Способ измерения штарковской ширины линии в плазме

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИГГАРКОВСКОЙ ШИРИНЫ ЛИНИИ В ПЛАЗМЕ, включающий облучение плазмы двумя потоками лазерного излучения, первый из которых монохроматический с частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, отличающийся тем, что, с целью обеспечения исследования плазмы в широком диапазоне изменения ее па-, раметров: плотности, времени существования и температуры, в качестве второго потока лазерного излучения используют широкополосное излучение с центральной частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, при этом в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности первого потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, возникающую при облучении ее первым потоком, и в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности второго потока излучения и интенсивность флюоресценции Кл плазмы, возникающей при облучении ее вторым потоком, а затем по измеренным изменениям плотностей интенсивностей потоков излучения и интенсивностей флюоресценции определяют щтарковскую ширину линии.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3367773/18-25 (22) 18. 12. 81 (46) 30.10.88. Бюл.- 8 40 (71) Институт прикладной физики

АН СССР (72) P.À.Àõìåäæàíoâ, И.Н.Полушкин, Я.И.Ханин и В.В.Язенков (53) 533.9(088.8) (56) Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме. "И р", M. 1978, с. 224-300.

Летохов В.С. и Чеботаев В.П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии., "Наука", 1975, с. 24-25. ; 1; (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ШТАРКОВСКОЙ

ШИРИНЫ ЛИНИИ В ПЛАЗИЕ, включающий облучение плазмы двумя потоками лазерного излучения, первый из которых монохроматический с частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, отличающийся тем, что, с

„„SU„„1067930 А (51) 4 G 01 N 21/63 целью обеспечения исследования плазмы в широком диалазоне изменения ее па-. раметров: плотности, времени существования и температуры, в. качестве второго потока лазерного излучения используют широкополосное излучение с центральной частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, при этом в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности первого потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, возникающую при облучении ее первым потоком, и водном интервале времени измеряют плотность интенсивности второго потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, возникающей при облучении ее вторым потоком, а затем по измеренным изменениям плотностей интенсивностей потоков излучения и интенсивностей флюоресценции определяют штарковскую ширину линии.

1 1067930 2

Изобретение относится к технике диагностики плазмы и может быть использовано для диагностики плазмы в плазмотронах, в установках управляемого. термоядерного синтеза (УТС) типа токамак, стелларатор и т.п.

В настоящее время выбор того или иного способа диагностики плазмы определяется параметрами плазмы, в том числе, ее температурой, плотностью и временем существования. Настоящее изобретение направлено на разработку способа измерения штарковской ширины спектральной линии в плазме, несущей 15 информацию об электрическом поле в плазме или о концентрации примесей тяжелых частиц в импульсной плазме, применимого для диагностики плазмы . вне зависимости от вышеперечисленных 20 параметров.

Известный способ измерения штарковской ширины спектральной линии, основанный на анализе спектра собственного излучения плазмы, мвжно ис-25 пользовать для диагностики как стационарной, так и импульсной плазмы. Однако он неприменим для диагностики высокотемпературной плазмы, в которой уширение спектральных линий происхо- 30 дит не столько из-за эффекта Штарка, сколько за счет эффекта Допплера.

Кроме того, из-за реабсорбции, кото=, рая проявляется тем больше в искажении профиля спектральной линии, чем больше плотность плазмы, применение этого способа возможно в некотором (определенном для конкретного вещества) диапазоне изменения плотностей плазмы, 40

Известен способ измерения штарковской ширины линии,, основанный на нелинейной лазерной спектроскопии насыщения внутри доплеровской линии, который применим как для низкотемпе4 ратурной, так и для высокотемпературной плазмы. Возможности использования этого способа из-за реабсорбции определяются диапазоном плотностей исследуемой плазмы.

Один из вариантов этого способа измерения штарковской ширины линии наиболее близкой к предлагаемому . включает одновременное облучение плазмы двумя потоками лазерного излучения, первый из которых монохроматический с частотой, совпадающей с частотой д, излучаемой линии, и облучение плазмы вторым потоком монохроматического излучения с частотой, перестраиваемой в диапазоне от ы„-—

Я(d

calid -4 Х 2 до М + --, где лы= 10 -10 Ыо

Информацию о ширине штарковской линии получают путем измерения интенсивности проходящего через плазму излучения при изменении частоты второго потока.

Недостаток этого способа заключается в применимости его к исследованию только стационарной плазмы и, к . тому же, с определенной плотностью.

Последнее ограничивает возможности экспериментов со стационарной плазмой, а в целом этот недостаток ограничивает диапазон экспериментов с плазмой.

- Целью изобретения является обеспечение исследования плазмы в широком диапазоне изменения ее параметров: плотности, времени существования и температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения штарковской ширины линии в плазме, включающем облучение плазмы двумя фотоками лазерного излучения, первый из которых монохроматический с частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, в качестве второго потока лазерного излучения используют широкополосное излучение с центральной частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, при этом в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности первого потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, возникающую при облучении первым потоком и в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности второго потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, .возникающей при облучении ее вторым потоком, а затем по измеренным изменениям плотностей интенсивностей потоков излучения и интенсивностей флюоресценции определяют штарковскую ширину линии.

