电子温度的光谱诊断法
激光等离子体无源电探针探测及光谱诊断的比较分析
精度 高分 辨率的光谱检测是全面认识等离子体热力学特征 的 基础 ， 也意味着仪器成本 、 光学装置 匹配精度 的高要求 以及 光谱谱 图判读 分析与数据处理时间的延长 。
本工作将提 出一种 电探 针探测方法 ，以等离子体 鞘层理
透镜 焦距 ３ ０ ０ ｍｍ。
光谱 信息采集使用 Ａ ｖ ａ Ｓ ｐ ｅ ￣ ２ ０ ４ ８ （ Ｕ Ｓ Ｂ １ ） 型光纤光谱仪 ，
第３ ４ 卷， 第２ 期
２ ０ １ ４年 ２ 月
光
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ １ ． ３ ４， Ｎｏ ． ２ ， ｐ ｐ ２ ８ ９ — ２ ９ ２ Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ，２ ０ １ ４
中图分类号 ： Ｔ Ｇ４ ０ ３ 文献标识码 ： Ａ Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ４ ｝ ０ ２ — ０ ２ ８ ９ — ０ ４
一
引 言
激光等离子体是激 光焊 过程 中重要的物理 现象 ， 包 含 了 温度 、 密度 等大量有关焊接过程 的物理信 息 ， 这 些信息 直接 或间 接地反 映 出焊接 过程 的变化 。Ｓ ｅ ｂ ｅ ｓ ｔ ｏ ｖ ａ等¨ １ 认 为 等离 子体温度可 以反映焊接熔深 的大小 。肖荣诗 等口 也指 出激光
等离子体对激光能量 的散射 作用 。 可见， 研 究激光 等离 子体 是非常必要的 。 研究激 光等离子体 的方法 有多种［ ３ ］ ， 其 中光
谱诊断法是较为成熟 的方法 ，为众多研究人员所采用 － ６ ｊ 。 然而光谱诊断无论是 宽频谱还 是窄 频谱都是 频域 检测 ， 而非时域检测 ；即使进 行连续光 谱检 测 ， 其连 续检 测的速度 与时间精 度也会受到光谱仪 的扫 描积分 时间 、检测精 度 ，尤 其是光谱 数据 判读与处理时 间的限制 ， 不 利于 实时监控 。高
利用时间分辨Ar的K壳层发射光谱诊断内爆靶丸芯区电子温度的时间演化过程
子温度 是相 对可 行 的方法 ［ ¨。早 在 ２ ６ 。 Ｏ世纪 ９ ０年代 初 ， ｍｍｅ 等人 就将 这种 方法 用在 ＮＯ Ｈａ ｌ ＶＡ上 的 Ｉ Ｆ实 Ｃ 验中， 利用条 纹 晶体谱 仪 ， 测量 得到 Ａｒ的 Ｋ 壳层 发射 光谱 ， 后再 利 用 谱 线 比值 推 断 出芯 区 电子 温 度 随 时间 然
心温度 ， 变靶丸 状 态 ； 改 另一 方 面 ， Ａｒ 额不 能太 少 ， 掺 份 否 则 信号 强度 太低 ， 仪器 无法 测量 。 在 内爆处 于 停 滞 阶 段 时 ， 体 区温 度 、 度 达 到 峰 值 ， 气 密 Ａｒ的 Ｋ 壳层 开始发 光 ， 发光 时 间持 续几 百 ｐ ， 光 能量 范 ｓ发 围是３０ ０ ０ Ｖ。通 过 在 黑 腔 上 开 诊 断 孔 ， Ｔ１ ０ ￣４２ ０ ｅ 用 ＡＰ 晶体作 为色 散 原 件 ， 条 纹 相 机 ＿］ 用 Ｃ Ｄ 记 录 到 具 有 在 】后 Ｃ ｈ ｌｕ＋ｉｎ ｔ ｏ ｒ ｍ ｄｇ ｓ ｈａ ａｏｉ
用 的靶 丸外 径为 ３ ０ｐ Ｃ 壳 层 约 １ ｍ， ３ ． Ｈ ｍ， ４ 中心充 密度 为 １ ５ｍｇ ｃ ． ／ｍ。的 Ｄ 气 体 ， 中掺人 原 子分 数 为 １ 其 的 Ａｒ 素 ， 杂 的份额 有两 方 面的考 虑 ： 元 掺 一方 面 ， 果 掺 Ａｒ 额 太 高 ， 么 由它 所 引起 的辐 射会 显 著 降低 中 如 份 那
第 ２ ２卷第 ９期
２１ ０ ０年 ９月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ Ｒ ＴＩ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ ． ２ Ｉ ２ ，ＮＯ ９ ．
