等离子体光谱诊断
等离子体参数的光谱测量法
等离子体参数的光谱测量法
等离子体参数的光谱测量法是一种利用光谱技术来获取等离子体基本参数的方法。
等离子体是一个高度激发和电离的气体，它在光谱范围内产生了丰富的谱线。
通过测量等离子体的光谱特征，可以获得以下参数：
温度：等离子体的温度可以通过测量谱线的发射强度或吸收强度来获取。
不同的谱线对应不同的能级跃迁，其相对发射或吸收强度与等离子体的温度有关。
电子密度：可以使用Stark效应或自吸收效应测量等离子体中的电子密度。
这些效应会导致谱线在等离子体中的形状和强度发生变化。
成分分析：等离子体中的元素组成可以通过观察和分析各种谱线的波长和强度来确定。
不同元素的谱线具有独特的光谱特征，可以用于确定等离子体中存在的元素类型和丰度。
离子温度：通过测量谱线的多普勒宽度和形状，可以推断出等离子体中离子的平均速度，从而获取离子温度的估计。
等离子体的电子结构和激发态：通过测量等离子体中谱线的波长和强度分布，可以研究和推断等离子体中电子能级的分布和相对激发态的占据情况。
光谱测量法可通过不同的光谱技术进行实现，包括发射光谱法、吸收光谱法、拉曼光谱法等。
这些技术可以利用光谱仪器采集等离子体发射或吸收光的光谱数据，并通过分析和比较谱线强度、形状和波长等特征来推断等离子体的参数。
通过等离子体参数的光谱测量法，研究人员可以更好地了解等离子体的性质和特征，从而应用于等离子体物理、等离子体工程和相关领域的研究和应用中。
等离子的光谱检测
等离子的光谱检测
等离子体发射光谱分析是一种基于原子发射光谱的分析方法，通过研究物质中气态原子在激发态返回基态时发射的特征辐射能，来确定物质的化学组成。
等离子体发射光谱仪（ICP-OES）是用于进行这种分析的仪器。
以下是等离子体光谱检测的详细步骤：
1. 标准溶液配制：精确配制待测元素的标准溶液，通常分为
2.0、5.0、10.0、20.0ug/ml 等不同浓度。
2. 样品溶液制备：精确称取待测试样 2.0g，放入 100ml 烧杯中溶解，完全溶解后转移至 100ml 容量瓶中定容，即得到测试样品。
3. 建立分析方法：根据实验需求，设定等离子体发射光谱仪的分析参数，如灯光功率、观测高度、气体流量等。
4. 光谱检测：将待测样品引入等离子体光源中，通过高温激发（炎炬温度达到 10000 摄氏度，样品区温度超过 6000 摄氏度），使原子处于激发态。
当原子返回基态时，会发射出特征谱线。
通过检测这些谱线，可以分析出样品中元素的种类和含量。
5. 数据处理：通过谱线匹配和定量分析方法，如标准曲线法、最小二乘法等，计算出样品中各元素的浓度。
6. 结果报告：根据分析结果，撰写分析报告，包括元素种类、浓度、检测限等信息。
等离子体发射光谱检测具有灵敏度高、检出限低（ppb 级）、动态线性范围宽、多元素同时分析等优点，广泛应用于金属材料、化工、
环境监测等行业。
全谱直读等离子体发射光谱仪的检测原理
全谱直读等离子体发射光谱仪的检测原理全谱直读等离子体发射光谱仪是一种广泛应用于材料分析的仪器。
它能够通过检测物质中的元素，来判断样品组成、结构、质量和化学性质等方面的信息。
本文将对全谱直读等离子体发射光谱仪的检测原理和技术特点进行详细的介绍。
1.基本原理全谱直读等离子体发射光谱仪（ICP-OES）是一种利用高温等离子体激发原子和离子发射的光谱分析仪器。
其基本原理为：将样品中的物质喷入等离子体火焰中，通过电磁场激发产生的等离子体在高温、高压和高电场作用下，使样品中的元素被激发至高能态，进而自发地辐射出特定波长的光线。
这些光线被检测器接收并转换成电信号后，通过信号处理和数据分析得到各元素的含量信息。
2.检测技术特点（1）元素范围广ICP-OES能够同时测量元素周期表中大部分元素，其谱线测量范围广达170~950 nm，可涵盖近全部的元素，可以对各种无机物、有机物、生物及环境样品进行测定。
（2）灵敏度高ICP-OES测定灵敏度很高，可达ng/mL级，对微量元素的测定具有很高的精度和准确性，尤其对于有毒元素、稀土元素等微量元素的测定，ICP-OES具有很明显的优势。
（3）测定准确度高ICP-OES测定准确度高，分析数据性能稳定，最小探测限一般能达到ppb级，对于同时测量多种元素样品，在准确性和精密度上均能得到良好的保障。
（4）无破坏性测定ICP-OES测定采用无破坏性测定技术，所需样品量少，简便易行，可在非常短的时间内进行多元素分析。
3.技术流程与实现（1）样品制备样品制备工作直接影响到ICP-OES检测结果的准确性。
样品制备过程主要包括样品的采集、处理和预处理等环节。
样品采集和处理的目的主要是消除干扰，保证ICP-OES的检测结果的准确性和可靠性。
（2）元素分析ICP-OES的元素分析工作主要包括样品的喷雾进样、等离子体的激发和离子化、能量转换与生成元素分析信号和检测仪器的信号处理与数据分析。
（3）结果分析ICP-OES将检测结果转换成电信号，进而通过信号处理和数据分析得到样品中元素的含量信息。
等离子的光谱检测
等离子的光谱检测
等离子的光谱检测是一种用于分析等离子体中化学元素和
化合物的方法。
它基于等离子体产生的光谱，通过测量和
分析不同波长的光线的强度和频率来确定等离子体中存在
的化学物质。
下面是等离子的光谱检测的详细步骤：
1. 产生等离子体：首先，需要产生一个等离子体。
这可以
通过将气体或固体加热到高温或使用电弧、激光等方法来
实现。
这些方法会将物质中的原子或分子激发到高能级，
形成一个高温、高能的等离子体。
2. 光源：等离子体中的激发原子或分子会发射出特定波长
的光线，形成一个光源。
这些光线可以是可见光、紫外光
或红外光。
3. 光谱仪：使用光谱仪来分析等离子体发出的光谱。
光谱
仪可以根据波长或频率将光线分散成不同的颜色或频率，
并测量每个波长或频率的光线强度。
4. 光谱图：通过测量光谱仪中不同波长或频率的光线强度，可以得到一个光谱图。
光谱图显示了等离子体中不同波长
或频率的光线的强度分布。
5. 分析和识别：根据光谱图中的特征峰和强度分布，可以
识别出等离子体中存在的化学元素和化合物。
每个元素或
化合物都有特定的光谱特征，可以通过比对已知的光谱数
据库来确定其存在。
6. 定量分析：通过测量光谱图中特定峰的强度，可以进行定量分析，确定等离子体中各种化学物质的浓度。
总结起来，等离子的光谱检测是通过产生等离子体、使用光源发出特定波长的光线、使用光谱仪测量光线强度，并根据光谱图进行分析和识别等离子体中的化学元素和化合物。
这种方法广泛应用于材料科学、环境分析、天文学等领域。
等离子体物理中的等离子体诊断技术
等离子体物理中的等离子体诊断技术等离子体是一种高度电离的气体，它具有复杂的性质和行为。
在等离子体物理研究中，准确测量和分析等离子体参数是至关重要的。
等离子体诊断技术提供了一系列工具和方法，用于探测和研究等离子体的性质和行为。
本文将介绍几种常用的等离子体诊断技术，并探讨它们在等离子体物理研究中的应用。
一、光谱诊断技术光谱诊断技术是一种通过测量等离子体辐射光谱来获取等离子体参数的方法。
利用光谱仪和光电探测器，可以获取等离子体中的电子密度、温度、离子浓度等信息。
其中，基于精确测量等离子体辐射谱线强度和形状的方法，如测量波长位移和线宽等，可以获得等离子体的流体参数，并进一步研究等离子体的动力学行为。
二、散射诊断技术散射诊断技术是一种通过测量等离子体中散射光的性质来推断等离子体参数的方法。
通过测量等离子体中的散射光的强度、偏振和波长等，可以推算出等离子体中的粒子密度、温度、流动速度等信息。
其中，拉曼散射和汤姆逊散射是常用的等离子体诊断技术，可以用来研究等离子体的密度梯度、流体运动以及离子温度等。
三、探针诊断技术探针诊断技术是一种通过测量等离子体中的电子或离子电流来推断等离子体参数的方法。
利用探头与等离子体相互作用，可以测量电子温度、电子密度、离子密度等参数。
常用的探针诊断技术包括电子探针和离子探针。
电子探针通过测量电子引出电流和电压的关系，可以得到等离子体的电子温度和电子密度。
离子探针则通过测量离子引出电流和电压的关系，可以获得等离子体的离子密度。
四、辐射诊断技术辐射诊断技术是一种通过测量等离子体辐射强度和能谱来推断等离子体参数的方法。
辐射诊断技术可以提供等离子体的电子温度、电子密度、离子浓度以及辐射湮没通量等信息。
常用的辐射诊断技术包括软X射线诊断、硬X射线诊断、γ射线诊断等。
这些技术可以用于研究等离子体中的能量输运、等离子体的辐射特性以及等离子体与壁面相互作用等。
综上所述，等离子体诊断技术在等离子体物理研究中起着重要的作用。
高温等离子体的诊断与控制
高温等离子体的诊断与控制引言：高温等离子体是物理研究和工程应用中的重要领域之一，它在核聚变研究、等离子体激光技术、材料加工等方面发挥着重要作用。
然而，由于高温等离子体独特的性质，其诊断和控制面临诸多挑战。
本文将从等离子体诊断的方法和控制的手段两个方面进行探讨，旨在深入了解高温等离子体的特性，并寻求更有效的诊断和控制技术。
