Emissionsspektroskopie Sebastian Ehn 26.07.2011

Emissionsspektroskopie 26.07.2011 0. Ziel Informationen zu den Plasmaparametern aus der (passiven) Beobachtung des Plasmaspektrums R. Neu: Wolfram als Randmaterial im Tokamak ASDEX Upgrade. MPG Forschungsbericht 2004

Inhalt: Grundlagen der Spektren Spektrometer Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Inhalt: Grundlagen der Spektren Qualitative Spektren Verbreiterungsmechanismen Abelinversion Spektrometer Prisma Gitterspektrometer Bragg-Spektrometer Thermodynamische Gleichgewichte Spezielle diagnostische Verfahren Boltzmann-Plot Flussmessungen Aktinometrie

Grundlagen der Spektren Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Grundlagen der Spektren

Grundlagen der Spektren Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Grundlagen der Spektren Kontinuierliche Strahlung: Bremsstrahlung (ff) Rekombination (fg) ~ exp(hν/kTe) Anwendung: εff ~ Z2 ne nZ ~ Z ne2 Quasineutralität: ne = Z nZ -> Diagnose von Verunreinigungen aus Intensität der Bremsstrahlung

Grundlagen der Spektren Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Grundlagen der Spektren Kontinuierliche Strahlung: Bremsstrahlung (ff) Rekombination (fg) Anwendung: Elektronentemperatur aus Steigung der Geraden in halblogarithmischer Darstellung

Grundlagen der Spektren Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Grundlagen der Spektren Linienstrahlung: Atomare Übergänge (gg) Molekülbanden Anwendung: Identität vorhandener Elementen/Molekülen aus charakteristischen Linien

Verbreiterungsmechanismen Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Verbreiterungsmechanismen Natürliche Linienbreite: Endliche Lebensdauer -> endliche Linienbreite Dopplerverbreiterung: Verschiebung einer Linie -> statistische Verbreiterung des Profils

Verbreiterungsmechanismen Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Verbreiterungsmechanismen Anwendung Dopplerverbreiterung: Bestimmung der Ionentemperatur Kenntnis der Geschwindigkeitsverteilung notwendig ->Thermodynamik, s. unten Hohe Auflösung notwendig

Verbreiterungsmechanismen Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Verbreiterungsmechanismen Weitere Verbreiterungsmechanismen: Stark-Verbreiterung -> Bestimmung der Elektronendichte aus H-Linien Linienkonstanten C zuvor experimentell bestimmt Zeeman-Verbreiterung Druckverbreiterung Untergeordnete Rolle bes. in Fusionsplasmen

Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Abelinversion Problem bei spektroskopischen Messungen: Aufzeichnung linienintegrierter Profile Wichtig bei Interpretation der bisher besprochenen Messungen

Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Spektrometer Prismenspektrograph

Spektrometer Prismenspektrograph Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Spektrometer Prismenspektrograph Schlechte Auflösung (Bsp. Quarz, L=8cm: Δλ/λ= 2• 10-4 ) Stark nichtlineare Dispersion Wellenlängenbereich eingeschränkt durch Transmission Verwendung zur Vorzerlegung für Gitter etc.

Spektrometer Gitterspektrometer Czerny-Turner-Anordnung Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Spektrometer Gitterspektrometer Czerny-Turner-Anordnung

Spektrometer Gitterspektrometer Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Spektrometer Gitterspektrometer Lineare Dispersion bei kleinen Ablenkwinkeln Großer Wellenlängen-Bereich (IR – UV) Hohe Auflösung „Gittergeister“: Abbildungsfehler durch Fehler im Gitter Czerny-Turner-Anordnung

Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Spektrometer Bragg-Spektrometer

Spektrometer Bragg-Spektrometer Anwendung im Röntgen-Bereich Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Spektrometer Bragg-Spektrometer Anwendung im Röntgen-Bereich Hohe Auflösung, lineare Dispersion bei kleinen Winkeln Verschiedene Kristalle für verschiedene Wellenlängenbereiche notwendig

Thermodynamische Gleichgewichte Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Thermodynamische Gleichgewichte Vollständiges Thermodynamisches Gleichgewicht (TE): Jeder Prozess im detaillierten Gleichgewicht mit seinem Umkehrprozess Definition einer globalen Temperatur T

