等离子体诊断

等离子体诊断2008年4月等离子体（Plasma）—物质第四态WilliamCrookes(1879,Englishphysicist)IrvingLangmuir(1929,Americanchemistandphysicist).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λDL。2等离子体频率必须大于电子和中性粒子的碰撞频率，即ƒpνi。3德拜球内的带电粒子数目必须远大于1,即ND1。1、判断是否为等离子体：沙哈公式：kTEieeieiegghkTmnnn032302)2(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ne～0.1n0ne3、判断是否为等离子体：气体足够稠密，以致德拜球尺度λD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(β10-3)，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TnTe~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(plasmajet)、等离子体喷焰(plasmatorch)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(coldplasma)。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ITERITER是InternationalThermonuclearExperimentalReactor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ArcLampFluorescentLampHighefficiencylightingManufacturingofsemiconductorsforhomecomputersTVsandelectronicsFlat-paneldisplaysSurfacetreatmentofsyntheticclothfordyeadhesion.44PlasmaPDPTV工业等离子体设备PlasmaGenerationDevices-Lowpressureelectricaldischarge-Penningplasmadischarge-Radio-frequency(RF)capacitivedischarges-RFinductivelycoupledplasmas-Microwavegeneratedplasmas三种约束方式LaserplasmaSunTheTokamakFusionTestReactor,Princeton等离子体与制造业ComputerchipsandintegratedcircuitsComputerharddrivesElectronicsMachinetoolsMedicalimplantsandprostheticsAudioandvideotapesAircraftandautomobileenginepartsPrintingonplasticfoodcontainersEnergy-efficientwindowcoatingsHigh-efficiencywindowcoatingsSafedrinkingwaterVoiceanddatacommunicationscomponentsAnti-scratchandanti-glarecoatingsoneyeglassesandotheroptics~$200billion/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、γ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IpUlBMHDTeΓimpnimpPradPtargetneJ(r)TiMHD…….Ti,Te,ne(边界）使用各种诊断方法所能测量的等离子体参量测量方法efifenin0niVeTiTpEB涨落电磁测量良优优优优粒子流优优良良良优优优折射率优优回旋辐射差良优轫致辐射良良良优线辐射良良良优良优差电磁波散射差良差优差差优电荷交换良优优核反应差良优重离子束良优差其中的“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、噪声的抑制实验的校验多次测量对比测量例如：磁探针其他注意方面：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1.52.02.53.03.54.04.55.05.50.40.50.60.70.8I(A)U(kV)D=350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ε=|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ε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ε/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10．00毫米和0．10毫米，两次测量的绝对误差都是0．01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0．1%，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简单，只考虑两个测量值的四则运算两个以上的四则混合运算以此类推偶然误差运算A+BA+BA*BA/BⅠΔΔA+ΔBΔA+ΔBBΔA+AΔB(BΔA+AΔB)/B2δ(ΔA+ΔB)/(A+B)(ΔA+ΔB)/(A-B)δA+δBδA+δBⅡΔ[Δ2A+Δ2B]1/2[Δ2A+Δ2B]1/2[(BΔA)2+(AΔB)2]1/2[(BΔA)2+(AΔB)2]1/2/B2δ[Δ2A+Δ2B]1/2/(A+B)[Δ2A+Δ2B]1/2/(A-B)[δA+δB]1/2[δA+δB]1/2Δ为绝对误差，δ为相对误差Ⅰ栏为非统计性误差，Ⅱ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A0＝A+FA0＝A（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