Способ измерения коэффициента диффузии заряженных частиц в плазме

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ, основанньй на создании в плазме локализованного возмущения ко.нцентрации заряженных частиц и регистрации изменения во времени концентрации заряженных частиц, отличающийся тем, что, с целью обеспечения измерений в высокотемпературной плазме, возмущение создают путем воздействия на плазму импульсным монохроматическим лазерным излучением , частота которого совпадает с .частотой спектрального перехода одного из атомов в плазме.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3484243/18-25 (22) 20.08.82 (46) 30.10.88. Бюл.- В 40 (71) Институт прикладной физики

АН СССР (72) P.À.Aõìåäæàíîâ, И.Н.Полушкин, Я.И.Ханин и В.В.Язенков (53) 533.9(088.8) (56) Голант В.Е. Диффузия заряженных частиц плазмы в магнитном поле. Успехи физ. наук., т. 79, У 3, с. 377440, 1963.

Голубев В.С., Грановский В.Л. Экспериментальное исследование волн диффузии заряженных частиц в газе, покоящемся в магнитном поле. Радиотехника и электроника., т, 7-, Ф 5 ° с. 880-889, 1962.

„,Я0„„10932 A (51)4 Н 05 Н 1/00 а 01 N 21/00 (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИ- .

ЕНТА ДИФФУЗИИ ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦ В

ПЛАЗМЕ, основанный на создании в плазме локализованного возмущения концентрации заряженных, частиц и регистрации изменения во времени концентрации заряженных частиц, о т л ич а ю щ и и с ÿ тем, что, с целью обеспечения измерений в высокотемпературной плазме, возмущение создают путем воздействия на плазму импупьсным монохроматическим лазерным излучением, частота которого совпадает с,частотой спектрального перехода одного из атомов в плазме.

1093228

Изобретение относится к способам диагностики плазмы и может быть использовано для изучения механизмов переноса заряженных частиц в широком диапазоне параметров плазмы (как низкотемпературной, так и высокотемпературной).

Настоящее изобретение направлено на решение задачи измерения коэффи- щ циента диффузии заряженных частиц в высокотемпературной плазме. Актуальность указанной задачи определяется тем, что создание термоядерных реакторов опре-. деляется решением проблемы удержания плазмы. В свою очередь, время сущест. вования плазмы зависит прежде всего от скорости диффузии заряженных частиц на стенки реактора. Несмотря на то, «что подавляющее число эксперимен-20 тов по исследованию диффузии в пос- . ледние три десятилетия ставилось в связи с решением задачи удержания высокотемпературной плазмы, до настоящего времени о диффузии судят,,как 25 правило, только по времени удержания плазмы и пользуются грубыми оценками баланса частиц. Так, известен способ измерения коэффициента диффузии по скорости рае-30

6 пада плазмы, в которой отсутствует ионизация, основанный на том, что плотность плазмы после выключения источника ионизации в любой точке экспоненциально уменьшается во времени,з5 при этом постоянная времени распада определяется только геометрией*эк- спериментальной установки и коэффициентом диффузии. В соответствии с этим способом тем или иным Известным мето-4р дом измеряют скорость уменьшения концентрации заряженных, частиц в распа-. дающейся плазме и по измеренной величине рассчитывают коэффициент диффузии.

Недостатком этого способа является неадекватность измеренных величин измеряемым: полученные результаты не могут характеризовать реальную плазму и те диффузионные процессы, которые в ней происходят, поскольку измерения проводят на поздних стадиях распада плазмы, когда плазма становится изотермичной и температура заряженных чаСтиц (электрОНОВ и иОКОВ) сОВпадает55 с температурой остаточного газа.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ

1 измерения коэффициента диффузии, ос2 нованный на создании в плазме кратковременных локализованных возмущений концентрации заряженных частиц и регистрации изменения во времени концентрации заряженных частиц. В соответствии с этим способом, с помощью внешнего источника плазмы, расположенного на границе области исследуемой плазмы, создают последовательность сгустков дополнительной плазмы, распространяющихся в исследуемой области. С помощью зонда, расположенного на большом по сравнению с характерным линейным масштабом изменения концентрации плазмы расстоянии от источника дополнительной плазмы, регистрируют изменение концентрации заряженных частиц в какой-либо определенной точке в зависимости от времени.

