等离子体诊断技术作业题及答案

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1、“等离子体诊断技术”课程作业题1.试述光谱分析法对激光等离子体诊断的特点以及能进行定量测试的物理量，并举例说明；答：不同波段对分析仪器及所用的分析技术的要求不相同。而且各种类型的高温等离子体的参数范围变化很大， 不同的参数范围和不同的诊断方法对光谱的分析也有不同的要求。 在此着重介绍可见光区光谱分析，稍微介绍下红外和紫外以及X 射线光谱。在可见光区， 光谱分析基本上都是用棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。 光谱分析仪中最关键的元件是棱镜或衍射光栅等色散元件，它用以使不同波长的光在空间分离出来。棱镜的分光原理是基于某些透光物质的色散作用，即某些透光介质对不同光波的光具有不同的折射率。 棱镜

2、光谱分析仪最大的优点是其没有光谱重叠问题。其显著缺点是， 在 0.4m到 1.0m，dnd均下降约达一个数量级， 使角色散率和分辨率都随波长而有显著变化。 棱镜光谱仪的工作光谱区， 主要取决于棱镜及其它光学零件所用材料的光谱透射率。国产KCA-1 型大型棱镜摄谱仪，光源出发的光通过三透镜系统照明狭缝， 使得整个狭缝照明均匀， 并使光线充满物镜， 从而发挥仪器的最大分辨率。 狭缝是光谱仪中十分精密的部件，其缝宽调节精度达微米量级，它的高度有光阑调节。近代高级的光谱仪大多都采用光栅作为色散元件。从广义上讲， 任何一种装置和结构，只要它能给入射光的振幅或相位、或者两者同时加以周期性的空间调制，都称为

3、衍射光栅。 它的分光作用是基于光的衍射和干涉现象。实际采用的光栅都不采用投射式， 而采用反射式。 由于振幅调制式光栅的大部分光强仍然都落在五色散的零级谱上， 因而现代所有的光栅都采用相位调制式反射光栅。相位调制式反射光栅的主要优点是， 可以选择一定形状的沟槽断面，是大部分的入射光集中于预定的方向上， 这种光栅称为闪耀光栅。 闪耀光栅在闪耀方向上， 所集中地入射总光能可达80%90%，这是闪耀光栅的最大优点。在光栅光谱仪中，不同波长的不同光谱级的光会发生重叠，这是其最严重的缺点之一。 反射光栅除了上述的平面反射光栅外， 还有一种所谓凹面反射光栅， 它是在球面反射镜上沿弦刻画出等间隔且等宽的许多平

4、行直刻痕二制成的。凹面光栅除了具有与平面光栅相同的分光特性外， 还兼有准光和聚焦的作用， 不需要附加任何光学部件就可以产生光栅光谱。法布里 -珀罗干涉仪，在等离子体诊断中同样获得广泛应用。其分光作用和光栅一样是基于多光束的干涉原理。傅里叶变换谱仪，基本上都采用迈克尔逊干涉仪来完成干涉调频的，这种干涉调频傅里叶变换谱仪的关键部件之一就是分束器，理想的分束器要求在整个分析的光谱区内反射率和透射率都相同，都等于 50%。这在远红外区， 特别是包括毫米波的远红外区， 只用一个分束器要分析这样宽的谱区一般是有困难的。若用金属栅网做 分束 器，并 且用具 有适 当的偏 振方向 的平面 偏振 波入射 ，在波

5、数110 cm 2g范围内，该栅网对相应的偏振分量各自有近似为100%的反射率和透射率，这样就可满足上述要求。 干涉调频傅里叶变换谱仪的主要优点是不存在光谱级的重叠问题， 而且能同时记录所选波段的所有光谱元，这可以显著地提高探测器输出的信噪比； 其次，其分辨率极限仅与干涉仪最大光程差有关，二与入射狭缝无关， 故光束的截面积和立体角均可很大，使入射光强可焦强， 这对于光强较弱的远红外辐射源的谱分析是十分重要的。在 X 光区，可以利用晶体中的原子点阵来代替光栅，进行光谱分析。若用连续光入射，只要旋转晶体以连续改变入射角，就可以在不同的反射角方向上得到不同波长的单色光，这就是利用晶体衍射进行X 射线

