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1、学号 20120601051034 密级 兰州城市学院本科毕业论文 等离子体温度的测量学 院 名 称：培黎工程技术学院专 业 名 称：物 理学 生 姓 名：所 属 班 级：121 本指 导 教 师： 二一六年五月 原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的论文是在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡是引用他人已经发表或未经发表的成果、数据、观点等均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文指导教师签名： 年 月 日 摘要本文介绍了等离子体的概念、分类和等离子体电子数密度的计算方法
2、。以空气为样品靶进行了激光等离子体光谱实验。通过对等离子体光谱的分析，标定了激光等离子体中的N、O和H等元素的特征谱线，基于时间分辨光谱的测量，研究激光产生等离子体的时间分辨光谱特征。利用多谱线法和汤普逊散射法，计算了Zn等离子体温度随时间的演化规律，研究结果表明，在等离子体产生的最开始时候，最初产生的等离子体温度极高，当等离子体与温度接触后，由于热传导等离子体的温度迅速降低，这主要是由于离子与电子的复合在等离子体演化的过程中起主导作用，该研究对定性认识激光等离子体的时间演化具有一定的意义。关键词：激光等离子体1；汤普逊散射法8；等离子体温度目录第1章 绪论11.1等离子体概述11.2等离子体
3、的分类21.3描述等离子的基本参数3第2章 等离子体温度的测量方法52.1汤普逊散射法52.1基于等离子体发射光谱的测量方法6第3章 实验及分析83.1激光等离子体实验装置83.2结果与讨论8第4章 结论及展望12第1章 绪论1.1等离子体概述温度可以改变物体的形态，比如水的物态变化，给零下四度以下的冰加热升温，冰就会变成水，如果继续加热水就慢慢沸腾起来，水就会变成气体，水尽然能有这样的变化，我们中学中给它们定义为水的三态。这里就有一个问题：如果给气体加热将会发生什么变化或转变呢？显然，当加热气体时，由于温度升高且温度是分子热运动平均动能的标志，那么温度越高分子无规则运动越剧烈，它们会相互碰撞
4、的次数越多，碰撞过程中发生了离化为自身的组成原子，接着离化产生的高能原子自身也发生分解，结果电子和离子就形成了。因此，不管加热任何物体时候，最终它都将转变成为强烈电离的气体即等离子体1。就因为在这样的定义下，有时也把等离子体称为第四态。我们知道水的三态变化是不连续的，当温度达到熔点时才能溶化，但强烈电离就不一样，向店里状态的过渡状态是连续的。那么就有一问题：当电离气体中的带电粒子密度达到多大时才可认为是等离子体？显然，就有一个标志，带电粒子的集合中的粒子之间通过电磁场作用，即借助于长程力出现的新的相互作用。正是有了新的相互作用，带电粒子的集合才有新的性质。总的来说，电离气体中的带电粒子密度很高
5、，它们中的相互作用就发挥作用，我们把满足这样条件下的电离气体称为等离子体。他们之间相互作用重要的表现有一个定量标志：准电中性，即电子密度与离子密度近似相等（）。我们定义为温度的缓变函数，即电离度。像满足上述条件的现象在生活中很常见，如蜡烛的火焰里就有等离子体产生（产生的等离子体是微弱的）。那么等离子体的强弱与电离度有密切的关， 的等离子体我们称之为完全电离等离子体。当的称为强电离等离子体，当，称之为弱电离等离子体。由于等离子体和物质其他三态相比存在的参数范围很广。如温度，密度和磁场强度这些参量都可以跨越十几个数量级，且等离子体有大量相互作用但仍处于非束缚态的带电离子组成的宏观体系，所以不管是性
6、质或是形态都会受到外加磁场的强烈影响。并且存在及其丰富的集体运动，比如电磁波以及非线性的相干结构和湍动，静电波，漂移波等。在等离子体体内，不管粒子之间进行的有多猛烈，等离子体（电子和离子足够稠）也保持电中性。这样就更近一步确定了等离子体电离度的重要性。 1.2等离子体的分类1）按产生方法和途径分类宇宙是一个很大的集合体，在宇宙中大约有99%的物质处在等离子状态中，比如在高高的云层中，存在着很微弱的等离子体，但遇到闪电就会形成很强的电离气体，则产生的等离子体很强，这样形成的等离子体称为自然等离子体。在当下科学技术发达的社会下人为产生的等离子体种类也千变万化。比如有气体放电法、射线辐射法、热电离法
7、、冲击波法等。生活中常见的产生等离子为日光灯、彩灯放电产生的等离子体。2）按热力学平衡及系统温度分类热力学平衡无外乎就是温度是否处于平衡状态，简而言之就是等离子体中电子和离子的温度有没有达到平衡，根据是否达到平衡将等离子体划分为以下三类：非热力学平衡等离子体：电子的平均动能远超过中性粒子和离子的动能，电子的温度可高达，而中性粒子和离子的温度却只有。这种等离子体处于非平衡状态，所以称为非热力学平衡等离子体3。局域热力学平衡等离子体：无外乎就是在等离子体内部中局部所处的热力学平衡状态；完全热力学平衡等离子体：即整个等离子体系统温度为时体系所处得热平衡状态，我们称之为完全热力学平衡等离子体；等离子体
