等离子体诊断技术作业题及答案

“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

μ到1.0m

μ，d n

dλ

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，在波数11

0~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。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