Ｓｅ ｐ．， ２ １ ０ ０
文 章 编 号 ： １０ —３２ ２ １ ）９２ ６—４ ０ １４ ２ （ ０ ０ ０ — ０ ３０
Ar等离子体电子温度光谱法测量探究
Ar等离子体电子温度光谱法测量探究柯福顺摘要：在采用一般精度的光谱仪时，通过测量Ar辉光放电等离子体的光谱，根据玻尔兹曼分布进行多谱线线性拟合，求得等离子体电子温度。
讨论光谱法在实验数据上的处理、反映出的等离子体物理性质。
在普通条件下，该方法对不同实验条件下电子温度变化的灵敏度在半定量水平。
关键词：光谱法，Ar等离子体，辉光放电，电子温度，多谱线拟合1.引言在低温等离子体物理性质的测量中，电子温度测量是重要一环。
此处的电子温度又可分为平动温度T tr和激发温度T ex。
前者表现在自由、半束缚电子的平均动能上，后者表现在束缚、半束缚电子的被激发强度，即光谱光强分布上。
在局部热力学平衡（LTE）下，才可以认为两者近似相等。
根据这两个温度的概念，主要的探测方法分为探针法和光谱法。
探针法又可分为单探针法、双探针法。
探针法通过测量等离子体区内的探针电流与电压关系，借助电子的玻尔兹曼分布来分析求得电子平动温度。
但是探针周围形成的空间电荷鞘层扰动等离子体，会造成结果失真。
而且此法在暂态过程中不适用，如脉冲放电，高频等离子体。
光谱法则是一种实时、对体系没有扰动的测量方式。
相同激发温度下，不同的谱线有不同的强度，反映在激发几率、能级、简并度上。
由玻尔兹曼公布可以导出各谱线的强度表达式。
实验中测量多条谱线光强，代入强度表达式进行拟合，以求出电子激发温度。
在普通实验室中，Ar等离子辉光放电的探针法测量很容易实现，光谱法测量则遇到很多方面的限制：光线的平行度，光谱仪的测量范围、分辨率、响应度等。
本文讨论在采用精度较低的光谱仪下，光谱法电子温度测量的数据筛选、处理，分析其与探针法结果偏差的原因，研究粗略光谱法对电子温度的监测。
2.原理及仪器1)仪器实验辉光源是一个可以控制气压变化的Ar气体放电管。
气压可调范围在10-1-102Pa，极间电压调节范围0-800V。
光谱仪为复想PG4000光栅光谱仪，极限分辨率不低于0.25nm，实际分辨率在3.80nm左右。
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。
低气压长间隙介质阻挡放电的光谱诊断
低气压长间隙介质阻挡放电的光谱诊断苏晨;徐浩军;林敏;张艳华;梁华;魏小龙【摘要】In the present paper,a dielectric barrier discharge(DBD) plasma was generated at low pressure in a DBD device with the eletrode distance of 10cm and using Ar as working gas.The changes in electronic temperature and density in the discharge cavum were studied by means of emission spectrometry.The changes in electronic temperature measured by using corona model were obtained.The variations in electronic density were analyzed using 750.4 nm line intensity.It was found that the plasma electronic temperature and density is various at different positions in the discharge cavum.With the measuring point moving from cathode to anode,the electronic temperature firstly increases slowly,then decreases quickly.While the electronic density increases slowly at first,and then rapidly.