Plazma jest źródłem światła o dużym natężeniu, zatem naturalne jest, że w diagno-styce plazmy duże znaczenie mają metody spektroskopii emisyjnej. Polegają one na pomiarach natężenia promieniowania ciągłego plazmy lub całkowitego natężenia li-nii emisyjnej (atomów, jonów, molekuł) lub pomiarach kształtu lili-nii emisyjnych lub absorpcyjnych. Na podstawie otrzymanych wyników można wyznaczyć koncentracje cząstek w określonych stanach kwantowych, co z kolei ma związek z temperaturą plazmy i koncentracją elektronów.
Podstawową zaletą technik emisyjnych jest względnie prosty układ pomiarowy oraz nieinwazyjny charakter. Wadą natomiast to, że wynik końcowy w istotny sposób zależy od przyjętego, hipotetycznego i trudnego do zweryfikowania modelu plazmy. Ponadto dokładność metod emisyjnych zależy również od dokładności użytych w ob-liczeniach stałych atomowych, tj. siły oscylatorów linii widmowych oraz przekrojów czynnych na procesy zderzeniowe.
3.3.1 Metoda wykresu Boltzmanna
Metoda ta pozwala wyznaczyć temperaturę wzbudzeniową plazmy poprzez pomiar stosunków natężeń linii widmowych. W przypadku istnienia w plazmie równowagi Boltzmanna temperatura wzbudzeniowa odpowiada temperaturze plazmy.
Na podstawie zależności współczynnika emisji linii widmowej od temperatury można zapisać równanie
ln λkiεki Akigk = C − Ek kBT, (3.4)
gdzie Ek i gk oznaczają odpowiednio energię i wagę statystyczną górnego poziomu przejścia, a C jest pewną stałą. Jak widać, lewa strona równania jest liniową funkcją energii Ek. Można więc wyznaczyć temperaturę plazmy poprzez zmierzenie natężeń kilku linii widmowych, wykreślenie zależności wyrażenia po lewej stronie równania 3.4 od Ek i wyznaczenie nachylenia linii prostej dopasowanej do punktów doświad-czalnych. Metoda ta wymaga rejestracji linii emisyjnych o znacznie różniących się energiach górnych poziomów przejść, co zwiększa dokładność pomiaru.
Niezbędnym warunkiem wyznaczenia temperatury ze współczynnika emisji li-nii jest również znajomość jej prawdopodobieństwa przejścia. Dodatkową trudność sprawia konieczność kalibracji układu optycznego.
3.3.2 Metoda Larenza-Fowlera-Milne’a
Metodą diagnostyczną, która pozwala ominąć wymienione powyżej trudności jest metoda Larenza-Fowlera-Milne’a (L-F-M) [29,45]. Zgodnie ze wzorem 2.33 współ-czynnik emisji linii spektralnej εki zależy od obsadzenia Nk górnego poziomu przej-ścia, które to obsadzenie, zgodnie z prawem Boltzmanna 2.16, zależy z kolei od tem-peratury. Obserwowane natężenie linii emisyjnej jest proporcjonalne do obsadzenia górnego poziomu i osiąga maksimum, gdy to obsadzenie jest najwyższe. W plazmie jednorodnej w stanie LRT, dla określonego ciśnienia, natężenie to osiąga maksimum w temperaturze zwanej temperaturą normatywną. Osiąganie maksimum natężenia jest związane z tym, iż aczkolwiek stosunek populacji poziomu górnego do dolnego rośnie wraz z temperaturą, to gęstość populacji maleje ze względu na rosnącą joni-zację gazu.
Metoda ta umożliwia wyznaczenie rozkładu temperatury plazmy z pomiaru na-tężenia jednej linii widmowej pod warunkiem, że temperatura dla której ta linia ma swoje maksimum została w pewnym punkcie plazmy (np. poza osią łuku) osiągnięta. Nie jest natomiast wymagane wyznaczenie czułości układu pomiarowego, gdyż me-todą tą dokonuje się tylko względnych pomiarów natężenia dla ustalonej długości fali. Metoda ta wymaga jednak założenia stanu LRT w plazmie oraz jednakowego ciśnienia w rozpatrywanym obszarze plazmy. Założenia te stanowią główną wadę metody L-F-M.
