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。
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2gi
Ei
ekT
10-122
n0
h3
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2、判断是否为等离子体：
e n
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