%设计了一种电极间隔为10 cm的介质阻挡放电装置,以氩气为工作气体,在低气压下产生等离子体.采用发射光谱法,研究了放电空腔内等离子体电子温度和电子密度随空间位置的变化规律.等离子体电子温度的变化通过使用Corona模型计算获得,等离子体电子密度的变化通过分析Ar原子750.4 nm谱线强度变化得到.实验发现空腔内不同位置的等离子体电子温度和电子密度是不同的.当测量位置从阴极向阳极移动时,电子温度先略上升而后迅速下降,再缓慢上升；电子密度先缓慢而后迅速地增大.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2013(033)008【总页数】4页(P2043-2046)【关键词】介质阻挡放电;发射光谱;电子温度;电子密度【作者】苏晨;徐浩军;林敏;张艳华;梁华;魏小龙【作者单位】空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学航空航天工程学院等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038【正文语种】中文【中图分类】O657.3引言等离子体技术在工业化应用如材料表面改性、消毒灭菌、环境保护等方面已得到广泛应用［1－3］。
光纤光谱法对Ar和He辉光放电管的参量诊断
和 电子温 度 Ｔ 就可 求得 电子 密度 ． 对 电子温度 Ｔ 的 测量 采 用 光 学 光谱 法 中 常 用 的多谱线 斜 率 法 或 双线 法 。 ．计 算 电子 激 发 ］
温度所 用 到 的光 谱 谱 线 是 需 要 进 行选 择 的 ， 选 其 择 条件 是 ： 没有其 他 谱线 干扰 ； 发射 谱线 波长 范 围 宽 ； 线 能 量 差 尽 可 能 大 ； 获 得 精 确 的 跃 迁 概 谱 可
实 验装 置如 图 １所示 ， 由气 体放 电组 件 、 励 激
电 源 组 件 、 纤 光 谱 协 同 电 流 密 度 诊 断 组 件 和 朗 光 缪 尔 双 探 针 诊 断 组 件 ４部 分 组 成 ．实 验 时 ， 先 首
收 稿 日期 ： ０ ００ — ７ 修 改 日期 ： ０ ００ — １ ２ １—３１ ； ２ １ — ６０
了相对较 好 的谱线 ・
２ 光 纤 光 谱 协 同 电 流 密 度 诊 断 实 验 原 理
与装 置
由气 体 分子 运 动 论 ， 电子 在 单 位 时 间 内穿 越 某一 方 向单 位 截 面 的 电子 数 为 ｎ“ ／ ， ｅ ４ 由此 可 得 通过 某一 截 面 Ｓ的 电流为
１
率； 相对 小 的 自吸收 ＿ ｊ ８ ．
光 纤光谱 法 要 用 发射 光 谱 测 电子 激 发 温 度 ， 并 对工 作气 体 的发 射 光谱 谱 线 进 行 选 择 ， 后 再 然 作 图计 算 ．谱 线 的选 择要 遵 循 一 定 的 条 件 ， 同 不
的 气 体 的 谱 线 各 异 ．本 文 对 ２种 工 作 气 体 的 谱 线 进 行 了 选 择 ， 过 比 较 不 同 谱 线 的 实 验 结 果 得 出 通
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
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。
电子温度的光谱诊断法
4
谱线的选择
❖ 具有可靠的跃迁几率和统计权重:NIST ❖ 波长接近 ❖ 上能级差较大 ❖ 强度适中
❖ 结合实验条件：分辨率、响应率、展宽
2020/6/4
5
等离子体辉光计算实例
2020/6/4
6
等离子体辉光计算实例
波长λ/nm 跃迁几率 统计权 上能级能量 Ref.
