率的贡献是不同的可表示为：对等离了体折射率的贡献是不同的可表示为：射率的贡献种粒子中一个粒子对折第K:KC11KKnC N（）:KKN单位体积内第 种粒子数设计：李波设计：李波等离子体折射率等离子体折射率1、电子对折射率的贡献、电子对折射率的贡献l
7、即：即：对于单色平面波在均匀的等离子体中传播有：对于单色平面波在均匀的等离子体中传播有：2241mneeren202)(eepemen)4()(1022peren)4()(102peren设计：李波设计：李波等离子体折射率等离子体折射率p2 c-探测光频率l 当探测光频率远远大于等离子体频率，有：当探测光频率远远大于等离子体频率，有：l 将：将：702104 c-真空介电常数212reenn （）l 代入得：代入得：:常数电子折射率是电子折射率是色散的色散的024)(211peren2/102)(eepemen设计：李波设计：李波等离子体折射率等离子体折射率222,2(1)ikii kiki
8、kI Nenm2、处于基态和激发态的原子对等离子体折射率的贡献为：、处于基态和激发态的原子对等离子体折射率的贡献为：:in第i级原子密度；：电离程度:ikikI、第i级和第k级跃迁的振荡频率和强度l 如果等离子体含有不同电离状态的原子，那么就必须把所有如果等离子体含有不同电离状态的原子，那么就必须把所有的的 值所代表的重粒子对折射率的贡献加起来。若等离子体值所代表的重粒子对折射率的贡献加起来。若等离子体温度不太高，则只考虑基态的中性原子对折射率的贡献温度不太高，则只考虑基态的中性原子对折射率的贡献l 若探测光采用可见光，则：若探测光采用可见光，则：ik设计：李波设计：李波等离子体折射率等离子体
9、折射率212(1)()3LnMnMn（）l 在可见光谱范围：在可见光谱范围：:LnLoschmidtn洛斯米脱（）数：基态原子密度12MM:、常数CauchyCauchy公式公式l 若等离子体温度不是非常高，则处于基态的原子对折射率起主要若等离子体温度不是非常高，则处于基态的原子对折射率起主要贡献：贡献：可认为原子的折射率可认为原子的折射率不依赖波长不依赖波长122MM设计：李波设计：李波等离子体折射率等离子体折射率313riinM n（）3、正离子对等离子体折射率贡献：、正离子对等离子体折射率贡献：3:M常数设计：李波设计：李波等离子体折射率等离子体折射率221321()MrieLnMnMn
10、nn l 联立（联立（1）（）（2）（）（3）得等离子体折射率：）得等离子体折射率：通常右边第一项、第二通常右边第一项、第二项比第三项小一个数项比第三项小一个数量级，可忽视中性粒量级，可忽视中性粒子和离子的影响子和离子的影响用单波长探测：用电子折用单波长探测：用电子折射率近似等离子体折射射率近似等离子体折射率，获得电子密度率，获得电子密度141049.4设计：李波设计：李波l 也可采用双波长消除中性粒子和离子的影响：也可采用双波长消除中性粒子和离子的影响：22113121()MrieLnMnMnnn 22213221()MrieLnMnMnnn l 两式相减，得到：两式相减，得到：122221
11、()rrennn 等离子体折射率等离子体折射率由折射率可获得由折射率可获得电子密度电子密度设计：李波设计：李波其他参数计算其他参数计算由折射率出发由折射率出发l 电子对等离子体折射率起主要作用：电子对等离子体折射率起主要作用：20rnenn得到电子密度得到电子密度1rnBl 对于气体，折射率与密度之间满足对于气体，折射率与密度之间满足GladstonDale（G-D)公式：公式：l 由折射率可得密度变化：由折射率可得密度变化：由折射率可获得由折射率可获得等离子体密度等离子体密度0011rrrnn常数，可查：气体的DG B设计：李波设计：李波其他参数计算其他参数计算由折射率出发由折射率出发l 由
