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等离子体诊断,2008年4月,等离子体（Plasma）物质第四态,William Crookes(1879,English physicist)Irving Langmuir(1929,American chemist and physicist).,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”,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 D i。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：,10-122,2、判断是否为等离子体：电子的碰撞频率与中性粒子的碰撞频率相近，这时一般ne0.1n0,3、判断是否为等离子体：气体足够稠密，以致德拜球尺度D远小于L。,等离子体按电离度不同分类：电离度电离度=ne/(ne+nn)，以此来衡量等离子体的电离程度。=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%(10-2)例如：火焰中的等离子体大多数：等离子体为中性粒子(10-3)，称之为弱电离等离子体。,高温等离子体 Te Ti Tn 104K低温等离子体 Tn Te 104K,等离子体按温度分类,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。,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TeTi,TeTn。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,天体物理学,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,等离子体物理的三大发展方向,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。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。,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。,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,等离子体与应用,Arc Lamp,Fluorescent Lamp,High efficiency lighting Manufacturing of semiconductors for home computers TVs and electronics Flat-panel displays Surface treatment of synthetic cloth for dye adhesion.,44 Plasma PDP TV,工业等离子体设备,Plasma Generation Devices-Low pressure electrical discharge-Penning plasma discharge-Radio-frequency(RF)capacitive discharges-RF inductively coupled plasmas-Microwave generated plasmas,三 种约 束方 式,Sun,The Tokamak Fusion Test Reactor,Princeton,等离子体与制造业,Computer chips and integrated circuits Computer hard drives Electronics Machine tools Medical implants and prosthetics Audio and video tapes Aircraft and automobile engine parts Printing on plastic food containers Energy-efficient window coatings High-efficiency window coatings Safe drinking water Voice and data communications components Anti-scratch and anti-glare coatings on eyeglasses and other optics$200 billion/year,等离子体诊断：对等离子体的性质和状态以及各种参量（即表征等离子体性质和状态的物理量）的测定等离子体实验研究和等离子体各项应用中需要首先解决的一个问题。,历史发展1900s渊源于光学天文观测。