非热力学平衡等离子体的发射光谱模型及诊断应用研究

With the advantage of handy equipment, the veracity of diagnosis, and the temporally and spatically resolved measurement, the optical emission spectroscopy has been the primarily method to diagnose the plasma, however, it is difficult to calculate the plasma parameter from the mearsured spectra, especially under the non local thermodynamic equilibrium plasma. The Boltzmann and Saha equations to calculate the electron temperature and density nowadays are appropriate only under the local thermodynamic equilibrium state. Therefor, a non-LTE optical emission spectroscopy model is proposed in this fund,utilizing the collisional radiative model to obtain the distribution of population of excited state, to get the plasma temperature and denstiy by fitting the theoretical spectra to measured spectra.The method builted in this fund will help to get exacter value of non-LTE plasma, and to promote the application of the plasmas.

由于实验装置的简便性、诊断的准确性和灵敏性、以及较好的时空分辨本领等优势，发射光谱法已经成为等离子体诊断的一种主要手段，但是，从测量得到的光谱数据中反演出等离子体中各参数信息却是非常困难的一件事情。对于现今主要采用基于局域热力学平衡的Boltzmann方程和Saha电离平衡方程求解的温度和密度参数遇到的等离子体适用范围的问题，本课题提出了基于非局域热力学平衡的发射光谱拟合模型，利用碰撞辐射模型得到等离子体中各粒子的离化度和激发态能级分布，通过最小二乘法再现实验测量光谱，可以获取非局域热力学平衡态下的等离子体温度和密度等信息。利用本课题建立的发射光谱计算方法，可以更为准确地获取非平衡态等离子体的相关参数，从而更好的指导等离子体的相关应用。

对于现今主要采用基于局域热力学平衡的Boltzmann方程和Saha电离平衡方程求解的温度和密度参数遇到的等离子体适用范围的问题，本课题建立了基于非局域热力学平衡的氢等离子体发射光谱拟合模型，利用R矩阵方法与细致平衡原理获得了氢等离子体中的各动力学过程碰撞速率系数，进而利用碰撞辐射模型得到了氢等离子体中各粒子的激发态布居数分布，分析了不同温度与密度下的氢原子激发态布局数分布规律，并获得了氢原子Balmer系谱线的发射光谱强度，利用多项式拟合的方式获得了Doppler展宽与Stark展宽对Voigt线型的贡献，并分析了在不同重粒子温度、电子温度与电子密度下的氢原子Balmer系的发射光谱。最后通过最小二乘法拟合获得了实验测量光谱的最佳匹配，并输出了非热力学平衡状态下的等离子体温度与密度参数。研究结果表明，利用本课题建立的发射光谱计算方法，可以更为准确地获取非平衡态等离子体的相关参数，从而更好的指导氢等离子体离子源的相关应用。