Thomson散射方法具有能測(cè)量局部溫度的優(yōu)點(diǎn)，而它的準(zhǔn)確性不依賴于LTE的存在。目前，國(guó)外已經(jīng)成功的應(yīng)用Thomson散射來(lái)測(cè)量微觀粒子物理參數(shù)，通過(guò)激光光束的傳播，輔以一定的光學(xué)儀器，采集反映微觀粒子典型物理參數(shù)的光譜或者其它信號(hào)，并通過(guò)建模擬合計(jì)算出所需物理參數(shù)。

3 Thomson散射的研究進(jìn)展

3.1 Thomson散射在溫度測(cè)量上的應(yīng)用

在確定等離子體氣體和電子溫度以及電子密度的方法中，近來(lái)經(jīng)常應(yīng)用的是激光Thomson散射方法。從激光散射光的光譜分布中獲得所求的溫度值，實(shí)現(xiàn)測(cè)量等離子體中重粒子的動(dòng)力學(xué)溫度、電子溫度以及電子密度診斷?，F(xiàn)在，這種技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到多種激光器，包括氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等。當(dāng)電子密度超過(guò)1022m-3時(shí)，散射光譜線就由中心部位窄的離子分布和周邊區(qū)域?qū)挾鴮?duì)稱的電子分布組成。分析這些譜線，就可得到重粒子溫度、電子溫度和電子密度。

文獻(xiàn)[4,13,14] 分別報(bào)導(dǎo)常壓下熱等離子體電子和離子的Thomson散射測(cè)量結(jié)果，指出常壓下通過(guò)激光Thomson散射的譜線分析方法測(cè)量Ar等離子體射流和轉(zhuǎn)移弧的電子溫度，電子溫度峰值高達(dá)20000K左右；重粒子溫度在等離子體射流和轉(zhuǎn)移弧中分別為12000K左右、14000K左右。對(duì)比分析用光譜法測(cè)得的相應(yīng)溫度，由表1中可以看出，在低溫時(shí)光譜方法顯然過(guò)高估算了溫度值。這產(chǎn)生于LTE的偏離，而這種偏離是由等離子體外部區(qū)域的從中心區(qū)域線性輻射發(fā)射的原子激發(fā)導(dǎo)致的。而當(dāng)溫度高于一定值時(shí)，光譜方法和激光散射方法測(cè)得的溫度值保持一致[6,7]。這些結(jié)果表明在一定條件下光譜法方法是不能提供可靠的電子溫度測(cè)量結(jié)果的。

表1 不同診斷方法測(cè)量溫度值的相關(guān)比較

注：① 代表的是常壓下100A自由燃燒Ar弧的陰極下2mm處測(cè)得的各溫度值；

② 代表的是常壓下900A的Ar等離子體射流焊炬前方2mm處測(cè)得的各溫度值。

Snyder、Lassahn和Reynolds[14]在100A自由燃燒Ar弧的陰極下2mm處測(cè)得電子溫度為20900±1700K、離子溫度為14200±700K。Bentley[4]重復(fù)了電子溫度測(cè)量，他用的是Thomson散射光譜解析測(cè)量方法，并從散射光的光譜中獲得20400±500K的電子溫度，證實(shí)了常壓下氬弧中會(huì)出現(xiàn)不能滿足LTE的現(xiàn)象；同時(shí)，電子溫度至少比離子溫度要高4000K。而用光譜法測(cè)量同一電弧，得出受激溫度為16600K。Tanaka和Ushio[15]在50A和100A的Ar弧中比較了Thomson散射測(cè)量的電子、離子溫度值和光譜法測(cè)量的受激溫度值。他們發(fā)現(xiàn)離子溫度和受激溫度相差不大，而電子溫度要高出約5000K。在常壓下等離子體射流中進(jìn)行測(cè)量，也同樣可以觀測(cè)到電子溫度遠(yuǎn)比離子溫度和受激溫度高。表1同樣給出了對(duì)應(yīng)900A的Ar等離子體射流焊炬前方2mm處測(cè)得的各溫度之間的比較。從這些結(jié)果中可以得出結(jié)論，電子溫度比離子溫度和受激溫度要高幾千開爾文。

3.2 Thomson散射溫度測(cè)量的分析

3.2.1電弧等離子體中LTE的偏離

電子溫度和離子溫度之間的較大差異表明，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱等離子體的理論研究之間并不總是吻合的。在理論研究中，通常認(rèn)為常壓下焊接電弧和等離子體射流的中心區(qū)域是處于LTE下的。LTE要求所有物質(zhì)的平移能量分布符合Maxwell-Boltzmann分布；要求在這些分布下的所有物質(zhì)的溫度都是一樣的。理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，對(duì)于電子密度高于1023m-3來(lái)說(shuō)，偏離電極和邊緣的區(qū)域是處于或者接近于LTE的，這是由于電弧和等離子體射流中高速碰撞導(dǎo)致了物態(tài)的快速平衡。