A/s-1
重g
E/J
6.76E-07 1.96E+06 5
❖ 弧光电子温度大约比辉光低一个数量级。
2020/6/4
9
实验误差来源及改进
误差来源： ❖跃迁几率的不确定性 ❖光谱仪的测量误差 ❖读数误差
改进： • 测量谱线采用多次平均 • 提高光谱仪的分辨率，使可测谱线增多
2020/6/4
10
工作参数对等离子体的影响
❖ 辉光放电管工作电压
❖ 辉光放电管工作气压
2.36E-18 NIST
6.97E-07 6.39E+06 3
2.13E-18 NIST
7.07E-07 3.80E+06 5
2.13E-18 NIST
7.39E-07 8.47E+06 5
2.13E-18 NIST
7.64E-07 2.45E+07 5
2.11E-18 NIST
7.96E-07 1.86E+07 3
2020/6/4
3
多线斜率法
波尔兹曼分布
nm gm exp( Em )
其中， n
n Z (T )
kT
ni
Z (T )
i
gi
exp(
Ei kT
)
得到 ln( In ) En C
等离子体电子温度的测量
高精度的测量设备是准确测量等离子体电子温度的必要条件，设备的误差越小，测量的结果越可靠。
测量设备的稳定性
设备的稳定性决定了测量结果的重复性和可靠性，稳定的设备能够保证测量结果的一致性。
等离子体的特性
等离子体密度
等离子体的密度对电子温度的测量有影响，密度越高，电子之间的相互作用越强，电子 温度的测量值可能越高。
在工业生产中的应用
等离子体在工业生产中有着广泛的应用，如等离子切割、等离子喷涂、等离子表 面处理等。在这些应用中，等离子体电子温度是影响工艺效果的重要因素之一。
通过测量等离子体电子温度，可以优化工艺参数、提高产品质量和生产效率。例 如，在等离子切割中，精确控制等离子体电子温度可以提高切割速度和精度；在 等离子喷涂中，了解等离子体电子温度有助于控制涂层质量和附着力。
等离子体成分
等离子体的成分对电子温度的测量也有影响，不同成分的等离子体具有不同的电子温度 范围和分布规律。
环境因素对测量的影响
磁场强度
等离子体处于磁场中时，磁场强度会对电子 的运动轨迹产生影响，从而影响电子温度的 测量值。
气压和气体成分
等离子体的气压和气体成分也会影响电子温 度的测量，高气压和不同气体成分会导致电 子与气体分子的碰撞频率和能量交换方式发 生变化，从而影响电子温度的测量值。
等离子体电子温度的测量历史与现状
历史回顾
等离子体电子温度的测量技术经历了从实验室研究到工业应用的发展历程，技术不断改进 和完善。
当前主流测量方法
目前，广泛采用的方法包括微波辐射法、光谱分析法、探针法等，这些方法具有不同的优 缺点和应用范围。
技术挑战与展望
尽管已经发展出多种测量等离子体电子温度的方法，但仍存在一些技术挑战，如高精度、 高灵敏度、实时测量等方面的需求，未来的研究将致力于发展更先进的技术和方法。
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。
光谱测定法
光谱测定法1. 吸收光谱原理- 当一束光通过含有某种物质的溶液或气体时，物质的原子或分子会选择性地吸收特定波长的光。
根据朗伯 - 比尔定律（A = εbc，其中A为吸光度，ε为摩尔吸光系数，b为光程长度，c为物质的浓度），在一定条件下，吸光度与物质的浓度成正比。
这是吸收光谱法定量分析的基础。
- 例如，在原子吸收光谱法中，原子吸收特定频率的光后，从基态跃迁到激发态，通过测量原子对特征谱线的吸收程度来测定元素的含量。
2. 发射光谱原理- 物质在受到激发（如热能、电能、光能等激发）时，原子或分子中的电子会从基态跃迁到激发态，然后再从激发态返回基态时，会以光的形式释放出多余的能量，产生发射光谱。
不同元素的原子具有不同的能级结构，所以发射光谱中的谱线具有元素特征性。
- 例如，在火焰原子发射光谱法中，样品溶液被喷入火焰中，原子被激发产生发射光谱，通过检测特定谱线的强度来确定元素的含量。
1. 原子光谱法- 原子吸收光谱法（AAS）- 特点：灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强。
