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等离子体光谱

从等离子体内部发出的从红外到真空紫外波段的电磁辐射谱。它携带了大量有关等离子体复杂的原子过程的信息。利用光谱学的原理和实验技术，并借助于等离子体的理论模型，测量分析等离子体光谱，对于等离子体的研究是有重要意义的。

包括

美国利曼Leeman Prodigy

等离子体光谱主要是线状谱和连续谱。线状谱是等离子体中的中性原子、离子等由其高能级的激发态跃迁到较低能级时所产生的，单个粒子发射的谱线强度主要决定于:①原子或离子的外层电子处于上能级的几率,②这种电子从上能级跃迁到下能级的跃迁几率，③光子在逸出等离子体之前被再吸收的几率。但谱线的总强度与电子和离子的密度和温度有关，每条谱线有它自己的强度分布规律，因此从谱线强度的测量，结合理论模型和上述光谱中的原子数据，可以得到电子、离子的密度、温度等信息。根据多普勒效应，从谱线波长的移动可确定等离子体的宏观运动速度。连续谱是电子在其他粒子的势场中被加速或减速而产生的。从连续光谱强度的测量，也可得到电子密度、温度等数据。

变化

等离子体光谱

随着等离子体温度的升高，如到达10度以上，原子的外层电子逐渐被剥落，形成各种离子态的离子，如CⅣ、CⅤ、OⅥ、NⅤ、FeⅪⅩ、TiⅪⅩ（Ⅰ为中性原子，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、…为失去 1、2、3、…个外层电子的离子）等。这些高次电离的离子，其线状谱大都处在远紫外波段。连续谱的情形，也是随着温度的升高，其发射强度的极大值往短波方向移动。对于高温等离子体，如目前聚变高温等离子体，其工作物质是氢及其同位素氘和氚，但不可避免地会含有一些杂质，如C、O、Fe、Ti、Mo、W等元素，温度已达10度以上，这些杂质离子的光谱大部分是在真空紫外及 X射线波段。分析这些较重杂质的高次电离谱线的出现时间和位置，比较它们的强度，对这样高的温度的等离子体的参量测量、输运过程和等离子体的辐射损失等的研究都是很重要的。尤其是对类氢、类氦离子的谱线强度的分析，更为有用，因为对于这些离子的原子数据较为完全。

形状

等离子体光谱

等离子体光谱的另一个重要方面，是谱线的形状或轮廓。光谱线并不是“线”，而是有一定宽度的轮廓。在等离子体光谱中，谱线增宽的机制较复杂，其中有两个因素比较重要，就是多普勒效应和斯塔克效应。等离子体中的各种粒子处于无规热运动状态，它们相对于观察者具有各种方向和大小的速度，就会产生多普勒频移，因此，所发射的光谱线不再是“线”，而是按波长的某种分布，即谱线“变宽”了，这就是多普勒增宽。多普勒增宽同离子速度分布有关，如这种离子的速度呈麦克斯韦分布，则与其离子温度有关。用多普勒增宽测量高温等离子体中的离子温度是一种常用的方法，离子温度可用下式计算： ，

式中k为玻耳兹曼常数，Ti为离子温度，A为所测原子或离子的原子量，墹λ为谱线轮廓在半高度处的宽度。计算时要扣除其他因素引起的增宽。

效应

另一个重要效应是斯塔克效应。等离子体中的每个发光粒子都处于其他粒子所带电荷产生的电场中，由于电场的作用，这个粒子所发射的光谱发生分裂，这就是斯塔克效应。分裂情况同等离子体中的粒子密度有关。带电粒子产生的微观电场是复杂的，引起各式各样的斯塔克分裂，叠加的结果，使光谱线变宽，形成斯塔克增宽。在温度较低(几个电子伏)、密度较高（大于10τm ）的等离子体中，常用斯塔克增宽来测量电子密度。的斯塔克增宽理论较为完整，理论指出这类斯塔克增宽谱线轮廓的半高全宽度与成正比，Ne为等离子体的电子密度。

聚变装置的高温等离子体往往处于强磁场中，会引起光谱线分裂，这就是光谱学中熟知的塞曼效应。在一些大型聚变装置中，磁场强度为几个特斯拉(T),分裂正比于磁场强度B和波长λ的二次方的乘积，如

，

时，则塞曼分裂

。根据谱线塞曼分裂的大小可推算等离子体中的磁场强度。

辐射

如上所述，测量等离子体的辐射，如谱线强度、谱线轮廓以及谱线的分裂、位移等后，就可以得到等离子体的一些参量，如等离子体成分、温度、密度等。这方面的工作构成等离子体光谱诊断学，是等离子体诊断学的一个重要组成部分。

相关知识

特点

光学系统：全新竖式光室设计，全封闭驱气型，采用精密温控恒温系统，高能量中阶梯光栅石英棱镜交叉色散内光路，波长和级次二维色散，所有光学元件均使用全反射球面镜，保证高光通量和低图象失真。

光栅：采用超高分辨干涉刻制技术，52.91条/mm，63.5闪耀角

棱镜：交叉色散，采用双通过设计确保成像质量，9.5角，超纯紫外熔融石英

波长覆盖：

全波长覆盖，Al 167.120nm测试可获得更高紫外灵敏度，对于K 766.490nm和Na 818.326nm长波同样性能优异

焦距： 383nm，紧凑型光室

分辨率

0.007nm在200nm处的光学分辨率，采用大衍射角高的光谱级次，在短焦距下可获得高分辨率

光路：驱气型光室，可以是氩气或者氮气，驱气量

分钟，典型1L/分钟即可获得优异的紫外性能，特别对于As和P的测定。外光路设计，对于垂直炬可选择观测高度，对于双向炬可选择观测方式

波长校准：采用C、N和Ar线自动波长校准程序，确保长期波长稳定性

光室恒温：

精密光室恒温，恒温速度小于20分钟检测器

新一代RACID86电荷注入式检测器（CID）是高性能的固体成像系统。热电的CID是能够传输高反差/低噪音图象的加强型电荷传输器件，它可以对分析范围内的所有波长进行定性定量，而决无电荷溢出（Blooming）现象。

