Способ измерения локальных параметров плазмы

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ, включающий зондирование плазмы резонансным излучением , регистрацию спектра флюоресценции плазмы с пространственным разрешением , измерение интенсивности зон , дирующего излучения и мощности флюоресценции, определение локальной концентрации компонента плазмы с использованием сечения флюоресценции и определение локальной температуры заселения компонент плазмы из отношения их концентраций, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью .повьшения точности измерений, в процессе измерений изменяют интенсивность зондирующего излучения и регистрируют зависимость мощности флюоресценции от интенсивности зондирующего излучения, затем аппроксимируют эту зависимость функцией вида Х() , . § находят из этой зависимости парамет- (Л ры аппроксимации « и Ь и определяют сечение флюоресценции по формуле с: ( КА2,/с|Л(. где 6 - сечение флуоресценции, см, 2- коэффициент Эйнштейна,: , Д - длина волны излучения флюоресценции , см, о: Ч-1Ч2- статический вес нижнего и Од 4ik 4 уровней перехода, К 1,58-10- pasMepHbrii коэффициент, Дж-см.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1066446

05 kl 1/00; G 01 N 21/64

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3394597/18-21 (22) 12.02.82 (46) 15.10.84. Бюл. h"- 38 (72) Л.Я. Марголин, Н.Я. Полыновская, Л.Н. Пятницкий и С.A. Эдельман (71.) Институт высоких температур

АН СССР (53) 537.521(088.8) (56) 1. Бураков В.С., Мисаков П,Я.

Науменков П.А, и др. Диагностика высокотемпературной водородной плазмы методом резонансной флюоресценции. - Журнал прикладной спектроскопии", том ХХ1Х, вып. 6, 1978, с.1079.

2. Батенин В.M. Пятницкий Л.Н., Марголин Л.Я., Минаев П.В. Диагностика низкотемпературной плазмы по расстоянию излучения аргонового лазера. — Теплофизика высоких температур . Т. 15,. Р 2, 1977, с . 239 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ

ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ, включающий зондирование плазмы резонансным излучением, регистрацию спектра флюоресцен ции плазмы с пространственным разрешением, измерение интенсивности зон. дирующего излучения и мощности флюоресценции, определение локальной концентрации компонента плазмы с использованием сечения Флюоресценции и определение локальной температуры заселения компонент плазмы из отношения их концентраций, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью,повьппения точности измерений, в процессе измерений изменяют интенсивность зондирующего излучения и регистрируют зависимость мощности флюоресценции от интенсивности зондирующего излучения, затем аппроксимируют эту зависимость

t функцией вида (=Х (a+9X), д находят из этой зависймости парамет- .

t ры аппроксимации «и о и опрадепиют Я сечение флюоресценции по формуле = " +i" 7 М / г ). где Й вЂ” сечение флуоресценции, см, /lz — коэффициент Эйнштейна,:с ", — длина волны йзлучения флюоресценции, см, — статический вес нижнего и верхнего уровней перехода, 4 >3Me+Hb>< коэну

Дж см.

1066446

Изобретение относится к диагностике плазмы оптическими методами, в частности методом резонансной флюоресценции, и может найти применение в приборах и устройствах, создавае- 5 мых для исследования плазмы и плаз— моподобных сред.

Известен- способ изменения локальных параметров плазмы, называемый

"способом насьпцения" когда проводится 10 активная спектроскопия насьпцения флюоресценции, т.е. интенсивность зондирующего излучения составляет более пяти интенсивностей насьпцения данного перехода (при этом мощность флюоресценции перестает зависеть от интенсивности зондирования), измеряется мощность Алюоресценции, после чего вычисляется концентрация компонента плазмы с использованием условия насы- 20 щения перехода: где Ь, — насьпценная концентрация ниж)

25 него уровня, см, насьпценная концентрация верхS

-3 него уровня, см

9,1 — статический вес нижнего уровня, 30

- статический вес верхнего уровня.

