级联弧等离子体具有高密度、高粒子通量和稳态运行等特点,在薄膜沉积、材料表面改性、纳米材料合成和磁约束核聚变等领域都有着广泛的应用。因此,需要对级联弧等离子体的相关物理参数进行精确地诊断研究。作为最基本的两个等离子体参数,电子密度（ne）和电子温度（Te）极大地影响着级联弧等离子体中的其他参数和局域热力学平衡（Local Thermodynamic Equilibrium,LTE）状态。所以对级联弧等离子体ne和Te进行精确的诊断对于深入理解其内部复杂的物理机制和优化其应用具有重要意义。在等离子体诊断技术中,激光汤姆逊散射是公认的一种测量ne和Te最准确的方法。该方法具有非侵入、高时空分辨率和不依赖于等离子体LTE状态等优点。基于此,激光汤姆逊散射是精确测量级联弧等离子体ne和Te的理想诊断技术。本论文建立了激光汤姆逊散射系统,诊断了不同放电条件下,尤其是加入不同反应气体后,级联弧等离子体的ne和Te,发现了级联弧等离子体中电子行为新的变化规律。另外,由于激光汤姆逊散射技术测量出的Te不依赖于等离子体是否处于LTE状态,而发射光谱测得的电子激发温度（Texc）只有当等离子体处于LTE状态时才等于Te。本文提出了通过对比Te和Tec研究级联弧等离子体的非LTE特性的方法,研究了电子对级联弧等离子体LTE状态的影响。主要研究内容如下:在第二章中,分别建立了单光栅光谱仪激光汤姆逊散射（Single Grating Spectrometer Laser Thomson Scattering,SGS-LTS）系统和三光栅光谱仪激光汤姆逊散射（Triple Grating Spectrometer Laser Thomson Scattering,TGS-LTS）系统。SGS-LTS 系统主要由单光栅光谱仪和激光子系统构成,具有相对简单,容易操作等优点。但是单光栅光谱仪不具备陷波滤波功能,导致SGS-LTS系统无法消除强烈的杂散光信号,而这些杂散光信号往往可以将微弱的汤姆逊散射信号完全湮没。为了抑制杂散光信号,本论文研制了具有窄带陷波滤波功能的三光栅光谱仪,并将三光栅光谱仪与激光子系统等相耦合共同构成了TGS-LTS系统。相比于SGS-LTS系统,TGS-LTS系统具有更高的探测灵敏度,电子密度探测下限可以低至1×1017 m-3,从而可以被应用到精确诊断较低密度等离子体的ne和Te。另外,本章还对级联弧等离子体发生装置进行了介绍。在第三章中,采用SGS-LTS系统对级联弧氩等离子体的ne和Te进行了精确的测量。同时,采用发射光谱测量了级联弧氩等离子体的Texc。通过对比Te和Texc,对级联弧氩等离子体的非LTE特性进行了研究。激光汤姆逊散射诊断结果表明在典型运行条件下,级联弧氩等离子体ne的范围为1019 m-3～1020 m-3,Te的范围为0.3 eV～0.6 eV;随着放电电流、气体流速和背景气压的增加,ne和Te均增加。当放电电流和气体流速增加时,等离子体源的注入功率增加,ne和Te增加,下游等离子体ne和Te升高。背景气压的升高会导致下游等离子体体积减小,等离子体径向输运减弱,电子被约束在中心区域,ne增加。当ne增加时,电子与氩离子之间的三体复合（three-body recombination）反应增强。三体复合反应中氩离子被复合,一部分内能转化为电子的动能,Te升高。在级联弧氩等离子体中,Texc总是要高于Te,但是随着ne的增加,Txxc逐渐接近Te。这是因为级联弧氩等离子体属于复合等离子体（recombining plasma）,氩原子能级布居数小于其在Saha-Boltzmann平衡条件下的能级布居数,即氩原子能级处于欠布居。随着ne的增加,电子与氩原子之间的碰撞增强,同时三体复合反应增强,氩原子能级布居数增多,逐渐接近Saha-Boltzmann平衡条件下的氩原子能级布居数,即等离子体逐渐接近LTE状态,所以Texc逐渐接近Te。在第四章中,采用TGS-LTS研究了氮气对级联弧氩等离子体ne和Te的影响以及对等离子体LTE特性的影响。同时定性地提出了氮气对ne、Te和等离子体LTE影响的物理机制。在背景气压较低时（150Pa和300Pa）,随着氮气比例的增加（0%-10%）,ne从1020m-3急剧降至1018m-3。当背景气压较高时（500Pa和800Pa）,ne随着氮气比例的增加先迅速下降而后略有升高。电子与氮分子离子之间的解离复合（dissociative recombination）反应会消耗大量的电子,导致ne急剧下降。而亚稳态氮分子之间的缔合电离（associative ionization）反应可以产生新的电子,当缔合电离反应占主导时,ne增加。随着氮气比例的增加,Te呈现出先增加后降低的变化规律。这是电子与氮分子之间的超弹性碰撞反应和碰撞激发反应共同作用的结果。电子与处于较高振动激发态的氮分子之间的超弹性碰撞可以将氮分子的一部分振动能转化为电子的动能,Te升高;而电子碰撞激发基态氮分子会导致电子损失动能,Te降低。加入氮气后,Texc更加偏离Te。这是因为加入氮气之后,ne急剧降低,电子与氩原子之间的碰撞减弱,氩原子能级布居数来源减少,更加偏离Saha-Boltzmann平衡条件下的氩原子能级布居数,级联弧等离子体也更加偏离LTE状态。在第五章中,采用TGS-LTS系统诊断了级联弧氩氧混合等离子体的ne和Te,研究了氧气对ne和Te的影响。实验结果发现当氧气比例从0%增加至10%时,ne迅速下降,下降幅度可以超过两个数量级;而Te变化很小,只有在背景气压较高且放电电流较低时,在较高氮气比例处Te出现下降。ne的下降主要是由氧分子离子与电子之间的解离复合反应引起的。另外,由于氧气是一种电负性气体,所以形成负离子（O2-和O-）的反应也会消耗一部分电子,进一步加剧了ne的减少。由于电子与较高振动激发态氧分子之间的超弹性碰撞和电子与处于基态氧分子的电子碰撞激发相互达到某种平衡,通过电子通过超弹性碰撞反应获得能量与通过电子碰撞激发反应损失的能量相当。所以,Te随氧气含量的增加变化很小。当背景气压较高且放电电流较低时,在较高氧气比例条件下,基态氧分子数密度较高,电子碰撞激发反应占主导,所以Te会出现明显的下降。