一、等离子体诊断的方法1.光谱诊断光谱诊断是等离子体研究中常用的方法之一。
通过测量等离子体放射出的光谱，可以了解等离子体的组分、温度、密度等重要参数。
常用的光谱诊断技术有可见光、紫外光和X射线等。
其中，拉曼散射光谱通过探测散射光，可以测量等离子体中的压强、温度和密度等参数，是一项非常有前景的技术。
2.微波诊断微波诊断是一种通过测量等离子体中的微波信号来研究等离子体性质的方法。
等离子体中的微波信号会受到等离子体密度和磁场等因素的影响，通过分析这些信号的特性，可以获得等离子体的密度、温度、湍流等相关信息。
这种方法非常适用于等离子体的非侵入性测量。
3.粒子诊断粒子诊断是通过测量等离子体中的粒子流动来研究等离子体性质的方法。
常见的粒子诊断技术包括电离杆、拉曼散射、拉曼散射光谱等。
通过这些技术，可以测量等离子体的粒子浓度、电荷状态以及粒子运动速度等信息，从而了解等离子体的行为和性质。
二、等离子体控制的手段1.外场控制外场控制是一种通过电磁场或磁场的作用来控制等离子体的方法。
其中，磁场控制是一种常用的手段，通过改变磁场的强度和分布，可以控制等离子体的形状、稳定性和运动状态。
此外，还可以利用电磁场的作用来驱动等离子体运动，实现对等离子体的控制。
2.等离子体注入等离子体注入是一种通过向等离子体中注入粒子来影响等离子体性质的方法。
常见的等离子体注入手段包括离子束注入和中性粒子束注入等。
通过控制注入粒子的能量、速度和流量等参数，可以改变等离子体的温度、密度和组分等，从而实现对等离子体的控制。
3.反馈控制反馈控制是一种通过测量等离子体性质，然后根据测量结果对等离子体参数进行调节的方法。
等离子体物理学中的等离子体诊断方法
等离子体物理学中的等离子体诊断方法等离子体诊断方法在等离子体物理学中起着重要的作用。
本文将介绍一些主要的等离子体诊断方法，包括光谱诊断、微波诊断和中子诊断，并探讨它们的原理和应用。
光谱诊断是等离子体物理学中最常用的诊断方法之一。
等离子体通过发射或吸收特定波长的光线来测量等离子体的温度、密度和成分等参数。
利用精密光谱仪可以测量等离子体中不同元素发射或吸收的谱线强度，并通过分析这些谱线的频率和强度来推断等离子体的性质。
例如，利用可见光谱仪可以测量太阳上等离子体的温度和密度，帮助我们理解太阳的运行机制。
光谱诊断方法具有非常高的准确性和灵敏度，广泛应用于等离子体物理研究和工业等离子体应用领域。
微波诊断是另一种常用的等离子体诊断方法。
微波是电磁波的一种，它可以穿透等离子体，与等离子体中的电子和离子相互作用。
通过测量微波在等离子体中的传播特性，可以获取等离子体的密度、温度和电子浓度等参数。
微波诊断方法在聚变研究中得到广泛应用，用于测量磁约束聚变装置中的等离子体参数，帮助科学家探索实现可控核聚变的途径。
此外，微波诊断方法还应用于等离子体刻蚀和等离子体加工等工业领域。
中子诊断是一种通过测量等离子体中的中子流来获取等离子体参数的方法。
在等离子体物理实验中，产生的中子流可以提供等离子体的温度、密度、离子浓度等重要信息。
中子诊断方法在等离子体聚变研究中得到广泛应用，用于测量聚变反应中产生的中子。
总结而言，等离子体诊断方法在等离子体物理学和等离子体工程中扮演着重要的角色。
光谱诊断、微波诊断和中子诊断是常用的等离子体诊断方法，它们广泛应用于等离子体物理研究和工业应用领域，帮助科学家和工程师更好地理解和利用等离子体。
随着技术的不断发展，等离子体诊断方法将进一步提高其准确性和灵敏度，为等离子体物理学的研究和应用提供更多有力的工具。
第2章 光谱诊断-2013
2.1发射光谱产生机理
o 利用了等离子体自身的发光 特性；
n 发光机理； n 测量装置；
元素在光源中被激发并在 跃迁回基态时产生光辐射
光辐射
光源
2013年11月17日星期日
分光系统
检测器
5
2.1发射光谱产生机理
o 1.电子激发机理示意图
2013年11月17日星期日
2.3光谱诊断实验
o 5 参数计算
I kl A ji g j λkl Te = (E k − E j )ln I A g λ ji kl k ji
谢谢大家！
2.2发射光谱测量装置-光谱仪
o 分光计
n 棱镜 n 原理：玻璃的折 射率与波长有关 n 等离子体光谱分 光中，由于分辨 率不够已不再使 用；
2.2发射光谱测量装置
o 分光计
n 光栅
2.2发射光谱测量装置
o 光探测器
n 光电倍增管
2.2发射光谱测量装置
o 光探测器
n 光二极管
2.2发射光谱测量装置
o 光探测器
n 电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices ，简称CCD） n CCD是一种新型固体成像器件，它是在大规模 硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电 路芯片，借助必要的光学和电路系统，它可以 将景物图象通过输入面空域上逐点的光电信号 转换、储存和传输，在其输出端产生一视频信 号，并经末端显示器同步显示出人眼可见的图 象。
o 分光系统+检测器
元素在光源中被激发并在 跃迁回基态时产生光辐射
光辐射
光源
2013年11月17日星期日
分光系统
检测器
12
等离子体物理学中的等离子体诊断技术
等离子体物理学中的等离子体诊断技术等离子体物理学是研究等离子体性质和行为的科学领域。
等离子体是一种高度激发和离化的气体状态，具有极高的能量和电导率，广泛应用于天体物理学、核聚变能源等领域。
为了深入研究等离子体的性质和行为，科学家们发展出了许多等离子体诊断技术，以帮助他们了解等离子体的物理性质和动力学过程。
本文将介绍几种常用的等离子体诊断技术。
1. 电子探测器电子探测器是一种用于测量等离子体中电子能谱和流动性质的仪器。
它可以通过测量电子的能量和速度来了解等离子体的温度和流动速度。
电子探测器的原理是基于电子的能量损失和扩散过程。
常用的电子探测器包括能量分析器、单能电子计数器和电子能谱仪等。
2. 离子探测器离子探测器用于测量等离子体中离子能谱和流动性质。
它可以通过测量离子的质量和能量来了解等离子体的组成和温度。
离子探测器的原理是基于离子的动量和能量损失过程。
常用的离子探测器包括质谱仪、离子能谱仪和离子微分能量分析器等。
3. 光谱诊断技术光谱诊断技术是一种通过测量等离子体中的辐射光谱来了解等离子体的温度、密度和组成。
光谱诊断技术主要有原子发射光谱、原子吸收光谱和脉冲放电光谱等。
原子发射光谱和原子吸收光谱可以通过测量原子谱线的强度和形状来推断等离子体的温度和密度。
脉冲放电光谱可以通过测量等离子体中的脉冲放电过程来了解等离子体的电子能级。
4. 等离子体成像技术等离子体成像技术是一种通过观察等离子体辐射的二维或三维图像来了解等离子体结构和运动的方法。
等离子体成像技术主要有干涉法和摄像法。
干涉法通过测量等离子体辐射的相位差来重建等离子体的三维结构。
摄像法通过图像传感器和光学设备来观察等离子体的空间分布和时间演化。
5. 高速相机高速相机是一种用于捕捉等离子体瞬态过程和演化的仪器。
它能以非常高的速度捕捉等离子体的光学辐射，从而提供等离子体的时间序列信息。
高速相机可以用于观察等离子体的击穿过程、等离子体波动和等离子体与壁面相互作用等研究。
低压汞灯等离子体电子密度分布光谱诊断研究
复合光栅和消除高Ｉ 污 射滤光片， 提供了宽为 ２ ０ ０ ～
ｌ １ ０ ０ ｎ ｍ波长的测量范 围， 半高宽 Ｆ ＷＨ Ｍ（ Ｆ ｕ ｌ ｌ Ｗｉ ｄ ｔ ｈ
ａ ｔ Ｈ ａ ｌ ｆ Ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ） 为１ ． ０ ｎ ｍ 。Ｈ Ｒ ２ ０ ０ Ｏ ＋ 采用 的是 ２ ０ ４ ８
像素探测器。该光谱仪具有高性能的光学平台和 紫外 光探测器 ， 提升其在紫外光 中的光谱测量性 能 。除 了复合 光 栅外 ， 光 谱仪 还 有 １ 个 滤 光 片
温度 。 ３ ． ２ 电子 温度 的诊 断
离子体发生器——低压汞灯具有封闭空腔 ， 稳定 放 电 后 内部 电子 密度 足够 高 ， 可 视 为符 合 局 部 热
力学平衡条件 ， 因此 适 用 该 假 设 下 的 电子 温 度 和 密 度 的相关 计算 公 式 。
对 等离 子体 的发 射 光 谱 进行 相 对 强 度 测 量 ， 可 确 定 它 的 电 子 温 度 。根 据 局 部 热 力 学 平 衡 假
机 电技术
２ ０ １ ５ 年１ ２ 月
谱 线 的上 能级 的统 计权 重 ， 是 为玻 尔 兹 曼 常数 ，
３ ０ ０ Ｅ＋ ０ １ ９
低 压汞 灯水 平 放置 ， 光 纤探 头 固定 在 汞灯 正 上方 ，
ｌ ｊ ｅ ｘ （ Ｅ ￣ － Ｅ ２ ） ／ ｋ Ｌ ］
（ １ ）
式 中各 量符 号 的下 标 １ 、 ２ 分 别 表示 对 应 第 １ 条 与
等离子体光谱法诊断
光谱法
标识新的光谱线； 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 度的黑体温度；可以通过测量各种光谱 线的相对强度；可以通