以恒星发射的可见光为起点的天文观测现在已发展成为包括射频电磁波、红外线、紫外线、X 射线、射线以及各种粒子在内的天文等离子体诊断1920s以来，气体放电的研究，提供了等离子体的实验室观测。核爆炸性能的确定要依靠对爆炸形成的等离子体的诊断。现代高空飞行器和航天技术以及无线电通信技术的发展，也对等离子体诊断起了促进作用。1950s后受控热核聚变和空间开发等研究和应用的需要，正在进一步推动等离子体诊断学的发展。,等离子体诊断,电磁测量,辐射测量,粒子测量,IpUlBMHD,Te imp nimp PradPtarget ne J(r)Ti MHD.,Ti,Te,ne(边界）,使用各种诊断方法所能测量的等离子体参量,其中的“差”表示测量精度差或必须进行复杂的定标。,诊断的方法有探针法、微波法、激光法、光谱法、光学法和粒子束法等,诊断的参量包括微观参量（如：电子温度、离子温度、电子密度、碰撞频率等）宏观参量（如：密度、温度、压力等热力学参量，以及粘性、扩散、热导率和电导率等输运系数）。,等离子体诊断和一般的物理实验诊断一样。其要素有误差、分辨率、信噪比等。,一、实验的可靠性和误差,1、实验的校验2、偶然误差和系统误差3、误差的计算4、数据处理,二、分辨率,1、被测数量的分辨率2、空间分辨阿贝尔变换3、时间响应傅里叶变换,三、干扰与噪声,1、干扰与噪声的来源2、干扰的的消除3、噪声的抑制,其他注意方面：1、对于复杂实验，善于将条件简化。将各个因素的效应分离出来，以便找出问题和验证结果。用模拟实验是有效的：利用对称的磁探针测量等离子体的位置时，可以用一根通过电流的导线代替等离子体电流。2、将最初的测量量取消.例如：在测量等离子体效应以及干扰时：让气体不充气时做放电测量或不放电时的微扰测量。3、同国内外同行之间做对比，实验和理论两方面，尊重他人结果但也不盲从。,1、实验的校验,一、实验的可靠性和误差,2、偶然误差和系统误差,实验工作者力争对自己工作中可能存在的误差做合理的估算,误差,偶然误差,系统误差,偶然误差是各种已知条件保持恒定的情况下，由于各种不可控因素使测量结果表现出来的差异。误差来源：测量本身的起伏和过程中的起伏。统计特性是精密测量误差的极限。多次测量来减小偶然误差,系统误差是由于测量过程中某些确定的因素使得测量结果和被测量量之间产生偏差。例如：光电管测量入射光强时存在的暗电流本底；计数粒子束时，由于探头失效时间而使计数损失等。,补充：绝对误差和相对误差,设某测量值N的真值为N，误差为=|N-N|，则，它反映测量值偏离真值的大小，叫做绝对误差。绝对误差和测量值N具有相同的单位。用绝对误差无法比较不同测量结果的可靠程度，于是人们用测量值的绝对误差与测量值之比来评价，并称它为相对误差，用/N 表示，并可化成百分比，也叫百分误差。例如用外径千分尺测量两个物体的长度分别是1000毫米和010毫米，两次测量的绝对误差都是001毫米，从绝对误差来看，对两次测量的评价是相同的，但是前者的相对误差为01%，后者则为10%，后者的相对误差是前者的一百倍。,3、误差的计算,实验结果由几个测量数据数学运算获得，每个测量数据都有自己的误差,为绝对误差，为相对误差栏为非统计性误差，栏为接近高斯分布的统计性误差,偶然误差,系统误差,系统误差不表现在实验结果的离散上，在实验不是根本错误的基础上，从实验结果加以一定的修正可以得到真实的结果,A0A+FA0A（1+f）,(1)中：A0为真实值，A为实验值，F代表与A无关的改正值，例如电表的零点漂移，光电管的暗电流、粒子探测器的宇宙射线本底等(2)中：存在一个与A成比例的改正值Af，例如直尺由于热膨胀引起的刻度变化，探测器的探测效率、透镜的透光率等。,减法消除,除法消除,在光谱测量中，需要用各种修正因子，例如：收集光的立体角，透镜的透光率，探测器的探测效率等，难以精确测定，可以用不同光源的同一光谱线的强度比值或同一光源的相邻两个谱线的强度进行消除。,二、分辨率,等离子体物理中经常用分辨率这个概念来说明测量的精度，也就是说被测的数量之间相差多大程度，才能通过测量来加以区别出来,除了数值上被分辨出来以外，还要知道这个被测量量在哪个空间范围和时间范围之内，就是时间分辨率河空间分辨率的问题。,测量中的分辨率与测量误差有关。,分辨率 仪器的理论分辨率 R值大 分辨能力强分辨率 是500060000之间,：两条谱线的平均波长,：能分辨两条谱线的波长差,空间分辨率：指图象中可辨认的临界物体空间几何长度的最小极限。,在高温等离子体中要得到空间分辨率是比较困难的，这时因为等离子体温度之高，无法将探头深入到等离子体的内部，而只能通过在外部测量它们的透射、散射和反射的信号。,激光散射测量散射点位置,先测得或计算某一参数的空间分布，如果另一事件与该参数相关的话，就可推知该事件的位置，实现空间分辨率的测量。例如：电子回旋辐射频率与磁场强度有关，如果知道磁场的分布，再根据回旋辐射的频率就可以推知它发生的位置。