12、质量守恒定律有：由质量守恒定律有：0LN m:LNm1932.69 10/cm靶前气体分子质量得到中性原子密得到中性原子密度，然后得到度，然后得到电离度电离度nniieemnmnmn设计：李波设计：李波3222()exp()(4)eieinn nm kTUnhkT)5()1(000RTNRTNNNnRTPvel Saha方程方程l 理想气体状态方程：理想气体状态方程：由由(4)(4)和（和（5 5）得到等）得到等离子体温度、压强离子体温度、压强nennn0vnN00其他参数计算其他参数计算由折射率出发由折射率出发等离子体参数是互相联系的等离子体参数是互相联系的设计：李波设计：李波激光等离子体的
13、其他参数激光等离子体的其他参数作了如下假设：作了如下假设：l 局部平衡，满足局部平衡，满足Saha方程方程l 等离子体吸收激光能量机制为逆韧致吸收等离子体吸收激光能量机制为逆韧致吸收l 等离子体可近似为理想气体等离子体可近似为理想气体l 激光作用后，等离子体视为绝热膨胀激光作用后，等离子体视为绝热膨胀l 激光作用靶面的质量迁移率为常数激光作用靶面的质量迁移率为常数只要测量了等离子体的折射率，就可以获得等只要测量了等离子体的折射率，就可以获得等离子体的电子密度、压强、密度、电离度、离子体的电子密度、压强、密度、电离度、温度和振荡频率等信息温度和振荡频率等信息设计：李波设计：李波l 通常在超临界区
14、使用通常在超临界区使用X射线诊断，在次临界（晕）射线诊断，在次临界（晕）区主要使用各种光学诊断技术。区主要使用各种光学诊断技术。一定使探测光穿透等离子体，即能在等离子体中传播一定使探测光穿透等离子体，即能在等离子体中传播等离子体折射率的测量等离子体折射率的测量设计：李波设计：李波等离子体的折射率测试干涉法等离子体的折射率测试干涉法l 干涉法测量等离子体折射率很合适干涉法测量等离子体折射率很合适l 其测量方法简单，对激光光源的相干性不高。其测量方法简单，对激光光源的相干性不高。设计：李波设计：李波干涉法测量等离子体折射率干涉法测量等离子体折射率l 1966年，年，C.David等人最早采用马赫曾
15、德尔（等人最早采用马赫曾德尔（mach-zehnder）干涉仪诊断了红宝石激光引起的碳靶气化而产）干涉仪诊断了红宝石激光引起的碳靶气化而产生的等离子体生的等离子体l 1979年，年，J.A.Mchay等人采用条纹照相、干涉法和电荷收等人采用条纹照相、干涉法和电荷收集等测量手段对聚焦的脉冲集等测量手段对聚焦的脉冲CO2激光照射激光照射Al靶的等离子体靶的等离子体进行了测量，得到了等离子体区折射率分布和密度分布进行了测量，得到了等离子体区折射率分布和密度分布l 1979年，年，J.A.Mchay等人采用条纹照相、干涉法和电荷收等人采用条纹照相、干涉法和电荷收集等测量手段对聚焦的脉冲集等测量手段对聚
16、焦的脉冲CO2激光照射激光照射Al靶的等离子体靶的等离子体进行了测量，得到了等离子体区折射率分布和密度分布进行了测量，得到了等离子体区折射率分布和密度分布设计：李波设计：李波干涉法测量等离子体折射率干涉法测量等离子体折射率l 1991年，倪晓武等人用光学延迟方法实现了探测光和作用年，倪晓武等人用光学延迟方法实现了探测光和作用光的精确同步，采用干涉法测量了光的精确同步，采用干涉法测量了QNdYAG激光作用激光作用Al靶靶表面的作用过程，得到了等离子体德马赫曾德尔干涉图表面的作用过程，得到了等离子体德马赫曾德尔干涉图l 1992年，袁永华等用全息术得到了年，袁永华等用全息术得到了NdYAG激光产生
17、的等激光产生的等离子体德折射率、电子密度和温度等分布离子体德折射率、电子密度和温度等分布设计：李波设计：李波l 马赫曾德尔干涉仪马赫曾德尔干涉仪（MachMachZehnderZehnder）将）将探测光分成两束探测光分成两束,一束一束穿过激光等离子体区穿过激光等离子体区域域,另外一束作为参考另外一束作为参考光光,两者相干形成的干两者相干形成的干涉条纹携带了激光等涉条纹携带了激光等离子体相位信息。与离子体相位信息。与参考光对比，就能确参考光对比，就能确定等离子体的折射率。定等离子体的折射率。这种方法能诊断的等这种方法能诊断的等离子体电子密度下限离子体电子密度下限约为约为10101414/cm/
