Спектроскопия водородной плазмы

К.Ю. Вуколов, А.М. Зимин, В.И. Тройнов

Спектроскопия водородной плазмы

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 

  
© Оформление. Издательство

ISBN 978-5-7038-5353-5 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020

УДК 533.9:004
ББК 22.344
 
В88

Издание доступно в электронном виде по адресу 

 http://bmstu.press/catalog/item/6527/

Факультет «Энергомашиностроение»

Кафедра «Плазменные энергетические установки»

Рецензенты:

д-р физ.-мат. наук, профессор В.С. Лисица

(Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»),

д-р техн. наук, профессор А.Т. Комов

(Национальный исследовательский университет «МЭИ»)

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Вуколов, К. Ю.
В88  
Спектроскопия водородной плазмы : учебное пособие / К. Ю. Ву
колов, А. М. Зимин, В. И. Тройнов.  — Москва: Издательство МГТУ 
им. Н. Э. Баумана, 2020. — 126, [2] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-5353-5
В учебном пособии приведены теоретические основы атомной и молекулярной 

спектроскопии водородной плазмы, методики спектроскопических измерений и описание аппаратуры, используемой для диагностики высокотемпературной плазмы.

Предназначено для формирования компетенций, предусмотренных основными 

профессиональными образовательными программами по направлениям подготовки 
16.04.02 «Высокотехнологические плазменные и энергетические установки» (магистратура) и 03.06.01 «Физика и астрономия» (аспирантура, уровень подготовки кадров 
высшей квалификации). Пособие также может быть использовано при подготовке 
специалистов, обучающихся по специальности 24.05.02-05 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» (специализация «Проектирование электроракетных 
двигателей»).

УДК 533.9:004
ББК 22.344

Предисловие 

В учебном пособии проведено обобщение теоретических основ атомной 

и молекулярной спектроскопии водородной плазмы, методик спектроскопических измерений, а также изложены представления о современной аппаратуре для спектральной диагностики плазмы и ее использовании.

Пособие основано на результатах многочисленных исследований спек
тров изотопов водорода (в том числе и с участием авторов пособия), а также  
на курсах лекций, практических и лабораторных занятиях, проводимых  
авторами в МГТУ им. Н.Э. Баумана. 

Учебное пособие предназначено для освоения дисциплины «Высоко
температурная плазма и ядерный синтез» в рамках обучения магистрантов 
по направлению подготовки 16.04.02 «Высокотехнологические плазменные и 
энергетические установки», а также дисциплины «Теплофизика и теоретическая теплотехника» по направлению подготовки аспирантов 03.06.01 «Физика 
и астрономия» (уровень подготовки кадров высшей квалификации).

Кроме того, приведенные в пособии учебно-методические материалы 

могут быть использованы при подготовке специалистов, обучающихся по 
специальности 24.05.02-05 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» (специализация «Проектирование электроракетных двигателей»). 
Авторы надеются, что пособие окажется полезным также широкому кругу 
инженеров и специалистов, работающих с плазменной техникой в различных 
НИИ и промышленных организациях, при создании диагностических систем 
для определения параметров плазмы. 

Цель и основные планируемые результаты обучения, достигаемые после 

изучения пособия, — формирование компетенций, предусмотренных профессиональными образовательными стандартами по указанным направлениям 
подготовки. 

В результате изучения материалов учебного пособия читатели озна
комятся с важнейшими проблемами изучаемой дисциплины. Они смогут: 
1) оценить диапазоны параметров высокотемпературной плазмы; 2) сформировать перечень методов спектроскопии плазмы и первичной обработки 
результатов измерений; 3) сформулировать основные проблемы, возникающие при определении параметров плазмы спектроскопическими методами, 
и указать пути их преодоления; 4) охарактеризовать параметры плазмы в 
экспериментальном термоядерном реакторе — токамаке ИТЭР и спектральные методы их определения.

После изучения пособия у магистрантов развиваются следующие компетенции: они будут знать перечень основных методов диагностики плазмы 
и компьютерной обработки первичных результатов; уметь анализировать 
алгоритмы обработки первичных результатов на компьютере, выбирать  
необходимые методы диагностики плазмы для определения ее характеристик, 
обосновывать возможности использования различных методов диагностики 
плазменных систем для создания термоядерных реакторов; владеть основными методами диагностики плазмы для различных типов термоядерных 
систем и методами обработки первичных результатов диагностики.

