大型线性等离子体实验装置（Experimental Advanced Device，简称LEAD）是为了开展聚变等离子体与材料相互作用、射频诊断测试、托卡马克聚变装置边界等离子体物理研究和其他基础等离子体实验而设计的装置，于2017年在核工业西南物理研究院建成^[7-9]。如图1所示，该设备主体长3 m，包括直径为400 mm，长1.5 m的小真空室和直径900 mm，长1 m的大真空室。这些真空室被15个直径各不相同的励磁线圈环绕，每个线圈都是可移动且电流单独可调，可以非常灵活地产生各种磁场条件，常用磁感应强度B在0−2000 Gs之间。进气量在0−1 SLM之间，以0.01 SLM的精度调节，在抽气系统持续抽气的情况下，放电过程使用薄膜规真空计测量的气压p在0.5～6 Pa之间。

LEAD装置上采用天线发射射频（Radio Frequency，简称RF）波以激发螺旋波等离子，而体常见的激发螺旋波等离子体的天线有4种^[10]，如图2所示，由于LEAD装置为侧面外壳为金属，图2（b）（c）（d）中具有三维结构的天线所激发的波无法传到达LEAD内部激发等离子体，因此只能选择图2（a）二维结构的天线类型从LEAD头部玻璃窗口将射频电源耦合入LEAD腔体中。LEAD中选用的天线为m = 0的蚊香形天线，如图3所示。用于激发等离子体的螺旋波天线由频率为13.56 MHz的射频电源激励。射频功率P_RF范围为0−6000 W，可产生电子密度约5×10¹⁹ m⁻³的螺旋波等离子体。目前装置上的诊断系统包括朗缪尔探针、局域发射光谱、磁探针，以及测阻抗的VI探针。为了便于标定，局域发射光谱诊断系统和朗缪尔探针安装在装置4和4’号窗口相对中轴对称的位置，如图1（b）所示。

目前，螺旋波等离子体高电离率背后的物理机制仍不清晰，需要对其中的基础物理机制加以深入研究。此外，当P_RF超过阈值时，螺旋波等离子体中最引人注意的现象是等离子体密度的不连续跳变，其中从感性耦合（Inductively Coupled，简称ICP）模式到螺旋波模式的跳变^[11-13]受到了人们了极大的关注。因此，实时测量螺旋波等离子体的电子密度对研究螺旋波等离子体形成的物理机理具有重要意义。

朗缪尔探针（Langmuir Probe，简称LP）广泛地用于等离子体的电子密度和电子温度^[14-15]。但是射频源或电磁场会对探针产生干扰，因此需要做射频补偿。此外，等离子体的高温会对探针造成损伤，使得在高P_RF下测量等离子体参数变得更加困难。因此，人们提出了发射光谱法（Optical Emission Spectroscopy，简称OES）这一非接触式诊断作为螺旋波等离子体诊断的一种替代方法^[16-18]。OES是目前应用最广泛、最有效的低温等离子体诊断方法之一，是无创、可以原位诊断螺旋波等离子体，且受射频源或磁场影响较小。然而，传统的OES无法在空间上分辨等离子体的参数，对此，北京理工大学的崔瑞林提出了一种局域发射光谱诊断法（Local Optical Emission Spectroscopy，简称LOES）^[19]，其对等离子体的空间分辨率可达2 mm。在其工作中利用LOES测量了螺旋波等离子体电子密度轴向和径向分布的演化，证明了利用LOES诊断等离子体空间分辨的可行性。本文利用LOES技术在LEAD装置上进行了不同放电条件（射频功率和径向位置）下的氩螺旋波等离子体的电子密度测量。

LOES探针结构如图4所示，白色陶瓷管内部包裹着耐高温石英光纤，陶瓷前端两侧各有一直径2 mm的圆形孔，使等离子体可以从此进入，进而使光纤只采集从圆孔进入陶瓷管内等离子体的光谱学信号。光纤可以传输光的波长范围为190 nm～2500 nm。LOES诊断原理为：将光纤探针伸入等离子体，光纤只采集前端2 mm尺寸内的等离子体的光谱学信号，光纤固定在一个可沿径向推进的伸缩杆上，使得探测位置r在距腔中轴0～20 cm范围内可调，步进精度1 mm，因此可以完全实现从中心到边界的诊断，如图5所示。因其可以诊断不同径向位置的等离子体参数，LOES法相较于传统的OES法有极高的空间分辨率。

光纤尾端接入光谱仪分析光谱学信号，本实验使用Horiba生产的iHR550光谱仪配合一个CCD相机，如图6所示。开机后预热20 min，经标准光源校准后使用。光栅密度为2400条/mm、1800条/mm和300条/mm三种可选项，光栅密度越大，可观察的范围也越小，分辨率越高。2400条/mm的光栅观察范围为6 nm，光谱学分辨率可达约6 pm。当测量波长中心为750 nm，测量范围为747～753 nm光谱，在此范围内有氩的750.4 nm和751.5 nm谱线，如图7所示，且在2400条/mm光栅的可测量范围内750.4 nm为氩的最强谱线，基于此原因本实验主要以氩的750.4 nm为研究对象。