18、cm3 3等离子体等离子体干涉法测量等离子体折射率干涉法测量等离子体折射率l 应用波长较短的激光应用波长较短的激光 可测量更高的电子数密度可测量更高的电子数密度设计：李波设计：李波l 参考条纹为一组平行的、间距参考条纹为一组平行的、间距相同的明暗相间的条纹相同的明暗相间的条纹实时测量干涉法实时测量干涉法无等离子体时无等离子体时有等离子体时，干有等离子体时，干涉条纹偏移涉条纹偏移设计：李波设计：李波l 等离子体引起的光程差为：等离子体引起的光程差为：201(,)(,)(1)yyx yn x y zn dy0(,)(,):x yn x y zn：光程差；：等离子体折射率；周围环境折射率l 设等离子
19、体为轴对称的，则：设等离子体为轴对称的，则：22(2)rdydrrxl（2）代入（）代入（1），得：），得：0220()()2(3)Rn rnxrdrrxAbelAbel积分积分干涉法测量等离子体折射率干涉法测量等离子体折射率设计：李波设计：李波l 令：令：()()xx():x干涉条纹偏移量R0220()2()n rnxrdrrxl 经过经过Abel变换，可得轴对称物体的折射率分布：变换，可得轴对称物体的折射率分布：022()()Rrdxdxn rndxxr 干涉法测量等离子体折射率干涉法测量等离子体折射率由折射率分布，由折射率分布，可得电子密度可得电子密度分布等信息分布等信息设计：李波设计：
20、李波l 高速摄影技术记录高功率激光束在材料表面产生的高高速摄影技术记录高功率激光束在材料表面产生的高温蒸气和等离子体的辐射，可为这一反应过程提供很温蒸气和等离子体的辐射，可为这一反应过程提供很重要的信息。重要的信息。分两类：分两类：l 对时间积分的高速扫描相机，条纹相机；对时间积分的高速扫描相机，条纹相机；l 对时间分辨的分幅照相机。对时间分辨的分幅照相机。高速摄影法高速摄影法直接拍照直接拍照l 高于高于100f/s，或者时间分辨率短于，或者时间分辨率短于1/1000s，现在时间分，现在时间分辨率已达到辨率已达到10-13 s，变像管相机，时间分辨率已达到，变像管相机，时间分辨率已达到10-1
21、4 s。设计：李波设计：李波高速摄影法高速摄影法直接拍照直接拍照直接将等离子体图像摄影：得到高速扩展的等离子直接将等离子体图像摄影：得到高速扩展的等离子体羽情况：扩展速度、速率、方向。体羽情况：扩展速度、速率、方向。设计：李波设计：李波高速摄影法高速摄影法l 由等离子体羽的速度，可以得到温度及离子能量由等离子体羽的速度，可以得到温度及离子能量的信息；获得等离子体羽的扩展原因。的信息；获得等离子体羽的扩展原因。l 激光脉冲峰值刚过形成一个发亮的羽，之后等离子体激光脉冲峰值刚过形成一个发亮的羽，之后等离子体云扩展且亮度不断增加，在激光脉冲开始云扩展且亮度不断增加，在激光脉冲开始120ns时达时达到
22、最亮，然后较慢地衰减变化，一直持续到到最亮，然后较慢地衰减变化，一直持续到1ms后。后。l 测得等离子体速度约为测得等离子体速度约为2x106cm/s。l 用脉宽为用脉宽为45ns的调的调Q开关红宝石激光辐照空气中开关红宝石激光辐照空气中的的C靶，用每副靶，用每副10ns的分幅相机记录等离子体云的分幅相机记录等离子体云l 等离子体通过原子的复合和消激发而发光，高速摄影等离子体通过原子的复合和消激发而发光，高速摄影可以获得等离子体发光边界位置随时间的变化曲线可以获得等离子体发光边界位置随时间的变化曲线设计：李波设计：李波高速摄影法高速摄影法l 等离子体羽的扩展原因等离子体羽的扩展原因等离子体扩展