Предисловие 

У аспирантов после изучения пособия развиваются следующие компетенции: они будут знать типы спектральных приборов, принципы их работы и 
основные характеристики, принципы удаленной спектральной диагностики, 
физические основы атомной и молекулярной спектроскопии; уметь выбирать 
спектральный прибор для определения качественного и количественного 
состава излучающей среды, использовать основные приемы обработки результатов для получения параметров излучающей среды; владеть методами 
корректной регистрации дискретных и непрерывных спектров, алгоритмами 
и программами первичной обработки спектров.

Изучение дисциплины «Высокотемпературная плазма и ядерный синтез» 

магистрантами и дисциплины «Теплофизика и теоретическая теплотехника» 
аспирантами предполагает предварительную успешную аттестацию студентов 
по программе вступительных испытаний в магистратуру по направлению 
подготовки 16.04.02 «Высокотехнологические плазменные и энергетические 
установки». Для усвоения материала учебного пособия являются обязательными знания по курсам общей физики, физики и диагностики низкотемпературной плазмы, плазмодинамики. Желательны знания и навыки по основам 
информатики, основам термоядерного синтеза, конструированию плазменных установок и управлению техническими системами.

В пособии обсуждаются классификация методов и особенности диаг
ностики высокотемпературной плазмы, роль спектроскопии в диагностике 
плазмы, ее достоинства и недостатки. Проанализированы построение и методики экспериментального определения параметров плазмы с помощью 
спектроскопии на действующих токамаках. Для проекта ИТЭР рассмотрены 
методы спектроскопической диагностики плазмы и инженерные проблемы 
их реализации, принципы работы, а также задачи спектроскопии водородных линий и активной спектроскопии с использованием пучков водорода. 

В пособии проводится обобщение изложенного учебного материала, 

отмечается его роль в образовательной программе, фиксируются логические 
связи с другими дисциплинами, а также рассматривается применимость представленного материала для решения практических профессиональных задач.

Учебное пособие содержит введение, три главы и заключение. Во вве
дении дан краткий обзор проблематики. В нем показаны актуальность и 
значимость спектроскопии водородных линий для изучения физики высокотемпературной плазмы. 

В главе 1 учебного пособия рассмотрены физические основы спектраль
ной диагностики водородной плазмы по атомным спектрам, а также принципы работы и основные характеристики используемой для исследований 
спектральной аппаратуры. 

Глава 2 посвящена молекулярной спектроскопии водородной плазмы. 

В ней описаны методы определения параметров плазмы по молекулярным 
спектрам. 

В главе 3 пособия даны конкретные примеры применения спектроско
пии водородной плазмы в термоядерных установках. Здесь представлены 
методики определения параметров плазмы по линиям атомов изотопов водорода на действующих токамаках. Рассмотрены особенности спектральной 

диагностики высокотемпературной плазмы в экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР. Приведена информация о каналах диагностики плазмы 
в его порт-плагах и проанализированы проблемы диагностики.

Глава 1 обязательна для изучения на всех уровнях подготовки и носит 

фундаментальный характер. В ней приведены определения физических явлений, параметров плазмы, раскрыты используемые термины. Глава 2 имеет самостоятельное значение, в ней представлен уникальный материал для 
практического изучения молекулярной спектроскопии. Глава 3 обязательна 
для изучения, приведенные в ней сведения необходимы для приобретения 
компетенций, предусмотренных основной профессиональной образовательной программой. Кроме того, глава 3 является основой для изучения одной 
из последующих дисциплин — «Конструирование и расчет термоядерных 
установок» в приложении к конструированию диагностических спектральных 
комплексов современных и перспективных плазменных установок. В конце 
каждой главы пособия приведены контрольные вопросы.

В дальнейшем углубление знаний по указанным учебным дисциплинам 

возможно в рамках изучения курсов «Конструирование и расчет термоядерных установок» и «Управление плазменными установками», где применение 
систем с обратными связями основано на использовании диагностических 
комплексов.

Изложенные в пособии материалы могут служить основой для реше
ния профессиональных задач по созданию различных типов плазменных 
установок.

Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность аспи
ранту И.А. Земцову за неоценимую помощь в описании методики цифровой 
обработки сигналов активной спектроскопии. Им написана первая часть 
подраздела 3.3.4. 

