【外文詞條】plasma radiation
【作 者】曹家麟
自然界和實驗室中的等離子體中包含電子﹑離子﹐有時也有中性原子。由於這些粒子間以及它們與電磁場之間的相互作用﹐等離子體會輻射出大量的電磁波﹐其頻率範圍包括微波﹑光波和 X射線區域。在天文學中幾乎完全依靠等離子體的輻射來獲取知識﹔在實驗室等離子體的研究工作中﹐通過對輻射的測量可以給出等離子體的許多信息﹐如組分﹑電離狀態﹑溫度﹑密度等﹔輻射又是高溫等離子體能量輸運和耗散的一個重要途徑﹐因而在聚變等離子體研究中﹐為了實現聚變反應的功率平衡﹐減少輻射損失﹐是目前的一個重要課題。
等離子體輻射的定量分析還處於初步階段﹐僅對某些特殊情況作了理論分析。如等離子體處於完全熱平衡﹐並對輻射能完全吸收﹐就可以直接用黑體輻射公式來描述各種溫度下的輻射譜。但是一般實驗室的等離子體都不是完全吸收體﹐其輻射低於黑體輻射限。有些等離子體更是遠離完全吸收體﹐如實驗室的磁約束等離子體﹐一般都是稀薄電離氣體﹐除在低頻(如微波)部分和一些共振頻率處有較強的吸收外﹐它對輻射幾乎是完全透明的。當等離子體輻射不能簡單地用黑體輻射描述時﹐就必須考察其具體的輻射過程﹐下面簡介幾種主要的輻射機制。
激發輻射 當等離子體中存在原子或部分電離的離子時﹐原子或離子的外層軌道電子可能被激發到較高能級。除亞穩態外﹐激發態的壽命一般短於10
秒﹐所以電子很快就跳回到較低能級﹐同時發生輻射﹐稱為激發輻射。這是電子在束縛態之間躍遷而產生輻射﹐也稱為束縛-束縛過程。束縛態能量都是量子化的﹐所以此過程所發射的光子能量是分立的﹐形成線光譜。各種原子或離子有其獨特的線光譜系。某種元素的原子或離子相應於能級p﹑q之間躍遷所發射譜線的功率密度
為 
﹐ (1) 式中
為i 階離子(i=0為原子)處於上能級 p的粒子密度﹔
為p﹑q能級間的自發躍遷幾率﹔
為p﹑q能級間的能量差。 式(1)中的
由粒子的電離態和激發態的分布決定﹐它涉及等離子體模型。理論上根據等離子體的不同狀態採用局部熱平衡﹑日冕和碰撞輻射等模型。計算的可靠性不僅決定於模型的選取﹐還決定於所採用的原子參量的精度。原子參量如激發﹑電離和複合等截面數據或半經驗表式正在不斷積累和改進中﹐目前所達到的精度一般不高。對原子序數低的元素可能相差一倍﹔對原子序數高的元素可能相差10倍。
為了求得等離子體的激發輻射功率﹐原則上要計算出所有譜線的輻射功率之和﹐一般只計算一些很強的線輻射。不同元素的激發輻射則與元素的原子序數及電子溫度有很大關係。一般說低溫時低電離態的原子的激發輻射強﹔隨著電子溫度升高﹐高電離態的原子的激發輻射增強。日常所見的等離子體光源如霓虹燈就是利用激發輻射。在受控核聚變研究中﹐作為工作氣體的氫或其同位素在電子溫度高於十幾個電子伏時基本上完全電離。但是等離子體中含有少量原子序數較高的雜質時﹐雜質的激發輻射是等離子體的最主要的輻射源。
譜線的自然寬度很窄﹐而引起其譜線增寬的因素主要有﹕多普勒效應﹑斯塔克效應等。譜線的波長﹑強度﹑輪廓和偏振度都可表徵等離子體性質。
複合輻射 等離子體中的自由電子和離子碰撞時可能與離子複合﹐複合時釋放光子﹐稱為複合輻射。複合過程中電子從自由態到束縛態﹐因此也稱為自由-束縛過程。自由電子有一個速度分布﹐在其被俘獲時釋放的能量構成一個連續譜。不過這種輻射譜是躍變式的。自由電子可能被捕獲到各個能級﹐其輻射的光子能量 h
為 
﹐ (2)
式中h為普朗克常數﹐
為光子頻率﹐
為自由電子能量﹐
為俘獲能級的電離能。因而每一個連續譜相應於自由電子落入某一個能級﹐其低頻限為。電子複合到i+1階離子的第
能級的複合輻射功率密度