23、速度等离子体扩展速度迅速增加的原因迅速增加的原因是由于吸收了激是由于吸收了激光能量被加热光能量被加热设计：李波设计：李波高速摄影法高速摄影法l 揭示了等离子体的空间分布等信息：各向异性，揭示了等离子体的空间分布等信息：各向异性，垂直离开靶面，最大速度位于靶面的法线方向，垂直离开靶面，最大速度位于靶面的法线方向，喷射方向不随入射激光束的入射角度而改变喷射方向不随入射激光束的入射角度而改变高速摄影：可研究等离子体的运高速摄影：可研究等离子体的运动情况，获得等离子体中高能动情况，获得等离子体中高能粒子的运动速度以及加热、扩粒子的运动速度以及加热、扩展熄灭等信息展熄灭等信息设计：李波设计：李波高速摄影
24、法高速摄影法与其他技术结合，高速实时记录图像与其他技术结合，高速实时记录图像l 与阴影、纹影技术结合，得到高速阴影和高速纹影，与阴影、纹影技术结合，得到高速阴影和高速纹影，显示等离子体流场变化。可以定性探测等离子体折显示等离子体流场变化。可以定性探测等离子体折射率及梯度的变化，从而得到等离子体密度等信息；射率及梯度的变化，从而得到等离子体密度等信息；l 与显微技术结合，得到高速显微照片。可得到微米与显微技术结合，得到高速显微照片。可得到微米级的空间分辨率和高速等离子变化等信息。需要使级的空间分辨率和高速等离子变化等信息。需要使用短脉冲的强激光作为照明光源，用变像管分幅和用短脉冲的强激光作为照明
25、光源，用变像管分幅和扫描相机记录。扫描相机记录。设计：李波设计：李波高速摄影法高速摄影法l 与立体成像装置结合或采用两台相机，可得到高速与立体成像装置结合或采用两台相机，可得到高速立体摄影。立体摄影。l 与全息技术结合，可得到透射光的振幅和相位变化。与全息技术结合，可得到透射光的振幅和相位变化。l 与激光技术结合，带来了高速摄影技术的全新发展。与激光技术结合，带来了高速摄影技术的全新发展。比如激光作为高速摄像机光源；激光驱动相机快门比如激光作为高速摄像机光源；激光驱动相机快门获得皮秒量级的快门；基于多普勒效应的激光高速获得皮秒量级的快门；基于多普勒效应的激光高速测速技术等。测速技术等。l 与干
26、涉技术结合，得到高速实时干涉条纹的变化。与干涉技术结合，得到高速实时干涉条纹的变化。设计：李波设计：李波l 等离子体有自辐射，自身能发出可见光或其他波等离子体有自辐射，自身能发出可见光或其他波段的电磁辐射。利用等离子体自身发射的光段的电磁辐射。利用等离子体自身发射的光(红外红外线、可见光、紫外线、线、可见光、紫外线、X射线射线)来照相来照相,可以得到发可以得到发光区的宏观图像结构及其变化。可采用高速照相光区的宏观图像结构及其变化。可采用高速照相技术和设备，如转镜、转鼓、快速电影机等光学技术和设备，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机械型高速照相机，克尔盒等
27、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。光电部件，进行照相。等离子体照相等离子体照相l 光学机械型的高速照相机，分幅拍摄频率可达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。时间分辨本领可炸火球等瞬态等离子体的研究。时间分辨本领可达达10-13秒。秒。
28、设计：李波设计：李波l 对于等离子体自辐射较弱，不足以提供良好的对于等离子体自辐射较弱，不足以提供良好的“自自显示显示”的情况，可用传统的的情况，可用传统的外光源照射外光源照射的光学显形，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。使用透射光的这两类方法。使用透射光的纹影照相和阴影照相纹影照相和阴影照相，广泛用于等离子体流体运动的研究，测量密度的细广泛用于等离子体流体运动的研究，测量密度的细致空间分布和变化，还可用于测定电子数密度。照致空间分布和变化，还可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。射所需的光束
