等離子體診斷學

等離子體種類繁多。就現在已經觀測到的天文範圍説，宇宙中的物質，包括髮光的恆星在內，絕大部分是等離子體。此外，人類自從發明取火以來，又創制出多種人造的等離子體（圖1）。目前已知的各種等離子體，就它們的參量來説，電子數密度相差達30個數量級以上，温度相差 7個數量級以上；就它們的運動來説，有的處於宏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。各種等離子體的成分、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，根據各種等離子體的不同特點，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。

從歷史發展看，等離子體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等離子體診斷，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，提供了等離子體的實驗室觀測。核爆炸性能的確定要依靠對爆炸形成的等離子體的診斷。現代高空飛行器和航天技術以及無線電通信技術的發展，也對等離子體診斷起了促進作用。當前，受控熱核聚變和空間開發等研究和應用的需要，正在進一步推動等離子體診斷學的發展。

下文以實驗室中的等離子體為主要對象，按宏觀考察到微觀測量的順序，分等離子體照相、宏觀參量的探測、光譜分析。X射線、微波、激光、粒子測量等七個方面（超高密度高温等離子體診斷見該條）,作一概述,並舉例説明。

等離子體有自輻射,就是説,自身能發出可見光或其他波段的電磁輻射（見等離子體輻射）。弧光燈和熒光燈是常見的例子。利用等離子體自身發射的光(紅外線、可見光、紫外線、X射線)來照相,可以得到發光區的宏觀圖像結構及其變化。例如，星體、閃電、各種人工放電。除了太陽這個等離子體之外，遙遠的天體只能給人們提供微弱的光照。而人造的等離子體，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，都可以應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、爆炸火球等瞬態等離子體的研究。時間分辨本領可達10-13秒。 　對於等離子體自輻射較弱，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，其中包括利用等離子體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佈和變化，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激光光源提供。 　隨着現代光學、光電技術、影像對比顯示增強，計算機數據處理，特別是激光和全息術的進展，等離子體照相已發展到用自發光或外照光對等離子體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。

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），初步確定它是等離子體並對它的形狀大小有了一個概念後，可以開始對它的各種宏觀性質，包括整體量、平均參量和各種參量的局部值進行探測。這裏重點介紹等離子體的電磁性質，它常用探針進行測量。

用固體材料製成的小構件作為傳感器，插入等離子體內或放在它附近，接收等離子體發射的粒子和電磁波，感受所在地點的電場和磁場，以測得等離子體的各種宏觀量及其分佈與變化,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”在等離子體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）用導體制成，它指向等離子體的前梢（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，確定等離子體局部的電子數密度、電子温度、電位、電流的漲落信號等。

位置和形狀固定的磁探針，應用法拉第電磁感應的原理，可測量等離子體中隨時間變化的電流、電流密度，以及等離子體的位移、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。

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

測量等離子體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）。但由於待測的等離子體電流往往很大，可高達107安培以上,因此需用尺寸較大的低值電阻（分流器），並注意連接的形狀，以避免電流產生的磁場影響測量值。 　測量等離子體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,插入等離子體內或放在它的附近。當等離子體中的電流發生變化時，在連接線圈的電迴路上可測得由於電磁感應產生的電壓信號，它和等離子體電流成正比，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，以及被測電流的分佈等因素。 　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，套在待測等離子體的外面。測得的電壓信號和穿過環內的全部等離子體電流成正比，環外的等離子體電流不起作用。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。

由於等離子體中的自由電子，在電場作用下，會迅速移動抵消外加的電場,因此,等離子體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，等離子體局部電位也會有微小的漲落。 　但是，在等離子體和外界接觸的邊緣區，則由於電子和離子擴散率的懸殊，正負粒子的分佈不再能保持中和，因而造成等離子體邊緣的鞘層結構，它能維持較大的電場。所以，通常説的等離子體的電位，就等離子體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。等離子體的電位，可用各種電探針探測分析。 　各種有質探針直接和待測的等離子體接觸，因此會對等離子體產生干擾;探針暴露於高度電離的環境中,本身也容易損壞，放出雜質，影響等離子體性質，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等離子體外注入電磁波束或粒子束的“主動”探測，則一般不會對等離子體產生干擾。但高強度電磁波和粒子束對等離子體的持續照射也會對它發生顯著的作用，如共振加熱等。

光譜分析是等離子體診斷中應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，能確定等離子體的電子和離子温度、數密度、速度分佈、成分等多種物理性質。本節主要涉及等離子體的發射譜。由於激光等強光源的發展，散射譜（包括角分佈）以及熒光光譜法也開始得到應用。

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（見等離子體輻射、等離子體光譜）。當等離子體温度升高時，線譜漸漸消失，連續譜逐步變強。對氫等離子體的光譜分析，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、光譜區域的分佈，用於測定粒子的種類、電子温度等；

②幾條譜線之間的強度比，測電子温度；

③連續譜的強度，測電子温度和數密度；

④譜線的頻移，測等離子體粒子的定向速度；

⑤譜線的輪廓、增寬、分裂，測量離子温度、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，應用於高温等離子體診斷上的主要困難是：①對於輕元素説，高温高電離度的稀薄等離子體發光太弱；②對於瞬變等離子體或穩態等離子體的脈動漲落，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，應用時有侷限性。

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。隨着等離子體中電子温度的升高,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、磁約束等人造的等離子體已成為強X射線源。在自然界中,日冕的温度約為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等離子體處於不穩定狀態時，產生的X射線比等離子體穩定時強得多，這就使X射線診斷成為等離子體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。

