等离子体辐射

自然界和实验室中的等离子体

自然界和实验室中的等离子体中包含电子、离子，有时也有中性原子。

粒子介绍

重要课题

由于这些粒子间以及它们与电磁场之间的相互作用，等离子体会辐射出大量的电磁波，其频率范围包括微波、光波和 X射线区域。在天文学中几乎完全依靠等离子体的辐射来获取知识；在实验室等离子体的研究工作中，通过对辐射的测量可以给出等离子体的许多信息，如组分、电离状态、温度、密度等；辐射又是高温等离子体能量输运和耗散的一个重要途径，因而在聚变等离子体研究中，为了实现聚变反应的功率平衡，减少辐射损失，是目前的一个重要课题。

初步阶段

等离子体辐射的定量分析还处于初步阶段，仅对某些特殊情况作了理论分析。如等离子体处于完全热平衡，并对辐射能完全吸收，就可以直接用黑体辐射公式来描述各种温度下的辐射谱。但是一般实验室的等离子体都不是完全吸收体，其辐射低于黑体辐射限。有些等离子体更是远离完全吸收体，如实验室的磁约束等离子体，一般都是稀薄电离气体，除在低频（如微波）部分和一些共振频率处有较强的吸收外，它对辐射几乎是完全透明的。当等离子体辐射不能简单地用黑体辐射描述时，就必须考察其具体的辐射过程，下面简介几种主要的辐射机制。

激发辐射

功率密度

当等离子体中存在原子或部分电离的离子时，原子或离子的外层轨道电子可能被激发到较高能级。除亚稳态外，激发态的寿命一般短于10-8秒，所以电子很快就跳回到较低能级，同时发生辐射，称为激发辐射。这是电子在束缚态之间跃迁而产生辐射，也称为束缚-束缚过程。束缚态能量都是量子化的，所以此过程所发射的光子能量是分立的，形成线光谱。各种原子或离子有其独特的线光谱系。某种元素的原子或离子相应于能级p、q之间跃迁所发射谱线的功率密度为， ⑴

式中为i 阶离子（i=0为原子）处于上能级 p的粒子密度；A为p、q能级间的自发跃迁几率；E为p、q能级间的能量差。

分布决定

式⑴中的由粒子的电离态和激发态的分布决定，它涉及等离子体模型。理论上根据等离子体的不同状态采用局部热平衡、日冕和碰撞辐射等模型。计算的可靠性不仅决定于模型的选取，还决定于所采用的原子参量的精度。原子参量如激发、电离和复合等截面数据或半经验表式正在不断积累和改进中，目前所达到的精度一般不高。对原子序数低的元素可能相差一倍；对原子序数高的元素可能相差10倍。

为了求得等离子体的激发辐射功率，原则上要计算出所有谱线的辐射功率之和，一般只计算一些很强的线辐射。不同元素的激发辐射则与元素的原子序数及电子温度有很大关系。一般说低温时低电离态的原子的激发辐射强；随着电子温度升高，高电离态的原子的激发辐射增强。日常所见的等离子体光源如霓虹灯就是利用激发辐射。在受控核聚变研究中，作为工作气体的氢或其同位素在电子温度高于十几个电子伏时基本上完全电离。

最主要辐射源

但是等离子体中含有少量原子序数较高的杂质时，杂质的激发辐射是等离子体的最主要的辐射源。

谱线的自然宽度很窄，而引起其谱线增宽的因素主要有：多普勒效应、斯塔克效应等。谱线的波长、强度、轮廓和偏振度都可表征等离子体性质。

复合辐射

等离子体中的自由电子和离子碰撞时可能与离子复合，复合时释放光子，称为复合辐射。复合过程中电子从自由态到束缚态，因此也称为自由-束缚过程。自由电子有一个速度分布，在其被俘获时释放的能量构成一个连续谱。不过这种辐射谱是跃变式的。自由电子可能被捕获到各个能级，其辐射的光子能量 hv为， ⑵

式中h为普朗克常数，v为光子频率，Eo为自由电子能量，为俘获能级的电离能。因而每一个连续谱相应于自由电子落入某一个能级，其低频限为。电子复合到i+1阶离子的第n能级的复合辐射功率密度由下式计算， ⑶