29、由普通光源或激光光源提供。等离子体照相等离子体照相l 随着现代光学、光电技术、影像对比显示增强，计算随着现代光学、光电技术、影像对比显示增强，计算机数据处理，特别是激光和全息术的进展，等离子体机数据处理，特别是激光和全息术的进展，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，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。并实现全信息的存储、传输、检索和再现。设计：李波设计：李波探针法探针法l 将实体探针放入等离子体中以获得所需参量，将实体探针放入等离子体中以
30、获得所需参量，是等离子体诊断的基本手段之一。是等离子体诊断的基本手段之一。l 可以得到有关等离子体内部细致结构的信息和各可以得到有关等离子体内部细致结构的信息和各种参量的分布情况，如粒子密度分布等。种参量的分布情况，如粒子密度分布等。l 缺点是会干扰被测等离子体，例如改变流动图像，缺点是会干扰被测等离子体，例如改变流动图像，形成空间电荷包鞘，产生杂质污染等。形成空间电荷包鞘，产生杂质污染等。设计：李波设计：李波探针法静电探针探针法静电探针l 它是一种金属电极。通过电路将偏置电压加在探针它是一种金属电极。通过电路将偏置电压加在探针和补偿电极（如等离子体的金属器壁或放电电极等）和补偿电极（如等离子
31、体的金属器壁或放电电极等）之间，探针就从等离子体中收集带电粒子，形成电之间，探针就从等离子体中收集带电粒子，形成电流。用适当的仪表记录下电压和电流，便可得到探流。用适当的仪表记录下电压和电流，便可得到探针的电流电压特性曲线。针的电流电压特性曲线。l 利用静电探针可以测量等离子体中带电粒子利用静电探针可以测量等离子体中带电粒子(电子电子或离子或离子)的数密度、电子温度以及空间电位等。移的数密度、电子温度以及空间电位等。移动探针还可以测知上述参量的分布情况。动探针还可以测知上述参量的分布情况。设计：李波设计：李波探针法静电探针探针法静电探针l 利用电荷受收集法还可以获得离子到达时间，从而利用电荷受
32、收集法还可以获得离子到达时间，从而算出等离子体边沿的膨胀速度与照相法比较接算出等离子体边沿的膨胀速度与照相法比较接近近设计：李波设计：李波探针法磁探针探针法磁探针l 它是一个探测线圈。当其中的磁通量发生变化时，它是一个探测线圈。当其中的磁通量发生变化时，线圈中便产生感应电动势。可测量等离子体中随线圈中便产生感应电动势。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定的或变化很缓慢的情况，可用旋转式磁探针进行测量。行
33、测量。l 磁探针一般只能用于探测随时间变化的等离子体。磁探针一般只能用于探测随时间变化的等离子体。磁探针输出信号一般很弱，要避免杂散音，最好磁探针输出信号一般很弱，要避免杂散音，最好采取静电屏蔽措施。采取静电屏蔽措施。设计：李波设计：李波探针法探针法l 此外还有压强探针、热探针或量热器等，都是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。l 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
34、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。设计：李波设计：李波光谱法l 利用等离子体的发射光谱或吸收光谱诊断等离子利用等离子体的发射光谱或吸收光谱诊断等离子体温度、密度、离子数分布、离子速度、激发态体温度、密度、离子数分布、离子速度、激发态布居、等离子体尺度、不透明度和化学组分等等布居、等离子体尺度、不透明度和化学组分等等信息。信息。l 50年代初期由年代初期由H.迈克等人较为系统地提出的，起迈克等人较为系统地提出的，起初应用于天体物理和基础实验研究，后来又应用初应用于天体物理和基础实验研究，后来又应用于航天环境模拟、化工冶炼、热加工和能源等方于航天环境模拟、