Thermodynamische Gleichgewichte Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Thermodynamische Gleichgewichte Im Vollständigen Thermodynamischen Ggw. gilt… … die Boltzmanngleichung für die Besetzung … die Sahagleichung für die Ionisierung … das Planck‘sche Strahlungsgesetz für das Strahlungsfeld … das ideale Gasgesetz und die Quasineutralität Messung einer spektroskopischen Größe (bei bekanntem p, n) -> alle Parameter des Plasmas Aber: Temperaturgradient und Fluktuationen anderer Parameter in realen Laborplasmen -> Abweichung vom TE

Thermodynamische Gleichgewichte Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Thermodynamische Gleichgewichte Lokales Thermodynamisches Gleichgewicht (LTE): Bedingungen: Gradienten << Mittlere freie Weglänge Zeitskala der Fluktuationen << Zeitskala der mikroskopischen WW Anzahl der Stöße >> Strahlungsübergänge (Vernachlässigung der Strahlung) Richtwert zur Gültigkeit des LTE in Laborplasmen: ne ≈ 1022 – 1023 m-3 Elektronenstoßionisation >> Photoionisation Kein Problem Dreierstoßrekombination >> Strahlungsrekombination Problem! Hohe Elektronendichten notwendig

Thermodynamische Gleichgewichte Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Thermodynamische Gleichgewichte Lokales Thermodynamisches Gleichgewicht (LTE): Boltzmann- , Saha-, Zustandsgleichungen gelten lokal Parameter prinzipiell wie im TE berechenbar Aber: Räumliche Verteilung der (lokalen) Temperatur/Druck und Ionisationszustände notwendig -> zusätzliche Modellrechnungen/Messungen!

Thermodynamische Gleichgewichte Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Thermodynamische Gleichgewichte Korona-Gleichgewicht: Vernachlässigung der Stoßabregung bei sehr kleinen Dichten ne ≈ 1019 m-3 -> fast alle Atome im Grundzustand Gleichgewichtsbeziehungen für … … die Besetzung der Zustände: … die Ionisierung:

Thermodynamische Gleichgewichte Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Thermodynamische Gleichgewichte Korona-Gleichgewicht vs. LTE:

Spezielle diagnostische Verfahren Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Spezielle diagnostische Verfahren Boltzmann-Plot zur Temperaturbestimmung: Annahme: Gültigkeit Boltzmannstatistik (LTE) Intensitätsmessung mehrerer Linien eines Elements, Besetzung der Niveaus aus Halblogarithmische Darstellung der gemessenen nk relativ zum Grundzustand -> Gerade mit Steigung –Wm/kT (gem. Boltzmann)

Spezielle diagnostische Verfahren Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Spezielle diagnostische Verfahren Teilchenzuflussmessung aus Wandbereich Annahme: Gültigkeit Koronamodell bm: „Branching ratio“ Messung der Linienstrahlung des beobachteten Elements: Berechnung des Teilchenflusses senkrecht zur Wand: S/XB – Wert: Verhältnis Ionisationsate/Anregungsrate

Spezielle diagnostische Verfahren Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Spezielle diagnostische Verfahren Teilchendichtemessung, Aktinometrie Annahme: Gültigkeit Koronamodell Messung der Linienstrahlung eines Testteilchens: Messung der Linienstrahlung des gesuchten Elements: Berechnung der Dichte des gesuchten Elements (Dichte der Testteilchen aus Zufluss bekannt) Voraussetzung: Gleiche Temperaturabh. der Anregungsraten X

Zusammenfassung Gleichgewichtsmodelle: Parameter Hohlraum-Strahlung Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Zusammenfassung Gleichgewichtsmodelle: Parameter Hohlraum-Strahlung Boltzmann-Verteilung Saha-Gleichung TE p, T ja LTE P, T nein Korona ne, T

Zusammenfassung Bestimmung von Plasmaparametern: Observable Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Zusammenfassung Bestimmung von Plasmaparametern: Observable Daraus bestimmbar Kontinuierliches Spektrum Verunreinigungsgrad Te Linienspektrum Vorhandene Elemente im Plasma Verbreiterung Doppler Ionen-Temperatur Stark ne Intensität, absolut Teilchenzufluss Intensität, relativ Teichendichte

Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Fragen…

Emissionsspektroskopie 26.07.2011 Literatur K. Behringer: Spektroskopische Diagnostik von Nichtgleichgewichtsplasmen, SS 2001 K. Behringer: Einführung in die Plasmaspektroskopie, WS 2000/2001 R. Dux: Plasmaphysik und Fusionsforschung, Teil I & II, WS 2001/2002 H. Harfuß: Diagnostik von Hochtemperaturplasmen, WS 2003/2004