连续辐射谱法计算闪电通道电子温度
董向成1, 袁萍2,*
1. 兰州城市学院电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070
2. 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室, 甘肃 兰州 730070
*通讯联系人 e-mail: yuanp@nwnu.edu.cn

作者简介: 董向成, 1975年生, 兰州城市学院电子与信息工程学院讲师 e-mail: dongxiangc@tom.com

摘要

基于连续辐射理论, 得到连续辐射能量与等离子体电子温度的关系式。 依据青海地区一次强地闪回击过程的光谱, 从中分离出连续辐射强度, 对其吸收特征进行分析以减小吸收带来的计算误差。 通过对连续谱强度的曲线拟合得到闪电放电通道电子温度, 温度峰值为29 800 K, 温度下限为16 200 K, 由同一波段光谱中的O Ⅰ线和N Ⅱ线分别拟合了电子温度。 比较结果发现: 由连续辐射得到的闪电通道电子温度从高温向低温过渡, 高温值与离子线信息获得的闪电核心电流通道处的温度符合较好, 而低温则与原子线计算的结果接近, 反映了外围电晕发光通道的温度。 所以, 依据连续谱得到的结果能更全面地反映温度沿通道径向的分布。 对于闪电热等离子体通道, 连续谱法提供了一种计算闪电放电通道电子温度的新途径, 对地闪回击研究有一定的意义。

关键词: 闪电光谱; 连续辐射; 光谱分离; 电子温度
中图分类号:O536 文献标志码:A
Calculating the Electron Temperature of Lightning Channel Based on the Continuous Radiation
DONG Xiang-cheng1, YUAN Ping2,*
1. School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou City University, Lanzhou 730070, China
2. Key Laboratory of Atomic and Molecular Physics & Functional Materials of Gansu Province, College of Physics and Electronic Engineering, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China;
Abstract

Based on the continuous radiation theory, the relation between the energy of the continuous radiation and the electron temperature of the plasma is obtained. According to the spectrum of the lightning return stroke processes in Qinghai area, separating the continuous radiation intensity from it. In order to reduce the calculation error caused by absorption, the absorption characteristics are analyzed. The electron temperature of lightning discharge channel is obtained by fitting the curves of the continuous spectrum intensity. The peak temperature is 29 800 K and the temperature lower limit is 16 200 K. The electron temperature is calculated respectively with the OⅠ line and NⅡ line in the same band spectrum. The comparison shows the electron temperature calculated by the continuous radiation transits from high temperature to low temperature. High temperature values are in good agreement with the temperature of the lightning core current channel calculated by the ion line information, while the low temperature is close to the result of the atomic line calculation, which reflects the temperature of the outer corona discharge channel. Therefore, the results obtained from the continuous spectrum can more fully reflect the distribution of the temperature along the radial direction. For the lightning thermal plasma channel, the continuous spectrum method provides a new way to calculate the electron temperature of lightning discharge channel. It is of great significance to the study of the lightning return stroke.

Keyword: Lightning spectra; Continuous radiation; Spectrum separation; Electron temperature

引 言

雷电的发生随机性和持续时间短的特点, 使得闪电放电通道物理特性研究变的困难。 通过观测和分析闪电的光谱, 可获得闪电放电通道内物理特性。 闪电放电通道属于热等离子体, 电子温度是等离子体特性的基本参数[1]。 自然闪电通道电子温度可通过光谱信息来获得[2], 计算方法主要是利用特征谱线计算的二谱线法和多谱线法; 二谱线法计算结果对谱线参数变化非常敏感[3], 计算结果不稳定, 多谱线法成为计算闪电放电通道电子温度的常用方法。

与激光诱导等离子体光谱相比, 闪电光谱连续辐射比较强, 主要来源于韧致辐射和复合辐射[4], 通过对大量闪电光谱的分析, 可以看出连续辐射的相对强度随波长变化形成一个连续分布, 由短波段向长波段先增加后减小, 这是由于等离子体连续谱总发射系数是温度和波长的函数所造成[5]。 可见, 能够用连续谱对闪电放电通道的温度进行诊断。 以往对闪电通道电子温度的诊断都是依据分立谱来进行, 本工作第一次使用连续谱尝试对温度进行诊断, 形成与分立谱诊断结果的对比和印证。

1 理论方法
1.1 连续辐射的激发机理

闪电放电过程中通道内的温度可达104 K量级, 分子被充分离解, 分子辐射可以忽略; 由于闪电光谱通常是在夜晚或背景较黑的环境下获得的, 杂散光引起的连续辐射非常弱, 也可以忽略。 因此复合辐射和韧致辐射是产生连续辐射的主要来源, 即运动电子与粒子相互作用, 作用机理可由下列式子表达[6]

An+eAn+e+khν(1)An+1+eAn+khν(2)An+1+e+eAn+e+khν(3)

其中n=0, +1, +2, …对应 A0, A+1, A+2, …分别代表原子, 1价离子, 2价离子…。 式(1)对应韧致辐射, 是高速电子与重粒子的相互作用, k=0时, 产生能量转移; k=1, 2, …时, 产生多光子辐射。 式(2)和式(3)为复合辐射过程, 电子被离子捕获, 能量以光子的形式释放。 电子-电子碰撞对辐射影响很小, 这里不予考虑。