8、又可分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体分为低温等离子体和高温等离子体；那么高温等离子体一般指稠密或高温（一般指那样受控核聚变所要求的高温），当温度在之间时，常常指电弧等离子体、高频等离子体、燃烧等离子体等。低温等离子体指电子温度高，气体温度低于稀薄低压的等离子体。3）按电离程度分类从第一章第一节内容我们能够看到等离子体的电离程度用电离度来描述，像有些电离程度能达到100%的等离子体我们称为完全电离等离子体如原子反应堆里的高温等离子体及核聚变中的高温等离子体。那么等离子体团簇中的几乎所有分子（或原子）发生强电离。当电离度程度在50%左右的时候我们称为部分电离气体等离子体，即只有部分电离成电子
9、和离子，部分为中性分子或原子。弱电离气体等离子体：也就有很少量的离子发生电离。4）按产生方式分类除了高空雷电产生的等离子体以及在自然状态下产生的等离子体外，我们还可以联想到人为产生的等离子体，那么人工产生等离子体的方法主要有射线辐射法、冲击波法、热电离法、光电离法、气体放电法等。其中化工中常见的为气体放电法。根据所加电场频率的高低，气体放电分为低频放电、直流放电、微波放电、高频放电等多种类型；根据气压可分为低压等离子体和常压等离子体。1.3描述等离子的基本参数1）等离子体密度与温度对于等离子体集体来说描述它的基本参量有两个，一个是等离子体温度，另一个是等离子体的粒子数密度（可划分为电子数、中性
10、原子数及离子密度）。在等离子体准中性的约束下，电子密度满足以下公式，即 , （2.1.1）其中中的代表着离子数密度，那么则是代表一个离子产生的电子个数。由于等离子体它是一个团簇，那么组成它的粒子种类千变万化，那它们之间能量和动量通过碰撞之后才能达到平衡状态。由于产生的电子与离子在质量上的天壤之别，只有在两者相同的粒子之间更容易达到平衡，因此，在电子和离子达到平衡与整体未能达到平衡之前，它们的表征不再是密度，而是温度。就一般而言电子温度与离子温度不能划等号，若系统达到了平衡，那么它们就有统一的温度，也就是说等离子体温度只有在等离子体达到热力学平衡（TE）时才有意义。 2）等离子体频率从前面我们知
11、道强电离的气体内部有磁场力的作用，如果电离度（增大或减小），即等离子不处在电中性的状态中，这时候静电力就充当一个恢复力（即高中所学的弹簧振子发生形变要恢复原来形状产生的力）的作用，就会作用带电的粒子，使带电粒子成电中性，又受到带电粒子自身质量的限制,带电粒子在静电力的作用下，必然会发生振荡。等离子体的这种固有振荡叫等离子体振荡，其振荡的固有频率称为等离子体频率。假设带电粒子气体完全均匀地分布在空间无热运动，选取轴通过某一行带电粒子，并取某粒子的平衡位置为0，粒子电荷，质量，粒子之间的距离为，为带电粒子密度。只考虑其左右两个带电粒子对它的静电力，它们作用力方向相反，忽略其它粒子对此粒子的作用力，
12、则电子在该电场中的运动方程为： . (1.3.1)如果，对上式右端化简经整理，得 . （1.3.2）求解后的，其固有振荡角频率为 . （1.3.3）通过以上的分析，只考虑两个单粒子的作用，但由此可以直观地看出等离子体振荡的过程：等离子体振荡是带电粒子的惯性和静电恢复力矛盾运动的结果。1.4激光等离子体的特征随着激光技术的发展，激光的能量越来越高，脉宽越来越窄。这给激光等离子体的应用提供了更多的可供选择的激发光源。脉宽不同的激光器产生等离子体的过程和物理机制又有很大差别。对于常用的纳秒激光，产生等离子体的过程主要是加热过程，而对于飞秒激光，其主要是库仑爆炸过程。可以看出，飞秒激光烧蚀坑的边缘比较
13、整齐，纳秒激光烧蚀坑的边缘破坏比较严重，而皮秒激光烧蚀坑的边缘整齐程度介于两者之间。飞秒激光与纳秒激光产生的等离子体光谱也有很大区别，飞秒激光产生等离子体光谱中来自逆韧致辐射的连续背景比较弱，而纳秒激光的连续背景谱则较强。在实际应用中，由于纳秒激光成本较低且体积较小，更易实现在线、原位及实时测量，因此纳秒激光成了目前激光等离子体领域的主流激发光源。激光产生等离子体后，等离子体中存在着各种各样地、处于各种状态的高温自由电子、不同离化度离子等各种粒子，这使得等离子体中的原子物理过程非常复杂。激光等离子体光谱在等离子体随时间演变的分辨光谱图中看出，在不同阶段呈现出不同的特点。在等离子体形成的初始阶段
14、，等离子体温度较高，电子密度数较大，此时测量的光谱中主要是连续光谱。随着等离子体的演化，测量到的光谱主要由一些线状特征谱线构成。所以在激光等离子体实验中，通常都要做时间分辨测量，主要目的是测量元素的特征谱线，降低连续背景，提高谱线的信噪比。第2章 等离子体温度的测量方法2.1汤普逊散射法 激光在等离子体中传播时，将激起电子或离子作受迫振动，发出次级辐射。自由电子在电磁波辐射场的作用下作受迫振动，发射出次级电磁辐射形成散射波的现象，称为汤普逊散射8。如果在测量位置激光束截面积为，长度为，根据电磁学知识我们知道该散射范围内的电子总数为，式中表示该散射体的电子密度。对于在强电离气体内，各个电子是否完全相干，我们可以将汤普逊散射划分为以下两类：相干汤普逊散射和非相干汤普逊散射。对于相干汤普逊散射就是散射光总功率与单个电子相比是单个电子的多倍，非相干汤普逊散射，它产生的总的散射光功率与电子的相比不是平方的倍数，而是倍。我们把这种相关性定义一个参数表示为 , (2.1)式中：是电子温度； 为散射光波长；是入射激光的波长；为散射角； 是德拜长度对上式所得的公式进行讨论，（1）当时，入射波的作用比较大，那么电子的集体运动可以检测到，对于相干汤普逊散射，像电子温度、离子能量分布以及等离子