,知道某一等离子体参数沿某一直线的平均值或积分值，有没有可能推算该参数的空间分布。,微波干涉实验中，穿过等离子体总的相位可求的，能否求沿直线方向的等离子体密度？测得光谱辐射的积分值，求密度？,对于具有轴对称分布及柱形分布的参数，可以根据阿贝变换，由沿弦的积分量来求得径向分布,假定一个轴对称分布的参量，取其横截面，只与径向r有关，沿着弦的积分是,根据数学上的阿贝变换：,还可以用图解法和计算机数值模拟,时间分辨率和时间响应 时间分辨是指该测量手段能够把事件发生的时刻确定到 何种精确程度，或者指两个相继发生的事情能够被区分或鉴别开来的时间间隔的下限值。时间响应指该测量量能否反映被测量量随时间的变化情况。,时间分辨测量常用的方法：照相、换能器或探测元件、光电倍增管,目前，高温等离子体多半是脉冲式的，从时间上分为三类：1）惯性约束，整个过程在亚毫秒时间内发生 subnanosecond。目前最快的电子技术都难以反映它的过程细节。2）磁约束中的快装置：放电过程 以微秒计，现在已经达到，但是在选择探测元件时要考虑时间响应问题3）磁约束中的慢或准稳装置，放电过程是毫秒以上,定量说明测量装置或者探测元件的时间响应：（两种方法）,1、假定被测物理量作阶跃式或矩形变化条件下观察结果A的变形，下图给出了两种常见的响应波形,t1,t2,t1,t2,T,t1和t1为延迟时间，t2和t2为前后沿时间,2、假定被测量的量是按余弦变化,只要测量仪器中不包含非线性元件，测量结果也应是同频率的谐振波,幅度放大系数,相角移,K,w,K0,wL,wH,WH和WL大致来表征仪器的时间特性,采用简谐波的原因，还因为任意波形都可以展开为多种频率的简谐波之和或简谐波对某种频率的积分，称为傅里叶变换。,对于周期为T的函数f（t）,其中：,对于非周期性函数f（t）,其中：,f（t),0,T,1/T间距,如果知道了测量仪器的频率特征，也知道了物理量的频谱，只要仪器是线性的，就可以逐一求出每个频率的输出量，总的输出就等于他们的叠加,w,Cn,三、干扰与噪音,在受控热核装置附近有着复杂的环境，和大量的干扰源，诊断又需要测量一些微弱的信号，所以消除干扰，提高信躁比，是决定实验成败的关键因素之一。,干扰与噪音的来源：,信躁比定义为诊断系统所得到的信号和噪声幅度之比。这里的噪声是广义的，它包括来自被测量系统的侠义噪声和来自外部的干扰。,干扰:由外部因素引起的测量对象或测量结果的扰动或偏差噪声：内在因素引起的统计性涨落,干扰:空间电磁波、电源的噪声和实验系统本身的电磁干扰。由于很多等离子体系统是由各种放电产生的，所以放电对诊断的干扰是不可避免的。例如：磁探针对磁场的干扰；高温等离子体本身会辐射电磁波，从无线电波到X射线都有，还有逃逸的粒子电源的老化，焊接问题等,噪音：,热运动产生的热噪声，电流涨落产生的散粒噪声器件本身的闪烁噪声：由于器件的某些缺陷或不均匀性而引起信号的闪动。例如：电子管阴极表面的不均匀性，反向PN节的漏电流，电阻中的结构不均匀等。,噪音的计算：,噪音的大小可以用没有外信号（包括外干扰）时的瞬时电流或电压与其平均值间偏差的方均值表示。I（t），V(t)为电流电压的瞬时值，I0和V0代表其平均值,干扰的消除屏蔽,屏蔽作用可以分成三类：1、静电屏蔽2、电磁屏蔽3、静磁屏蔽,静电屏蔽和电磁屏蔽都是用良导体，如铜、铁、铝等，将被屏蔽物体包裹起来，他们都是同时解决的，但两者的原理不同。,静电屏蔽可以消除电容性干扰，其理论依据为导体内部不存在电力线，但须注意：屏蔽导体必须接地或某一恒定电位。,+Q,-,+,电磁屏蔽是利用交变磁场在导体表面上引起涡流产生反向磁场的效应来消除互感式高频磁场的干扰。不需要接地，但须注意：要容易产生涡流，最好不要开密集的缝或做成网状。,因为铁磁材料的磁导率比空气的磁导率要大几千倍，所以空腔的磁阻比铁磁材料的磁阻大得多，外磁场的磁感应线的绝大部份将沿着铁磁材料壁内通过，而进入空腔的磁通量极少。这样，被铁磁材料屏蔽的空腔就基本上没有外磁场，从而达到静磁屏蔽的目的。材料的磁导率愈高，筒壁愈厚，屏蔽效果就愈显著。因常用磁导率高的铁磁材料如软铁、硅钢、坡莫合金做屏蔽层，故静磁屏蔽又叫铁磁屏蔽。,静磁屏蔽,静磁场是稳恒电流或永久磁体产生的磁场。静磁屏蔽是利用高磁导率的铁磁材料做成屏蔽罩以屏蔽外磁场。它与静电屏蔽作用类似而又有不同。,B=0H,B=r 0H,其他消除干扰方法：,隔离：例如用隔离变压器可隔离直流信号和静电干扰。使用光纤传输信号可排除空间电磁波和射线的干扰。有一种光隔组件，它将电信号通过一个发光二极管转换为光信号，再用光电管接收变为电信号，以隔离可能的高压信号。,滤波：在光谱测量中使用干涉滤光片是光学滤波。在交流信号传输中可使用LC或RC滤波除去不需要的频段。在静电探针测量等离子体参数时，使用X-Y记录仪画出特性曲线也属于一种滤波，对于使用高频电源时特别有效。,将模拟信号转换为数字信号以提高抗干扰能力。,谢 谢Thanks,