三种基本过程
束缚态一束缚态(b-b)跃迁
E2束缚态
束缚态一束缚态跃迁 束缚态一自由态跃迁 自由态一自由态跃迁
E f ' E f h
光谱法
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。
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 升高时，线谱渐渐消失，连续谱逐步变强。
光谱法
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；
光谱法诊断
主讲 徐志坚
光谱法
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 发态布居、等离子体尺度、不透明度和化学组 分等等信息。 50年代初期由H.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 应用于航天环境模拟、化工冶炼、热加工和能 源等方面的实验中。 60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 等离子体状态和输运性质进行实验研究。
光谱法
实际上，由于等离子体源温度分布很不均 匀（温度梯度高达每毫米几千K），其热 物理状态不能单用一个“温度”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、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。
h Ui E1
光谱法
自由态一自由态（f-f)跃迁
等离子体发射光谱法
等离子体发射光谱法等离子体发射光谱法，又称原子发射光谱法，是一种广泛应用的光谱分析技术。
它基于原子或分子内部能态的电子跃迁过程，利用激发能将样品中原子或分子中的电子激发到高电子能态，再由高电子能态跃迁到低电子能态时所释放的光能进行分析。
该技术具有高分辨率、灵敏度高、适用范围广、无需前处理等优点，广泛应用于材料检测、环境监测、医学诊断等领域。
等离子体发射光谱分析主要分为电弧放电、射频感应等离子体、电感耦合等离子体（ICP）发射光谱法。
电弧放电法是最早应用的等离子体发射光谱法之一。
该方法将样品放置在一对电极间，通过电弧放电的方式激发样品原子，利用分析样品所产生的光谱来确定其中元素的存在和含量。
该方法简便易行，但存在容易形成烟雾、易污染仪器的缺点。
射频感应等离子体法是一种非接触式等离子体发射光谱法，它通过射频电磁场在样品中产生等离子体，使样品原子或分子激发并发射光谱信号。
该方法具有射频感应器简单、样品可以传送等优点，但对于高浓度盐类或有机物质等强吸收样品存在分析复杂度较高的缺点。
电感耦合等离子体发射光谱法是目前广泛应用的一种光谱分析技术，该方法使用射频辐射场激励样品，将样品原子或分子离子化，形成等离子体，由此提供较高的分辨率和灵敏度，同时可以扩展到更广泛的化学元素范围，并具有较低的背景信号和较高的重现性等优点。
ICP还可以与质谱仪结合，形成ICP-MS系统，进一步提高检测的极限和精度。
在等离子体发射光谱分析中，还经常使用样品前处理技术来提高检测结果的准确性。
如氧化、还原、燃烧、溶解、虑滤等处理方法，以及结合色谱和电化学分析等技术。
等离子体发射光谱法是一种重要的光谱分析技术，具有广泛应用的前景，在工业检测、环境检测、医药等行业的研究中发挥着重要作用。
在环境监测领域，等离子体发射光谱法可以用于测定地下水、土壤和大气中各种元素的含量，以评估环境污染状况。
利用ICP-OES测定土壤中的重金属含量，可以确定污染源和污染程度，为环境治理决策提供了有力的数据支持。
物理实验技术中的等离子体物理研究方法与技巧分享
物理实验技术中的等离子体物理研究方法与技巧分享在物理实验研究中，等离子体物理是一个非常重要的领域。
等离子体是由离子和电子组成的带电粒子体系，广泛存在于自然界和人工环境中。
它既具有粒子性，也具有波动性，因此在物理研究中有着广泛的应用。
本文将分享一些等离子体物理研究中的方法和技巧。
一、等离子体制备技术在等离子体物理研究中，合适的等离子体制备技术是非常重要的。
常用的等离子体制备技术包括电子轰击、电弧放电、射频放电等。
1. 电子轰击：利用电子束轰击气体，将气体分子或原子激发到高能级，从而形成等离子体。
电子轰击可通过大气压电离或是低压放电获得。
在实验中，通过调节电子束的能量和电流，可以控制等离子体的密度和温度。
2. 电弧放电：利用高电压电弧放电使材料发生电离和激发，形成等离子体。
电弧放电通常用于高温等离子体制备，常见的电弧放电器包括电弧炉、电弧喷涂装置等。
3. 射频放电：射频放电是一种通过射频场激发等离子体的方法，通过调节射频场的频率和功率，可以控制等离子体的特性。
射频放电广泛应用于等离子体刻蚀、等离子体聚变等领域。
二、等离子体诊断技术等离子体诊断技术是等离子体物理研究中至关重要的一环。
通过合适的诊断技术，可以获得等离子体的密度、温度、速度等重要物理参数。
1. 光谱诊断：光谱诊断是一种非常常用的等离子体诊断方法。
通过测量等离子体辐射出的光谱，可以得到等离子体的密度、温度、电子浓度等信息。
在等离子体物理研究中，常用的光谱诊断方法包括可见光、紫外光和X射线光谱等，可以通过光谱诊断技术获得等离子体的很多信息。
2. 探针诊断：探针诊断是一种直接接触等离子体的方法，通过探测等离子体与金属电极之间的电流和电压，可以得到等离子体的参数信息。
常用的探针方法包括电阻探针、电容探针、霍尔探针等。
三、等离子体激发技术在等离子体物理研究中，激发等离子体是非常重要的一步。
通过合适的激发技术，可以使等离子体处于特定的激发态，研究其性质和行为。
等离子体发射光谱仪的检测元素
等离子体发射光谱仪的检测元素
等离子体发射光谱仪（ICP-OES）是一种常用的元素分析仪器，它利用等离子体作为激发源，可对多种元素进行检测。
该仪器通常可以检测周期表中的大部分元素，包括金属元素、非金属元素以及部分有机元素。
常见的检测元素包括：
1. 金属元素：如铝（Al）、镁（Mg）、钙（Ca）、铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、钾（K）、钠（Na）等。
2. 非金属元素：如磷（P）、硫（S）、硅（Si）、氯（Cl）等。
3. 有机元素：虽然有机元素在自然界中含量较少，但ICP-OES也可以检测一些特定的有机元素，如碳（C）、氮（N）、氧（O）等。
需要注意的是，等离子体发射光谱仪的检测元素还与其型号、工作原理等因素有关，具体的检测范围和精度还需参考相关的技术规格和操作手册。
等离子体诊断
等离子体诊断等离子体诊断是一种用于研究和监测等离子体物理性质的重要方法。
等离子体是四态物质之一，具有高度激发的能级结构和复杂的动力学特性。
了解等离子体的性质对于物理、天文学、核能以及工程应用等领域具有重要意义。
本文将介绍一些常用的等离子体诊断技术和方法。
一、测量等离子体参数的方法1. 光谱诊断技术光谱诊断技术是通过分析等离子体辐射光谱来推断等离子体参数的方法。
这种方法直接测量等离子体发射的光谱特征，通过光谱线的强度、形状和位置等参数，可以确定等离子体的温度、密度、电子浓度和离子浓度等重要参数。
常见的光谱诊断技术包括发射光谱诊断和吸收光谱诊断。
2. 电子探测技术电子探测技术是通过测量等离子体中电子的性质来诊断等离子体参数的方法。
常见的电子探测技术包括电子能谱仪、隧道电子显微镜等。
这些技术可以测量等离子体中电子的能谱分布、能量分布以及动力学行为等信息，从而获得等离子体的电子温度、电子密度和电子运动速度等重要参数。
3. 粒子束探测技术粒子束探测技术是通过引入粒子束或束流入等离子体中，测量粒子束和等离子体相互作用的特性来推断等离子体参数的方法。
常见的粒子束探测技术包括电子探针、中性粒子能量分析器等。
这些技术可以测量等离子体中粒子的能量、分布、漂移速度等参数，从而获得等离子体的密度、温度和流动速度等重要信息。
二、等离子体诊断的应用领域1. 核聚变研究等离子体诊断在核聚变研究中起着至关重要的作用。
核聚变是太阳和恒星中常见的反应过程，也是人类研究和利用等离子体能源的目标之一。
通过等离子体诊断技术可以获取核聚变等离子体的温度、密度、离子浓度等参数，为核聚变实验和应用提供重要依据和参考。
2. 等离子体物理研究等离子体物理研究是指研究等离子体的基本性质、宏观行为和微观过程的学科领域。
等离子体物理研究广泛应用于天文学、物理学、材料科学、化学工程等多个领域。
通过等离子体诊断技术可以深入了解等离子体的性质和行为规律，为相关领域的研究和应用提供理论和实验依据。
等离子体诊断方法
等离子体诊断方法
等离子体诊断方法是一种利用等离子体的物理性质进行疾病诊断的方法。
等离子体是一种气体中离子和自由电子混合存在的状态，具有很高的温度和电导性，可以被加热、激发和产生电磁辐射。
常用的等离子体诊断方法包括：