然而，很多學(xué)者證明了在熱等離子體的一些區(qū)域偏離LTE。舉例而言，在自由燃燒電弧陰極前方1mm內(nèi)激發(fā)態(tài)原子數(shù)量很少[16]；這主要是由收縮作用導(dǎo)致的冷空氣的快速對(duì)流決定的。在靠近陽(yáng)極處也會(huì)發(fā)生LTE的偏離[17]。在等離子體邊緣區(qū)域，由于輻射的共振吸收，激發(fā)態(tài)原子數(shù)目非常多；而且，較大的濃度梯度導(dǎo)致了擴(kuò)散，這種擴(kuò)散比一些復(fù)合反應(yīng)快得多，進(jìn)而導(dǎo)致局部化學(xué)平衡成分的偏離。

LTE假設(shè)幾乎可以用于所有的熱等離子體計(jì)算模型，它可以簡(jiǎn)化工業(yè)電弧等離子體特征的計(jì)算。在電弧測(cè)量中，也同樣假設(shè)LTE來(lái)推導(dǎo)基本原子數(shù)據(jù)。基于這些原因，通過(guò)Thomson散射測(cè)量電子溫度，來(lái)驗(yàn)證LTE的有效性是非常有用的。如上所述，在很多實(shí)驗(yàn)室都開展了溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

3.2.2 數(shù)值計(jì)算分析

相對(duì)核聚變而言，等離子體中Thomson散射是最可靠的電子溫度的測(cè)量方法。然而，熱等離子體中很高的電子密度和很低的電子溫度說(shuō)明在這些等離子體中存在著激光輻射對(duì)電子的明顯加熱作用。在上述提到的所有研究中，通過(guò)測(cè)量作為激光脈沖能量函數(shù)的電子溫度、以及把結(jié)果曲線線性外推到零脈沖能量，都考慮了這種加熱作用。Murphy[18]指出在這些外推計(jì)算中存在很多問(wèn)題，并在論文中對(duì)這些結(jié)果的展開進(jìn)行討論，認(rèn)為在溫度變化的等離子體中測(cè)量溫度時(shí)這些問(wèn)題是固有的，而且還解釋說(shuō)明了用擴(kuò)束激光束進(jìn)行測(cè)量時(shí)的難度。在這些測(cè)量中，由于激光束的低能量密度，電子的加熱作用就大大減弱了。

3.2.3 溫度測(cè)量影響因素的分析

其他一些學(xué)者給出了Thomson散射測(cè)量時(shí)電子溫度異常高的不同解釋。Gregori等人[19]做了一些測(cè)量，結(jié)果表明計(jì)算得出的電子溫度明顯的取決于散射角（入射激光束與測(cè)量軸之間的夾角）。在散射范圍內(nèi)由于存在較大濃度梯度，散射角對(duì)電子溫度的決定程度就會(huì)增強(qiáng)，同時(shí)這種濃度梯度使得電子溫度異常高，在等離子體射流軸線上的電子溫度有10500K。然而，Snyder、Crawford和Fincke等人[20]把這種角度取向歸因于電子分布的碰撞展開，后者對(duì)測(cè)量中獲得的電子溫度的影響非常小。考慮到這種展開，電子溫度約為18000K，仍然遠(yuǎn)大于受激原子和離子的溫度。Terasaki等人[21]認(rèn)為氦弧中電子分布不取決于散射角，對(duì)于氦弧來(lái)說(shuō)，碰撞展開的影響是非常明顯的，這與Snyder、Crawford和Fincke等人[20]的結(jié)果一致。

這里給出國(guó)外利用Thomson散射測(cè)量電弧電子溫度和電子密度的例子，以供參考。

1994年，Snyder 等人[13]通過(guò)激光Thomson散射的電子特征的譜線分析，直接確定常壓Ar弧等離子體的電子溫度和電子密度分布。實(shí)驗(yàn)中用Miller SG-100等離子焊炬來(lái)產(chǎn)生所研究的等離子體射流。氣流量為35.4L/min。所用的激光源是調(diào)Q倍頻脈沖Nd:YAG激光器，在波長(zhǎng)為532nm時(shí)進(jìn)行測(cè)量。用單色儀來(lái)確定激光散射的光譜，并用門控二維增強(qiáng)像素CCD（ICCD）二極管陣列檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)譜線。檢測(cè)器的門控通過(guò)接通激光器的Q開關(guān)來(lái)觸發(fā)，門寬為25ns。為減少干擾，用1.5m焦距的透鏡聚焦入射激光束。在激光能量由50～225mJ/脈沖范圍變化時(shí)獲取數(shù)據(jù)。用半波平面和布魯斯特角偏振儀來(lái)調(diào)整激光能量。為了獲得最強(qiáng)的信號(hào)，用另一個(gè)半波平面來(lái)旋轉(zhuǎn)入射激光的偏振方向，使之與單色儀入口狹縫平行。用兩個(gè)直徑40mm、焦距300mm的消色差透鏡來(lái)采集散射光并把它傳遞給單色儀。用Glan-Thompson偏振儀來(lái)抑制自由偏振等離子體背景輻射，同時(shí)傳送豎直方向偏振散射光。焊炬處于豎直位置，散射角為90o，它是等離子體軸線與入射激光束之間的夾角。圖2給出了散射試驗(yàn)的裝置簡(jiǎn)圖。

