電漿診斷
正文
診斷的參量包括微觀參量（如碰撞頻率）和巨觀參量（如密度、溫度、壓力等熱力學參量，以及粘性、擴散、熱導率和電導率等輸運係數）。一般表征部分電離電漿特性的參量主要是電子密度、電子溫度和碰撞頻率。電子密度和電子溫度的範圍不同，所用的測量方法也不同（圖 1、圖2）。 電漿診斷技術是隨著電漿科學的進展而發展起來的。20世紀初，開始觀測宇宙電漿。20年代，為了研究氣體放電，開創了實驗室電漿診斷。從50年代起，在受控熱核反應和空間技術研究的推動下，電漿診斷的研究進入全盛時期。下面將電漿診斷套用的各種方法作一介紹。探針法 將實體探針放入電漿中以獲得所需參量，是電漿診斷的基本手段之一。此法可以得到有關電漿內部細緻結構的信息和各種參量的分布情況。缺點是會干擾被測電漿，例如改變流動圖像，形成空間電荷包鞘，產生雜質污染等。此法套用的探針及其探測原理分述如下：
靜電探針 它是一種金屬電極。圖 3是三種典型靜電探針結構的剖面圖。 通過電路（圖 4將偏置電壓加在探針和補償電極（如電漿的金屬器壁或放電電極等）之間，探針就從電漿中收集帶電粒子，形成電流。用適當的儀表記錄下電壓和電流，便可得到探針的電流－電壓特性（伏安特性）曲線（圖 5）。特性曲線可以分為三個不同特點的區域：①飽和離子電流區:探針電位遠低於電漿的空間電位,探針基本上只收集正離子。②過渡區：探針電位逐漸增高，但仍低於空間電位，探針同時收集電子和正離子。當電子電流和離子電流相等時，探針總電流為零，相應的探針電位稱為浮置電位。以上兩個區的特性統稱為"負探針特性"。③飽和電子電流區：當探針電位等於空間電位時,帶電粒子完全憑藉本身的熱運動到達探針表面,因此探針收集的是無規電流。由於電子質量遠小於離子質量，電子的無規電流遠大於離子無規電流。探針電位高於空間電位時，幾乎全部離子都被拒斥，探針只收集電子電流。 靜電探針理論給出電漿參量和探針特性之間的定量關係。利用靜電探針可以測量電漿中帶電粒子(電子或離子)的數密度、電子溫度以及空間電位等。移動探針還可以測知上述參量的分布情況。
靜電探針法是I.朗繆爾等人在研究低氣壓氣體放電時創製的，現在已在高氣壓、高溫、有流動、有磁場等各種複雜情況中得到廣泛的套用。
磁探針 它是一個探測線圈（圖 6）。當其中的磁通量發生變化時，線圈中便產生感應電動勢，從而給出電漿中當地磁場的時間變化率。如在探針輸出端接上積分電路，便可直接得到磁感應強度。若改變探針線圈取向可以測得磁場在不同方向上的分量。根據這些數據，還可以推算電漿中的電流和電場分布、壓力分布以及電導率等。磁探針一般只能用於探測隨時間變化的電漿。磁探針輸出信號一般很弱，要避免雜散拾音，最好採取靜電禁止措施。
電導率探針 由磁場線圈和探測線圈組成。它利用磁場和電漿相互作用原理來確定電漿的電導率。電導率探針有電導率計（圖 7)和射頻電導率探針（圖8）等類型。對於電導率計，當高速運動的電漿切割其磁場線圈的磁力線時，電漿中便產生感應電流。這又在探測線圈中造成磁通量的變化並感生出電動勢。在已知電漿運動速度的情況下，測量探測線圈中的感應端電壓，可以得到電漿的電導率。射頻電導率探針是把磁場線圈和探測線圈合成一個。它利用振盪器產生高頻振盪，並通過電介質視窗傳輸到電漿中，從而感應出渦流，渦流又影響線圈的阻抗。測量線圈的品質因數（Q值）或諧振頻率的變化,可以確定電漿的高頻電導率。 微波法 利用電磁波頻譜中的微波與電漿相互作用的原理來測量電漿參量的方法。