Предисловие

Основные обозначения 

A 
— массовое число ядра

A 
— эрмитов самосопряженный оператор

Apq  
— вероятность спонтанного перехода с верхнего уровня p на 

 
 
нижний уровень q 

Апт, Впт, Вп′т — эйнштейновские вероятности переходов
а 
— малая ось эллиптической орбиты

a(ω) 
— амплитуда затухающей волны

b 
— большая ось эллиптической орбиты

CDop 
— ширина линии 

Cp 
— постоянная взаимодействия

с 
— скорость света

D 
— коэффициент диффузии

Dо 
— обратная линейная дисперсия спектрального прибора

Е 
— энергия частицы

Ee 
— электронная энергия

Erot 
— вращательная энергия

Evib 
— колебательная энергия

е 
— элементарный заряд

FJ 
— вращательный терм

f 
— сила осциллятора

Gv 
— колебательный терм

g 
— фактор Ланде

g(E) 
— кратность вырождения уровня энергии

gi 
— статистический вес i-го уровня

H 
— напряженность магнитного поля 

H 
— оператор Гамильтона

h = 2ph 
— постоянная Планка

I 
— интенсивность излучения

IHα  
— интенсивность свечения пучка на линии Нα в выделенном 

 
 
объеме плазмы

IZ
CXRS  
— интенсивность свечения на линии перезарядки

J 
— вращательное квантовое число

j 
— внутреннее квантовое число (квантовое число полного 

 
 
момента импульса)

k 
— константа Больцмана

kу 
— коэффициент усиления

L 
— момент импульса электрона 

LR 
— суммарный угловой момент всех ядер молекулы 

Lz 
— оператор проекции суммарного электронного углового 

 
 
момента 

l 
— азимутальное (орбитальное) квантовое число; расстояние  

  
 
вдоль хорды наблюдения

lср 
— средняя длина свободного пробега

M 
— масса ядра

Mp 
— масса протона

me 
— масса электрона

mj 
— магнитное квантовое число

N 
— квантовое число, соответствующее общему моменту N
Nam 
— шум, который создает аналого-цифровой преобразователь  

  
 
камеры при усилении сигнала

Nk 
— населенность k-го уровня

Nro 
— шум считывания

n 
— главное квантовое число

ni 
— концентрация вступающих в реакцию частиц 

ne 
— концентрация электронов

nH 
— концентрация атомов водорода

np 
— населенность атомов или ионов с электроном на уровне p 

 
 
(населенность уровня p)
nZ 
— концентрация ионов примеси с зарядом Z
P(Dω) 
— профиль линии в интервале частот Dω 

p 
— импульс электрона; параметр взаимодействия

Qexc 
— скоростной коэффициент возбуждения электронным ударом 

 
 
атомов пучка

QZ

CXRS  
— скоростной коэффициент реакции перезарядки атомов водо- 

 
 
рода на ионах примеси с зарядом Z
R 
— расстояние между ядрами

RH, Ry 
— постоянная Ридберга

Rун 
— универсальная газовая постоянная

r 
— радиус круговой орбиты

S 
— спиновое квантовое число 

Sл 
— линейный размер пиксела

Sп 
— полезный сигнал

s 
— время свободного пробега 

T 
— температура

Te 
— электронный терм

Tg 
— газовая температура плазмы изотопов водорода

Ti 
— температура ионов

Тп 
— терм n-го состояния

Trot 
— вращательная температура верхнего возбужденного состояния

un 
— плотность энергии поля излучения

v 
— скорость
W 
— полная энергия

Z 
— зарядовое число

α 
— постоянная тонкой структуры

α0 
— угол вращения плоскости поляризации на 1 см длины

αp 
— постоянная взаимодействия

g 
— постоянная затухания

e0 
— диэлектрическая постоянная для вакуума

Основные обозначения

Основные обозначения 

enn 
— электронно-колебательно-вращательная энергия молекулы

Dl 
— полуширина линии

dlDop 
— полуширина доплеровского контура линии

h 
— сдвиг фазы

L 
— квантовое число, описывающее квадрат спина

Λ 
— проекция момента количества движения электронов на межъ- 

 
 