Затем решают уравнение диффузии заряженных частиц для определенных параметров плазмы и конкретных геометрических условий эксперимента. По рассчитанным теоретическим зависимостям концентрации зарядов от коэффициента диффузии, координаты и времени и по экспериментально измеренной величине концентрации в определенной

I точке в определенный момент времени определяют коэффициент D диффузии.

Недостатком этого способа является искажение первоначальных условий в плазме при введении в исследуемую область источника дополнительной плазмы, что снижает точность измерений. К другим существенным недостатI кам этого способа относится его использование для определения коэффициента диффузии лишь в низкотемпера1 турной плазме. Он неприменим для исследования процессов диффузии в высокотемпературной плазме, поскольку введение в область разряда источника дополнительной плазмы приводит к охлаждению плазмы и изменению ее химического состава.

Целью изобретения является обеспечение измерения коэффициента диффузии в высокотемпературной плазме.

Поставленная цель достигается тем, что при измерении коэффициента диффузии в плазме способом, основанным на создании в плазме кратковременного локализованного возмущения концентрации заряженных частиц и регистрации изменения во времени концентрации заряженных частиц, указанное возмущение создают путем воздействия на плазму

1 093 228 импульсным монохроматическим лазерным излучением, частота которого совпадает с частотой спектрального перехода одного йз атомов в плазме.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При воздействии на плазму импульсным монохроматическим лазерным излучением, частота которого совпадает 10 с частотой спектрального перехода атомов, в области взаимодействия плазмы с излучением увеличивается концентрация атомов в верхнем возбужденном состоянии. В результате газо- j5 кинетических столкновений возбужденных атомов с атомами в основном состоянии происходит процесс ассоциатив.ной ионизации с образованием молекулярного иона по схеме 20

A+ А Ат+ е, (1) следствием чего, является образование возмущения концентрации заряженных

- частиц, состоящего из электронов и молекулярных ионов, в небольшой об- . 25 ласти плазмы, определяемой поперечным сечением лазерного луча. Используя фокусировку лазерного луча, эту область можно сделать сколь .угодно малой. Это локализованное возмущение и формируется за время Л „,, определяемое длительностью импульса лазерного излучения, а затем начинает расплываться вследствие диффузионных процессов.

«35

Измеряя с помощью любого известного способа изменение концентрации.за- ряженных частиц в какой-либо определенной точке исследуемой плазмы в зависимости от Времени и решая затем 40 уравнение диффузии для определенных параметров плазмы и конкретных геометрических условий эксперимента, можно определить коэффициент D диффуэии заряженных частиц.

На чертеже представлена схема одного из устройств, с помощью которо1

ro можно реализовать предлагаемый способ измерения коэффициента диффузии заряженных частиц в высокотемпературной плазме.

Пля создания возмущения концентрации в плазме устройство содержит расположенные на одной оптической оси импульсный перестраиваемый лазер 1, 55 настроенный на частоту спектрального перехода атомов в исследуемой плазме, установленную с возможностью перемещения длиннофокусную -линзу 2 и поворотное зеркало 3. Зеркало 3 и линза 2 обеспечивают фокусировку излучения лазера 1 в любой точке плазменного объема 4.

Для регистрапии изменения концентрации заряженных частиц в плазме устройство содержит расположенные на одной оптической оси импульсный перестраиваемый лазер 5, настроенный на частоту, совпадающую с частотой спектрального перехода молекулярных ионов, образующихся в области возмущения концентрации заряженных частиц в исследуемой плазме в результате реакций (I) длиннофокусную линзу 6, установленную с возможностью перемещения, и поворотное зеркало 7. Линза

6 и зеркало 7 обеспечивают фокусировку,излучения лазера 5 в любой точке плазменного объема 4. Устройство содержит также расположенное на-.одной оптической оси линзу 8, спектральный фильтр 9 и фотоэлектронный умножитель

10, подключенный к регистратору, в качестве которого может быть использован осциллограф, ЭВМ и т.п.

Пример.