它主要用于测定金属元素的含量。
例如在环境监测中，可以准确测定水样中的微量重金属元素，如铅、镉、汞等。
- 仪器组成：包括光源（如空心阴极灯，能发射出待测元素的特征谱线）、原子化器（将样品中的待测元素转化为原子态）、单色器（分离出所需的特征谱线）和检测器（检测光信号并转换为电信号）。
- 原子发射光谱法（AES）- 特点：可同时测定多种元素，分析速度快。
在冶金行业中，用于分析矿石中的多种金属元素成分。
- 仪器组成：由激发源（如电弧、火花等激发样品产生发射光谱）、分光系统（将发射光按波长分开）和检测系统组成。
2. 分子光谱法- 紫外 - 可见分光光度法（UV - Vis）- 特点：操作简单、仪器价格相对较低。
广泛应用于化学、生物、医药等领域的定性和定量分析。
例如在药物分析中，可用于测定药物的含量和纯度。
- 原理：基于分子对紫外 - 可见区域（200 - 800nm）电磁辐射的吸收。
温度测量方法概述
温度测量方法概述温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制（SI）中七个基本物理量之一，它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。
随着人类社会的不断进步和科学技术水平的不断提高，温度测量技术也得到了不断的发展。
温度测量方法有很多，也有多种分类。
比如从测量时传感器中有无电信号可以划分为非电测量和电测量两大类；从测量时传感器与被测对象的接触方式不同可以划分为接触式和非接触式，等等。
而每种测量方法中又有很多种类，如膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、光学温度计和红外温度计等。
近年来，随着技术水平的进步，出现了更多新的测试方法。
由于温度的测量方法多种多样，很难找到一种完全理想的分类方法，每种分类都只是侧重于某些方面。
本书将温度测量方法从测量原理上进行分类，目的是为根据测温需求进行选择提供方便。
本章首先对当前温度测量的方法作一个概述，为后面的章节作一些准备。
然后对常用的热电偶、热电阻和辐射测温法作一个较详细的介绍，其他的测温方法将在以后章节逐一介绍。
1.1温度测量方法简介图1-1是温度测量方法的一个分类，是从测量原理上进行分类的。
图1-1 温度测量方法分类1.1.1 接触式测温方法将接触式测温方法分为膨胀式测温、电量式测温和接触式光电、热色测温等三大类。
接触测温法在测量时需要与被测物体或介质充分接触，测量的是被测对象和传感器的平衡温度。
在测量时除了会对被测温度有一定干扰外，还要保证传感器不与被测介质有化学反应，另外大多数接触式测量方法会存在导热误差、辐射误差等影响。
1.1.1.1 膨胀式测温方法膨胀式测温是一种比较传统的温度测量方法，它主要利用物质的热胀冷缩原理即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。
膨胀式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。
最常见的玻璃液体温度计，利用水银、有机液体（酒精或煤油）或汞基合金等液体的热胀冷缩原理进行温度测量。
根据选用感温介质的不同，测量的温度范围一般为-80～600℃。
探针法对比光谱法的等离子体参数测量
探针法对比光谱法的等离子体参数测量0730******* 黄志鸿摘要：DH2005型直流辉光等离子体实验装置被广泛用于等离子体参数测量的教学实验。
本文利用郎缪尔探针法测量了等离子体的电子温度，分析了压强、功率对等离子体电子温度的影响。
并且在此基础上利用改变双探针对于等离子体相对位置的方法实现了利用此实验装置双探针测量等离子体横向各唯象结构相对参数，并且对比光谱法测量结果，提出自动化测量的实验方案。
关键词：等离子体郎缪尔探针光谱自动化1.引言等离子体（plasma），一种由电子和带电离子为主要成分组成的物质形态，整体呈电中性。
宇宙中大部分物质是以等离子体的形式存在的，故等离子体常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