3.3.3 Metoda grafu Olsena-Richtera
Metoda ta jest rozwinięciem idei metody L-F-M. Diagnostyki plazmy dokonuje się poprzez rejestrację linii atomowej i jonowej [55]. By wyznaczyć szukane parame-try, należy dopasować natężenie jednej z linii w funkcji natężenia drugiej linii na wykresie logarytmiczno–logarytmicznym do określonej izobary. Tak jak i w przy-padku metody Larentza-Fowlera-Milne’a również ta metoda opiera się na założeniu istnienia lokalnej równowagi termicznej. Jeżeli nie jest możliwe dopasowanie punk-tów doświadczalnych do żadnej izobary, znaczy to, że stan plazmy odbiega od stanu równowagi lub że ciśnienie w plazmie nie jest stałe.
3.3.4 Pomiar szerokości linii emisyjnej
Najbardziej rozpowszechnioną metodą wyznaczania koncentracji elektronów w pla-zmie jest metoda polegająca na pomiarze rozszerzenia i przesunięcia Starka linii widmowych.
Jak wspomniano już poprzednio, amplituda mikropól w plazmie zależy głównie od koncentracji swobodnych elektronów i jonów, a w mniejszym stopniu od tempera-tury plazmy. Profil starkowski linii widmowej jest więc źródłem informacji o
koncen-tracji swobodnych elektronów w plazmie. Metoda rozszerzenia starkowskiego może być wykorzystywana do wyznaczania koncentracji elektronów w wielu różnych ty-pach plazm – w szerokim zakresie ne– od 106m−3do od 1033m−3. Do podstawowych zalet tej metody należą: nieinwazyjność oraz fakt, że metoda ta nie wymaga założeń odnośnie stanu równowagi plazmy. Wadą zaś jest słaba przestrzenna zdolność roz-dzielcza oraz silny wpływ promieniowania ciągłego samej plazmy, będącego w tym przypadku źródłem niepewności pomiarowej.
Pomiary profili starkowskich linii widmowych w plazmie termicznej dokonuje się najczęściej metodą spektroskopii emisyjnej, która polega na pomiarze spektralnego rozkładu współczynnika emisji linii widmowych. W rzeczywistości mierzone jest na-tężenie światła wysumowane wzdłuż kierunku obserwacji, zatem precyzja pomiarów jest również uwarunkowana geometrią źródła. Idealna dla pomiarów spektrosko-powych kolumna plazmowa powinna być albo jednorodna w kierunku obserwacji, albo osiowo symetryczna w przypadku obserwacji bocznych (prostopadle do osi ko-lumny). Wytwarzanie w warunkach laboratoryjnych takiej plazmy jest niezwykle trudne. W przypadku plazmy osiowo symetrycznej wyznaczenie lokalnego współ-czynnika emisji na podstawie zmierzonych natężeń emitowanego promieniowania wymaga zastosowania transformacji Abela [D.3]. Podstawową wadą transformacji Abela jest występująca podczas obliczeń propagacja błędów (i zarazem fluktuacji sygnału i szumu) z brzegu kolumny plazmowej do jej osi, przez co wyniki koń-cowe zwykle obarczone są dużą niepewnością pomiarową, szczególnie dla centralnego obszaru kolumny plazmowej. Odstępstwa od wymienionych symetrii powodują do-datkowy wzrost niepewności pomiarowych i często prowadzą do całkowicie błędnej interpretacji danych eksperymentalnych. Aby zwiększyć precyzję pomiarową można oczywiście starać się konstruować źródła o idealnych parametrach lub stosować me-tody pozwalające na lokalne pomiary profili Starka i lokalną diagnostykę plazmy.
Dodatkową trudność przy pomiarach parametrów starkowskich linii widmowych metodą spektroskopii emisyjnej stwarza fakt, że mierzony profil emisyjny linii ulega również innym, wymienionym wyżej rodzajom poszerzenia. Szczególnie w przypadku gorących ośrodków i dla lekkich pierwiastków mierzony profil może być znacznie poszerzony dopplerowsko. Wyznaczenie profilu starkowskiego na podstawie profilu zmierzonego wymaga znajomości temperatury kinetycznej plazmy, co nie zawsze jest proste, szczególnie w przypadku plazmy nie będącej w stanie lokalnej równowagi termodynamicznej.