電漿輻射

粒子介紹

重要課題

由於這些粒子間以及它們與電磁場之間的相互作用，電漿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電漿的輻射來獲取知識；在實驗室電漿的研究工作中，通過對輻射的測量可以給出電漿的許多信息，如組分、電離狀態、溫度、密度等；輻射又是高溫電漿能量輸運和耗散的一個重要途徑，因而在聚變電漿研究中，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。

初步階段

電漿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。如電漿處於完全熱平衡，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。但是一般實驗室的電漿都不是完全吸收體，其輻射低於黑體輻射限。有些電漿更是遠離完全吸收體，如實驗室的磁約束電漿，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。當電漿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

功率密度

當電漿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10-8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， ⑴

式中為i 階離子（i=0為原子）處於上能級 p的粒子密度；A為p、q能級間的自發躍遷幾率；E為p、q能級間的能量差。

分布決定

式⑴中的由粒子的電離態和激發態的分布決定，它涉及電漿模型。理論上根據電漿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。

為了求得電漿的激發輻射功率，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。日常所見的電漿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。