等离子体诊断
等离子体诊断
一. 帕邢定律表述：在一定气压范围内，气体击穿电压VB 是气压 p 和极间距离 d 乘积的函数，并有 极小值。
空气放电帕邢曲线
长程选择击穿
影响击穿电压的主要因素：
1）pd 值 2）杂质气体 3）电极材料及表面状态 4）电场分布（电极结构和极性） 5）外界电离源
二. Langmuir单探针工作原理
调节电位器可使探 针 的 电 位 由 -45V 变 到 +45V 。 对 应 探 针 电位由负变到正的 每一个电位值,记录 下相应的流过探针 的电流值。即可得 探针I-V特性曲线。
§2.2 质谱法
把等离子体中的物种直接导入质量分析仪，通过质量分离 测定质谱，可以确定粒子的种类。这种诊断方法叫质谱法
T 绝对温度 ( °K)
Wi 气体分子（原子）电离电位 ( eV) k Boltzman常数 (8.614×10-5 eV•deg-1)
电离度
常压热平衡条件下氮等离子体的
电离度 随温度的变化
T ( °K )
300 5,000 10,000 15,000 20,000
10 -122 3.2×10 - 7
常规质谱： 只能测量低气压下活性物种， 高气压下只能分析稳定物种
分子束质谱：可对较高气压等离子体中的 活性物种进行诊断
四极滤质器原理示意图
Ion current (arb.u.)
10 8 6 4 2 0 6
CH4 介质阻挡放电阳离子的分子束质谱图
+
10 14 18 22 26 30 34 m/e
1091012 50 10000
<106
等离子体诊断安全操作及保养规程
等离子体诊断安全操作及保养规程等离子体诊断是研究等离子体性质与行为的重要手段之一。
合理的安全操作和保养规程不仅可以保证仪器的精度和稳定性，还可以保证操作人员的安全。
安全操作规程1. 操作前准备•在进行等离子体诊断之前，要确保仪器与示波器处于良好状态。
若存在故障或异常，必须先进行排查并解决问题。
•操作人员必须穿上相应的防护服、手套和护目镜，并保证防护服和手套的紧密度和防护性能。
•在操作过程中，应严格按照操作流程和工作规范进行操作。
不得私自更改、添加或删除任何操作步骤。
2. 操作过程中•操作人员必须保持清醒、专注，遵循操作规程，不得擅自离开操作台。
•操作人员应随时留意仪器的运行情况，发现异常情况要迅速采取措施处理。
•在对高压设备进行调试时，应先降压到低于安全范围，确认操作台及周围没有任何人员后方可升压调试。
•严禁在高压设备附近吸烟、用火、喷雾和高温电烙铁等操作。
3. 操作后维护•在操作结束后，应及时关闭设备并检查设备的状态，确保各部位无任何异常。
•操作人员应按照规定的程序和标准对设备进行保养和维护。
不得私自拆卸、更换、调整任何设备部件。
•对于存在异常情况的设备，应及时向专业人员反映处理。
保养规程1. 日常保养•定期对仪器设备进行清洁和消毒，避免灰尘和细菌在设备内部聚集和滋生。
•对高压设备的电极和电缆进行清洁，避免因沉积物或杂质导致设备故障。
•定期校验各传感器、测量器的准确性，避免误差的积累影响检测结果。
2. 长期保养•对设备进行定期的大保养和检修，包括更换易损件、清理积尘、更换耗材等。
•在设备长期未使用或需要长时间保管时，应对设备进行防潮、防晒、防静电等处理，保证设备在未来使用时能够正常工作。
总结等离子体诊断在物理化学、材料科学、能源等领域均有广泛应用。
在操作等离子体诊断设备时，必须遵循科学的安全操作规程和保养规程，以保证操作人员的安全和设备的准确性和稳定性。
同时，设备的长期保养和维护工作也是必不可少的工作，只有做好了这些工作，才能更好的利用等离子体诊断手段进行相关研究和探索。
等离子体诊断技术-探针测量
0
所以有：
dI D dVD
e (I D kTe
Iio1)(Iio2 I D ) Iio1 Iio 2
⑺
当ID=0时，有：
dI D dVD
|ID 0
e kTe
Iio1 Iio 2 Iio1 Iio 2
⑻
其中 Iio1 Iio2 Iio
所以有：
dI D dVD