由下式計算 
﹐ (3) 式中
為電子密度﹔
為i+1階離子處於第 能級的密度﹔v為電子速度﹔
為相應的電子複合截面﹔〈
〉為對電子按麥克斯韋速度分布求平均。不同的原子以及不同的電離態具有不同的能級分布﹐情況是複雜的。對於氫原子及類氫離子的計算結果表明﹐複合輻射僅在低溫時比較重要﹔在電子溫度大於30Z
電子伏(Z為原子序數)以後﹐它在等離子體的連續輻射中所佔的成分愈來愈小。
軔致輻射 等離子體中的帶電粒子在庫侖碰撞過程中電子的速度改變時所發出的輻射﹐稱為軔致輻射。電子在軔致輻射過程前後都是自由的﹐所以這種輻射也稱為自由-自由過程。軔致輻射是連續輻射﹐包括寬廣的頻率範圍。軔致輻射的最大能量接近電子動能﹐所以對於10電子伏電子產生的軔致輻射最短約在1000埃處﹔對於1000電子伏電子﹐約處於10埃處﹐所以軔致輻射通常發生在X 射線到紫外區域。根據量子力學計算﹐可以得到等離子體中的軔致輻射功率密度
ff為 
﹐ (4) 式中
為第
種離子的密度﹔
為第種離子的有效電荷﹔除電子溫度
以電子伏為單位外﹐其他為MKS制。 在受控核聚變研究中﹐電子溫度低於幾百電子伏時﹐軔致輻射可以忽略。在10千電子伏以上的高溫時﹐所有雜質的外層電子接近於完全剝離。此時線譜輻射已不重要﹐雜質的影響主要為引起軔致輻射增強。如氘等離子體中含有3％的氧核﹐軔致輻射增強3.6倍。軔致輻射決定聚變反應堆的運行條件﹐即聚變反應所產生的功率要超過由軔致輻射的功率損失。
迴旋加速器輻射 在被磁場約束的等離子體中﹐電子和離子受到洛倫茲力作用而圍繞磁力線以一定頻率作螺旋運動﹐電荷的向心加速會引起輻射﹐稱為迴旋加速器輻射。電子的迴旋輻射是主要的。離子由於質量較大而運動緩慢﹐其輻射可以忽略。迴旋加速器輻射為線輻射﹐它主要包括迴旋基頻及其諧波﹐諧波頻率小於30個階頻。迴旋加速器輻射強度的空間分布與磁場方向有關﹐一般為橢圓偏振波。在通常低於10個特斯拉 (T)的磁場強度下﹐其發射頻率在微波區。等離子體發射的迴旋輻射功率密度
為 
﹐ (5) 式中B為磁感應強度﹔除 T
以電子伏為單位外﹐其他為MKS制。
當溫度低於5千電子伏時﹐迴旋加速器輻射小於軔致輻射﹔在更高溫度時前者增長較快﹐可能超過後者。但如等離子體具有一定厚度時﹐迴旋加速器輻射的基頻和低頻部分會部分地被吸收﹔如在器壁上安置反射器﹐使輻射多次通過等離子體﹐則可增強這種吸收。
迴旋頻率也可能發生改變﹐其原因有﹕多普勒增寬﹑碰撞增寬﹑磁場不均勻性效應﹑相對論性效應和自吸收等。所以高溫等離子體的迴旋輻射表現為一系列增寬的譜線的疊加﹐實際上為連續譜形式。
高溫等離子體內存在相對論性電子時﹐其加速機制屬於同步迴旋加速﹐其輻射也稱為同步加速器輻射。這種輻射在天文學中有很大意義。射電望遠鏡所接收到來自宇宙空間的無線電波﹐即來源於氣體星雲中相對論性電子的迴旋輻射(見迴旋加速器輻射和同步加速器輻射)。
除上述四種主要的輻射機制外﹐還有其他輻射過程。等離子體中有大量電子作集體運動時可能引起電磁輻射。如等離子體的各種振盪和波動﹐產生相應的電磁輻射﹔當磁約束等離子體中發生破裂不穩定性時﹐常會伴隨有強烈的瞬變輻射﹔在等離子體中可能有一部分超熱電子﹐這種電子逸出等離子體後與器壁發生作用時會產生硬 X射線。在等離子體中﹐高能電子甚至會產生切倫科夫輻射。在聚變反應區﹐當大量中子與物質相互作用時﹐會產生各種射線﹐如γ射線等。
參考書目
項志遴﹑俞昌旋編著﹕《高溫等離子體診斷技術》﹐上海科學技術出版社﹐上海﹐1982。
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