1. 等离子体光谱分析：通过测量等离子体辐射的光谱，可以分析出等离子体的成分和温度等信息。
不同元素的辐射具有不同的特征谱线，通过光谱的测量和分析，可以判断出等离子体中的元素种类和浓度。
2. 等离子体测速仪：等离子体中的离子和电子具有很高的速度，可以通过测量等离子体中的粒子速度来判断等离子体的运动状态和剧烈程度。
3. 等离子体电磁辐射诊断：等离子体中的带电粒子运动会产生电磁辐射，通过测量等离子体辐射的特征和能量分布，可以了解等离子体的能量输运和粒子运动的特性。
4. 等离子体诊断仪：等离子体诊断仪是一种特殊的仪器设备，可以对等离子体进行实时监测和分析，包括等离子体成分、温度、密度和电流等参数的测量。
以上是一些常见的等离子体诊断方法，它们可以广泛应用于等离子体物理研究、
聚变实验和等离子体医学等领域，对于理解等离子体的性质和进行相关疾病的诊断具有重要意义。
等离子体光谱诊断
华中科技大学研究生课程考试答题本考生XXX璐考生学号D202177286系、年级2021级类别高电压与绝缘技术系考试科目等离子光谱诊断考试日期假设佛克特谱线轮廓逐步计算二价分子和原子的光谱概论——本文讲述的是模拟二价分子和原子的电子跃迁导致光谱线的形成的计算机程序。
这个程序通过解释在计算中所有的独立自旋量和原子谱线对光谱的作用形成一条光谱。
每一条谱线的总和在光谱学中被称作近似的佛克特剖线。
这个程序还能生成一种光学稀薄气体中的谱线或者同时存在发射和吸收情况下的光谱。
这种方法能够允许计算的范围从一团圆柱状的低温气体伴随着产生的吸收光谱到一个非等温天然气体的高温自吸收发射光谱。
如果需要的话，计算机能够立即产生光谱图。
这个具有敏感性和广域性的工具能形成光栅摄谱仪或者波长辐射记。
许多介绍这个程序的多用途性的例子已经被提出。
这些信息被给与那些需要这个程序的拷贝或者一份包含使用说明的阅读者。
说明文章中描述的这个程序能够很好的描述二价分子和原子的电子跃迁形成的光谱线。
在参考文献[1]中讨论到这个方法能极大的扩展和提高程序的多样性使之能适用于绝大多数原子和二原子分子跃迁。
特别的，这个程序还包含：1.所有相似跃迁忽略自旋态和两倍λ〔忽略自旋量和两倍λ指的是多重线强度来自于单一的“有效〞光线〕2.所有垂直跃迁忽略自旋态和两倍λ。
3.2П←→2Σ跃迁，忽略两倍λ。
4.原子谱线。
5.当分子由于旋转而分裂的时候谱线循环计算将选择终止。
6.对于同核分子这种选择包含谱线浓度的改变。
7.使用一个近似的活格模型来描述谱线形态。
8.辐射能量转移通过多分子构造有不同的热力学概率。
从以上的例子可以清楚的了解到任何允许的计算的二原子跃迁都有一定程度的近似；因此只有1Σ→1Σ跃迁能被准确计算。
所有单原子跃迁和2П←→2Σ跃迁都是近似，因为二倍λ的影响实在太小。
自旋态和两倍λ的限制可以随着模型程序的重组而改变，但随着而来会导致计算机运行需要更多的时间。
等离子体光谱诊断实验报告-推荐下载
等离子体光谱诊断姓名：谢新华学号：PB09203247实验题目：光谱诊断Ar ECR等离子体实验目的：1.了解ECR放电；2.利用等离子体发射光谱分析等离子体中成分，同时利用Ar谱线展宽计算电子温度和密度；3.相邻谱线强度计算电子温度。
实验原理：A．ECR放电：当电子在磁场中回旋频率与微波频率相同时，电磁波就可以与回旋电子发生共振相互作用，从而电子能够获得电磁波能量，产生等离子体。
其中，生成的等离子体的极限密度可以用公式：n c(m‒3)≤0.012f2来计算。
B．成分分析：不同原子的发射谱线中存在特征谱线，可以根据发射光谱中存在的分立的线状特征谱分析等离子体中存在的成分。
C．电子温度和密度：理想的线谱是极细的线状，但是由于发射原子并不是孤立的，存在与其他原子的相互作用，导致谱线存在展宽。
在高密度等离子体中，发射原子与同类原子相互作用，造成共振展宽。
而低密度、稀薄等离子体中，辐射原子与非同类原子之间相互作用引起洛伦兹展宽。
与带电粒子相互作用则引起斯塔克展宽。
此外，辐射离子的无规则运动或者是非热运动还会造成多普勒展宽。
一般情况下，当仪器展宽可以忽略时，只需要考虑多普勒展宽和斯塔克展宽。
多普勒展宽和原子或离子的温度有关：∆λ=7.68×10‒5λKT iM(nm)斯塔克展宽则是洛伦兹型的展宽，与电子的密度相关：N e=2.5×1014(∆λα1 2)32D．相邻谱线强度比计算电子温度和密度：如果等离子体处于局部热平衡，即电子分布满足麦氏分布，同时各能级上电子分布满足波尔兹曼分布以及带电粒子密度复合沙哈方程（即此时等离子体激发温度等于电子温度），那么就会有以下关系：本实验中使用光薄模型，对于相同电离态下的不同能级跃迁：KT e =ℎc(E 2‒E 1）ln （I 1I 2×v 2A 2g 2v 1A 1g 1)其中，E 为电子跃迁能级差，I 为谱线相对强度，v 为谱线对应频率，A 为跃迁几率，g 为刚特因子。
水中火花放电等离子体的电子密度光谱诊断
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｔ ｐｒｅｓｅｎｔꎬｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｌａｓｍａ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄꎬａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｈａｓ ａｔｔｒａｃｔｅｄ ｍａｎｙ ｒｅ￣
ｓｅａｒｃｈｅｒｓ′ ｉｎｔｅｒｅｓｔ ａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｐｌａｓｍａ. Ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｐｌａｓｍａ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ
ｆｒｏｍ ６ｋＶ ｔｏ １０ｋＶꎬｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ ａｔ １０ １７ ｃｍ － ３ ꎬａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｒｏｕｇｈｌｙ ｂｅｔｗｅｅｎ
１０ꎬ０００ － １６０００. Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒꎬｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｓｐａｒｋ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｉｎ
斯线型的卷积ꎬ也就是 ｖｏｉｇｔ 线型ꎮ 高斯线型主要是
多普勒展宽ꎬ而洛仑兹线型则包括 ｓｔａｒｋ 展宽共振展
宽、自然展宽、范德瓦尔斯展宽等ꎬ当洛伦兹展宽包
３ 等离子体温度计算
含有几种不同的洛伦兹展宽时ꎬ其洛伦兹总的展宽
９７
« 电气开关» (２０２０. Ｎｏ. ３)
文章编号:１００４ － ２８９Ｘ(２０２０)０３ － ００９７ － ０３
水中火花放电等离子体的电子密度光谱诊断
钟增达
( 福州大学电气学院ꎬ福州 福建 ３５０１０８)
摘 要:目前低温等离子体得到了广泛的应用ꎬ而电子密度作为等离子体的一个重要参数引起了许多研究者
２ 试验光谱测量
基于前馈神经网络的等离子体光谱诊断方法
专题: 等离子体物理及其材料处理基于前馈神经网络的等离子体光谱诊断方法*王彦飞1) 朱悉铭1)2)3)† 张明志3) 孟圣峰1) 贾军伟3)柴昊3) 王旸1) 宁中喜1)2)‡1) (哈尔滨工业大学, 哈尔滨 150001)2) (工信部“航天等离子体推进”重点实验室, 哈尔滨 150001)3) (北京东方计量测试研究所, 北京 100086)(2020 年12 月31日收到; 2021 年3 月14日收到修改稿)光谱诊断在等离子体刻蚀、材料处理、等离子体设备和工艺开发, 以及航天等离子体推进等领域得到了广泛的应用. 光谱诊断依赖的碰撞辐射模型会受到碰撞截面等基础物理数据所含偏差的影响, 导致诊断结果出现误差. 针对这一问题, 本文开发了一种基于前馈神经网络的等离子体光谱解算方法. 通过对比新方法与以往常用的最小二乘诊断方法的误差特性, 发现神经网络诊断方法能够通过辨识光谱向量的主要特征, 减小基础数据偏差向诊断结果的传递. 对实验光谱数据的分析进一步印证了这一点. 本文还对神经网络算法对抗基础数据偏差的机理进行了分析. 这种方法在等离子体参数在线监测、成像监测海量数据处理等领域具有良好的应用前景.关键词：等离子体光谱诊断, 前馈神经网络, 碰撞辐射模型PACS：52.70.–m, 52.77.–j, 52.75.Di DOI: 10.7498/aps.70.202022481 引 言随着集成电路中半导体器件集成密度和复杂度的不断提高, 半导体器件的尺寸不断缩小, 对刻蚀、材料处理等工艺流程的加工精度提出了日益严苛的要求. 