Способ бесконтактного измерения магнитного поля в плазме

 

Изобретение относится к экспериментальной физике и может найти применение в экспериментах по термоядерному синтезу. Целью изобретения является повышение точности измерений и временной разрешающей способности, а также расширения функциональных возможностей путем одновременного измерения продольной компоненты скорости поступательного движения излучающих атомов или ионов. Измерение плазмы коллимируют, отфильтровывают используемую линию, модулируют при помощи электрооптического модулятора 4, а затем разделяют на 2 канала, в каждом из которых установлен поляризационно-дисперсионный блок, включающий поляризатор 7, фазосдвигающую двупреломляющую пластину 8 и анализатор 9, скрещенный с поляризатором, разность толщин фазосдвигающих пластин выбирают равной λ/2(N<SB POS="POST">0</SB>-N<SB POS="POST">L</SB>, где N<SB POS="POST">0</SB>,N<SB POS="POST">L</SB> - обыкновенный и необыкновенный показатели преломления материала пластины. На выходе каждого из каналов интенсивность излучения измеряют при помощи фотоприемников 11. Сигналы, равные сумме и разности сигналов от фотоприемников, могут быть в реальном масштабе времени обработаны при помощи ЭВМ для определения продольных компонент магнитного поля и средней скорости атомов (ионов) в плазме. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sf)s G 01 R 33/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (21) 4451254/24-25 (22) 30.05.88 (46) 30.10.90. Бюл. М 40 (72) Г.Е. Смолкин (53) 535.8(088.8) г а

Л-Д ЕлОк

euz,1

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (56) Диагностика плазмы. Под ред. Р,Холдстоуна и С. Леонарда. Русский перевод под . ред. С.Ю. Лукьянова, М.: Мир, 1967, с. 60.

Babcock H., Astrophys. J. ч. 118, 1953, р. 387. (54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПЛАЗМЕ (57) Изобретение относится к экспериментальной физике и может найти применение в экспериментах по термоядерному синтезу, Целью изобретения является повышение точности измерений и временной разрешающей способности, а также расширения функциональных возможностей путем одновременного измерения продольной компоненты скорости поступательного движения

„„Я „„1603313 А1 излучающих атомов или ионов. Измерение плазмы коллимируют, отфильтровывают ис. пользуемую линию, модулируют при помощи электрооптического модулятора 4, а затем разделяют на 2 канала, в каждом из .которых установлен поляризационнодисперсионный блок, включающий поляризатор 7, фазосдвигающую двупреломляющую пластину 8 и анализатор 9, скрещенный с поляризатором, раэность толщин фаэосдвигающих пластин выбирают рав нойс/2(по-ne); где no, ne — обыкновенный и необыкновенный показатели преломления материала пластины. На выходе каждого из каналов интенсивность излучения измеряют при помощи фотоприемников Я

11. Сигналы, равные cvMMe и разности сигналов от фотоприемников, могут быть в реальном масштабе времени обработаны при помощи ЭВМ для определения продольных компонент магнитного поля и

ЪФ средней скорости атомов (ионов) в плазме. 3 ил.

Изобретение относится к технике физического эксперимента и может найти применение в лабораторных плазменных экспериментах по управляемому термоядерному синтэзу и в астрофизических наблюдениях.

Цель изобретения — повышение точности измерений и временной разрешающей способности. а также расширение функциональных возможностей путем одновременного измеоения продольной компоненты скорости V поступательного движения излучающих атомов или ионов.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 и 3— графики, иллюстрирующие результаты расчетов, подтверждающих эффективность работы.

Способ измерения магнитного поля в плазме реализуется в устройстве, включающем оптическую систему 1 для формирования излучаемого плазмой светового потока; короткофокусный, светосильный монохроматор 2 для выделения. используемой спектральнрй линии, в качестве которого можно использовать призменный или дифракционный монохроматор,.либо.полосовой светофильтр с фокусирующим объективом и .круглой диафрагмой вместо входной щели; установленный на фокусном расстоянии от выходной щели монохроматора объектив Э для преобразования выходящего из монохроматора светового потока в параллельный световой пучок; установленный в параллельном световом пучке электрооптический (30) кристаллический элемент 4, 30 модулятора светового потока для периодического (с. частотой v) преобразования круговых поляризаций oi и о зеемановских компонент линии в линейные взаимно перпендикулярные поляризации; зеркала 5 и 6 для разделения параллельного светового потока на два равных параллельных пучка, на основе которых формируются два регистрационных канала рк-1 и рк-2; в каждом регистрационном канале поляризатор 7, яв-. ляющийся одновременно выходным элементом ЭО модулятора и, входным элементом поляризационно-дисперсионного (П-Д) блока и служащий для поочередного выделения в каждом канале то сг, то oR зеемановских компонентов спектральной линии в соответствии с полупериодами напряжения V oq, входящий также в состав