微波在電漿中傳播時,會使微波器件的工作狀態發生變化（如Q值下降等），並發生吸收、相移以及反射、折射、散射等過程。相應的衰減量、相移量和反射量等物理量可由實驗測定，而它們對電漿的電子密度、碰撞頻率等參量的依賴關係則可由理論分析給出。基於這類現象的診斷稱為微波傳輸測量，它分為空腔法和自由傳播法兩種。圖 9給出自由傳播法的三種基本方法，可進行衰減測量、反射測量和相移測量等。另一類微波法是測量電漿的微波輻射（如黑體輻射、軔致輻射、迴旋輻射和相干輻射等），從而獲得有關電漿溫度、不穩定性等特性的信息。 微波法的優點是不干擾被測電漿，缺點是空間回響較差，動態範圍較小。常用的微波測試設備有：
微波諧振腔 可以傳輸微波的波導或諧振金屬腔, 用於空腔法。當微波穿入封閉於腔內的電漿中時，電漿的特性會影響諧振腔的狀態,例如品質因數Q值下降、諧振頻率移動等。通過擾動分析等方法又可以得知諧振腔 Q值變化、頻移與電漿參量之間的關係。由此可以測出電漿的電導率、電子密度和碰撞頻率等參量。如果電漿的電子密度過高，體積過大，此法即不適用。
微波干涉儀 一種基於橋式電路的微波裝置，用於自由傳播法。它主要是利用相移法進行測量，特別適宜於觀測瞬變電漿，但同時也可測定傳輸信號的衰減量，因此套用相當廣泛。在干涉儀中（圖9c），微波信號分成兩路：一路通過電漿，當測量路徑中的電漿參量發生變化時，此路信號的相位便發生相應的變化；另一路為參考路徑，其中的相移是固定不變的。這兩路信號在適當的微波器件(如T形接頭、耦合器等)上疊加混合,便發生干涉。干涉後的信息由檢測器等器件檢測，輸出並在示波器等儀表上顯示。干涉儀的回響主要取決於相移，但與振幅的衰減也有關係。微波干涉儀可以給出電漿的電子密度、碰撞頻率以及這些參量的剖面分布等信息。
雷射法 用雷射作為光源、激發源或探測器來診斷電漿參量的方法。雷射診斷的優點是：對電漿干擾小,空間解析度和時間解析度高,可診斷的電漿電子密度範圍寬（1010～1019)厘米-3,溫度範圍大（104～106開）,特別是對非熱平衡電漿的診斷優於光譜法等診斷方法。因此雷射診斷成為電漿診斷，特別是高溫度、高密度電漿診斷的主要手段。雷射法有下述幾種：
雷射干涉法 雷射具有功率大、亮度高、單色性好、方向性強和偏振度好等優點，是十分優良的相干光源。用它作馬赫－曾德爾干涉儀、邁克耳孫干涉儀等一般光學干涉儀的光源，可使干涉儀易於調節，使用方便。有些新型干涉儀其中作光源的雷射器兼作探測器，因而結構簡單，靈敏度高。雷射干涉法可以直接測量電漿的折射率，並確定電漿的密度和溫度等參量。常用的雷射干涉法如下：
①標準干涉法 又稱雙光束干涉法。設備為馬赫－曾德爾干涉儀（原理如圖10所示）。此法是將一束雷射用半反射鏡等分成兩束相干光，然後再使兩束光匯合，由於它們經過的光程不同，產生相位差，形成明暗相間的干涉條紋，稱為背景條紋。當其中一束光通過待測的電漿（其光程與電漿的折射率有關）同另一參考光束再匯合時，會產生附加的光程差，使干涉條紋發生變動。把干涉條紋和背景條紋進行比較，讀出條紋移動數目，就能確定電漿的折射率。根據電漿折射率同電子密度的關係，可推算出在光束經過的電漿長度內的平均電子密度。這種方法能診斷的電漿電子密度下限約為1014厘米-3。 ②耦合腔干涉法 又稱三鏡片干涉法。設備為雷射干涉儀（原理如圖11所示）。干涉儀中的反射鏡M1和M2構成氣體雷射器的諧振腔；反射鏡M2和M3構成參考諧振腔，其中放入待測的電漿。