在上述工艺中, 实时监测刻蚀速率、掌握加工进程, 对于保证加工精度、提高产品良率、控制加工成本有重要的意义, 是更高水平的新制程工艺开发中不可或缺的手段[1−3]. 等离子体发射光谱诊断是一种非浸入式的监测方法, 能够在不干扰等离子体的前提下实时原位地监测等离子体特征参数, 被广泛地应用于等离子体设备开发、运行状态监测和等离子体加工工艺流程开发中[4−8]; 凭借不易受高能离子束流轰击和复杂电磁场干扰的优点, 等离子体发射光谱诊断在航天等离子体推进领域也得到了广泛应用[9,10].对等离子体发射光谱进行量化分析的基础是碰撞辐射模型. 该模型通过求解等离子体中激发态粒子的速率平衡方程, 将发射光谱特性与等离子体密度、电子温度等特征参数建立联系. 光谱诊断就是找寻模型预测结果与待测等离子体发射光谱的最佳逼近, 获取待测等离子体特征参数的过程. 研究人员在这一领域开展了大量的研究工作. 有研究者在氯、氧等离子体中混入氖、氩、氪、氙等示踪气体, 通过监测这些稀有气体的发射光谱, 实现对氯、氧等离子体中电子能量分布函数和电子温度的监测[11−13]. 发射光谱方法在材料表面处理等离子* 国家自然科学基金(批准号: 11775063)、国防基础科研计划(批准号: JCKY2018203B029)和国防计量基础课题(批准号: JSJL2016203B017)资助的课题.† 通信作者. E-mail: zhuximing@‡ 通信作者. E-mail: ningzx@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 体设备中的等离子体动力学过程研究中的应用也得到了发展[14−16]. 研究人员面向使用氩、氮、氙、氪等工质的感性、容性耦合射频等离子体, 介质阻挡放电以及霍尔推力器等多种放电形式等离子体中电子温度、等离子体密度、气体温度等特征参数监测需求, 开展了一系列研究[17−19].碰撞辐射模型对等离子体中激发、电离等物理过程速率的描述依赖于碰撞截面等基础物理数据.碰撞截面的主要来源有两个: 一是通过实验方法测量; 二是从第一性原理出发, 基于量子力学和原子物理学相关理论计算得到. 在当前技术条件下, 通过实验测量所能获得的数据较为有限[20−23]. 由于信噪比、测量系统标定等方面的问题, 上述测量工作中普遍存在一定的测量误差. 理论计算方面, 由于求解过程中涉及到碰撞体系中任意两电子坐标的相互纠缠, 求解过程需要使用多级展开的方法对体系进行描述, 并进行适当的截断处理, 这对截面计算结果的准确性产生了一定的限制[24−26]. 在这一背景下, 有部分研究人员通过向模型中引入调整因子对碰撞辐射模型使用的速率系数进行修正[11,27,28]. 然而, 由于等离子体中各种物理反应过程众多, 且相互耦合, 难以通过有限的实验对描述这些反应过程的截面数据进行恰当的修正, 导致截面数据所含偏差通过碰撞辐射模型向诊断结果传递, 给等离子体光谱诊断工作带来了困难.近年来, 机器学习方法在物理领域得到了广泛的应用. 经过训练的神经网络, 可构建起不同物理量间的映射关系. 凭借在特征辨识方面具有的优势, 这一方法在诊断监测[29,30]、天体活动研究[31,32]、地球物理科学[33,34]、理论计算[35]等方面的应用得到了发展. 常用的机器学习方法包括前馈神经网络、循环神经网络、残差神经网络等[35,36]. 前馈神经网络是一种神经元分层排列、各层神经元只与前一层中的神经元连接、层间不存在反馈的神经网络, 具有较强的多维映射能力[35], 适合解决光谱诊断这类问题.本文以稀有气体放电为例, 基于前馈神经网络开发了一种能够辨识等离子体光谱特征, 减小截面数据偏差向诊断结果传递的光谱诊断方法. 分析了以往常用的最小二乘拟合诊断方法与新方法的误差特性. 并通过解算实验光谱数据, 进一步验证了基于神经网络的诊断方法对抗基础数据偏差的能力.本文的章节安排为: 第2节介绍文中使用的碰撞辐射模型, 第3节介绍实验设置, 第4节阐述使用的光谱解算方法和误差分析方法, 第5节介绍神经网络的训练过程和验证结果, 对比最小二乘和神经网络两种诊断方法的误差特性, 并比较两种方法解算实验光谱数据的性能, 第6节对全文进行总结.2 碰撞辐射模型本文的研究工作以一个稀有气体(氩、氪、氙)碰撞辐射模型为基础开展[10,18,19]. 碰撞辐射模型是描述等离子体中激发态粒子数密度分布的动力学模型. 模型利用碰撞截面、速率系数等信息描述激发、电离、辐射等物理过程的速率, 通过构建和求解激发态粒子产生-损失速率平衡方程, 获得激发态粒子的密度分布和谱线强弱信息.本文使用的碰撞辐射模型中考虑了以下动力学过程.1)电子碰撞激发过程:2)电子碰撞电离过程:3)电子碰撞电离激发过程:4)离子轰击激发和电离激发过程:在(1)—(7)式中, e代表电子, X代表稀有气体原子, X+代表稀有气体离子, X+h表示高能稀有气体离子, 上角标“ * ”表示该粒子处于激发态, product表示反应的其他产物. 除这些过程外, 模型中还考虑了激发态的自发辐射跃迁、亚稳态自吸收过程、电荷交换过程和粒子的迁移和扩散过程导致的壁面淬熄.考虑这些过程, 激发态x的速率平衡方程写为这里R表示反应速率; “col”, “rad”和“abs”分别指碰撞、辐射和自吸收过程. K是由于壁面淬熄导致的损失率; 下标y指的是x之外的能级, 其中包括原子和离子基态能级(y < x表示能级y低于能量能级x).碰撞过程反应速率R col的计算需要使用速率系数Q, 计算公式为这里s表示碰撞过程的截面; E和m是电子能量和质量; E0是反应的阈值能量; g(E)是能量分布函数.辐射和自吸收项则由下式给出:式中, A是自发辐射的爱因斯坦系数, G是逃跑因子.最后, 稀有气体原子由扩散导致的壁面淬熄频率由下式给出:式中, D代表扩散系数, R代表等离子体尺度, v0为平均速度, c01 = 2.405.将电子温度、电子密度等参数连同截面等基础数据代入, 联立求解方程(8)—(11), 可以得到激发态密度和等离子体发射光谱. 本文以氙等离子体为例开展研究, 碰撞辐射模型求解所使用截面数据的详细描述和模型的实验验证见文献[10].3 诊断实验本节对诊断实验使用的装置和测量方案进行介绍. 实验中使用的装置如图1所示. 放电装置为一个考夫曼型等离子体源, 由空心阴极、环形钐钴磁铁、筒形阳极和石英筒组成. 环形磁铁按同性磁极相对的方式排布, 在等离子体源内形成会切磁场位形. 筒形阳极直径90 mm, 长86 mm, 侧面开有一8 mm宽的窗口, 用于光谱采集. 筒形阳极外安装一个石英玻璃筒, 避免电离室内气体从窗口泄漏.实验中使用的朗缪尔探针为直径0.3 mm的钨丝和陶瓷管制成的端面探针. 光谱采集系统由Horiba FHR-1000型光谱仪和Synapse CCD探测器组成, 在400—1000 nm波段的光谱分辨率优于0.05 nm. 实验前使用卤钨灯校准光谱采集系统的光谱响应. 采集光谱时, 光谱仪狭缝设置为20 µm,光探针垂直于等离子体源轴线布置. 实验中, 使用步进电机驱动朗缪尔探针和光探针沿等离子体源轴向运动, 实现对等离子体源轴线上9个不同测点处光谱和探针伏安特性的采集. 实验时阴极供气流量为5 sccm (1 sccm = 1 mL/min), 电流为7 A.本文使用的实验装置与文献[37]使用的装置相同.4 数据分析方法本节介绍数据分析方法. 首先介绍基于最小二乘拟合的光谱诊断方法, 之后介绍基于前馈神经网络的光谱诊断方法, 最后对两种光谱诊断方法进行了比较.4.1 基于最小二乘拟合的光谱诊断方法首先对基于最小二乘拟合的光谱诊断方法进行介绍. 碰撞辐射模型可看作如(12)式所示的, 以等离子体参数向量P为自变量, 以发射光谱向量I为因变量的函数,而光谱诊断则可视为已知发射光谱向量I, 利用碰撞辐射模型F求参数向量P的过程. 由于碰撞辐射模型较为复杂, 涉及到多种非线性过程, 方程(12)无法直接求解. 研究人员常使用最小二乘拟合方法, 由待测光谱I *与模型预测光谱I构建误差函数, 迭代找寻待测光谱的最佳逼近, 来获得待测光谱对应的等离子体参数. 图2给出了这一方法的流程.环形磁铁筒形阳极空心阴极电源1电源2光探针光纤测点光谱仪探针电路朗缪尔探针磁感线气源图 1 考夫曼电离室结构及测量实验方案Fig. 1. Structure of the Kaufmann discharge chamber and the scheme of measurement.使用光谱中各谱线相对强度诊断等离子体参数的方法因为不需要对测量系统进行绝对标定, 在实践中得到了普遍应用[38−40]. 不失一般性, 本文使用如(13)式所示的, 利用所选谱线组中所有谱线对该组谱线强度总和作归一化的正规化方法(比和法), 获得表征谱线相对强弱关系的向量R :本文以电子温度和电子密度为待诊断参数, 以刻蚀和材料处理中涉及的典型非平衡等离子体参数范围为例进行研究(电子温度5—10 eV, 电子密度5 × 1010—6 × 1011 cm –3). 