При этом также используются условия сохранения числа частиц и решение уравнений баланса концентрации для каждого конкретного случая иэ-.

35 мерений 1 ).

Недостатками указанного способа являются значительные ошибки измерений из-за изменения измеряемых параметров плазмы под действием интенсивного зондирующего излучения, низкая точность измерений из-за необходимости принятия какой-либо моде-IH pGBEQBpñèÿ в плазме (в случае работы (1) — условия коронального рав- 45 новесия), что является зачастую довольно грубым приближейием.

Известен также способ измерения локальных параметров плазмы, включающий зондирование плазмы резонанс- 50 ным изг.учением, регистрацию спектра флюоресценции плазмы с пространственным разрешением, измерение интенсивности =-:îíäèðóþöåão излучения и мощности флюоресценции, определение ло- 55 кальной концентрации компонента плазмы по формуле

N=Y X6V ф, (2) где — концентрация компонента плазмы, — мощность флюоресценции, Х вЂ” интенсивность зондируюшего излучения, д — сечение флюоресценции, зондируемый объем пле.змы, Ф вЂ” телесный угол сбора излучения флюоресцецции, и определение локальной температуры заселения компонент плазмы и=- соотношения их концентраций (2 1.

Недостатками указанного способа являются низкая точность измерений из-за использования расчетного значения сечения флюоресценции в формуле (2), так как сечение зависит от ширины линии зондирующего излучения

t ширины линии спонтанного излучения компонента плазмы, соотношения его доплеровского и ударного уширений, расстройки линии зондирования относительно линии спонтанного излучения плазмы, а все эти величипы известны с большой неопределенностью. Кроме того, расчетные выражения для сечения флюоресценции известны лишь для ряда частных случаев.

Целью изобретения является повышение точности измерений локальных параметров плазмы.

Цель достигается тем, что по способу измерения локальных параметров плазмы, включающему зондирование плазмы излучением, регистрацию спектра флюоресценции плазмы с пространственным разрешением, измерение интенсивности зондирующего излучения и мощности флюоресценции, .определение локальной концентрации компонента плазмы с использованием сечения флюоресценции и определение локальной температуры заселения компонент плазмы из отношения их концентраций. В процессе измерений изменяют интенсивность зондирующего излучения и регистрируют зависимость мощности флюоресценции от интенсивности зондирующего излучения, аппроксимируют функцией вида

Y=- Х (м+ ЬХ), (g) находят из этой зависимости параметры аппроксимации .у и Ь и определяют сечение флюоресценции по формуле

6=КЛ21Ь!иЛ(1+Ч, /Ъ ), (Ф) где 6 - сечение флюоресценции, см, А, — коэффициент Эйнштейна, с, 1066446 4

М ) и подставляя ее в формулу (6), получим:

"12 «, — длина волны излучения флю. . оресценции, см

< 1 — статический вес нижнего уровня, I с — статистический вес верхнего уров ня, -24

@=1,58. 10 — размерный коэффициент, Дж-см.

Дополнительное введение операций 10 изменения интенсивности зондирующего излучения и регистрации зависимости

Y = -Е(Х) с последующей ее аппроксимацией.функцией вида (3) и определение. сечения флюоресценции, напри- 15 мер, по формуле (4) позволяют экспериментально определить сечение флюоI.

- ресценции в том же процессе измерений, ранее экспериментально не определявшееся, что ведет к достижению 20 цели изобретения.

Для вывода формулы (4), т.е. для установления связи между экспериментально измеряемыми параметрами аппроксимации а, Ъ и сечением флюорес-25 ценции, кратко рассмотрим кинетику заселения состояний в двухуровневой атомной системе. Рассматриваются стационарные процессы. Уэавнения, учи1 тывающие сохранение частиц и постоян-.. 3) ство стационарных заселенностей уров-. ней, имеют вид:

М +1 1 =N +1 1 о о

2 1 2.

