Измерение температуры плазмы дугового разряда

Целью данной работы является изучение спектроскопического метода измерения температуры плазмы по относительным интенсивностям спектральных линий одного элемента, измерение этим методом температуры дуговой плазмы, а также расчет некоторых дополнительных параметров дуговой плазмы.

Плазма это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных или отрицательных зарядов практически одинаковы.

Одна из основных задач экспериментальной физики плазмы состоит в определении ее отдельных параметров. Такими параметрами могут быть температура, концентрация электронов и других частиц, плотность тока или другие величины, которые представляют интерес для экспериментатора.

Методы, которые дают информацию о параметрах плазмы, называют диагностическими методами.

Спектроскопическим методам исследований плазмы часто отдается предпочтение перед многими другими известными методами. Для этого имеются три важные причины.

1) При таких измерениях отсутствует возмущающий эффект, который присутствует, например, при любых зондовых измерениях.

2) Возможность с большого расстояния провести исследование светящегося объекта (дистанционность).

3) В спектре содержится большое количество информации как о самом объекте, так и об окружающей его среде.

Рис.1. Информация, извлекаемая из спектра.

Поясним 3-й пункт на примере. Предположим, что измеряется спектральная интенсивность какой-нибудь одной линии и в ее окрестности (Рис. 1.).

1) Сам факт присутствия линии с данной длиной волны свидетельствует о том, что определенный элемент находится в плазме на определенной ступени ионизации.

2) Профиль (форма контура) линии дает сведения о кинетической температуре излучающего атома (доплеровское уширение) или о плотности возмущающих частиц (уширение из-за эффектов давления).

3) Интегральная интенсивность линии позволяет сделать заключение о температуре и плотности излучающих частиц данного сорта.

4) Из непрерывного фона (континуума) часто можно определить плотность электронов.

5) Тонкая и сверхтонкая структуры спектральной линии (на рисунке не показаны) содержит в себе богатую информацию об изотопном составе плазмы, о взаимодействии электронной оболочки с ядром и даже о квантоводинамических эффектах атомов и ионов.

Если принять во внимание, что в спектре обычно присутствует не одна линия, а, как правило, много линий разных элементов, то можно понять важность спектроскопических методов для исследований плазмы.

Трудности спектроскопической диагностики заключаются обычно в необходимости детальной интерпретации зарегистрированного спектра и связанных с этим проблемами, т.е. иногда не так просто, особенно в малоизученном спектре, сказать какая спектральная линия к какому атому или иону относится.

Спектроскопические исследования плазмы включают в большой набор методов измерения температуры плазмы, таких как

1) Определение температуры по доплеровским профилям спектральных линий.

2) Определение температуры по интенсивностям системы полос или одиночных полос двухатомных молекул.

3) Определение температуры по непрерывному излучению (континууму).

4) Определение температуры по интенсивностям спектральных линий атомов и ионов, в том числе

• а) определение температуры по наклону зависимости абсолютной интенсивности линии от температуры.

• б) определение температуры по относительным интенсивностям спектральных линий одного элемента

• в) определение температуры по относительным интенсивностям спектральных линий различных элементов.

Изучаемый в работе метод измерения температуры используется для диагностики плазмы, например, при разработке новых плазменных источников света, при разработке устройств термоядерного синтеза (ТОКАМАК), для определения температур космических светящихся объектов (Солнца и других звезд), для совершенствования методов сварки сплавов и плазменной обработки поверхности металлов и др.