35、化工冶炼、热加工和能源等方面的实验中。面的实验中。l 60年代，开始用激光光谱诊断法（吸收光谱法、年代，开始用激光光谱诊断法（吸收光谱法、荧光光谱法、喇曼光谱法、光声光谱法等）对等荧光光谱法、喇曼光谱法、光声光谱法等）对等离子体状态和输运性质进行实验研究。离子体状态和输运性质进行实验研究。设计：李波设计：李波光谱法光谱法实验装置示意图实验装置示意图设计：李波设计：李波光谱法光谱法设计：李波设计：李波光谱法l 通常的光谱法测温，总是假定等离子体处于局部通常的光谱法测温，总是假定等离子体处于局部热力学平衡和光薄状态。等离子体不存在自吸收热力学平衡和光薄状态。等离子体不存在自吸收作用作用(自吸收系指
36、等离子体中原子或离子的辐射通自吸收系指等离子体中原子或离子的辐射通过整个等离子区域时，被同一元素的另一些原子过整个等离子区域时，被同一元素的另一些原子或离子所吸收或离子所吸收)。光谱法测量通常是通过测量谱光谱法测量通常是通过测量谱线强度、谱线的位移和加宽或连续谱的强度来得线强度、谱线的位移和加宽或连续谱的强度来得到所要的等离子体参量。光谱法测温可分为谱线到所要的等离子体参量。光谱法测温可分为谱线加宽法、相对强度法、绝对强度法、谱线反转法、加宽法、相对强度法、绝对强度法、谱线反转法、连续谱法、离轴峰值法等。连续谱法、离轴峰值法等。设计：李波设计：李波光谱法光谱法 标识新的光谱线；标识新的光谱线；
37、确定等离子体温度，方法：在一定波长范确定等离子体温度，方法：在一定波长范围内通过单色仪测量等离子体发射强度的围内通过单色仪测量等离子体发射强度的黑体温度；可以通过测量各种光谱线的相黑体温度；可以通过测量各种光谱线的相对强度；可以通过测量某一条谱线的比强对强度；可以通过测量某一条谱线的比强度度设计：李波设计：李波光谱法光谱法三种基本过程三种基本过程l 束缚态一束缚态跃迁束缚态一束缚态跃迁l 束缚态一自由态跃迁束缚态一自由态跃迁l 自由态一自由态跃迁自由态一自由态跃迁E2E2束缚态束缚态 此时的电子跃迁是在特定的分离原子轨此时的电子跃迁是在特定的分离原子轨道之间进行，只有能量等于跃迁能的光道之间进
38、行，只有能量等于跃迁能的光子才会被吸收，因此子才会被吸收，因此辐射对光子的吸收辐射对光子的吸收是有选择性的线吸收。是有选择性的线吸收。hEE12束缚态一束缚态束缚态一束缚态(b-b)跃迁跃迁21hEEE1E1束缚态束缚态设计：李波设计：李波1fEEh1ihUE束缚态一自由态束缚态一自由态(b-f)跃迁跃迁能量大于电离能的光能量大于电离能的光子才会被吸收子才会被吸收E1E1束缚态束缚态EfEf自由态自由态光谱法光谱法设计：李波设计：李波自由态一自由态（自由态一自由态（f-f)跃迁跃迁 逆韧致吸收过程。逆韧致吸收过程。这一吸收过程这一吸收过程对光对光子的能量没有选择子的能量没有选择ffEEhEfE
39、f连续连续态态EfEf连续态连续态 b-fb-f辐射、辐射、f-ff-f辐射两个过程与自由电子有关，由于自辐射两个过程与自由电子有关，由于自由电子在等离子体中具有一定的速度分布，故它们由电子在等离子体中具有一定的速度分布，故它们产生的光谱为连续谱。产生的光谱为连续谱。b-bb-b辐射只与分离能级有关，辐射只与分离能级有关，所以产生的是线谱。所以产生的是线谱。光谱法光谱法设计：李波设计：李波l 光谱诊断可以利用连续谱、线谱和整体谱三种方光谱诊断可以利用连续谱、线谱和整体谱三种方式来进行，整体谱则是各种线谱和连续谱的叠加。式来进行，整体谱则是各种线谱和连续谱的叠加。实时测量光谱法实时测量光谱法l