在高温聚變等離子體中，它的能量損失的重要因素是重元素雜質的輻射，因此，隨着等離子體温度和密度的增加，X射線的測量和控制也日益重要。

X射線測量在等離子體診斷中還有下列一些用途：

①由 X射線連續譜測定電子温度和電子能量的時空分佈；

②由譜線的多普勒頻移和展寬測定雜質離子温度和等離子體的整體運動；

③由譜線的絕對強度估計電子數密度及能量損失；

④等離子體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。

在慣性約束等離子體研究方面的各種用途，見超高密度高温等離子體診斷。

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温度。温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等離子體的中心温度。這樣短的波長，可以透過外部較冷的等離子體，對測量等離子體深部的温度極為有利。研究其外圍的温度,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。

這裏，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。微波在等離子體中傳播時，能產生波的相移、散射、吸收等現象。等離子體自身也能發射微波，分析以上諸現象，可以得到等離子體的許多信息。

是測量等離子體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，一路是通過待測等離子體的探測波束，另一路是途中沒有等離子體的參考波束。兩路波束重新會合後產生干涉條紋，由此可以算出等離子體的電子數密度。

根據等離子體中電磁波的傳播理論，等離子體作為電磁波的傳播媒質，它的折射率為

，

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，微波會從等離子體表面反射或被吸收，而不能通過等離子體。當ne＜ nc時，由於上述折射率的改變，在等離子體中傳播的探測束會經受與電子數密度有關的相移。若探測束通過等離子體的程長為l,則它相對於參考波束的附加相位差為 ，

式中μ是波長λ的微波在等離子體中位置為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

，

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佈。

微波區的等離子體輻射接近於輻射平衡的熱輻射。用微波喇叭天線進行接收，測出等離子體輻射功率後，可按黑體輻射理論推算它的電子温度。

在有磁場的等離子體中，電子繞着磁力線作迴旋運動，發出迴旋共振輻射，其強度為電子温度和數密度的函數。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温度數據。

激光作為相干光源所具有的特性（單色性、高光強）以及激光器件和技術的迅速發展，使它成為等離子體診斷的有力工具，用途日益廣泛。在等離子體電子數密度的測量上，激光干涉法可測量微波干涉法所不能測量的高密度區（圖2）。激光診斷主要分激光散射、激光干涉和激光光譜的應用等方面。

激光散射，指的是激光在等離子體中的湯姆孫散射，即電磁波在自由電子上的散射，它的截面很小(6.7×10-25釐米2)，只有像激光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。湯姆孫散射有效應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，高限由等離子體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激光 (6 943埃)或釹玻璃、釔鋁石榴石的倍頻激光。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，並求出等離子體的電子數密度。

理論分析表明，對於接近熱平衡的等離子體，激光散射譜的強度分佈為高斯型，分佈曲線在峯

處的半寬度為 ，

式中k為玻耳茲曼常數，m為電子質量，с為光速，λ為入射激光的波長,θ為散射角。由測得的散射譜的半寬度Δλe可計算出電子温度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。

激光干涉法和微波干涉的基本原理相同。由於激光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等離子體的體積逐步擴大,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。遠紅外激光技術發展較快，HCN(337μm)激光干涉儀已普遍使用（圖5）。也有用其他波長的遠紅外激光進行測量的，如CH3(1 224μm)、CH3I(447μm)、CH3OH(119μm) 等激光干涉儀均已用於電子數密度測量中。應用波長較短的激光 CO2(10.6μm)、HeNe(6 328┱)、四倍頻的釹玻璃激光(2 660┱)等干涉法，可量測更高的電子數密度。

熒光光譜分析是研究等離子體邊緣區的有效方法。由於器壁放出的低能工作氣體和雜質粒子，等離子體邊緣區常含有數密度很低、温度一般小於10電子伏的粒子。對於這類粒子，一般實驗方法很難應用，但可用調諧激光器發出的可調頻強激光束（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，發出熒光。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。

組成等離子體的各種粒子，經常不斷地擴散併發射出來，可以作為診斷分析的對象。此外，觀察者也可以主動地向等離子體注入特定種類和能量的粒子，作為探測束，進行探測。

在磁性等離子體中，帶電粒子由於磁場的約束，不易逃逸出去。但在等離子體內部的高温離子中，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，可以得到等離子體的離子温度。 　當等離子體尺寸逐步加大後，冷中性原子擴散到等離子體中心的幾率減小，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，以增加等離子體局部的中性粒子，同時並使測得的粒子數增加，結果可比原先的準確。而且，它可以得到等離子體離子温度的空間分佈（圖6）。

等離子體診斷學

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佈和中子的角分佈後，由測得中子產額可計算等離子體的離子温度。

當等離子體處於熱平衡狀態，反應核的速度為麥克斯韋分佈時，理論分析表明，中子能譜的半高全寬度與離子温度的二次方根成正比，因而，由測量得到的中子能譜，也可以推算離子温度。這個方法要求的測量分辨率較高，因此，只適用於中子產額足夠高時的高温聚變等離子體。

用各種帶電的或中性的粒子束射入等離子體，入射粒子被等離子體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，可估算等離子體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佈。測量數據，需要對雜質的影響加以修正。

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等離子體中被激發，發射特徵譜線，利用譜線在磁場中的塞曼分裂，可推算髮光區局部的磁場強度及等離子體電流的徑向分佈。

用離子作探測束時,束中的離子進入等離子體後,受到磁場的作用，作曲線運動，其曲率半徑必須大於等離子體的截面半徑，這樣，離子束才能深入等離子體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，就可以同時得到等離子體中的電位分佈、電子密度分佈及其漲落、極向磁場、電流的垂直向分佈等。

項志遴、俞昌旋編著：《高温等離子體診斷技術》，上、下冊，上海科學技術出版社，上海，1982。