检测器模式：随机读取积分（RAI）

经选择的分析波长以最佳信噪比的方式同时积分，这样光所产生的电荷量可以保持在CID的线性范围内。它是利用了CID所独有的非破坏性读取(NDRO) 功能而获得的。NDRO 允许观测任意曝光点的任何像数单元上的信号。在这种方式下，像数与像数之间的读出频率随着发射强度的实时观测而各不相同，因而得到最宽的动态范围线性。

阵列尺寸： 291,600个独立寻址检测单元，

阵列连续覆盖所有可用波长

像数尺寸：

量子化效率： 200nm紫外区可达65%以上

石英窗：前置成角度封闭式石英窗，提高CID可靠性并降低杂散光

检测器冷却：高效三级半导体制冷，制冷温度-45℃，冷却时间小于3分钟，气体和冷却水安全连锁

等离子体观测：

观测方式

垂直观测：等离子体使用高效氟化镁涂层镜子以垂直模式直接观测。入射光经封闭驱气的外光路，防腐蚀并可获得最佳的紫外区光谱性能。观测高度可以由软件自动最佳化，也可由操作者进行选择。

双向观测：等离子体可以水平观察以适应于最低检出限的应用要求，通过附加的垂直观测方式减少基体效应。两种观察方式可以由计算机全自动控制。观察方式的选择可以是全垂直、全水平或根据谱线灵活选择。

自动准直水平观测中心通道。

独特的SiN锥接口技术有效去除尾焰，并且保持良好的紫外性能。

等离子体源：固态RF发生器

频率： 27.12MHz

操作模式：全自动软件控制点火与操作，直接耦合变频阻抗控制自动调谐。功率稳定性优于0.1%

功率输出：

(确认值1500)，计算机控制连续可调

输出效率：大于78%，适用于包括甲醇等有机样品在内的各种样品分析

冷却方式：水冷和风冷

进样系统：

雾化器：玻璃同心圆雾化器

SeaSpray高盐雾化器、V型槽雾化器、耐HF酸雾化器和超声雾化器可选配

雾化室：玻璃漩流雾化室，配置垂直和水平不同的连接管

蠕动泵：高精度12滚轮3通道蠕动泵，0-125转/分钟连续可调。当等离子体熄火时处于Standby状态防止泵管损坏。

炬管

：配置1.5mm垂直或2.0mm水平中心管的可拆卸式石英炬管。可选配1.0，1.5，2.0mm石英中心管和2.0mm耐HF酸刚玉中心管。预准直卡式炬管设计，方便快速更换，无需拆卸冷却气和辅助气气管。

气体控制：雾化器气体，冷却气和辅助气三路独立气体控制

雾化器气体：采用MFC质子流量计控制，连续可调。

冷却气： 12L/分钟

辅助气： 0，0.5，1.0，1.5L/分钟可调

操作系统：Microsoft WindowsTM 2000或XP

iTEVA软件：iCAP6000系列的iTEVA操作软件提供对仪器所有功能全控制，包括等离子体点火，气体流量，观测方式和安全连锁的监控。

日常分析软件：在任何像数位置或指定的子阵列区域中进行定量分析

自动或手动实时背景校正点选择

缺省的系统参数设置和全过程程序的执行

对于垂直观测，用户可选等离子体观测区域或全自动最佳化

分析过程中子阵列数据采集，用于条件优化后的数据后处理

多重光谱图叠加显示方式，简化方法的开发

全谱“指纹”摄谱研究模式：

拍摄整个发射光谱或部分谱图，以彩色或灰度显示发射强度，2D线性或对数（强度与波长）显示

全谱线或峰值识别，全互动式谱线库，评价潜在的谱线干扰，进行元素定性分析

同一材料的全谱图比对和基体或空白的减扣模式

自动进样器模式：全兼容自动进样器使得无人操作和关机。基于HTML样品文件，灵活控制定制样品放置位置。

质量控制检查：针对于QC表，自动检查QC样确保整个测试过程的重复性和准确度

校正模式：多点校正曲线，每条校正曲线的标准点不受无限制

可选拟合类型：线性，曲线, 全拟合，

曲线拟合显示：线性或对数，自动调节量程

报告软件：标准报告格式，用户可根据样品名称、方法名称、日期、时间、元素、浓度、强度、平均值、标准偏差、相对标准偏差等来过滤报告输出。使用第三方软件定制报告生成，兼容SQL服务器，DDE-格式数据库等无限制数据库功能

可选格式：分析数据可以复制到商用用户数据管理器，如电子表格，Word文字处理，图形程序等。

兼容附件：iCAP 6300可以兼容包括标准进样系统、有机和挥发性有机进样系统、高盐进样系统和耐HF酸进样系统在内的所有进样附件包。另外兼容：

自动进样器： Cetac ASX260、ASX520、EXR-8智能化自动进样器

超声雾化器： Cetac U5000AT+，对于水样的灵敏度可提高10-15倍

氢化物发生器：在线-氢化物组件分样品、硼氢化钠和废液独立通道，可 使As、Sb、Bi、Hg、Sn和Te的灵敏度提高8-10倍