40、光谱一般是连续谱和线谱的叠加，连续谱又包括光谱一般是连续谱和线谱的叠加，连续谱又包括轫致辐射和复合辐射的谱。当等离子体温度升高轫致辐射和复合辐射的谱。当等离子体温度升高时，线谱渐渐消失，连续谱逐步变强。时，线谱渐渐消失，连续谱逐步变强。设计：李波设计：李波l 特定谱线的出现、它的强度、光谱区域的分布，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；用于测定粒子的种类、电子温度等；光谱法光谱法l 连续谱的强度，测电子温度和数密度；连续谱的强度，测电子温度和数密度；l 几条谱线之间的强度比，测电子温度；几条谱线之间的强度比，测电子温度；l 谱线的频移，测等离子体粒子的定向
41、速度；谱线的频移，测等离子体粒子的定向速度；l 谱线的轮廓、增宽、分裂，测量离子温度、电子谱线的轮廓、增宽、分裂，测量离子温度、电子数密度及磁场强度等。数密度及磁场强度等。设计：李波设计：李波光谱分析技术确定等离子体温度光谱分析技术确定等离子体温度l等离子体平衡或者局部热平衡时，由Saha方程得到等离子体温度。l对于激光产生的等离子体，电子密度通常很高，且电子离子碰撞时间一般小于109s，Q开关的激光脉冲产生的等离子体可达到局部热平衡，而对于ps脉冲，局部热平衡一般不满足，不能用Saha方程设计：李波设计：李波光谱法l 实际上，由于等离子体源温度分布很不均匀（温实际上，由于等离子体源温度分布很
42、不均匀（温度梯度高达每毫米几千度梯度高达每毫米几千K），其热物理状态不能），其热物理状态不能单用一个单用一个“温度温度”来表征，所以需要测量温度的空来表征，所以需要测量温度的空间分布。常用的方法有空间扫描法、光谱扫描法、间分布。常用的方法有空间扫描法、光谱扫描法、局部区的光学隔离法等。用经典光谱仪测温常采局部区的光学隔离法等。用经典光谱仪测温常采用空间扫描法。用空间扫描法。设计：李波设计：李波激光法激光法l 用激光作为光源、激发源或探测器来诊断等离子用激光作为光源、激发源或探测器来诊断等离子体参量的方法。激光诊断的优点是：对等离子体体参量的方法。激光诊断的优点是：对等离子体干扰小干扰小,空间分
43、辨率和时间分辨率高空间分辨率和时间分辨率高,可诊断的等可诊断的等离子体电子密度范围宽（离子体电子密度范围宽（10101019)/cm-3,温度范温度范围大（围大（104106K）,特别是对非热平衡等离子体特别是对非热平衡等离子体的诊断优于光谱法等诊断方法。因此激光诊断成的诊断优于光谱法等诊断方法。因此激光诊断成为等离子体诊断，特别是高温度、高密度等离子为等离子体诊断，特别是高温度、高密度等离子体诊断的主要手段。体诊断的主要手段。设计：李波设计：李波l对于密度梯度大的等离子体，要采用波长短的激光作为光源；空间分辨。高密度等离子体需要短波长激光。激光法激光法l对于变化迅猛的等离子体，要求采用更短脉
44、宽的激光脉冲。时间分辨设计：李波设计：李波激光法激光法激光干涉法激光干涉法l 激光具有功率大、亮度高、单色性好、方向性强激光具有功率大、亮度高、单色性好、方向性强和偏振度好等优点，是十分优良的相干光源。用和偏振度好等优点，是十分优良的相干光源。用它作马赫曾德尔干涉仪、迈克耳孙干涉仪等一它作马赫曾德尔干涉仪、迈克耳孙干涉仪等一般光学干涉仪的光源，可使干涉仪易于调节，使般光学干涉仪的光源，可使干涉仪易于调节，使用方便。有些新型干涉仪其中作光源的激光器兼用方便。有些新型干涉仪其中作光源的激光器兼作探测器，因而结构简单，灵敏度高。激光干涉作探测器，因而结构简单，灵敏度高。激光干涉法可以直接测量等离子体
45、的折射率，并确定等离法可以直接测量等离子体的折射率，并确定等离子体的密度和温度等参量。子体的密度和温度等参量。设计：李波设计：李波激光法激光法差拍干涉法差拍干涉法l 将待测等离子体放入激光器的谐振腔内，等离子将待测等离子体放入激光器的谐振腔内，等离子体密度的变化引起光程的变化，谐振腔的振荡模体密度的变化引起光程的变化，谐振腔的振荡模式也发生相应的变化，从而又引起激光器输出频式也发生相应的变化，从而又引起激光器输出频率的变化。用差拍技术或外差方法测定这种微小率的变化。用差拍技术或外差方法测定这种微小的频率变化，就能确定等离子体的电子密度。此的频率变化，就能确定等离子体的电子密度。此法仅适用于测量