在发射光谱方法常用的波长范围内, 选择了光谱诊断中常用的, 相对较强的16条氙原子和氙离子谱线进行研究, 所选谱线见表1.所选谱线构成的光谱向量I = [I 1, I 2, ···, I 16]经比和法正规化后得到比和向量R = [R 1, R 2, ···,R 16]. 由比和向量构建的误差函数为使用莱文伯格·马夸特(Levenberg-Marquardt)方法寻找目标T e -n e 范围中误差函数E 的最小值. 该值所对应的等离子体参数即为最小二乘方法的诊断结果.4.2 基于前馈神经网络的光谱诊断方法基于前馈神经网络建立的光谱诊断方法流程和使用的神经网络结构如图3所示. 输入层由16个神经元组成, 对应本文所选的16条谱线; 输出层由两个神经元组成, 对应电子温度和电子密度2个待测等离子体参数. 本文选用一种双隐层结构(两个隐藏层分别含有10个和5个神经元)和一种三隐层结构(三个隐藏层分别含有12个、8个和4个神经元)的网络结构进行训练. 隐藏层使用S 函数(Sigmoid)进行激活, 其表达式为碰撞辐射模型碰撞截面基础数据库激发态速率平衡方程辐射系数基础数据库最小二乘拟合模型预测光谱I =( 1, 2, 3…, )待测等离子体发射光谱I Tar =( 1Tar , 2Tar,…, )放电参数(放电装置特征尺寸、放电电压等)等离子体参数(电子温度、等离子体密度、原子密度等)I =F (P )图 2 基于最小二乘的光谱诊断方法流程Fig. 2. Diagram of optical emission spectroscopy based on least square method.表 1 本文研究中选用的氙谱线表Table 1. Xenon spectral lines used in this work.序号波长/nm 上能级序号波长/nm 上能级1460.3032[1]◦3/25p 4(3P 2)6p 9834.7452P ◦1/25p 5( )6p 2[3/2]22484.4332[3]◦7/25p 4(3P 2)6p 10840.9192P ◦3/25p 5( )6p 2[3/2]13492.1482[2]◦5/25p 4(3P 1)6p 11881.9412P ◦3/25p 5( )6p 2[5/2]34529.2222[2]◦5/25p 4(3P 2)6p 12895.2252P ◦3/25p 5( )6p 2[3/2]25541.9152[3]◦5/25p 4(3P 2)6p 13904.5452P ◦3/25p 5( )6p 2[5/2]26788.7395p 5(2P°1/2)6p 2[1/2]014916.2652P ◦3/25p 5( )6p 2[3/2]17823.1635p 5(2P°3/2)6p 2[3/2]215979.9702P ◦3/25p 5( )6p 2[1/2]18828.0125p 5(2P°3/2)6p 2[1/2]016992.3202P ◦3/25p 5( )6p 2[5/2]2训练神经网络所使用的数据集由碰撞辐射模型生成. 考虑到本文使用的碰撞辐射模型在实验验证中存在10%—15%的偏差[10], 这里通过向模型所使用的截面数据上引入–30%—30%的均匀分布随机偏差, 模拟模型基础数据上可能存在的偏差,生成含有偏差的光谱构成训练集. 参考其他使用神经网络开展的研究工作常用的方案, 对于两种网络结构, 使用模型生成数据集中80%的数据作为训练集, 并使用误差反向传播方法进行1000次迭代;使用20%的数据作为测试集, 对训练结果进行评估. 我们希望通过使用这种带有偏差的光谱数据对神经网络进行训练, 使网络能够对等离子体发射光谱的特征进行辨识, 降低基础数据偏差对诊断结果的影响.4.3 诊断方法的比较T 0e n 0e T Probe e n Probe e T Probe e n Probe e分别利用由碰撞辐射模型和光谱测量实验获得的数据, 对前文介绍的最小二乘和神经网络两种光谱诊断方法进行比较和误差特性分析. 一方面,使用碰撞辐射模型, 设定电子温度 和电子密度, 并输入碰撞辐射模型生成光谱数据向量I 0. 分别使用最小二乘诊断方法和神经网络诊断方法对得到的光谱I 0进行诊断得到诊断结果. 并使用误差半径和偏心距, 通过分析两种诊断方法获得结果的误差特性对诊断方法进行比较. 另一方面, 通过第3节介绍的实验, 可获得考夫曼等离子体源电离室内的光谱数据向量I Exp 以及对应位置处朗缪尔探针测量的电子温度 和电子密度 . 分别使用最小二乘诊断方法和神经网络诊断方法对得到的光谱I Exp 进行解算, 并将两种方法获得的诊断结果与探针测得的 和 进行比较, 进而对两种诊断方法进行比较. 误差半径和偏心距的定义如图3所示.T norm e n norm e T 0e n 0e 图4中横坐标和纵坐标分别为正规化后的电子温度 和电子密度 , 正规化方法如方程(16)和(17)所示. 蓝色圆点“ · ”为使用最小二乘或神经网络诊断方法由光谱获得的结果. 红色“ × ”所在点对应于电子温度和电子密度的设定值 和 .这里定义由第i 条光谱获得的诊断结果对应的点与真实值对应的点间的距离为该点对应的误差半径r i , 距离真实值最远点的误差半径为最大误差半径r max , 所有诊断结果对应的误差半径的平均值为平均误差半径r mean ; 所有测量结果平均值与真实值对应的点间的距离定义为偏心距l . 诊断方法获得的诊断结果的误差半径r 和偏心距l 越小, 诊断结果越接近设定值.等离子体发射光谱正规化处理训练完成的神经网络等离子体参数用于光谱诊断的前馈神经网络输入层隐藏层 H1I 1I 2I 3I 4I 16…I 11h 21h 22h 23S i g m o i d 激活S i g m o i d 激活h 24h 25I 12I 13I 14I 116…输出层 Pp 1p 2隐藏层 H2图 3 基于前馈神经网络的光谱诊断方法流程Fig. 3. Diagram of optical emission spectroscopy based on feedforward neural network.0.500.250-0.25正规化电子密度诊断值设定值正规化电子温度-0.50-0.50-0.2500.25 maxi0.50图 4 误差半径及偏心距定义(真实值)Fig. 4. Definition of error radius and eccentricity.5 结果与讨论本节分为3个部分. 首先介绍本文开发的光谱诊断神经网络的训练和验证结果; 之后分析和讨论最小二乘和神经网络光谱诊断方法的误差特性, 并使用4.3节中定义的误差半径和偏心距对两种方法进行比较; 最后, 对比两种诊断方法解算实验数据的表现.5.1 神经网络训练及验证本文训练神经网络所使用的数据由碰撞辐射模型生成. 生成训练集使用的T e -n e 组合由51个T e 和47个n e 值两两组合而成, 共计2397种. 所涵盖的参数范围为T e = 5—10 eV, n e = 5 × 1010—6 × 1011 cm –3. 误差引入方案为对所选的16条谱线涉及的15个谱线上能级, 使用–30%—30%范围内的60个随机数作为相对偏差, 引入每个上能级对应的截面数据. 以上述2397种T e -n e 组合作为碰撞辐射模型输入参数, 配合900种误差引入方案, 形成包含2397 × 900组数据的光谱数据集, 用于训练神经网络.考虑到光谱向量向等离子体参数的映射属于回归问题, 本文使用均方误差作为损失函数. 图5所示的是使用两种数据正规化方法和两种神经网络结构时, 神经网络的训练情况. 图中纵坐标表示训练时的均方误差, 由每步迭代中的网络输出值与训练目标值作均方差得到. 由图5可见, 在本文所选网络结构和正规化方法中, 双隐层网络结构搭配比和正规化方法有最快的收敛速度和最小的残差.图6所示的是电子温度和电子密度的训练目标和神经网络预测结果的对应关系. 可以看出, 无论是对训练集还是测试集, 使用双隐层网络搭配比和正规化方法训练得到的网络都可以较好地预测电子温度和密度信息. 网络预测结果在电子温度5—7 eV, 电子密度1 × 1011—3 × 1011 cm –3的参数范围内误差较大, 不过整体上T e 的预测结果与目标值间偏差均小于1%, n e 的网络预测结果与目标值误差均小于3%. 在5.3节对神经网络诊断方法和最小二乘诊断方法的对比分析中, 使用双隐层网络结构搭配比和正规化方法训练的网络进行讨论.5.2 最小二乘诊断方法和神经网络诊断方法误差特性的对比首先就基础数据偏差对最小二乘方法的影响进行探讨. 这里使用未含偏差的碰撞辐射模型生成待测光谱, 使用带有偏差的模型对其进行最小二乘拟合, 模拟实际诊断中基础数据存在偏差的情形,以揭示模型所使用基础数据上存在的偏差对最小二乘诊断方法的影响. 