光谱诊断的原理是电子获得能量达到更高的能级（激发态），这种能级很快就会衰减并发出特定波长的光子，从而产生光辐射。在某些情况下，与简单动力学过程相关的特定谱线可用于测定等离子体参数。为此，采用了Czerwiec^[20]和Clarenbach^[21]给出的公式，考虑碰撞反应产生的谱线，准静态平衡下，X^*态（“X”指代某种元素符号，上标“^*”指处于激发态的该物质）物质从高能级j跃迁到低能级i的发射光强I_ji可以写成式(1)^[22]。

其中n_e是电子数密度，K_ji是光谱仪响应因子，A_ji是爱因斯坦自发跃迁概率，h是普朗克常数，c是真空中的光速，λ是跃迁辐射出的光的波长，[X]和[X_m]为基态和亚稳态的粒子数密度，$ k_X^{\mathrm{dir}} $为基态电子碰撞激发系数，$k_X^m$为亚稳态电子碰撞激发系数，$k_X^Q$为猝灭速率系数，τ_j为激发态寿命。

基态原子被电子碰撞激发被认为是主要的激发过程，特别是对于Ar^*(2p₁)态的产生机制为^[22]：

1p₀和2p₁为帕邢符号（Paschen notation）下的原子能态，本文主要采用帕邢符号表示原子能态。

激发态Ar^*自发辐射产生特征光子^[22]：

其中$ k\mathrm{_{Ar}^{rad}} $为氩的自发辐射速率。

准静态平衡状态下氩线的发射光强为^[23]：

$ \mathrm{\mathit{I}}_{\mathrm{Ar}\mathrm{I}\, \, 750.4\, \, \mathrm{nm}} $是氩750.4 nm光强。

在假设电子能量遵循麦克斯韦分布函数（EEDF）的情况下，可以用电子温度T_e计算出基态电子碰撞激发的速率系数$ k\mathrm{_{Ar}^{dir}} $有^[19]：

然而，在氩等离子体的一些实验中，LP得到的电子温度变化范围很小，因此$ k\mathrm{_{Ar}^{dir}} $可近似视为常数，于是（4）变为^[19]

式（6）给出了发射光强与电子密度之间的线性关系。也就是说，当C系数确定后，发射光强可以表示电子密度。并且，C的值可以通过LP得到的电子密度和谱线发射光强之间的校准得到。

在LEAD装置内利用氩气进行等离子放电，设置如下参数：磁场500 Gs，进气量0.4 SLM （气压1.38 Pa），射频功率P_RF = 300 W，LOES探针探测位置距LEAD中轴5 cm。光谱仪在以下参数测量LOES探针测得的氩螺旋波等离子体的光谱：狭缝宽度为0.1 mm，曝光时间为0.1 s，光谱仪光栅密度设置为2400条/mm，以750 nm为测量中心得到氩等离子体光谱如图7所示。将谱线半高宽内数值求和得到光强。

由于LOES探测等离子体发出的光会经过积累、折射、漫反射等过程进入光纤，并对实验结果产生影响，需要把这一影响排除。对此设计了如下实验：在LEAD装置放电过程中，先利用LP在LEAD腔体边界诊断，发现在所有放电条件下，LP几乎都无法测得等离子体参数，因此可以认为LEAD在放电过程中，腔体边界不存在等离子体，利用LOES探针安装位置如图1（b）所示4号窗口，而由于LEAD足够长，LOES探针在任意径向位置测量到的探测范围外的光强可以近似认为相等，因此可以把在边界测得的光强认为是本底，在今后测得的光强数据中把本底减去，即可以得到探测范围内的光强。

为了测量光强本底，设置以下实验参数：气压1.38 Pa，磁感应强度500 Gs，两种诊断系统的推至腔体边界，即探测位置离中轴的距离20 cm，实验结果如图8所示。

后续的实验也都将在p = 1.38 Pa，B = 500 Gs条件下进行，因此在不同的功率实验时只要减去对应的功率下的本底光强即可得到相对真实的光强值。

LP和LOES探针安装位置如图1（b）所示4’和4号窗口，两种诊断系统的探测位置离中轴的距离保持相等，由于LEAD装置沿图1（b）中的红色中轴对称，且激发等离子体的天线（图3）也是轴对称的，故可以认为LEAD装置中的等离子体参数可认为呈柱对称分布，故LP和LOES探针处的等离子体参数可以近似视为相等。