ядерную ось 

l 
— длина волны

m 
— молярная масса

mB 
— магнетон Бора 

n 
— частота излучения; колебательное квантовое число

nl 
— волновое число

r 
— прицельный параметр

s 
— сечение взаимодействия

tE 
— энергетическое время жизни (удержания) 

tki 
— постоянная времени затухания 

ω 
— частота

ωexe 
— коэффициент ангармоничности

Принятые сокращения

АПОС 
— аппаратура предварительной обработки сигнала
АЦП 
— аналого-цифровой преобразователь
ИТЭР 
— см. ITER
ЛТР 
— локальное термодинамическое равновесие
МРС 
— магнетронная распылительная система
РДС 
— рассеянный диверторный свет
СВЛ 
— спектроскопия водородных линий
СВР 
— спектроскопия высокого разрешения
СОЛ 
— см. SOL 

СУБД 
— система управления базами данных 

токамак 
— тороидальная камера с магнитными катушками
ТЯУ 
— термоядерная установка
УСО 
— устройство сопряжения с объектом
ФЭУ 
— фотоэлектронный умножитель
ЦАП 
— цифроаналоговый преобразователь
ЧЛТР 
— частичное локальное термодинамическое равновесие
ЭКВ 
— электронно-колебательно-вращательный (переход)
CCD (charge-coupled device) — прибор с зарядовой связью
CXRS (charge exchange recombination spectroscopy) — спектроскопия на основе 
 
 
перезарядки
ELM (edge localized mode) 
— краевая локализованная неустойчивость
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) — Международный 
 
 
экспериментальный термоядерный реактор
NPA (neutral particle analyzer) — анализатор нейтральны  х частиц 
SNR (signal-to-noise ratio)  
— отношение сигнал/шум
SOL (scrape-off-layer)  
— пристеночный слой

Введение

При изучении свойств сред, находящихся в различных состояниях, очень 

важными являются методы их исследования [1]. Объект, которому посвящено 
настоящее пособие, — плазма — это четвертое состояние вещества, встречающееся как в природе, так и в многочисленных устройствах, которые применяются не только в различных областях науки и техники, но и в быту. Понимание протекающих в плазме физических процессов очень важно как с чисто 
научной точки зрения [2], так и при использовании их для создания методик 
разработки и оптимизации многочисленных плазменных систем, к которым 
относятся источники высокоинтенсивного света, электродуговые нагреватели 
газа — плазмотроны, мощные плавильные печи, сварочные системы, электрические ракетные двигатели, плазменные энергетические установки и др. 

Состояние материальной среды, находящейся в полном термодинами
ческом равновесии, как известно, можно описать небольшим числом величин: температурой, плотностью и концентрациями составляющих элементов. 
К сожалению, для плазмы ситуация является существенно более сложной, так 
как она никогда не может находиться в полностью равновесном состоянии 
и для ее описания используются другие приближения (локальное — ЛТР и 
частичное локальное термодинамическое — ЧЛТР равновесие, неизотермическая модель, корональная модель и др.). 

Экспериментальному определению перечисленных выше и ряда других 

параметров, характеризующих состояние и важнейшие свойства плазмы, посвящен один из фундаментальных разделов физики — диагностика плазмы. 
Эта наука обосновывает и описывает применение различных диагностических 
методов (зондовые, корпускулярные, оптические, рентгеновские, высокочастотные, лазерные и т. п.) для определения параметров исследуемой среды 
в плазменных системах [1]. 

Само понятие «диагностика плазмы», как отмечено в учебном 

пособии [3], было сформулировано более полувека назад при исследовании 
«горячей» плазмы c температурой выше 1 млн К [4–6]. Первоначально это 
понятие включало лишь методы измерения температуры и концентрации 
электронов в высокотемпературной плазме. Однако вскоре его стали 
применять и к плазме низкотемпературной. Номенклатура методов, область 
их применимости и круг решаемых с их помощью задач с течением времени 
расширялись, и возникла разноречивость трактовок понятия «диагностика 
плазмы» различными авторами. 

Особенности терминологии довольно подробно анализируются в ряде 

научных и учебных публикаций по данной тематике. В учебном пособии [3] 
обобщены результаты такого рассмотрения на момент выхода этой книги 
(2007) и отмечено, что в настоящее время диагностика плазмы — это многозначное понятие, трактуемое следующим образом:

1) раздел физики плазмы, предметом которого являются методы экспе
риментального определения параметров этой среды; обоснование и формулировка методов, определение условий и границ их применимости, разра