|ID 0
eI io 2kTe
电流小得多。假定电子速度服从麦克斯韦分布，则电子密
度为：
eV
N e N 0e kTe
①
其中ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
V Vs Vp
②
式中 V —探针相对于等离子体电位
V s—等离子体空间电位 V p—探针电位 N e—电子密度 N 0—中性原子密度 kT —电子温度
当探针电压为V时，探针上的电子电流为
eV
ie
i e kTe eo
Ie1
1 4
ene1
v1
Ap1
exp(eVp1 ) kTe1
⑶
Ie2
1 4
ene 2
v2
Ap 2
eV exp(
p
2
)
kTe 2
⑷
其中，ne1和 ne2分别表示探针 1 和探针 2 鞘层外的电子密度，v1 和 v 2分别表示探针 l和探针 2 鞘层外电子的平均速度；Ap1和 Ap2 分别表示探针 1 和探针 2 收集电子的有效面积。考虑到两探针完
等离子体中反应物及其中间产物的种类、密度及
时空分布 N R r,t
等离子体中杂质原子、离子种类密度及其时空分
布
常用的等离子体诊断手段和种类
适用于低温等离子体的诊断手段
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。
等离子体诊断
两信号的离散Fourier变换
X 1 (nf
)
1 N
N1 ~x1 (lt) exp( 2nf
l 1
lt)
X 2 (nf
)
1 N
N 1 ~x2 (lt) exp( 2nf
l 1
lt)
信号１的自功率谱
P11 (
f
)
X1(
f
)
X
* 1
(
f
)
两信号的互功率谱
→电场及其涨落 E,δ E Mach探针→环向流速 Vφ
Caltech装置上的探针列
涨落水平的分析
对平稳随机场：
x(t) x ~x(t)
(x(t) x)2
~x N N
互相关函数
(x(t) x)( y(t) y)
(~x, ~y) N N
RMS fluctuation level T , ( V ) relative fluctuation level ep
湍流驱动粒子流和能流
粒子流
r r (t) n~ev~r n~eE~ BT
能流
Qr Qconv Qcond
3 2
Tj
n~j E~
BT
3 2
nj
T~j E~
BT
Q ( 104 W m-2 )
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 30 25 20 15 10
微波偏振仪测涨落
frequency (kHz)
100 80 60 40 20
STND
X = 6 cm
12
15
18
time ( ms)
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。
等离子体物理中的等离子体诊断与激波传播
等离子体物理中的等离子体诊断与激波传播在等离子体物理研究中，等离子体诊断是一种重要的手段，用于研究和分析等离子体的性质和行为。
激波传播是等离子体中重要的现象之一，其研究也是等离子体物理的重要领域之一。
本文将探讨等离子体诊断的基本原理以及激波传播的相关内容。
一、等离子体诊断等离子体诊断是通过测量等离子体中的各种参数来研究等离子体的性质和行为的方法。
等离子体诊断可以用于对等离子体的温度、密度、组成、速度、电场和磁场等进行测量和分析。
这些参数的测量通常会涉及到一些物理现象和技术手段，如光谱学、干涉法、场测量等。
通过等离子体诊断，研究人员可以更深入地了解等离子体的性质和行为，为等离子体物理的研究提供重要的数据。
二、等离子体诊断的基本原理1. 光谱学光谱学是一种通过测量等离子体辐射光谱来获取等离子体信息的方法。
等离子体中的原子或离子在受到能量激发后会发射出特定波长的光，通过测量和分析这些发射光谱，可以得到等离子体的温度、密度和组成等信息。
光谱学在等离子体诊断中具有广泛的应用，如辉光放电光谱诊断、等离子体电子温度测量等。