本节设计两组实验以验证不同P_RF下LOES法测得氩750.4 nm线光强和LP测得电子密度的关系，第一组两种诊断系统的探测位置距中轴5 cm，第二组两种诊断系统的探测位置距中轴1 cm，其他实验参数均一致：气压1.38 Pa，磁感应强度500 Gs。

LOES法测得氩750.4 nm线光强和LP测得电子密度随P_RF的变化如图9所示。从图9中可以看出LP测得的电子密度和LOES测得的光强在P_RF < 500 W时随增加P_RF而增加，在P_RF = 500 W后LP测得的电子密度虽有波动，但平均来看增长停止，与LOES测得的光强与P_RF < 500 W时保持相近的比例关系，LP测得的n_e和LOES测得的${{I}}_{ {\mathrm{Ar}} \,\, 750.4 \,\, {\mathrm{nm}}} $有较强正相关，n_e和${{I}}_{ {\mathrm{Ar}} \,\, 750.4 \,\, {\mathrm{nm}}} $大致有如下关系。

LOES法测得氩750.4 nm线光强和LP测得电子密度随P_RF的变化如图10所示。与图9类似，在P_RF = 500 W前等离子体为ICP模式，LP测得的电子密度和LOES测得的光强随P_RF增加而增加，在P_RF = 500 W后等离子体为螺旋波模式，LP测得的电子密度与LOES测得的光强增长停止。LP测得的n_e和LOES测得的${I}_{\mathrm{Ar}\,\,I\,\,750.4\,\,{\mathrm{nm}}} $有较强正相关，n_e和${I}_{\mathrm{Ar}\,\,I\,\,750.4\,\,{\mathrm{nm}}} $大致仍有如下关系。

在3.1.1节与3.1.2节中等离子体光强和电子密度在P_RF = 500 W前后出现区别的原因是在这一功率点出现了模式跳变，用相机拍摄的模式跳变现象如图11所示，在P_RF < 500 W时的（a）、（b）的ICP模式等离子体形态明显区别于P_RF ≥ 500 W时的（c）、（d）的螺旋波模式等离子体的形态，而（b）与（c）之间仅相差100 W的放电功率，（c）与（d）之间则相差500 W的放电功率，但从图11中可以看出（b）与（c）之间的区别明显大于（c）与（d）的区别。

与3.1节一样设计了两组不同P_RF的实验用以验证距中心距离对二者关系的影响，第一组P_RF设置为300 W，第二组P_RF设置为2500 W，其他实验参数均一致：气压1.38 Pa，磁感应强度500 Gs。

LOES法测得氩750.4 nm线光强和LP测得电子密度随距中心距离的变化如图12所示，LOES测得的光强和LP测得的电子密度在距中心1～2 cm的位置先上升，之后持续下降，其原因是因为在ICP模式放电的等离子体芯部存在一个空腔，如图11（a）（b）所示，故芯部的等离子体参数较低下。n_e和$ \mathit{\mathit{\mathrm{\mathit{I}}}}_{\mathrm{Ar}\, \, 750.4\, \, \mathrm{nm}} $大致仍有如下关系。

LOES法测得氩750.4 nm线光强和LP测得电子密度随距中心距离的变化如图13所示，LOES测得的光强和LP测得的电子密度在距中心距离距中心1～2 cm的位置先上升，之后持续下降，n_e和$ \mathrm{\mathit{I}}_{\mathrm{Ar}\, \, 750.4\, \, \mathrm{nm}} $大致仍有如下关系

本文利用LOES法在核工业西南物理研究院的大型线性等离子体实验装置LEAD上对等离子体进行了测量，相较于OES实现了低成本的高空间分辨率的测量。LOES与LP在不同射频功率和径向位置下对比了氩等离子体的诊断结果，表明了LOES测量的光强与LP得到的电子密度之间的比值均有较好的一致性。并发现在射频功率500 W左右观察了等离子体模式从ICP到螺旋波的跳变，ICP模式下测得的参数随功率显著增长，螺旋波模式下测得的电子密度和光强几乎不随功率增长，估计是等离子体跳变为螺旋波模式后功率的增加转变为了电子温度的增长。综上所述LOES法可以一定程度反应等离子体电子密度，证明了LOES诊断的可靠性。

在实验过程在发现LOES探针在螺旋波模式等离子体下会导致透光率会随诊断时间的增加不断降低，因为螺旋波模式下高温高密的等离子体会烧蚀LOES中的耐高温陶瓷光纤，因此LOES不适合在螺旋波模式下长时间使用。特定的LP由于设计和结果后处理的限制，诊断结果只有在特定的电子密度范围内才是可靠的，而LEAD装置中的ICP模式和螺旋波模式之间电子密度差距过大，本实验使用的LP只适合在螺旋波模式时的高电子密度条件下诊断，在ICP时需要使用LOES诊断。因此LOES诊断可以和LEAD装置上现有的LP在不同的等离子体模式的诊断上互补。