分別在圖3 (a)和圖3（b）中給出了典型電子特征分布，它們是在焊炬前方徑向位置r=0mm、軸向位置z=2mm和z=20mm處測(cè)得的。兩種情況下，焊炬電流為900A。在50個(gè)激光脈沖內(nèi)累加這些譜線，以提高信噪比（SNR，signal-to-noise ratio）。0 GHz處的強(qiáng)波峰是不可分辨的離子特征。把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性最小二乘擬合，并除去離子特征，這樣得到光滑譜線。譜線的對(duì)稱性說(shuō)明電子速率分布函數(shù)是服從Maxwell分布的。譜線中裝置反應(yīng)函數(shù)的卷積影響很小，只會(huì)引起電子溫度和密度擬合值小于2%的變化。

通過(guò)分析激光Thomson散射的電子特征，獲得了常壓Ar弧等離子體射流的電子溫度和電子密度分布。這些測(cè)量結(jié)果表明，整個(gè)等離子體中明顯偏離了LTE。在焊炬出口平面上，測(cè)得的中心線電子溫度超過(guò)了20000K，而同一位置的氣體溫度為12500K。而且，隨著軸向距離的增大，電子溫度保持不變，而電子密度明顯下降。

為了探討電子溫度和密度與散射角的關(guān)系，2000年，Snyder等人[20]分別選用532nm和355nm的激光波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)裝置同上所述，在常壓Ar等離子體射流中，通過(guò)激光Thomson散射的電子分布的譜線分析，進(jìn)而獲得電子溫度和密度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明他們的努力是正確的。

所有數(shù)據(jù)均在等離子射流徑向r＝0mm、噴出面前方軸向5mm處獲得。氬氣流速為35.4L/min，焊炬電流為900A。圖4分別給出了對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)532nm、355nm的電子溫度和電子密度圖。從圖中可以看出，波長(zhǎng)為532nm時(shí)，隨著散射角在0～80o

范圍內(nèi)不斷減小，電子溫度明顯上升，電子密度數(shù)基本上與散射角無(wú)關(guān)；而對(duì)于波長(zhǎng)355nm而言，電子溫度或電子密度都沒(méi)有明顯隨散射角的變化而變化。由此可見，當(dāng)激光波長(zhǎng)為532nm時(shí)，散射角度對(duì)電子溫度明顯起著決定作用；在散射角小于80o時(shí)，隨角度的減少電子溫度上升。這是因?yàn)樵谛∩⑸浣菚r(shí)，電子等離子體波的彈性碰撞率比蘭道碰撞率大。這就使得電子分布的電子等離子體波發(fā)生共振結(jié)構(gòu)的展開。這一展開進(jìn)而導(dǎo)致了電子溫度隨散射角的減小而上升。然而，波長(zhǎng)為355nm時(shí)，對(duì)于所有的散射角，蘭道碰撞率比彈性碰撞率要大。因此，可認(rèn)為在這一波長(zhǎng)時(shí)電子分布的彈性碰撞是可忽略的；電子溫度值與散射角無(wú)關(guān)。Snyder等人在實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了這一現(xiàn)象。同時(shí)，通過(guò)比較小散射角時(shí)分別對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)532nm和355nm的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以得出電子分布的彈性碰撞效應(yīng)的定量值。

5 前景與展望

Thomson散射由于其能測(cè)量局部溫度且準(zhǔn)確性不依賴LTE存在的優(yōu)點(diǎn)，且具有光學(xué)探針的特征，已經(jīng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于測(cè)量自由燃燒電弧和熱等離子體的氣體溫度、電子溫度以及電子密度，在理論和工業(yè)應(yīng)用中都獲得了較大的成功。

在國(guó)內(nèi)，測(cè)量和診斷焊接電弧主要還是電弧電信號(hào)檢測(cè)方法、高速攝影/像法、電弧光強(qiáng)法、電弧光譜法、電弧聲信號(hào)法以及X射線法等手段。而在應(yīng)用激光散射測(cè)量電弧微觀粒子熱物理參數(shù)等方面的研究目前還在起步階段。在研究中需要把傳統(tǒng)的電弧診斷方法和激光散射測(cè)量方法結(jié)合起來(lái)，利用Thomson激光散射診斷方法，建立具有高時(shí)、空分辨率的基于脈沖激光散射效應(yīng)的光譜診斷系統(tǒng)，并采用先進(jìn)的電弧信號(hào)檢測(cè)儀器，接收激光與電弧相作用的散射信號(hào)，通過(guò)數(shù)－模轉(zhuǎn)換與數(shù)值計(jì)算，以獲得焊接電弧的電子溫度、電子密度等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)非熱平衡狀態(tài)下焊接電弧各物理參數(shù)的精確觀測(cè)和分析，指導(dǎo)焊接工藝。

隨著光學(xué)儀器、檢測(cè)設(shè)備的日益精湛，隨著激光散射檢測(cè)技術(shù)的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用的不斷深化，國(guó)內(nèi)焊接電弧物理界也必將翻開診斷和認(rèn)識(shí)電弧的新的一頁(yè)。