2. 干涉法干涉法是一种利用干涉现象来测量等离子体密度和速度等参数的方法。
通过将一束光分成两束，一束通过等离子体区域，另一束不通过等离子体区域，两束光重新叠加形成干涉图案，通过观察和测量干涉图案的形状和变化，可以计算得到等离子体的密度和速度等参数。
干涉法在等离子体诊断中是一种常用的方法，如激波前沿的测量和等离子体密度剖面测量等。
3. 场测量场测量是一种通过测量等离子体中的电场和磁场来获得等离子体信息的方法。
等离子体中存在着电场和磁场的分布，在等离子体诊断中，研究人员可以通过适当的传感器和测量装置来测量和分析等离子体中的电场和磁场分布，从而获得有关等离子体性质和行为的信息。
场测量在等离子体诊断中有着重要的应用，如等离子体的电场测量和磁场测量等。
三、激波传播激波是指当等离子体中的扰动传播时所形成的一种波动现象。
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。
等离子体诊断技术----探针测量共26页文档
将⑦代入⑥式并对θ和V e积分，得到单位时间内打到探针单位 面积上的总电子数Φ：
1 4
Ne
8kTe me
⑧
当探针电压足够高时，探针电流唯一取决于电子密度。这时
饱和电子流 ieo 可以表示为：
ieo Ae
⑨
式中， A ---探针暴露于等离子体中的表面积 e ---电子荷电量
将⑧式代入⑨式有：
消除干扰的方法：静电屏蔽、电磁屏蔽、静磁屏蔽
1.6分辨率
在等离子体诊断中，分辨率是一个表示测量 精确程度的物理量，包括被测物理量大小的 分辨率和时间空间分辨率。
被测物理量大小的分辨率：指的是被测数据相差多大程度，
才能通过测量手段区别或鉴别出来。
时间空间分辨率：指的是所测物理量大小随时间和空间
变化的最小尺度。
等离子体诊断技术-------静 电探针测量
1、等离子体诊断概述
1.1目的及其在科学中发展的意义 1.2需要诊断的内容（等离子体参数） 1.3常用的等离子体诊断手段和种类 1.4实验的可靠性和误差 1.5干扰与噪声及其消除办法 1.6分辨率
2、静电探针诊断技术
2.1探针的结构 2.2单探针的工作原理 2.3双探针的工作原理
V f：当探针电位增到某一定值V f时，探针电流为零，即I=0，这 时探针好像悬浮在等离子体中一样，这个电位V f称为浮动电位。
区域Ⅲ：当探针电位Vp满足Vf Vp Vs 时，电子和离子都
被捕获，并逐步过渡到电子电流流入区。
区 场域力Ⅳ的作：用当而探依针靠电它位们V p自满己足的V热p 运 动Vs时能，量所到有达电探子针将，不这受时电探
np neo nio 1.653 /eAp
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。
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在等离子体物理学中，等离子体诊断技术起着非常关键的作用。
等离子体是一种极为特殊的物态，具有高度电离的气体状态。
通过对等离子体的诊断，可以了解等离子体的性质、演化过程以及其中的物理变化规律。
本文将从激光诊断技术、磁诊断技术和微波诊断技术三个方面来介绍等离子体诊断技术的应用。
一、激光诊断技术激光诊断技术是一种常用的等离子体诊断技术，其原理是运用激光与等离子体相互作用来获取等离子体的信息。
其中，利用激光散射技术可以测量等离子体中的粒子密度，并通过分析散射光的特征来获得等离子体局部特性的信息。
激光诊断技术还包括激光谐振散射技术、激光吸收光谱技术等，这些技术可以帮助研究人员深入了解等离子体的温度、速度、成分等参数。
二、磁诊断技术磁诊断技术是基于磁场与等离子体的相互作用来获取等离子体信息的技术。
比较常用的磁诊断技术有磁约束等离子体流速仪、磁光谱仪等。
磁约束等离子体流速仪利用磁场限制等离子体流动方向，并通过测量等离子体流速来反推等离子体中的其他参数。
磁光谱仪则利用磁场作用下，光的传播特性受到等离子体的影响，通过检测光的性质变化来获取等离子体密度、温度等信息。