На чертеже представлена схема установки, с помощью которой можно реализовать способ при исследовании импульсной плазмы.

Установка содержит импульсный монохроматический лазер 1 с частотой

4, Ф,, где M, — частота исследуемой линии (при этом ширина лазерной линии должна быть в 3-5 раз меньше ши106793А рины исследуемой линии), и широкополосный лазер 2, формирующий широкополосное излучение с частотами от

4" ла3 лаз 5

ld до (Ф + Где Л сна

2 1 2 Ф намного превышает ширину исследуемой . линии (не менее, чем в 3-5 раз). В изображенной установке лазеры 1 и 2 установлены так, что формируемые ими

1О потоки излучения распространяются под углом друг к другу (в частном случае лазеры 1 и 2 могут формиро« . вать параллельные потоки, при этом схема установки несколько иная), а

15 излучение лазеров 1 и 2 линзами 3 и

4 соответственно фокусируются в раз-. ных плоскостях поперечного сечения плазменной камеры 5 ° Расстояние между фокусами F, и Fz линз 3 и 4 определя-

20 ет пространственную разрешающую способность установки и ограничивается только дифракционной расходимостью лазерного излучения. Лазер 1 оптически связан с фотоэлектрическим измерителем 6, а лазер 2 — с измерителем 7.

Регистрация интенсивностей флкюресценции плазмы под действием излучения лазеров 1 и 2 осуществляется измерителями 8 и 9 соответственно. 30

При этом перед выходом измерителя 8, установлена линза 10, фокус которой совпадает с местоположением фокуса

F, линзы 3, а фокус линзы 1 1, установленной перед входом измерителя 9 35 совпадает с местоположением фокуса

F линзы 4. На входе каждого измерителя 8 и 9 установлены также ограничивающие диафрагмы 12 и 13 соответственно. 40

Выходы измерителей 6, 7, 8, 9 подключены к регистратору 14, в качестве которого может быть использована ЭВМ.

Сущность способа заключается в следукицем.: 45

Исследования в плазме проводят для .линии, частота ы которой равна частоте перехода с нижнего уровня на верхний в соответствии с двухуровневой моделью атома. 50 При облучении плазмы потоком монохроматического излучения формируемого лазером 1, возникает флюоресценция плазмы, интенсивность которой в каждый момент времени на частоте <0 ис-55 следуемой линии равна:

J — дно 2(1 + С ) где — коэффициент, постоянный для конкретной геометрии установки и при о исследовании конкретной линии, д Я разность населенностей в верхнем и нижнем уровнях атома до воздействия лазерным излучением, Г =Ы S, 2/ 4мц,— параметр насыщения плазмы под действием излучения лазера, 1, где а — коэффициент, S — плотность интенсивности излучения лазера, 1, d сош.,— штарковская ширина линии, — время жизни возбужденных атомов на верхнем уровне.

Аналогично при облучении плазмы излучением лазера 2 интенсивностй фпюоресценции плазмы в каждый момент времени равна:

G 1 о

J "— — — — — АN г(1+ С,) где G — параметр насыщения плазмы

7 под действием излучения лазера 2.

Поскольку излучение лазера 2,широкополосное (ла » 4 ) параметр

G = а Б /3N„, где $ — плотность интенсивности излучения лазера 2.

В соответствии со способом, в интервале времени 3t,, начиная с момента времени t, производят измерения

1э измерителем 6 плотности интенсивности S .лазера 1, а измерителем 8— измерения интенсивности J фпюоресценции плазмы. Измерения йроводят до ,момента времени 1, который в оптимальном случае соответствует моменту, когда интенсивности измеряемых вели-. .чин максимальны. Аналогично в интер-, вале времени bt измерителя 7 и 9 измеряют плотность интенсивности S> лазера 2 и интенсивность флкюресценц и .1, возникающей в результате облучения плазмы лазером 2. В случае диагностики импульсной плазмы измерения всех параметров следует проводить одновременно, а при диагностике стацибнарной плазмы выбор интервалов времени измерения величин Б,, J u

S J определяется тем, насколько t Я быстро изменяется состояние плазмы.

Следует отметить, что измерения можно проводить и дискретно, при этом в зависимости от характера измерений (дискретный ипи непрерывный) выбирают соответствующий алгоритм обработки сигналов в регистраторе 14.

При непрерывном измерении seams- . ны 8„, Б, Jt, Ja. алгоритм обработки

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Л,Патай

Редактор Н.Сильнягина

Тираж 847

Подписное

Заказ 4897

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 1067930 6 в регистраторе задают в соответствииу импульсной плазмы. Поскольку иэмеряес соотношением: мые параметры не связаны с температурой плазмы, возможности использования способа не ограничиваются температурой плазмы. Явление реабсорбции сказывается на точности измерения только рактеризующие изменения S, и $ в инабсолютных значений. Л и Л, и практервале (интервалах) времени измеретически не влияет на точность опре10 деления величины д(,), (Лир„- опрехарактеризующие изменения Л, и Л деляется по отношению величин Л, и в интервале (интервалах) времени изЛ ), т.е. точность измерения практимерени. чески не зависит от плотности плазмы.

Таким образом, способ применим для К достоинству способа следует отдиагностики как стационарной, так и нести простоту его реализации.