等离子体主要特点是其中长程的电磁相互作用起支配作用，等离子体中粒子与电磁场耦合会产生丰富的集体现象。
2.郎缪尔探针法测量等离子体的电子温度。
Langmuir 探针基本上可以认为是一根插入等离子体中的裸丝，与物理学中其他的“探针”相似，如“试探电荷”等等。
一般要求这种探针对其所要测量的物理参量不会有较大的影响，但实际上，任何形式的测量都是对环境参量的一种改变。
Langmuir 探针发挥作用的原理就在于其对周边局部环境的改变。
由动量守恒定律，等离子体中质量远大于电子的离子，在速度上远小于电子，所以在极短时间内，探针上会积累相当数量的负电荷。
从而使探针上电位与未受探针干扰的等离子体的电势为负值。
这样的电势吸引正电荷，排斥负电荷，从而在探针表面形成了一个正的空间电荷层，称为离子鞘。
离子鞘进一步增厚直至最终进入探针表面的正离子电流与电子电流的大小相等。
此时探针的净电流为零，但这种体系是一种“动平衡”就像一个蓄水池一样，一根水管进入，一根水管流出，而总水量是不变的。
这个鞘层是探针的“势力范围”，其内部所有的电子都会参与形成电流，当探针电压增大时，单位时间内有更多的电子被吸附到探针上，如果我们假设鞘层厚度不变，那么当探针电压增大到一定程度时，鞘层内部电荷是有限的，全部被吸附后，就不能继续增大，即出现了饱和电流。
直流氩等离子体射流电子温度的测量
第２卷， １ ８ 第 期
２００ ８年 １月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ １ Ｎｏ ｏ ．２ ８， ．１， Ｐ ９ Ｐ ６—
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌ ａ ｙ ｉ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ Ａｎ ｌｓｓ
＼
（） １
基金项 目： 科技部 中法先进研究计划 （ Ｒ Ｅ １ｏ ） Ｐ Ａ ０ －６ 和浙江省 国际合作重点项 目（ ０５ ４ １ ） ２０ Ｃ１０ ４ 资助 作者简介 ： 严建华 ，１６ ９２年生 ， 江大学热能工程研究所教授 ＊通讯联系人 浙 ｅｍａｌ ａ ） ｃａ ＠１ ６ ｃｒ － ｉ ｎ【 ｈ ｏ ２． ｏ ：ｐ ｉ ｎ ｎ
离子体处理废物 ， 特别是有毒 废物＿。；（） ２ － ４ 热等离 子体使粉 末致 密化 ；（ ） ５ 热等离子体冶金 ， 包括用于大型炉的熔炼 、 再 熔炼 ；（） 等离子体提取冶金技术 。 ６热 为了更好地应用热等离子体技术 ， 还需更 深入地研究热 等离子体的基 本特性及 其基 本物理参 数Ｌ ］ ７ 。在众 多参数 中 － 温度无疑是非常重要 的一个物理参数 ， 它影 响着等离 子体射
常简单 ，只要用一根金属丝 ， 配上可调 电压源与 测量探针 再
电流表就可 以了。 激光 诱导荧光 法 （ Ｉ ） ＬＦ 是一种 非接触 测量
１２ 光谱 法的理论基础 ．
当等离子体处于热力学平衡或局域热 力学 平衡时 ，同种
粒子 的两个能级 Ｅ，和 Ｅ ｌ 上的粒子数满足玻尔兹 曼分布ｌ］ ＿ 】
并分析 了工作气体流量和电流对 射流电子温度 的影响 。
１ 实验 系统与发射光谱法测量原理
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。
等离子体温度的发射光谱法测量
等离子体温度的发射光谱法测量作者：李倩来源：《硅谷》2011年第10期摘要：利用微型光纤光谱仪测得电弧等离子体的实时原子发射光谱，并利用双谱线法及多谱线法测得电子温度及温度随时间变化情况。
关键词：等离子体；发射光谱法；温度测量；实时中图分类号：TG115.33 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0520182－020 引言等离子体是一种电离度大于0.1%的电离气体，等离子体呈现电中性，被称为物质的第四态。
电弧放电所产生的等离子体是低温等离子体，而电弧温度是表征电弧等离子体热力学状态的重要参数之一，通过对电弧温度的研究可以获得等离子体内部性质及其变化过程研究的重要数据。