三、微波诊断技术微波诊断技术是利用微波与等离子体相互作用来检测等离子体性质的技术。
利用微波散射技术可以测量等离子体的密度，通过微波能量的传播和吸收特性可以获得等离子体的温度、离子数浓度等参数。
此外，微波干涉技术和微波折射技术也是常用的微波诊断技术，这些技术可以提供等离子体局部、时间变化的详细信息。
综上所述，等离子体诊断技术在等离子体物理研究中具有重要作用。
激光诊断技术、磁诊断技术和微波诊断技术为研究人员提供了多种手段来获取等离子体的性质参数。
这些技术的应用使得我们对等离子体物理的理解更加深入，为等离子体物理及其应用领域的研究与发展提供了重要的支持。
需要注意的是，在进行等离子体诊断时需要注意测试环境的稳定性和等离子体与测试仪器的相互干扰问题。
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
等离子体物理学中等离子体诊断方法评估
等离子体物理学中等离子体诊断方法评估引言：等离子体是一种电离气体，其具有高度激发态和离解态的能量，被广泛应用于等离子体技术和研究领域，如核聚变、等离子体加工和燃烧等。
由于等离子体的复杂性和难以直接观测的特点，诊断方法在等离子体物理学中起着关键作用。
本文将评估几种常用的等离子体诊断方法，包括电子温度和密度测量、粒子分布函数和不均匀性分析、等离子体成分分析和等离子体形状测量。
一、电子温度和密度测量1. 平衡态和非平衡态等离子体在等离子体物理学中，电子温度和密度是最基本和重要的参数之一。
电子温度通常使用谱线比法、电子回旋共振法和电子随机共振发射法进行测量，而电子密度则可以通过介电函数、微波干涉法和反射法进行估计。
2. 诊断方法评估谱线比法是最常用的电子温度测量方法之一，它基于等离子体中特定谱线的强度比而确定电子温度。
然而，谱线强度的测量和校正通常受到谱线弥散、测量误差和光谱仪器响应的影响。
因此，在使用谱线比法时，需要考虑这些因素对测量结果的影响，并进行准确的系统校正。
对于电子密度的测量，介电函数是一种常用的方法。
它通过测量等离子体中电磁波的传播速度和相位来推导等离子体的介电常数，进而计算出电子密度。
然而，该方法对于非均匀等离子体和复杂等离子体形状的测量存在一定的限制。
因此，需考虑适用性和局限性，并结合其他方法进行综合评估。
二、粒子分布函数和不均匀性分析1. 分布函数及其对等离子体性质的影响等离子体的分布函数描述了等离子体中粒子在不同位置和速度的数目分布。
通过分析等离子体中的粒子分布函数，可以获得关于等离子体的密度分布、温度分布和运动特性等信息，进而评估等离子体的不均匀性。
2. 诊断方法评估粒子分布函数的测量方法主要包括电子能量谱法、粒子密度曲线法和粒子能量谱法。
这些方法可以通过测量粒子的速度或能量分布来研究等离子体的分布函数。
然而，由于等离子体粒子数量多、速度/能量范围广，测量结果容易受到测量器件的限制和仪器响应的影响。
等离子体诊断技术----探针测量
100cm3~1014/cm3 0.1eV~几百ev 0.1keV~几个keV
可编辑ppt
9
2.1探针的结构
依据不同的用途，可以采用不同的探针进行诊断，但探针
的结构基本相同。
单探针结构示意图
1-铜导线；2-探针；3-第一屏蔽（耐 火玻璃）；4-第二屏蔽（耐火玻璃）； 5-聚四氟外套；6-氧化瓷套
等离子体诊断技术-------静电 探针测量
1、等离子体诊断概述
1.1目的及其在科学中发展的意义 1.2需要诊断的内容（等离子体参数） 1.3常用的等离子体诊断手段和种类 1.4实验的可靠性和误差 1.5干扰与噪声及其消除办法 1.6分辨率
可编辑ppt
1
2、静电探针诊断技术
2.1探针的结构 2.2单探针的工作原理 2.3双探针的工作原理
静电探针测量 电子温度、电子密度、离子温度、 （郎缪探针测 离子密度、等离子体空间电位 量）
粒子测量 质谱
可编粒辑子pp种t 类和密度
5
1.4实验的可靠性和误差
误差 偶然误差
偶然误差