%„ р- — рN+МФ -N 3 О, ()

2 где М19 М2 э М1, Я2-начальные и теку-. 40 о о щие заселенности рабочих уровней, Иня ve

4» о 1 21 2 2 (7) Ч1 (Ъ 1+ +Ф/ +у

%2 IZ 2

Ь Р(% /%2) (в1

X(5f,2 72j

6= 14 Я

ФР о 21m

Ч„ —" (,ьх)

Я, а а сХ Д по1 — вероятность возбуждения

11

О . флюоресценции, 6 1 — спектральный профиль сечения поглощения, п — нормированная на Х объемная спектральная плотность фотонов,,11 — частота, с — скорость света, W1„ — скорость

2 возбуждения электронным ударом, и†полная ширина верхнего уровня. Для измеряемой мощности флюоресценции справедливо выражение

50

55 где h — - постоянная Планка, Находя из формулы (5) разность (М2—

Из формулы (7) видно, что кривая насыщения перехода описывается функцией вида (3). Найдем связь между отношением параметров аппроксимации

Ыб и интенсивностью зондирующего излучения:

Связь между параметрами аппроксимации кривой насыщения перехода и се" чением флюоресценции легко установить, сравнив выражения (2) и (7) с учетом зависимости (8) После подстановки численных значений постоянных в формулу (9) для режима слабоинтенсивного зондирования (Ъ(а Х ((1 ) и с учетом соотноше- ния о =Я +\Ч «% (что имеет место

О2 2! 22 12 всегда,так как %2„» О/12) получаем расчетнбе выражение (4).

Способ может быть реализован, на° пример, при помощи устройства, схема. которого приведена на фиг. 1 и 2., Устройство для реализации способа содержит оптически связанные импульс ный лазер 1, прерыватель ? излучения, выполненный в виде электрооптического модулятора, систему 3 фокусировки, систему 4 сбора и спектрального анализа рассеянного излучения, фотодетектор 5, выход которого соединен с входом блока 6 выделения сигналов, выполненного в виде оптимального корреляционного фильтра, опорный фотодетектор 7, оптически связанный с вторым поляризационным выходом пре рывателя 2, выход опорного фотодетектора 7 соединен с управляющим входом блока 6 выделения сигналов, двухканаль. ный обращающий. усилитель 8, первый вход которого соединен с выходом опорного фотодетектора 7,. а второй вход соединен с выходом блока 6 выделения

)066446

25 сигналов, при этом оба выхода двух канального обращающего усилителя 8 соединены с блоком 9 обработки и регистрации сигналов.

Блок 6 выделения сигналов, принципиальная схема которого приведена на фиг. 2, содержит триггер 10, вход которого соединен с выходом фотодетектора 5, а управляющий вход соеди нен с выходом опорного фотодетектора 1О 7, линию 11 задержки, вход которой . соединен с первым выходом триггера

10, дифференциальный усилитель 12, суммирующий вход которого соединен с выходом линии 11 задержки, а разностный вход соединен с вторым выходом триггера 10, при этом выход дифференциального усилителя 12 соединен с вто рым входом двухканального обращающего усилителя.

Описанное устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом. е

Сформированный лазером 1 импульс резонансного излучения модулируется прерывателем 2 излучения, выполненным в виде электрооптического модулятора, управляемого периодическим напряжением радиочастотного диапазона. Затем излучение фокусируется системой 3 фокусировки в исследуемый объем плазмы, Рассеянное плазмой ре-, зонансное излучение (флюоресценция) собирается из исследуемого объема и

35 анализируется с помощью системы 4 сбора и спектрального анализа рассеянного излучения, состоящей из системы объективов, фокусирующих изображение на входную щель монохроматора, 40 например, ДФС-24. Мощность флюоресцен" ции регистрируется фотодетектором 5, например, типа ФЭУ вЂ” 79, сигналы с выхода которого подаются на вход блока 6 выделения сигналов, управляемого выходным напряжением X опорного фотодетектора 7, например, типа ФЭК-12, отслеживающего изменения интенсивности зондирующего излучения при модуляции. На выходе блока 6 выделения сигналов формируется напряжение Y пропорциональное мощности флюоресценции и имеющее высокое отношение сигнал/шум. Напряжение Y обращается в двухканальном обращающем усилителе