46、慢变化或稳态的等离子体，并要法仅适用于测量慢变化或稳态的等离子体，并要求激光系统十分稳定。此法可以测量的电子密度求激光系统十分稳定。此法可以测量的电子密度范围约为范围约为10101014/cm3。设计：李波设计：李波激光法激光法双波长干涉法双波长干涉法l 采用两束不同波长的激光同时通过待测等离子体，采用两束不同波长的激光同时通过待测等离子体，产生两组不同波长的干涉条纹，可同时测定等离产生两组不同波长的干涉条纹，可同时测定等离子体中电子和原子两种组分的密度。单波长干涉子体中电子和原子两种组分的密度。单波长干涉法只考虑电子而忽略离子、原子等重粒子对等离法只考虑电子而忽略离子、原子等重粒子对等离子体
47、折射率的影响。如果要更准确地测定电子密子体折射率的影响。如果要更准确地测定电子密度和原子密度，则须采用双波长干涉法度和原子密度，则须采用双波长干涉法。设计：李波设计：李波激光荧光分析激光荧光分析 荧光光谱分析是研究等离子体边缘区的有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、温度一般小于很低、温度一般小于10电子伏的粒子。对电子伏的粒子。对于这类粒子，一般实验方法很难应用，但于这类粒子，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可用调谐激
48、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）（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，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、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。钛、铁、镍等杂质，灵敏度很高。设计：李波设计：李波高温等离子体测量高温等离子体测量X X射线测量射线测量 X射线通常指波长短于射线通常指波长短于100埃，即光子能量约大埃，即光子能量约大于于 100电子伏的电磁波。随着等离子体中电子温电子伏的电磁波。随着等离子体中电子温度的升高度的升高,它发出的电磁辐射越来越多地落在它发出的
49、电磁辐射越来越多地落在X射射线范围内。核爆炸、惯性约束、磁约束等人造的线范围内。核爆炸、惯性约束、磁约束等人造的等离子体已成为强等离子体已成为强X射线源。在自然界中射线源。在自然界中,日冕的日冕的温度约为温度约为100250电子伏电子伏,它发射出它发射出X射线波段的射线波段的连续谱和许多高次电离谱线。在天体中观测到的连续谱和许多高次电离谱线。在天体中观测到的遥远的遥远的X 射线源是天文学研究的重要方面。射线源是天文学研究的重要方面。设计：李波设计：李波 从x射线光谱中可以准确提取出等离子体的离化状态、能级布居等信息。一般可以从其波长和强度推导出等离子体中某种元素存在与否或某种离化度离子存在与否
50、以及存在的绝对数量，还可以根据光谱线的线型得出发射原子的动力学温度和密度等十分丰富和重要的信息。高温等离子体测量高温等离子体测量X X射线测量射线测量设计：李波设计：李波高温等离子体测量高温等离子体测量X X射线测量射线测量l X射线谱一般由连续谱和线谱叠加而成。射线谱一般由连续谱和线谱叠加而成。连续谱主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来源是较重元素原子内层(K、L和和 M层层)的电子跃迁的电子跃迁辐射。产生辐射。产生 X射线的另一基本过程是电子在磁场中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