Импульсный лазер 1 представляет собой перестраиваемый лазер на спиртовом растворе родамина 6G с накачкой от второй гармоники серийно выпускаемого лазера ЛТИПЧ 8. Сначала, путем перемещения линзы 2 и поворота зеркала 3, обеспечивают фокусировку излучения лазера 1 в точке Р плазменного объема 4 и воздействуют на плазму. импульсным монохроматическим лап зерным излучением. Длительность Л „, импульса составляет 15 нс, мощность генерации 10 кВт, ширина полосы генерации 0,2 А. Как показали результаты экспериментов, указанная мощность вполне достаточна для насыщения спектральных переходов в гелиевой, неоновой и водородной газоразрядной плазме при плотностях тока . до.

10 . Авторы экспериментально onА см ределили, что,насыщение перехода, на« пример 2р р - 3d D в гелии и 2р 3S

Т о

2р53р в неоне приводит к появлению возмущения дп концентрации зарядов, в разряде, которое составляет 1-2Х от начальной концентрации ngq заря-:. женных частиц. Указанное локальное возмущение практически не приводит к изменению физических свойств плаэ-.

1 093 228 6 процесса диффузии заряженных частиц я . в плазме. Расстояние d r между точками P u S выбирают из условия, чтобы

dr было меньше характерного линейно5

ro масштаба изменения параметров плазмы. Поскольку процесс (расплывания) начального возмущения описывается уравнением диффузии, решение которого для однородной стационарной плазмы хорошо известно: мы, поскольку изменение концентрации электронов и их нагрев за счет пробо плазмы происходят при мощностях, на

4-5 порядков превышающих использован ную. Указанное возмущение Дп р концентрации плазмы измеряют наиболее чувствительным в настоящее время спо собом, основанным на использовании явления резонансной лазерной фпюорес ценции плазмы. Указанный способ позволяет измерять концентрации частйц вплоть до малых (, 10 см ) значений. В установках же с высокотемпературной плазмой изменение концентра- 15 ции на 1Х приводит к увеличению кони центрации п на величину 10"-1О см, т.е. на 3-4 порядка больше минималь-. но измеряемой. Для измерения d n в точке Р перемещением линзы 6 и по- 2п воротом зеркала 7 обеспечивают фокусировку излучения лазера 5 ы сразу же после воздействия па плазму импульсным излучением лазера 1 осуществляют импульсное воздействие на плаз- 25 му монохроматическим излучением лазера 5 (длительность d с„ импульса

10 нс). Так как частота излучения лазера 5 совпадает с частотой спект рального перехода молекулярных ионов, ЗО возникающих в области возмущения, плазмы под воздействием лазера 1, в указанной области возникает фпюоресценция плазмы, интенсивность которой пропорциональна величине возмущения концентрации. Сигнал флюоресценции с помощью линзы 8 и спектрального фильтра 9 подают на фотоумножитель 10 и далее на регистратор. Измеряя величину сигнала фпюоресценции, определя- ® ют увеличение an< концентрации в точке P. Затем, через время я „, 3 „, которое выбирают не превышающим времени изменения параметров ис-, следуемой плазмы, измеряют изменение,45

Зп< концентрации в точке S плазменного объема 4, являющееся результатом

Ь измеряя d nr и dn«, определяют коэффициент Р диффузии из соотношения (2), Авторами бып экспериментально измерен коэффициент Р диффузии заряженных частиц в низкотемпературной плазме. Измеренные значения коэффициента

D совпадают с их значениями, известными для данных условий эксперимента, что подтверждает работоспособность способа.

Таким образом, предлагаемый способ не накладывает принципиальных ограничений на диапазон параметров исследуемой плазмы. Как и известный способ, являющийся одновременно и прототипом и базовым объектом по отношению к предлагаемому споеобу, предлагаемый способ позволяет осуществлять измерения в низкотемпературной плазме, и, кроме 1ого, в отличие от известных способов, предлагаемый способ позволяет осуществлять измерения в высокотемпературной плазме.

Следует отметить, что реализации способа не вызовет больших затруднений, поскольку в настоящее время практически на всех крупных термоядерных установках имеется аппаратура для измерения концентрации электронов n0-рассеянию лазерного излучения (способу менее чувствительному, чем способ, основанный на лазерной флюоресценции плазмы, но наиболее рас,пространенному).

1 093228 истралюру

Техред М.Моргентал Корректор Л.Патай

Редактор Н.Сильнягина

Заказ 4897

Тираж 832 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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