雷射器的光從M2透射到參考腔，通過電漿被M3反射後又透過M2回到雷射器中。如果經過M3反射的光和直接從M2反射的光是同相位的，則雷射器輸出強度增加；如果兩者相位不同，輸出強度便減小。因此當電漿折射率變化（由電漿密度變化引起）時，雷射器的輸出強度被調製。光兩次通過參考諧振腔，電漿中的光程每改變二分之一波長就會使雷射輸出強度發生一個條紋的變化。在這種雷射干涉儀中,干涉條紋的移動數N與電漿折射率n的關係為：
③差拍干涉法 將待測電漿放入雷射器的諧振腔內，電漿密度的變化引起光程的變化，諧振腔的振盪模式也發生相應的變化，從而又引起雷射器輸出頻率的變化。用差拍技術或外差方法測定這種微小的頻率變化，就能確定電漿的電子密度。此法僅適用於測量慢變化或穩態的電漿，並要求雷射系統十分穩定。此法可以測量的電子密度範圍約為1010～1014厘米-3。
④雙波長干涉法 採用兩束不同波長的雷射同時通過待測電漿，產生兩組不同波長的干涉條紋，可同時測定電漿中電子和原子兩種組分的密度。單波長干涉法只考慮電子而忽略離子、原子等重粒子對電漿折射率的影響。如果要更準確地測定電子密度和原子密度，則須採用雙波長干涉法。
雷射散射法 此法可用來測定電漿的電子溫度、密度、離子溫度及其空間、時間分布。常用的方法如下：
①湯姆孫散射法 強雷射通過電漿時，如果散射光波長遠小於德拜長度，則雷射散射受單個電子無規熱運動的影響，而不受電子和離子整體運動的影響，因而散射譜僅能反映電子運動效應。根據實驗測出的散射譜的半寬度就能求出電漿的電子溫度。電子散射譜半寬度（半高度上的全寬度），可以分別用圓頻率或波長表示如下： 式中ω0為入射光圓頻率；λ0為入射光波長；θ為散射角；k為玻耳茲曼常數；Te為電漿的電子溫度；m為電子質量；c為真空光速。
②集合散射法 強雷射通過電漿時，如果散射光波長遠大於德拜長度，則雷射散射主要受電子和離子整體運動的影響，散射譜就能反映離子運動效應。根據實驗測出的離子成分譜，就可以估算離子溫度。由於散射截面十分微小（一般為10～10厘米2的量級）,而散射信號強度的量級僅為入射信號強度的10，所以為了能夠測出散射信號而且有較小的統計誤差，必須採用大功率巨脈衝雷射器作光源，採用靈敏度高、信噪比大、時間回響快的光探測器作接受器。
③喇曼散射法 強雷射通過氣體或電漿時，有一部分散射光的頻率會發生變化,出現頻率為v±Δv的譜線。頻移Δv對應於氣體或電漿中的分子、原子系統的振動能量和轉動能量，由此可以獲得原子、分子的振動溫度、轉動溫度、密度和能級分布等。喇曼散射光譜強度十分微弱，用一般光源難以觀測，直到雷射器出現後，喇曼散射法才迅速發展起來。
雷射散射法的優點是能在不擾動電漿的情況下，測定電漿的局部參量,空間解析度可以達到0.5毫米以下，時間解析度可以達到幾十納秒。
光譜法 利用電漿的發射光譜或吸收光譜診斷電漿溫度、密度和化學組分等參量的方法。此法是在50年代初期由H.邁克等人較為系統地提出的，起初套用於天體物理和基礎實驗研究，後來又套用於航天環境模擬、化工冶煉、熱加工和能源等方面的實驗中。60年代，開始用雷射光譜診斷法（吸收光譜法、螢光光譜法、喇曼光譜法、光聲光譜法等）對電漿狀態和輸運性質進行實驗研究。下面只介紹較為常用的、成熟的經典的光譜測量溫度的方法。
