等離子體光譜

　　從等離子體內部發出的從紅外到真空紫外波段的電磁輻射譜。它攜帶瞭大量有關等離子體複雜的原子過程的資訊。利用光譜學的原理和實驗技術，並借助於等離子體的理論模型，測量分析等離子體光譜，對於等離子體的研究是有重要意義的。

　　等離子體光譜主要是線狀譜和連續譜。線狀譜是等離子體中的中性原子、離子等由其高能級的激發態躍遷到較低能級時所產生的，單個粒子發射的譜線強度主要決定於:①原子或離子的外層電子處於上能級的幾率，②這種電子從上能級躍遷遷到下能級的躍遷幾率，③光子在逸出等離子體之前被再吸收的幾率。但譜線的總強度與電子和離子的密度和溫度有關，每條譜線有它自己的強度分佈規律，因此從譜線強度的測量，結合理論模型和上述光譜中的原子數據，可以得到電子、離子的密度、溫度等信息。根據多普勒效應，從譜線波長的移動可確定等離子體的宏觀運動速度。連續譜是電子在其他粒子的勢場中被加速或減速而產生的。從連續光譜強度的測量，也可得到電子密度、溫度等數據。

　　隨著等離子體溫度的升高，如到達10⁶度以上，原子的外層電子逐漸被剝落，形成各種離子態的離子，如CⅣ、CⅤ、OⅥ、NⅤ、FeⅪⅩ、TiⅪⅩ（Ⅰ為中性原子，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、…為失去 1、2、3、…個外層電子的離子）等。這些高次電離的離子，其線狀譜大都處在遠紫外波段。連續譜的情形，也是隨著溫度的升高，其發射強度的極大值往短波方向移動。對於高溫等離子體，如目前聚變高溫等離子體，其工作物質是氫及其同位素氘和氚，但不可避免地會含有一些雜質，如C、O、Fe、Ti、Mo、W等元素，溫度已達10⁷度以上，這些雜質離子的光譜大部分是在真空紫外及 X射線波段。分析這些較重雜質的高次電離譜線的出現時間和位置，比較它們的強度，對這樣高的溫度的等離子體的參量測量、輸運過程和等離子體的輻射損失等的研究都是很重要的。尤其是對類氫、類氦離子的譜線強度的分析，更為有用，因為對於這些離子的原子數據較為完全。

　　等離子體光譜的另一個重要方面，是譜線的形狀或輪廓。光譜線並不是“線”，而是有一定寬度的輪廓。在等離子體光譜中，譜線增寬的機制較復雜，其中有兩個因素比較重要，就是多普勒效應和斯塔克效應。等離子體中的各種粒子處於無規熱運動狀態，它們相對於觀察者具有各種方向和大小的速度，就會產生多普勒頻移，因此，所發射的光譜線不再是“線”，而是按波長的某種分佈，即譜線“變寬”瞭，這就是多普勒增寬。多普勒增寬同離子速度分佈有關，如這種離子的速度呈麥克斯韋分佈，則與其離子溫度有關。用多普勒增寬測量高溫等離子體中的離子溫度是一種常用的方法，離子溫度可用下式計算：

，

式中k為玻耳茲曼常數，T_i為離子溫度，A為所測原子或離子的原子量，Δλ為譜線輪廓在半高度處的寬度。計算時要扣除其他因素引起的增寬。

　　另一個重要效應是斯塔克效應。等離子體中的每個發光粒子都處於其他粒子所帶電荷產生的電場中，由於電場的作用，這個粒子所發射的光譜發生分裂，這就是斯塔克效應。分裂情況同等離子體中的粒子密度有關。帶電粒子產生的微觀電場是復雜的，引起各式各樣的斯塔克分裂，疊加的結果，使光譜線變寬，形成斯塔克增寬。在溫度較低(幾個電子伏)、密度較高（大於10τm^-3 ）的等離子體中，常用斯塔克增寬來測量電子密度。

的斯塔克增寬理論較為完整，理論指出這類斯塔克增寬譜線輪廓的半高全寬度與 成正比， N _e為等離子體的電子密度。

　　聚變裝置的高溫等離子體往往處於強磁場中，會引起光譜線分裂，這就是光譜學中熟知的塞曼效應。在一些大型聚變裝置中，磁場強度為幾個特斯拉(T)，分裂正比於磁場強度B和波長λ的二次方的乘積，如λ＝5000Å，B＝1T時，則塞曼分裂＝0.117Å。根據譜線塞曼分裂的大小可推算等離子體中的磁場強度。

　　如上所述，測量等離子體的輻射，如譜線強度、譜線輪廓以及譜線的分裂、位移等後，就可以得到等離子體的一些參量，如等離子體成分、溫度、密度等。這方面的工作構成等離子體光譜診斷學，是等離子體診斷學的一個重要組成部分。