进行最小二乘拟合时, 电子温度和电子密度作为拟合参数, 其他等离子体参数设置为与生成待测光谱时相同的值.T 0e n 0e 图7所示的是在向氙等离子体光谱诊断中经常使用的881.941 nm 谱线对应的上能级的截面数据中分别引入5%, 15%和30%的偏差时, 待测光谱与使用最小二乘方法得到的最佳拟合的对比. 生成图中待测光谱的参数设定值为电子温度 =7.5 eV, 电子密度 = 2 × 1011 cm –3.图7(a)是向拟合使用的模型中引入5%的偏差时, 待测光谱与光谱的对比情况. 图中蓝色谱线迭代步数101001000p 正规化方法两层网络迭代步数101001000比和正规化方法三层网络10010-110-210-310-4均方误差迭代步数比和正规化方法两层网络10-510100100010-6图 5 使用不同网络结构和数据正规化方法获得的均方误差随迭代次数的变化Fig. 5. Variation of mean square error with the number of iterations using different network structures and data normalization methods.T 0e n 0e 为使用设定参数 和 代入模型生成的待测光谱;红色谱线为使用最小二乘拟合得到的最佳拟合光谱. 图7(d)中红圈所示的是引入5%偏差时拟合结果与待测光谱谱线归一化强度的比值. 可以看出此时谱线拟合的最大残差为3%; 诊断结果为电子温度T e = 7.4 eV, 电子密度n e = 1.9 × 1011 cm –3.10987655678910(a)e 训练结果e 训练目标训练集测试集50201055102050(b) e 训练结果/1010e 训练目标/1010e 训练目标/1010训练集测试集0.020-0.025678910(c)误差e 训练目标0.05-0.05误差5102050(d)图 6 网络预测结果与训练目标的对应关系 (a)电子温度的对应关系; (b)电子密度的对应关系; (c)电子温度的预测误差;(d)电子密度的预测误差Fig. 6. Corresponding relationship between the network prediction result and the training target: (a) Corresponding relationship of the electron temperature; (b) corresponding relationship of the electron density; (c) prediction error of the electron temperature;(d) prediction error of the electron density.比值0.961.001.04481216谱线编号比值0.91.01.1481216谱线编号比值0.81.0 1.2481216谱线编号1.00.80.6相对强度/a r b . u n i t s0.40.20450550T 20850波长/nm950待测光谱拟合结果1.00.80.6相对强度/a r b . u n i t s0.40.20450550T 20850波长/nm950待测光谱拟合结果1.00.80.6相对强度/a r b . u n i t s0.40.20450550T 20850波长/nm950待测光谱拟合结果(d)(e)(f)(a)(b)(c)截面误差：5%最小二乘诊断结果：e =7.4 eV, e =1.9T 1011 cm -3截面误差：15%最小二乘诊断结果：e =7.2 eV, e =1.8T 1011 cm -3待测光谱对应参数：e 0=7.5 eV, e 0=2T 1011 cm-3截面误差：30%最小二乘诊断结果：e =7 eV, e =1.5T 1011 cm -3图 7 使用最小二乘方法获得的拟合结果(为保证图的可读性, 对离子谱线强度进行了放大处理, 并将拟合所得光谱的波长进行了偏置)Fig. 7. Fitting results obtained by the least square method (in order to improve the readability of the image, the intensity of the ion spectral line is amplified, and a bias is introduced into the wavelength of the fitting spectrum).图7(b)和图7(e)为向拟合所用模型引入15%偏差时的结果, 此时谱线拟合的最大残差为9%; 诊断结果为电子温度T e = 7.2 eV, 电子密度n e =1.8 × 1011 cm –3. 图7(c)和图7(f)是向拟合所用模型引入30%偏差时的结果, 此时谱线拟合的最大残差为22%; 诊断结果为电子温度T e = 7 eV, 电子密度n e = 1.5 × 1011 cm –3.可见, 基础数据所含偏差导致最小二乘方法的拟合存在残差, 并使得诊断结果与参数设定值间产生偏差. 基础数据的偏差大小与最小二乘方法的拟合残差和诊断结果偏差大小呈正相关. 从上述例子还可以发现, 向一条谱线引入的偏差会导致所有谱线的拟合结果存在残差. 这是最小二乘方法的特性使然: 由于等离子体中各种物理反应过程的强耦合作用, 寻找所有谱线均方误差最小的过程, 会导致单条谱线的偏差向其他谱线传递. 导致实践中难以锁定偏差的根源来自哪些谱线, 无法通过实验获得恰当的调整因子. 这正是使用调整因子方法进行光谱诊断的困难.之后通过对比两种光谱诊断方法的误差半径和偏心距, 对两种方法的误差特性进行比较. 在本文所研究的参数范围内, 选择T e 和n e 各11个值作为设定值使用碰撞辐射模型生成待测光谱数据.对这11 × 11个T e -n e 组合的每个点, 使用一组均匀分布在–30%—30%间的60个随机数作为偏差值, 依次作用于碰撞辐射模型中的15个能级截面,得到包含121 × 15 × 60组待测光谱的数据集. 对于这组待测光谱, 分别使用基于最小二乘拟合和神经网络的诊断方法得到诊断结果. 使用4.3节中定义的误差半径和偏心距, 对最小二乘诊断方法和神经网络诊断方法得到的结果进行评价.图8和图9分别给出两种诊断方法诊断结果201510510987656T 10112T 1011最小二乘方法电子密度/c m -3电子温度/e V诊断结果平均误差半径/%8T 10105T 1010(a) 2.01.51.00.510987656T 10112T 1011神经网络方法电子密度/c m -3电子温度/e V诊断结果平均误差半径/%8T 10105T 1010(b)图 8 (a)最小二乘方法诊断结果的平均误差半径; (b) 神经网络方法诊断结果的平均误差半径Fig. 8. (a) Average error radius of the diagnosis result of the least square method; (b) average error radius of the diagnosis result of the neural network method.353025201510510987656T 10112T 1011最小二乘方法电子密度/c m -3电子温度/e V诊断结果最大误差半径/%8T 10105T 1010(a)3.53.02.52.01.51.00.510987656T 10112T 1011神经网络方法电子密度/c m -3电子温度/e V诊断结果最大误差半径/%8T 10105T 1010(b)图 9 (a)最小二乘方法诊断结果的最大误差半径; (b) 神经网络方法诊断结果的最大误差半径Fig. 9. (a) The maximum error radius of the diagnosis result of the least square method; (b) the maximum error radius of the dia-gnosis result of the neural network method.。
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一般的，在一个电子跃迁的多重谱线中，电子跃迁的瞬时值不能由每个跃迁产生，需要使用一个平均值。
这个重和是包含高能级和低能级的多重谱线水平的所有电子跃迁。当公式（13）代人公式（12），结果得出谱线总体强度的数值与尼古拉斯和斯图尔特表述的一致。这个电子跃迁时刻通常是一个测量量，并且与吸收量一起联系使用。
COSMIC, Barrow Hall, University ofGeorgia, Athens, Georgia都在使用这个程序。这个程序包含原始程序卡片组，一个18种二原子系统的光谱学数据的800位磁带，一个搭配程序扩展校验的输入和输出。当需要这个程序的时候，参考ARC-10127号闪光纸。除此之外，一个使用手册在参考文献[2]中刊登。