1.2 连续辐射强度与电子温度关系

先考虑韧致辐射, 设电子服从Maxwell速度分布, 在发生两体碰撞时, 韧致辐射发射能量可写作[7, 8, 9]

ε(ν)=neniZ2e24πε038π33me2c3×2mπTee-hνTeg̅ff(4)

式(4)中ne为电子浓度, ni为离子浓度, g̅ff为含岗特因子的函数。

对复合辐射, 则有

ε(ν)=neniZ2e24πε038π33me2c32mπTe·e-hνTeZ2RyTe2n3GneZ2Ryn2Te(5)

其中, Ry=(e2/4πε0ћ)2=13.6eV, 为Rydberg能量。

式(5)为类氢近似结果, 需要进行非类氢近似修正, 考虑最低未满壳层存在部分电子, 最多可再容纳ξ 个而不是2n2个电子, 复合辐射概率依ξ /2n2减小, 并用精确电离能χ i代替类氢近似公式Z2Ry/n2。 则总连续辐射能量写作

ε(ν)=neniZ2e24πε038π33me2c32mπTee-hνTe×g̅ff+Gnξn3χiTeeχiTe+v=n+1GvZ2RyTe2n3GneZ2Ryn2Te(6)

式(6)中第一项对应为韧致辐射, 第二项对应为最低未满壳层复合辐射, 第三项对应为其他壳层复合辐射。 通常有, Z2Ry/n2, Gn=1; hν Z2< Ry/n2, Gn=0。

对式(6)两边取自然对数, 有

ln(ε(ν))-hνTe(7)

可以看出, 连续辐射谱强度的自然对数近似正比于光子的能量, 其斜率的负值为电子温度的倒数。

2 数据分析
2.1 连续谱法计算通道电子温度

图1为2012年青海地区一次云对地闪光放电光谱, 光谱由配置600条每毫米透射光栅的无狭缝光栅摄谱仪获得[10], 摄谱范围400~1 000 nm。 图2为经过识谱后, 用相对强度表示的光谱图。

图1 闪电光谱照片Fig.1 Photos of lightning spectrum

依照波长增加方向提取图2中光谱的最低点, 获得按照波长展开的连续辐射相对强度分布, 如图3所示。

图2 闪电回击光谱Fig.2 Spectrum of lightning return stroke

图3 连续光谱强度Fig.3 The intensity of the continuous spectrum

考虑到闪电放电通道沿径向电子温度存在变化[11], 即存在从高温度区到低温度区的过渡, 对温度的拟合也采用高能量区和低能量区分别进行, 分界取在辐射能量为2.45 eV, 即波长为500 nm附近, 这是由于在该波长附近连续辐射出现明显吸收, 这可能与N Ⅱ 离子500.5 nm谱线对应的振子强度很大, 从而对光子产生强吸收有关[12]。 虑及温度沿通道径向的连续变化, 在进行温度拟合时, 以高能量区为中心向低能量区作延伸; 同样, 在低能量区拟合时, 也以低能量区为中心向高能量区做延伸。 利用式(7)进行直线拟合, 拟合结果如图4所示, 所用参数及温度计算结果在表1中列出。

图4 连续谱拟合结果Fig.4 The fitting results of continuous spectrum

2.2 特征光谱计算通道电子温度

闪电光谱中存在大量强的离子线及原子线, 其中N Ⅱ 线及O Ⅰ 线都比较丰富。 为了比较分析计算结果, 文中分别用O Ⅰ 原子线和N Ⅱ 离子线多条谱线的波长、 跃迁概率和激发能等参数计算了通道的电子温度[13, 14], 图5(a)是依据O Ⅰ 线拟合, 图5(b)是依据N Ⅱ 线拟合, 得到的温度在表1中列出。

图5 特征谱拟合结果
(a): O Ⅰ ; (b): N Ⅱ
Fig.5 The fitting results obtained by characteristic spectrum
(a): O Ⅰ ; (b): N Ⅱ

表1 闪电放电通道电子温度计算结果 Table 1 Calculation results of electron temperature of lightning channel

可以看出, 通道电子温度在16 200~29 800 K间变化。 闪电通道辐射特性研究表明[15], 闪电通道应包含核心高温电流通道和外围电晕发光通道, 光谱辐射中激发能量较高的离子线主要来自核心通道。 从表1也可以看出, 由N Ⅱ 离子谱线得到的温度值与连续谱在高能量区域结果符合较好; 而由原子谱线得到的温度值与连续谱在低能量区域的结果相近, 因此, 依据连续辐射光谱计算的温度可以更合理地反映等离子体中不同区域的温度特性。 基于这一方法, 有望进一步分析沿闪电通道径向的温度分布及能量存储特征。

3 结 论

用连续谱计算了闪电放电通道内的电子温度, 在高能量区与通过离子谱线获得的结果一致。 认为用离子谱线计算的结果是通道中的上限温度, 反映了核心电流通道的热力学状态。 由原子谱计算得到的温度比最低能量区算得的温度略高, 认为在通道外缘, 存在等离子体复合过程。 连续谱法能够计算通道中不同区域对应的温度, 能更全面地反映通道中的温度分布特性。

The authors have declared that no competing interests exist.

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