式中Ne为电子密度；为i+1阶离子处于第n 能级的密度；ve为电子速度；为相应的电子复合截面；〈〉为对电子按麦克斯韦速度分布求平均。不同的原子以及不同的电离态具有不同的能级分布，情况是复杂的。对于氢原子及类氢离子的计算结果表明，复合辐射仅在低温时比较重要；在电子温度大于30Z2电子伏（Z为原子序数）以后，它在等离子体的连续辐射中所占的成分愈来愈小。

轫致辐射

等离子体中的带电粒子在库仑碰撞过程中电子的速度改变时所发出的辐射，称为轫致辐射。电子在轫致辐射过程前后都是自由的，所以这种辐射也称为自由-自由过程。轫致辐射是连续辐射，包括宽广的频率范围。轫致辐射的最大能量接近电子动能，所以对于10电子伏电子产生的轫致辐射最短约在1000埃处；对于1000电子伏电子，约处于10埃处，所以轫致辐射通常发生在X 射线到紫外区域。根据量子力学计算，可以得到等离子体中的轫致辐射功率密度ωff为， ⑷

式中Nij为第j种离子的密度；Zj为第j种离子的有效电荷；除电子温度Te以电子伏为单位外，其他为MKS制。

在受控核聚变研究中，电子温度低于几百电子伏时，轫致辐射可以忽略。在10千电子伏以上的高温时，所有杂质的外层电子接近于完全剥离。此时线谱辐射已不重要，杂质的影响主要为引起轫致辐射增强。如氘等离子体中含有3%的氧核，轫致辐射增强3.6倍。轫致辐射决定聚变反应堆的运行条件，即聚变反应所产生的功率要超过由轫致辐射的功率损失。

回旋加速器辐射　在被磁场约束的等离子体中，电子和离子受到洛伦

兹力作用而围绕磁力线以一定频率作螺旋运动，电荷的向心加速会引起辐射，称为回旋加速器辐射。电子的回旋辐射是主要的。离子由于质量较大而运动缓慢，其辐射可以忽略。回旋加速器辐射为线辐射，它主要包括回旋基频及其谐波，谐波频率小于30个阶频。回旋加速器辐射强度的空间分布与磁场方向有关，一般为椭圆偏振波。在通常低于10个特斯拉（T）的磁场强度下，其发射频率在微波区。等离子体发射的回旋辐射功率密度ωc为　， ⑸

式中B为磁感应强度；除Te以电子伏为单位外，其他为MKS制。

当温度低于5千电子伏时，回旋加速器辐射小于轫致辐射；在更高温度时前者增长较快，可能超过后者。但如等离子体具有一定厚度时，回旋加速器辐射的基频和低频部分会部分地被吸收；如在器壁上安置反射器，使辐射多次通过等离子体，则可增强这种吸收。

回旋频率也可能发生

改变，其原因有：多普勒增宽、碰撞增宽、磁场不均匀性效应、相对论性效应和自吸收等。所以高温等离子体的回旋辐射表现为一系列增宽的谱线的叠加，实际上为连续谱形式。

高温等离子体内存在相对论性电子时，其加速机制属于同步回旋加速，其辐射也称为同步加速器辐射。这种辐射在天文学中有很大意义。射电望远镜所接收到来自宇宙空间的无线电波，即来源于气体星云中相对论性电子的回旋辐射（见回旋加速器辐射和同步加速器辐射）。

除上述四种主要的辐射机制外，还有其他辐射过程。等离子体中有大量电子作集体运动时可能引起电磁辐射。如等离子体的各种振荡和波动，产生相应的电磁辐射；当磁约束等离子体中发生破裂不稳定性时，常会伴随有强烈的瞬变辐射；在等离子体中可能有一部分超热电子，这种电子逸出等离子体后与器壁发生作用时会产生硬X射线。在等离子体中，高能电子甚至会产生切伦科夫辐射。在聚变反应区，当大量中子与物质相互作用时，会产生各种射线，如γ射线等。

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