通常的光譜法測溫，總是假定電漿處於局部熱力學平衡和光薄狀態。所謂局部，應理解為"巨觀上足夠小，微觀上足夠大"的區域。"巨觀上足夠小"系指電漿雖在一個大區域內處於非均勻態（例如各點的溫度不一樣）,但如把大區域劃分為若干個小區域,在每個足夠小的區域中，溫度、壓力等又可近似看作是均勻的。"微觀上足夠大"系指在每個巨觀上足夠小的區域裡包含足夠多可作統計估算的粒子。所謂光薄，應理解為電漿相當稀薄,不存在自吸收作用(自吸收系指電漿中原子或離子的輻射通過整個等離子區域時，被同一元素的另一些原子或離子所吸收)。 光譜法測量通常是通過測量譜線強度、譜線的位移和加寬或連續譜的強度來得到所要的電漿參量。光譜法測溫可分為譜線加寬法、相對強度法、絕對強度法、譜線反轉法、連續譜法、離軸峰值法等。
譜線加寬法測溫 譜線加寬的原因較多，但在加寬原因比較單一的條件下可採用這種方法測溫。譜線加寬法測溫分為：
①都卜勒加寬測溫 只適用於粒子數密度較小、低壓、稀薄氣體的情況，譜線加寬主要是由都卜勒效應引起的。都卜勒加寬測溫的公式為：
T＝1.95×1012Μ(Δλ1/2/λ0)，
式中T為熱力學溫度(開);Μ為電漿氣體分子量(克)；λ0為加寬譜線的中心波長（埃）;Δλ1/2為所測加寬譜線輪廓的半寬度（圖12）。從上式可知,溫度愈高,都卜勒加寬愈大,而在相同溫度下,輕粒子的譜線加寬大於重粒子的，故此法常採用氫譜線作為測量線。在低溫電漿測溫範圍內,加寬量很小,僅為0.1～0.001埃，必須用高解析度光譜儀才能測定。
②斯塔克加寬測溫 外電場、電漿的本身電場和變化電場都會引起譜線變寬或峰值位移。此法適用範圍是：電子數密度為1014～1018厘米-3，壓力約一個大氣壓左右，溫度為104～2×104開。相對強度法測溫 此法是根據同類原子(或離子)兩譜線的輻射密度（或發射係數）之比和溫度的基本關係式推導出溫度的，即
實際上，由於電漿源溫度分布很不均勻（溫度梯度高達每毫米幾千開），其熱物理狀態不能單用一個"溫度"來表征，所以需要測量溫度的空間分布。常用的方法有空間掃描法、光譜掃描法、局部區的光學隔離法等。用經典光譜儀測溫常採用空間掃描法，其原理如圖13所示。圖中的光場探頭是由透鏡L1和相干光導纖維束的一端組成的。它可在電漿射流的軸向(z)和橫向(x方向，垂直紙面向後)步進掃描，經相干光導束的彎曲傳象，由透鏡L2成像於光譜儀的入射狹縫上。分光後，在光譜儀焦平面上取出兩譜線的輻射能量,經傳光光導纖維束進入光電倍增管PMT，由數字儀表顯示記錄。 在軸對稱電弧電漿射流一側測出的信息是實測方向輻射率的疊加效應。空間掃描法是基於測量電漿一側一系列橫向的光譜輻射率，通過一定轉換就可算出軸向位置不同的各橫截面上溫度的徑向分布，並可繪出整個電弧電漿射流的溫度分布圖。選測的兩譜線，宜選用能級差較大的線對，以利於提高測試的精度。
絕對強度法測溫 此法測溫的基本關係式為：
，
譜線反轉法多用於3000開以下火焰透明電漿溫度的測量。連續譜法用於測量 104開以上電漿的溫度。但在這種高溫條件下，產生連續譜的原因較多，難以確認，常會引起較大的測量誤差。離軸峰值法主要用於測量2.6×104開以上氬電漿的溫度和1.6×104開以上的一次電離譜線。
光譜法具有非接觸測試的特點，是低溫電漿診斷的重要方法之一。其測試系統如配置微處理機，就可實現測試和數據處理過程自動化，並提高測試診斷水平。
參考書目
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