偶然误差是各种已知条件保持恒定的情况 下，由于各种不可控因素使测量结果表现 出来的差异。误差来源：测量本身的起伏 和过程中的起伏。统计特性是精密测量误 差的极限。多次测量来减小偶然误差。
双探针结构示意图
可编辑ppt
10
从探针的外形，又可把探针分为平板形 探针，圆筒形和球形探针。
探针形状
可编辑ppt
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2.2单探针工作原理
在一般的气体放电研究中，往往利用朗缪尔探针来 测量电子温度、电子密度和离子密度等基本参量， 基本测量原理如下图所示：
1-探针电源；2-电压表； 3-电流表；4-放电真空室； 5-阴极；6-阳极；7-探针； 8-等离子体；9-稳定电阻； 10-放电电源
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。
物理实验技术中的等离子体诊断与实验方法
物理实验技术中的等离子体诊断与实验方法等离子体是一种由阳离子和电子组成的高度电离气体，广泛存在于自然界和实验室中。
在物理实验技术中，等离子体的诊断和实验方法起着至关重要的作用。
本文将介绍一些常见的等离子体诊断方法和实验技术，并探讨其在物理研究中的应用。
一、等离子体诊断方法1. 发射光谱诊断法发射光谱诊断法是通过分析等离子体发出的光谱来获取等离子体的信息。
当等离子体受到激发时，会发出特定的光谱线。
通过测量这些光谱线的强度和波长，可以得到等离子体的温度、密度、组成等参数。
这种方法广泛应用于等离子体物理研究、等离子体诊断和等离子体技术的发展中。
2. 散射诊断法散射诊断法是利用等离子体中的粒子与入射粒子相互作用后散射出去的粒子来诊断等离子体。
例如，通过测量入射粒子的散射角度和能量损失，可以推断出等离子体的密度、温度等参数。
散射诊断法对于研究等离子体的结构和性质具有重要的意义。
3. 电子探测器诊断法电子探测器诊断法是利用电子探测器来检测等离子体中的电子。
通过测量电子的能谱、角度分布等参数，可以了解等离子体的电子能级结构、能量输运过程等基本性质。
这种方法在等离子体物理研究中得到广泛应用，并取得了许多重要的研究成果。
二、等离子体实验技术1. 等离子体束技术等离子体束技术是通过将等离子体束束缚起来，使其保持高速运动状态，并将其引入实验装置中进行研究。
这种技术可以准确地控制等离子体束的能量、流量和组成，为研究等离子体基本性质提供了重要手段。
2. 磁约束等离子体技术磁约束等离子体技术是利用磁场对等离子体进行束缚和控制。
通过在等离子体周围施加恰当的磁场，可以将等离子体束约束在一定的空间范围内，从而实现高温等离子体的稳定运行和研究。
这种技术广泛应用于等离子体物理研究和聚变能研究领域。
3. 等离子体诊断技术发展随着等离子体物理研究的不断深入，等离子体诊断技术也在不断发展。
目前已经出现了许多高精度的等离子体诊断技术，如高分辨率光谱仪、粒子探测器等。
等离子体讲义05
第五章，等离子体诊断5.1，概述1，诊断之意义等离子体，特别是聚变等离子体，是一个多自由度的复杂系统。
其特征不能用一些参数简单表示，而且参数的测量也存在一些复杂因素。
因此，在等离子体研究中，相应于测量的概念是诊断，其意义较测量广泛，包括对数据的分析及对集体运动模式的探测。
以温度测量而言，已发展多种方法，如Thomson散射、回旋辐射、轫致辐射、X射线能谱、电导率测量等。
它们的测量结果，往往是不一致的，而且我们没有根据说哪一结果是“正确”的。
只能在表述这些结果时，标明是哪种方法得到的，如称从电导率计算得到的温度为“电导温度”。
我们之所以这样做，除去各种诊断方法可能有我们无法准确控制的系统误差以外，还因为我们对这种方法所根据的物理模型有某种保留态度，即该模型是否适用于当前的等离子体。
而更根本的原因是，在聚变等离子体中，电子温度往往和离子温度差异很大。
而且，在磁约束装置中，粒子分布函数或温度往往是各向异性的。