6、分光的基本原理。当光子能量达到keV量级以后，光的量子效应愈加显著， 利用光子探测器进行光子的能量分析的方法逐渐被广泛采用。其探测器有三种： 闪烁探测器。 气体正比计数器和半导体探测器。2.试述高速摄影法对激光等离子体诊断的特点以及能进行定量测试的物理量，并举例说明；答：光的测量， 即辐射能量的测量， 是一切基于等离子体辐射而对等离子体作出诊断的基础， 由于高温等离子体本身是个强的辐射体，利用照相技术， 可以将等离子体的形态及其变化过程记录下来。通过分析所得的照片， 可以获得一些有用的等离子体参数。普通的“抓片式”电影摄影机是一种最简单的分幅摄影机。这一类的高速摄影机， 是用光学补偿的方法使象

7、和底片同步运动，以得到清晰的象。它的优点是可以长时间地连续拍摄，其缺点是底片的运动速度仍然要受到底片的机械强度的限制，一般不能超过100m/s，因而其拍摄频率不高，最高只能达到每秒数万幅左右。 另一类高速摄影机有动片式扫描摄影机和转镜扫描摄影机。动片式扫描摄影机是狭缝的象固定不动，而使底片相对于象高速移动， 转镜扫描摄影机，物体也是两次成像。 提高拍摄速度的关键是提高转速N，而它也要受到材料抗张强度。 摩擦力等因素的限制， 也不能无限提高。 在上述高速摄影机拍摄高速变化过程时，需特别注意，一是高速光源的摄影机拍摄起始时间的同步问题，另一个是在底片装片长度固定而有限的摄影机中，如何防止底片重复曝

8、光的问题。变像管制作的高速摄影机是通过光电子变换，并利用电子光学系统来实现电子图像的快速扫描或分隔，因而可以有极高的拍摄速度。其叶必须有高速辅助快门，当荧光屏照满图像后， 它迅速地将光路切断。 为了减少变像管的暗电流本底，最好采用火花隙等高速开关将加速电压源短路。变像管相机对磁场是很敏感的，微小的磁场都会是电子运动轨道发生变化，因此，在有磁场的环境下应用时， 必须仔细地进行磁屏蔽。在光谱的定量测量中， 可以利用测微光度计测量底片的密度D，然后再根据该底片的光谱响应曲线及曝光特性曲线，就可求出不同波长的光相应的能量。光电二极管和光电倍增管， 都是利用金属或半导体表面的光电子发射效应来探测光子的。

9、除了入射光较强外， 一般的输出电流是很微弱的，需要用弱电流的放大和测量仪器测量其输出电流，但其信噪比很差， 难以作为灵敏的光探测器， 但时间响应快，可达毫微秒量级。在等离子体诊断中， 常常利用红外乃至远红外的激光束，作为探针进行诊断。 通过对等离子体发出的红外， 、辐射以及红外探针束的探测和谱分析，可以获得许多十分有用的等离子体参数，如电子密度、电子温度、离子温度、等离子体内部磁场分布等。光子探测器， 在红外辐射波段， 用来探测红外光子的光电效应，主要都是指半导体材料中的内光效应。 内光效应，指入射光子与半导体材料中的电子直接相互作用而激发载流子的各种效应。 光电导型探测器， 是利用光子激发的

10、载流子所引起的半导体材料电导率变化的效应来探测红外辐射功率的。光伏型探测器是利用光生伏特效应来探测红外辐射的。随着高温等离子体参数的提高，等离子体诊断用的电磁波探针的波段，分别从长波。短波两个方向向远红外波段发展，从而使远红外诊断技术成为十分重要的诊断手段。锑化铟远红外探测器， 利用半导体中的自由载流子与入射辐射光子相互作用，从而引起自由载流子的迁移率变化的效应来探测光子的。约瑟夫逊结探测器，是一种利用超导体的约瑟夫逊效应来探测远红外和毫米波辐射的探测器，具有灵敏度高。响应速度快的特点。随着等离子体温度的升高， 等离子体辐射移向短波区， 等离子体中杂质的线辐射的短波成分也逐渐增多， 当等离子体

11、电子温度达几百万电子伏以上时，杂质的线辐射大部分都落在紫外光区。 通过这些紫外杂质谱线强度的绝对测量，可测定等离子体的杂质成分和辐射损失等。随着高温等离子体电子温度的提高，等离子体的轫致辐射个高电离杂质的线辐射酱油相当大的部分是处在软X 射线区。通过 X 射线连续谱的测量，可以测定等离子体电子温度；通过X 射线杂质谱线多普勒加宽的测量，可以测定等离子体离子温度；X 射线测量也可用来诊断等离子体的杂质成分并用来研究杂质的空间分布及其输运过程。3.试述激光干涉法对激光等离子体诊断的特点以及能进行定量测试的物理量，并举例说明；答：远红外激光干涉仪， 利用干涉技术测量等离子体电子密度的经典方法是所谓双