利用光谱学方法进行温度测量能够实现非接触的实时测量，能直观、快速的记录温度变化的实时过程。
因此建立一种准确有效测定电弧等离子体温度的方法是必要并且有意义的。
1 光谱测温原理在光谱分析中，交直流电弧是一种常见的电光源，依靠电极间流过的电流使试样或电极本身激发，使电极间气体发光。
当气体在大气压力下放电，粒子密度较大，电子的自由行程较短，电子和重粒子之间频繁碰撞，电子从电场获得的动能较快的传递给重粒子。
这种情况下各种粒子的热运动动能趋于相近，整个体系接近或者达到热力学平衡状态，气体温度和电子温度比较接近或相等。
研究认为，在光谱分析用的电弧或电花光源作用下，所产生的等离子体达到热力学平衡状态（LTE，即local thermal equilibrium）。
激发温度是表征等离子体光源所能激发的原子外层电子在各能级分布状态的参数，是代表光源激发能力的主要参数之一。
在电弧或电花作用下，等离子体的激发温度约在4000℃至10000℃之间，测量电弧等离子体的激发温度主要依靠光谱分析的方法。
常用测量激发温度的光谱学方法主要包括：双谱线法、多谱线斜率法、等电子谱线法以及绝对谱线强度法等。
为了快速有效的测出等离子体温度，本文主要采用了双谱线法和多谱线斜率法。
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。
光电子学的光谱分析技术
光电子学的光谱分析技术光电子学是一门研究光与电子相互作用的学科，它在科学研究、工业应用和日常生活中都扮演着重要的角色。
光谱分析技术作为光电子学的重要组成部分，被广泛应用于材料科学、化学分析、生命科学等领域。
本文将探讨光电子学的光谱分析技术，介绍其原理、应用和发展前景。
一、光谱分析技术的原理光谱分析技术是通过将物质与光相互作用，利用物质对光的吸收、散射、发射等过程所产生的光谱信息来获取物质的结构、组成和性质。
光谱分析技术的原理基于光的波长和能量与物质相互作用的规律。
通过测量光的吸收、散射或发射光谱，可以获得物质的特征信息。
1. 吸收光谱吸收光谱是光谱分析技术中最常用的一种方法。
物质在特定波长范围内吸收光的能量，形成吸收峰。
通过测量吸收峰的位置和强度，可以确定物质的组成和浓度。
常见的吸收光谱技术包括紫外可见吸收光谱、红外光谱等。
2. 发射光谱发射光谱是通过激发物质，使其发射特定波长的光谱。
不同元素或化合物在激发状态下会发射特定波长的光，形成发射峰。
通过测量发射峰的位置和强度，可以确定物质的成分和浓度。
常见的发射光谱技术包括荧光光谱、原子发射光谱等。
3. 散射光谱散射光谱是通过测量物质对光的散射来获取信息的一种方法。
散射光谱可以分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指物质散射光的波长、能量和入射光相同，不改变光的能量。
非弹性散射是指物质散射光的波长、能量与入射光不同，会改变光的能量。
散射光谱技术广泛应用于材料表征、生物医学等领域。
二、光谱分析技术的应用光谱分析技术在各个领域中都有广泛的应用。
以下将介绍几个典型的应用案例。
1. 材料科学光谱分析技术在材料科学中有着重要的应用。
例如，通过红外光谱可以分析材料的化学结构和功能基团，帮助研究人员了解材料的特性和性能。
紫外可见吸收光谱可以用于材料的光学性质研究，如透明度、吸收系数等。
此外，发射光谱和拉曼光谱等技术也被广泛应用于材料表征和分析。
2. 化学分析光谱分析技术在化学分析中起着重要的作用。
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德拜长度、朗谬尔频率
研究等离子体的输运（多普勒频移102nm量级）
2018/8/9 15
2018/8/9 4
多线斜率法
波尔兹曼分布
其中，
nm gm Em exp( ) n Z (T ) kT
Z (T ) gi exp(
i
n ni
Ei ) kT
I 则以 ln Ag
I n En ) C 得到 ln( An g n kTe