再者，由于不同的加热手段的施行，粒子速度可能是非Maxwell分布的，用两个温度，甚至三个温度来描述可能更恰当。
当然，在这样的情况下，用速度分布函数而不用温度来描述等离子体更加严格，但是缺乏实用性，因为分布函数更难于准确测量，而温度是做各种物理分析必不可少的。
按照Wessen的说法，诊断的主要任务是：研究建立稳定等离子体的方法及磁流体不稳定性；决定能量和粒子约束时间及输运系数；发展辅助加热方法；探究和控制等离子体杂质；研究等离子体涨落以确定对等离子体输运的影响。
对于当前一些主要物理问题，特别是ITER所关心的物理问题，所需要的诊断项目可以举例如下表。
表5-1 主要物理研究课题和相应的诊断项目物理研究课题诊断项目要求等离子体约束等离子体参数和加热功率轮廓、杂质活动边界区要求好的空间分辨运转极限参数轮廓、边缘扰动、旋转破裂现象参数轮廓、第一壁测量、逃逸电子快的时间响应偏滤器物理粒子流、参数空间梯度α粒子物理约束α粒子轮廓、逃逸α粒子点火区研究各区域聚变功率、辐射功率稳态燃烧研究参数轮廓诊断的首要功能当然是为物理研究提供必要的数据。
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。
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2、判断是否为等离子体：
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电子的碰撞频率与中性粒子的碰撞频率相近， 这时一般ne～0.1n0
3、判断是否为等离子体： 气体足够稠密，以致德拜球尺度λ D远小 于L。
等离子体按电离度不同分类：
电离度电离度β = ne / (ne + nn)，以此来 衡量等离子体的电离程度。 β =1的等离子体称为完全电离等离子体。 例如：日冕、核聚变中的高温等离子体 的电离度都是100%， 强电离等离子体：电离度大于1% (β≥10-2 ) 例如：火焰中的等离子体 大多数：等离子体为中性粒子(β <10-3 )， 称之为弱电离等离子体。
等离子体判据
等离子体的特征: 整体电中性, 局部偏离电中性。
电离气体 成为等离子体 的判据：
1 德拜长度远小于系统的特征长度，即 λD << L 。 2 等离子体频率必须大于电子和中性粒子的碰撞频
率，即 ƒp > νi 。 3 德拜球内的带电粒子数目必须远大于1,即 ND >> 1。
1、判断是否为等离子体： 沙哈公式：
加拿大于2001年6月加入ITER计划，后因ITER场址问题退出该计划。2003年2 月18日，美国宣布重新加入ITER计划，中国也同时宣布作为全权独立成员加 入ITER计划。此后，韩国和印度分别于2003年6月和2005年12月加入ITER计 划。
2003年12月20日，ITER各参与国讨论核聚变反应堆的选址问题。欧盟、 中国和俄罗斯主张把反应堆建在法国的卡达拉什，而美国、韩国和日本则主张 建在日本的六所村。因为没有选择加拿大作为反应堆候选国，加拿大政府随后 宣布，由于缺乏资金退出该计划。至此，ITER的参与国只剩下欧盟、美国、 俄罗斯、日本、韩国和中国6方，并且形成了泾渭分明的两个阵营。
等离子体与应用
Fluorescent Lamp
High efficiency lighting Manufacturing of semiconductors
for home computers TVs and electronics Flat-panel displays Surface treatment of synthetic cloth
等离子体诊断
等离子体（Plasma） — 物质第四态
热量 电能
紫外光 可见光 (激光)
> 99%
准中性的电离气体。有人 也称之为“超气态”
William Crookes (1879, English physicist )
Irving Langmuir (1929, American chemist and physicist).