8, на втором выходе которого формиру- ется напряжение, пропорциональное

1/Y. В первом канале усилителя 8 обращается выходное напряжение опорного фотодетектора 7, при этом на его первом выходе формируется напряжение, пропорциональное 1/)I, . Сформированные сигналы 1/X и 1/ г с выходов двухканального обращающего усилителя 8 подаются на вход блока 9 обработки и регистрации сигналов, в котором производится аппроксимация зависимостн (1/г1 = (1/ ) линейной функцией вида (1/ y ) = (и (1/Х)+Ь) методом наименьших квадратов. Вид- функции аппроксимации следует из выражения (3). При этом вычисляется величина

Ъ(а и ошибка в ее определении, характеризующая точность определения сечения флюоресценции. Вычисления концентрации компонент плазмы по формуле (2) производятся в блоке 9 обработки и регистрации сигналов после определения сечения 6 . Необходимые вычисления в блоке 9 могут быть выполнены, например, при помощи микро-ЭВМ "Электроника-60".

Блок 6 выделения сигналов, схема которого приведена на фиг. 2, работает следующим образом.

Электрический сигнал с выхода фотодетектора 5 подается на вход триг. гера 10, управляемого сигналом с выхода опорного фотодетектора 7 таким образом, что в момент просветления прерывателя 2 сигнал от фотодетектора 5 подается на вход линии 11 задержки, а с ее выхода — на суммирующий вхоц дифференциального усилителя 12 через время., равное половине периода модуляции лазерного излучения. В то же время на разностный вход усилителя 12 подается напряжение от фотодетектора 5 в те полпериода, когда отсечено лазерное излучение от плазмы, т.е. в этот момент триггер 10 находится в другом устойчивом состоянии.

Таким образом, осуществляется компенсация собственного излучения плазмы одновременно со скоростным синхронным детектированием. На вьгходе дифференциального усилителя l2 формируется полезный сигнал с высоким отношением сигнал/шум.

Пример. Исследовалась плазма ВЧ разряда в неоне. Параметры плазмы: Т, = 350 К, Т = 1,1 эВ, P = 4O0 Па. Для возбуждения применялся импульсный лазер на красителях (Родамин 6Ж) со следующими характеристиками: длительность им1066446 пульса 3-6 мкс, максимальная энергия в импульсе 30 мДж, диаметр каустики луча 0,3 мм. Измерялась локальная концентрация атомарного неона на уровне 1s5 . При этом возбуждался 5 переход 1s> — 2р. на длине волны

О

6163 А. Измеренное сечение флюоресценции оказалось равным (2,8 + 0,3)r

«10 см . Расчет сечения по приближенным формулам дает значение (9+4)i

-1э - я

МО см . Таким образом,. точность измерения локальных параметров плазмы в данном случае повышалась более чем в 4 раза. Кроме того, учтена систематическая ошибка из-за расстройки.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ измерения локальных параметров. плазмы повышает точность измерений путем учета неконтролируемой расстройки между линией плазмы и линией зондирующего излучения, а также нестабильность последнего, в экспериментально определяемом сечении флюоресценции, повышает точность измерений путем учета реальных параметров плазмы, осуществляемого в результате экспериментального определения сечения флуоресценции в ходе того же измерения. При этом . точность увеличивается в 2-6 раз.

Реализация способа на описанном устройстве позволяет повысить чувствительность измерений минимум в 2 раза, повысить временное разрешение измерений до 10 с, а также автоматизировать процесс измерений. Возможно ис-. пользование описанного способа и устройства для его реализации при измерении сечений столкновений и атомных конс гант.

10664 46

Составитель А. Захаров

Техред М.Надь

Редактор О. Юркова

Корректор В. Синицкая

Заказ.7052/2

Тираж 782

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5.

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4