如果最后的结果是一个微弱的可见光谱，它将被自发发射光谱Eλ直接赋予。这样公式（3）中的约束条件 l<<1。
这个过程的起始点是计算自发发射光谱Eλ。信息的三个基本部分需要每一个自旋谱线和原子谱线来完成这个实验，光线中心波长的位置 ,由自发发射产生的总体谱线浓度E，适当的光线属性。这三个部分中的第一部分被程序以一种数学表达来描述从而产生能使用包括二原子分子和原子的信息，其他两个部分描述能任意用于产生自发发生光谱的更深入的信息。关于一个给定的震荡带的最大自旋量子数的测定和来自同核二原子分子的光谱线增加也已经给定。
1．谱线中心的波长
A．原子。每个原子谱线的中心波长被输入程序使得数学表达变得不怎么需要。原子谱线波长被制成多种形式的表格[5]。
B．双原子分子。关于自旋谱线的中心波长的一般表达在参考文献[6]中给出。
关于（ ， ）基点带的转移能够直接输入或者被这个程序来计算
自旋常数能量，F（J），指的是一种类似于J的电子水平的函数。关于F（J）的表达形式的单次跃迁在参考文献[6]中被给出。
在这个程序中，这种表达形式不仅用于单一跃迁也同样适用于那些自旋分裂可以被忽略的所有跃迁，在三线态情况下的表达为ΔΛ=0。在这些跃迁中，三线态的中心组成部分被作为有效的光谱波长来使用。因此，三线态ΔΛ=0，F（J）的表达为，
当自旋分裂不能被忽略的时候，就必须使用F（J）的一种更精确的表达来描述单独水平。例如，频谱从2П←→2Σ的跃迁除非在自旋分裂被考虑的情况下才能被很好的表达。在程序中，F（J）在这些跃迁下的表达为，忽略 倍是：
光强因素，根据电子跃迁类型和J.As在说明中提及的自旋多重度，三种类型的电子跃迁程序都有考虑，但是自旋多重度仅仅考虑2П←→2Σ跃迁。在每个类型中，光线强度因素的表达的讨论在下文提出。
1.平行跃迁（ΔΛ=0）。这些被高能级（P和R）还有其他低能级描述的跃迁通过增加量子数而快速的消逝。跃迁中的自旋多旋度在程序中被忽略，强度因素按照1Σ→1Σ分配。
四．自旋量子数的最大值
由于这个程序计算双原子线性光谱，必须在计算中考虑悬着转动谱线量子数的准则。使用者通过规定最大的和最小的自旋量子数来获得每个振荡跃迁从而做出这个选择，与此同时，这个程序能在自旋导致分子分裂之前，计算出最大可能的自旋量子数。这种找出最大自旋量子数的方法在参考文献[6]，[12]中也有相似的介绍。自旋系统中有效电位能量是由旋转系统和莫尔斯势函数总和。
根据电子跃迁，吸收量和跃迁时刻能够随着波长而改变。在文献中，一些分子变化量的描述能够找到。公式中的康登因素和光线强度因素都可以理论推出。
如果，完整的电子多重谱线结合一个有效能量水平，自旋态和 可以被忽略。如果自旋量需要考虑，例如2П←→2Σ跃迁，σ, 必须把 取代。如果自旋态和 都要被考虑，则 需要被1.0取代。
二价原子的部分效应能被公式（16）最近似计算。
总和是所有考虑到的温度的电子能级和每个电子能级的震荡水平或者这个公式描述达到假象的峰值的计算。为了追求准确性和连续性，现在的程序中使用双原子粒子浓度，这样必须不断校验在等价于那些公式的计算结果所使用的边界条件。
必须注意分别在公式（15）和（16）中电子的特殊性，震荡性，自旋温度，需要假设每个能量模型有不同的玻尔兹曼贡献构成。
，佛克特剖线都是给定，一个来自谱线中心的谱线宽度特殊量被加进自发发射光谱。这种特殊性能被两种方式中的一种构成。当真实光谱被过量吸收，我们感兴趣饿范围增加到任意光谱线的中心，最近谱线的远端也必须考虑。由于这个原因，到这些边缘的计算距离为了合理的模拟，必须在程序中具体的输入。因此，从一些已知数量的谱线中心在一个大范围安置目标点会显著增加计算机的计算时间。
依据计算机程序，下列输出选择可用:
1.作为一种波长效应，光谱浓度能够被制成表格。
2.计算机光谱理论能够机器绘制。
3.以任意波长间距的完整光强谱也能被绘制出。
4.在计算机光谱中，一个任意波长间隔的谱线可以用生长曲线来计算。
5. 计算机光谱结合特定灵敏的工具来产生一个描述结构的量，例如产生电压或者辐射量。结构带的能传递最大超过99条直线部分或者高斯曲线。这个敏感元件可以认为是一个安装好的波长带通过传递来触发一个辐射计或者通过扫描任何波长间距的存储单元。作为一个波长去模拟光谱的效果，这个敏感部分能被改变，这样的话这种改变能够被一个具有线性色散的工具所记录下来（光谱仪栅格），这种模拟光谱也能被描述。
在参考文献[6]中，增加 的表达形式被给出。由于高次项被忽略，因此从12到8的独立项被约去。这一点在781页会更深入讨论。
2．由自发发射产生的谱线强度综合
A．原子。一个单一原子光线产生的自发发射光谱线总体强度公式可以表达为：
爱因斯坦系数能够在参考文献[5]中的表格中找到，在参考文献[9]中能找到N和O还有其他离子的分析函数。就像在参考文献[9]中讨论的一样，为了避免错误，公式中的分析函数在使用的时候必须单质计算。
理论
一个真实的光谱总是由大量的分子旋转谱线，原子谱线和连续谱线重叠而形成。如果要用计算机去准确的模拟自然中的光谱，每一个辐射源必须考虑到。现在的程序试图合理的描述分子旋转谱线和原子谱线。接介绍。
为了合理的计算光强，需要考虑气体中各种粒子组成辐射源的内在联系。这种内在联系在很多文献中讨论过[3，4]，和准确的理解辐射传输量纲方程的各种不同形式[3]
五．双原子分子光谱
同核分子光谱带在谱线强度中呈现出一中特性交替。在一些情况下，由于核自旋导致多重性的改变或者自旋水平的统计权重的改变从而使得其他谱线完全消失，这在参考文献[6]中有相关描述。这个规律可以用数学式表达在程序中被使用。
程序校验和计算实例
一个计算机程序显然只能和那些基础的和模型的数序表达能转化进计算机的理论模型做的一样好。首先的部分是定义模型的范围和讨论在应用中的重要假设。这个部分的主要目的是按照需要定义计算机程序的光谱和对于它的重要性和多样性做一个简单的计算解释。
2.所有垂直跃迁忽略自旋态和两倍λ。
3.2П←→2Σ跃迁，忽略两倍λ。
4.原子谱线。
5.当分子由于旋转而分裂的时候谱线循环计算将选择终止。
6.对于同核分子这种选择包含谱线浓度的改变。
7.使用一个近似的活格模型来描述谱线形态。
8.辐射能量转移通过多分子结构有不同的热力学概率。
从以上的例子可以清楚的了解到任何允许的计算的二原子跃迁都有一定程度的近似；因此只有1Σ→1Σ跃迁能被准确计算。所有单原子跃迁和2П←→2Σ跃迁都是近似，因为二倍λ的影响实在太小。自旋态和两倍λ的限制可以随着模型程序的重组而改变，但随着而来会导致计算机运行需要更多的时间。
华中科技大学
研究生课程考试答题本
考生姓名朱璐
考生学号D201077286
系、年级2010级
类别高电压与绝缘技术系
考试科目等离子光谱诊断
考试日期
假设佛克特谱线轮廓逐步计算二价分子和原子的光谱
概论——本文讲述的是模拟二价分子和原子的电子跃迁导致光谱线的形成的计算机程序。这个程序通过解释在计算中所有的独立自旋量和原子谱线对光谱的作用形成一条光谱。每一条谱线的总和在光谱学中被称作近似的佛克特剖线。这个程序还能生成一种光学稀薄气体中的谱线或者同时存在发射和吸收情况下的光谱。这种方法能够允许计算的范围从一团圆柱状的低温气体伴随着产生的吸收光谱到一个非等温天然气体的高温自吸收发射光谱。如果需要的话，计算机能够立即产生光谱图。这个具有敏感性和广域性的工具能形成光栅摄谱仪或者波长辐射记。许多介绍这个程序的多用途性的例子已经被提出。这些信息被给与那些需要这个程序的拷贝或者一份包含使用说明的阅读者。
3.2П←→2Σ跃迁。这些跃迁表明12中可能的层，从ΔJ=0，±1，ΔK=0，±1，±2都必须要算。如果 没有包含在自旋能量公式，来自于四层的自旋谱线与其他四层有着一样的波长，那些数目可见的层会降到8.在总结两个分离强度因素的时候，两倍谱线的有效强度被发现。
三．谱线类型。
这种谱线类型被佛克特剖线近似假设。参考文献[15]给出佛克特剖线的闭合形式的近似，导致其本身快速计算而且一般其准确率能达到3%或者更低。这种近似在程序中被使用，近似的公式在下面列出。
公式（1）得出光强梯度，Ιλ，W/ -μ-sr，x是根据气体范围和三大基本部分；第一部分，考虑自发辐射的影响，是独立的光强。其余的部分包含发射和吸收光谱，在x点时候浓度特殊，这意味着剩下的公式是：
公式3表明吸收系数 是指在特定情况下那些用来计算特性光谱浓度的参数（现在指的是（真实）光谱）。在基尔霍夫等式下，由于自发辐射，这个系数等于光谱浓度。（ =Eλ/Bλ）。现在的程序第一次描述自发发射光谱Eλ通过总结在已知光谱范围的一些点的所有存在的原子和旋转谱线的光谱分配。在计算中，这些点平均分配在比现在存在的最窄的谱线宽度的小尺寸中。接着，每一点的吸收系数被黑体辐射效应简单划分。最后，根据公式（3）一个给定的气体深度和入射辐射源形成真实光谱。这个程序有很高的实用性是因为一个气体层的真实光谱能够被存储，然后可以被作为一个新的气体层的入射辐射光谱。这样就允许从各种复杂的辐射源来计算真实光谱，而在这些复杂的辐射源中的每一层有详细的热化学和热力学性质。