等离子体物理
受控核聚变
低温等离子体
以自然等离子体为研究 对象如：太阳、磁暴 、太阳风等
1）等离子体约束问题 2）等离子体辐射损失 3）等离子体不稳定性 问题
应用：电弧等离子体 切割、焊接、溅射、刻 蚀等
ITER
ITER是International Thermonuclear Experimental Reactor的简写，全称国 际热核聚变实验反应堆，也被人们形象 地称为人造太阳，地点设在法国的南部 小城卡达拉舍。为欧盟、美国、中国、 日本、韩国、瑞士和俄罗斯等七方共同 参与。
等离子体按温度分类
高温等离子体 Te ~ Ti ~Tn ~ 104K 低温等离子体 Tn << Te ~ 104K
接近于大气压的高气压条件下，电子、离子、中性粒子会 通过激烈碰撞而充分交换动能，使等离子体达到热平衡状 态。 高温等离子体中：大气压下或更高，阴极和阳极间的电弧 放电作用使得流入的工作气体发生电离，输出的等离子体 呈喷射状，可用作等离子体射流(plasma jet)、等离子体喷 焰(plasma torch)等。
2005年6月28日，中国、美国、欧盟、俄罗斯、日本、和韩国6个ITER计 划谈判参与国再次讨论了ITER场址问题。由于欧盟和日本在场址问题上 的争执，ITER场址一直未能确定下来，经过长达1年多的谈判，6个计划 参与国最终达成一致意见，确定法国的卡达拉什为ITER计划场址，并签 署了联合宣言。
2006年5月24日上午，中国、美国、欧盟、俄罗斯、韩国、日本和印度等 7方科技部长分别代表各国政府草签了协定。根据谈判结果，反应堆将建 在法国的卡达拉什，项目预计持续30年，前10年用于建设，后20年用于 操作实验。这一项目总花费预计约为100亿美元，欧盟承担50％的费用， 其余6方分别承担10％，超出预计总花费10％的费用将用于支付建设过程 中由于物价等因素造成的预算超支。此外，参与各国完全平等地享有项目 的所有科研成果和知识产权
中国政府宣布投入10亿美元参与ITER计 划的运作，这是迄今中国投入最大的国 际大科学工程。参与该计划研究工作的 包括中国科学院等离子体物理研究所、 核工业西南物理研究院等中国研究机构。
氘氚聚变反应能够释放出大量能量
ITER计划的发展过程
1985年，在美、苏首脑的倡仪和国际原子能机构（简称IAEA）的赞同下，” 国际热核实验堆（简称ITER）” 确立，其目标是要建造一个可持续燃烧的托卡 马克聚变实验堆以验证聚变反应堆的工程可行性。由欧、美、日、俄四方共同承 建，并于1998年完成了ITER的工程设计，预算造价约100亿美元。由于国内聚变 研究政策的调整，美国曾于1998年退出ITER计划，但欧、日、俄三方仍然全力推 进，2001年已完成新的设计及大部分部件与技术的研发。新的设计保留了ITER原 设计的主要目标，经费却降至约46亿美元。
数百帕以下的低气压等离子体处于非热平衡状态。电子在 与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量，有 Te>>Ti , Te>>Tn。这样的等离子体称为低温等离子体 (cold plasma)。即使是在高气压下，低温等离子体还可以 通过不产生热效应的短脉冲放电模式来生成。
等离子体物理的三大发展方向
天体物理学
for dye adhesion.
Arc Lamp