为纵坐标，E为横坐标作曲线， 1 拟合直线的斜率即
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12
工作电压的影响
图二 工作气压为72Pa时辉光电子温度与工作 电压的关系曲线
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工作气压的影响
图三 工作电压为406V时辉光电子温度与工作 气压
提高光谱仪分辨率 降低实验误差 推断等离子体的重要参数： 如：电子温度、元素成分、电离状 态、电子密度（stark展宽10-2nm量级）
等离子体的光谱诊断法
陈思 06301030066
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光谱法计算电子温度
相对强度比较法（双谱线法） 玻尔兹曼多线斜率法 谱线的选择 计算实例 实验误差及改进
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2
相对强度比较法
原子在两个能级之间跃迁：
En
谱线强度 I nm nn Anm h
等离子体在局域热平衡条件下，同种原子或
6.76E-07 1.96E+06 6.97E-07 6.39E+06 7.07E-07 3.80E+06
NIST
NIST NIST NIST
7.39E-07 8.47E+06
7.64E-07 2.45E+07 7.96E-07 1.86E+07
5
5 3
2.13E-18
2.11E-18 2.12E-18
NIST
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8
等离子体辉光计算实例
Te (8.6 0.3)eV
探针法：Te=5.07eV
图一 600V,4Pa条件下部分辉光谱线 E与ln(λI/Ag) 的拟合直线 2018/8/9
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等离子体弧光电子温度
取794.8nm，801.5nm，811.5nm谱 线，用相同方法计算212V，64A， 1.64ms条件下的弧光电子温度为 Te=0.378eV
Em
离子在两个能级上的粒子数满足玻尔兹曼分 布
nn gn En Em exp( ) nm g m kTe
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相对强度比较法
I1 A1 g12 E1 E2 exp( ) I 2 A2 g21 kTe
其中，下标1、2分别表示不同的谱线 A：跃迁几率 g：上能级统计权重 ：谱线波长 E：上能级激发能量 Te：电子激发温度≈电子温度 k：玻尔兹曼常数
kTe
精度较相对强度比较法高
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谱线的选择
具有可靠的跃迁几率和统计权重:NIST 波长接近 上能级差较大 强度适中
结合实验条件：分辨率、响应率、展宽
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等离子体辉光计算实例
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等离子体辉光计算实例
波长 λ/nm 跃迁几率 A/s-1 统计权 重g 5 3 5 上能级能量 E/J 2.36E-18 2.13E-18 2.13E-18 Ref. NIST
弧光电子温度大约比辉光低一个数量级。
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10
实验误差来源及改进
误差来源：
跃迁几率的不确定性 光谱仪的测量误差 读数误差 改进： • 测量谱线采用多次平均 • 提高光谱仪的分辨率，使可测谱线 增多
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工作参数对等离子体的影响
辉光放电管工作电压 辉光放电管工作气压