12、光束干涉法。它是测量等离子体所引起的探测光束的相移l0 02(1)n dz，式中0为入射光束的波长，n为等离子体折射率，l为探测光束在等离子体中的光程长。用于干涉测量的电磁波波长必须与被测的等离子体参数等离子体密度0N和尺寸相适应。其波长0必须足够长，以使其能产生可测的相移量，但其波长又必须足够短， 以使其在等离子体重传播时不截止。微波干涉仪只能用于测定低密度等离子体的电子密度1930(10)Ncm。为克服光栅旋转速度不均匀及微小的振动对差拍频率的稳定性都有很大影响的缺点，可采用双激光器调制式干涉仪。利用2CO激光器泵浦的两个波导型气体分子激光器，产生两个频差等于所需的差拍频率的激光束， 分别

13、作为探测光束和参考光束。 这种激光器频率稳定性十分好，而且不受杂散磁场的影响。 这种方法产生的差拍频率主要由两激光器的腔长差决定，只要两个激光器稳固地放在防震措施的基座上，其差拍频率可以相当稳定。远红外激光干涉仪只能用于测量中等密度19213 01010Ncm等离子体的电子密度。对于高密度等离子体223010Ncm，必须用可见光和近红外波段的激光器作为光源的干涉仪， 进行密度测量。 在可见光和近红外区， 最广泛用于等离子体诊断的双光束干涉仪是马赫珍德干涉仪。其具有干涉条纹可以任意地定域的特点。我们得到用马赫珍德干涉仪摄取的干涉条纹照片，外围的直条纹是背景干涉条纹，而中心条纹是由等离子体引起的条

14、纹变动，图中一圈圈的干涉条纹并不代表等离子体的等密度线。由于全息照相是记录干涉条纹，它的再现也是利用干涉现象， 因此它有强的抗干扰性。在全息曝光时， 一些非相干光线的干扰或拍摄前后的一些重复曝光干扰的影响都比普通照相轻微的多。 全息照相只要在每次拍摄时， 让参考光束有不同的取向，就可以在一张底片上拍摄几种全息图像。而在再现全息图时， 只要改变参考光束的取向，就能在一张全息片上观察到几个互相分开的、互不干扰的图像。并且应用 Q 开关巨脉冲激光技术可以产生脉宽极窄的光脉冲，它的发射时间也容易精确控制。这些特点都有利于高速摄影。4.试述微波法对激光等离子体诊断的特点以及能进行定量测试的物理量，并举例

15、说明。答：透射测量是最简单的一种微波诊断方，主要利用微波传输的截止现象。微波诊断技术中最有效的方法，就是利用微波干涉法测量等离子体所引起的相位变化。微波干涉仪大多是双波束干涉仪。电磁波在等离子体中传播时，除了相位变化外，还会产生由折射率变化所引起的折射现象。微波干涉仪所用的波长越长，折射效应的影响越严重， 特别是在多道干涉仪中， 折射效应将使各道的干涉信号间产生干扰。 频率调制时条纹移动干涉仪， 是由于应用频率调制形成低的视频信号的方法而探测相移差的变化， 它可避免微波幅度的变化以及低频噪声对相移测量的影响，其主要缺点是测量灵敏度不高，相位移动的测量精度很难超过210。相位调制式条纹移动干涉仪

16、，优点：探测臂的波导长度较短，可减小传输损失；可以消除银系统阻抗不匹配所产生的假条纹信号。在低频区，特别是在等离子体频率稍高和回旋频率附近，等离子体的热辐射与黑体辐射很接近， 容易由其辐射功率来测定器电子温度，而且，微波波段的辐射功率测量，可以利用微波超外差接收机。因此，在等离子体诊断中，经常利用热辐射功率的测量来测定电子温度。在某些简单的情况下， 通过等离子体热辐射的测量，并结合微波的透射、 反射实验测得的等离子体功率吸收率的数据，就可以测定等离子体的热辐射温度。 但在实际进行辐射测量时， 必须注意消除器壁等其它物体对辐射的反射，以免它对辐射测量产生严重的影响。电子回旋辐射的测量，通过它的测量，可以测定电子温度、密度等重要参数。由于电子回旋辐射的频率是发射点的回旋频率及其谐波频率，这完全由发射点的磁场决定。在一些具有非均匀磁场分布的等离子体中，只要知道了磁场的空间分布，就可以根据回旋辐射谱推断出辐射强度的空间分布。通过测量电子回旋辐射谱随时间的变化， 就可以测定电子温度或电子密度空间分布随时间的变化。方法有两种，一是测量光性厚的谐波的辐射强度谱分布从而求出相应的电子温度分布，