等离子体光谱

从等离子体内部发出的从红外到真空紫外波段的电磁辐射谱

等离子体光谱是指从等离子体内部发出的从红外到真空紫外波段的电磁辐射谱。

来源

它携带了大量有关等离子体复杂的原子过程的信息。利用光谱学的原理和实验技术，并借助于等离子体的理论模型，测量分析等离子体光谱，对于等离子体的研究是有重要意义的。

包括

等离子体光谱主要是线状谱和连续谱。线状谱是等离子体中的中性原子、离子等由其高能级的激发态跃迁到较低能级时所产生的，单个粒子发射的谱线强度主要决定于:①原子或离子的外层电子处于上能级的几率,②这种电子从上能级跃迁到下能级的跃迁几率，③光子在逸出等离子体之前被再吸收的几率。但谱线的总强度与电子和离子的密度和温度有关，每条谱线有它自己的强度分布规律,因此从谱线强度的测量,结合理论模型和上述光谱中的原子数据，可以得到电子、离子的密度、温度等信息。根据多普勒效应，从谱线波长的移动可确定等离子体的宏观运动速度。连续谱是电子在其他粒子的势场中被加速或减速而产生的。从连续光谱强度的测量，也可得到电子密度、温度等数据。

变化

随着等离子体温度的升高，如到达10度以上,原子的外层电子逐渐被剥落，形成各种离子态的离子,如CⅣ、CⅤ、OⅥ、NⅤ、FeⅪⅩ、TiⅪⅩ（Ⅰ为中性原子，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、…为失去 1、2、3、…个外层电子的离子）等。这些高次电离的离子，其线状谱大都处在远紫外波段。连续谱的情形，也是随着温度的升高，其发射强度的极大值往短波方向移动。对于高温等离子体，如聚变高温等离子体，其工作物质是氢及其同位素氘和氚，但不可避免地会含有一些杂质，如C、O、Fe、Ti、Mo、W等元素，温度已达10度以上，这些杂质离子的光谱大部分是在真空紫外及 X射线波段。分析这些较重杂质的高次电离谱线的出现时间和位置，比较它们的强度，对这样高的温度的等离子体的参量测量、输运过程和等离子体的辐射损失等的研究都是很重要的。尤其是对类氢、类氦离子的谱线强度的分析，更为有用，因为对于这些离子的原子数据较为完全。

形状

等离子体光谱的另一个重要方面，是谱线的形状或轮廓。光谱线并不是“线”，而是有一定宽度的轮廓。在等离子体光谱中，谱线增宽的机制较复杂，其中有两个因素比较重要，就是多普勒效应和斯塔克效应。等离子体中的各种粒子处于无规热运动状态，它们相对于观察者具有各种方向和大小的速度，就会产生多普勒频移，因此，所发射的光谱线不再是“线”，而是按波长的某种分布，即谱线“变宽”了，这就是多普勒增宽。多普勒增宽同离子速度分布有关，如这种离子的速度呈麦克斯韦分布，则与其离子温度有关。用多普勒增宽测量高温等离子体中的离子温度是一种常用的方法，离子温度可用下式计算：，

式中k为玻耳兹曼常数，Ti为离子温度，A为所测原子或离子的原子量，墹λ为谱线轮廓在半高度处的宽度。计算时要扣除其他因素引起的增宽。

效应

另一个重要效应是斯塔克效应。等离子体中的每个发光粒子都处于其他粒子所带电荷产生的电场中，由于电场的作用,这个粒子所发射的光谱发生分裂,这就是斯塔克效应。分裂情况同等离子体中的粒子密度有关。带电粒子产生的微观电场是复杂的，引起各式各样的斯塔克分裂，叠加的结果，使光谱线变宽，形成斯塔克增宽。在温度较低(几个电子伏)、密度较高（大于10τm ）的等离子体中，常用斯塔克增宽来测量电子密度。的斯塔克增宽理论较为完整，理论指出这类斯塔克增宽谱线轮廓的半高全宽度与成正比，Ne为等离子体的电子密度。

聚变装置的高温等离子体往往处于强磁场中，会引起光谱线分裂，这就是光谱学中熟知的塞曼效应。在一些大型聚变装置中，磁场强度为几个特斯拉(T),分裂正比于磁场强度B和波长λ的二次方的乘积，如λ=5000┱，B=1T时,则塞曼分裂=0.117┱。根据谱线塞曼分裂的大小可推算等离子体中的磁场强度。

辐射

如上所述，测量等离子体的辐射，如谱线强度、谱线轮廓以及谱线的分裂、位移等后，就可以得到等离子体的一些参量，如等离子体成分、温度、密度等。这方面的工作构成等离子体光谱诊断学，是等离子体诊断学的一个重要组成部分。