П-Д блока диспергирующий элемент 8 для преобразования в каждом регистрационном канале линейной поляризации светового пучка в эллиптическую поляризацию на основе эффекта дисперсии разности фаз колебаний о- и е-лучей в кристалле таким об. разом, чтобы для одного из компонентов линии в одном из регистрационных каналов большая полуось эллипса поляризации была бы параллельна, а в другом канале — пер5 пендикулярно оси поляризатора 7, тогда как для другого компонента линии, наоборот,— в первом указанном канале большая полуось эллипса поляризации была бы перпендикулярна, а во втором канале

10 параллельна оси поляризатора 7, причем

ДЭ выполнен s виде кристаллической (например кварцевой) плоскопараллельной пластины с плоскостями среза, параллельными оси Zкристалла,,(которая,,в свою очередь, ориентирована в П-Д блоке под углом

П/4 по отношению к оси поляризатора) и имеет в одном регистрационном канале толщину d 1= d - Яо/4(ne-no), а в другом dz- d+

+ Ло/4(ne-по) при d=l4o/4(ne-по), где М целое число, а rlo и и;показатели преломления о- и е-лучей в кристалле; входящий также в, состав П-Д блока анализатор 9, скрещенный с поляризатором 7, для выделения в каждом регистрационном канале светового потока, 25 обусловленного суммарным действием зеемановского расщепления, допплеровского смещения и допплеровского уширения спектральной линии; регулируемый светоослабитель 10, используемый (при необхоЗ0 димости) для балансировки регистрационных каналов; фотоэлектронный умно- . житель 11 для регистрации прошедшего через П-Д блок светового потока; схему 12 дифференциального усиления (со встав85 ленным блоком суммирования) для выделения основного сигнала, обусловленного суммарным действием зеемановского расщепления и допплеровского смещения спектральной линии, путем формирования

40 разностного сигнала от двух регистрационных каналов и для выделения опорного сигнала путем формирования суммарного фотоэлектрического сигнала от тех же двух регистрационных каналов; промежуточный

45. узкополосный (на частоте ЭО модулятора) усилитель 13 для усиления выделенных фотоэлектрических сигналов до уровня, необходимого для ввода в электронновычислительную машину. 14. Последняя

50 используется для автоматической обработки зарегистрированных фотоэлектрических (основного и опорного) сигналов, в том числе для выделения из основного сигнала той части, которая обусловлена действием зее55 мановского расщепления линии с поправоч- ным множителем на допплеровское смещение, и той части, которая обусловлена допплеровским смещением линии с поправочным множителем на зеемановское рас1603313 щепление, путем формирования соответственно полусуммы и полуразности амплитуд импульсов основного сигнала в первом и во втором полупериодах напряжения Чмод (при условии, что зеемановское смещение о1 и о1 компонент линии больше допплеровского) и, наоборот, — путем формирования полуразности и полусуммы амплитуд тех же импульсов при условии, что допплеровское смещение oi и оя компонент линии больше зеемановского; определения точных значений аргументов тригонометрических функ.ций, описывающих отношение амплитуды каждой выделенной части основного сигнала к амплитуде опорного сигнала, методом последовательных итерационных приближений, что равнозначно одновременному измерению (определению) напряженности магнитного поля и скорости поступательного,движения излучателей в плазме, Для количественного описания функциональной зависимости измеряемых сигналов от напряженности магнитного поля воспользуемся простым зееман-эффектом, т.е. синглетной спектральной линией, причем сначала представим ее в приближении монохроматической световой волны с длиной Ло, амплитудой Е и полушириной линии

Лilo, При наблюдении вдоль магнитного поля синглет расщепляется на две компоненты о1 и о11 с равными амплитудами Е v2/2 и противоположными круговыми поляризациями, Величина спектрального смещения каждой компоненты

ЛЛ. = — "(— )Лб Н. (1) з—

В абсолютной системе (Г (скорость света в вакууме с=3 10 см/с, заряд электро1О . -10 нае=4,8 10 ед.заряда, масса покоя электрона nlp=9,1 .10 г,ЛЛз = 4,67. 10 Ло .Н, Л вЂ” всм, Н вЂ” вЗ, В каждом регистрационном канале поворотом. П-.Д блока в целом вокруг собственной оси симметрии ориентируют ось

- поляризатора параллельно входной щели монохроматора. Тогда в соответствии с напряжением питания VMpq одновременно в обоих регистрационных каналах на вход диспергирующего элемента будут проходить световые потоки о и oR компонентов линии, промодулирован ные функциями модулятора fL(v) и fR{v) и сдвинутые по фазе на

X/2. В рассматриваемых условиях поляризация выходящего из диспергирующих элементов излучения в отсутствие магнитного поля была бы циркулярной. При наличии же магнитного поля в плазме в световых пучках

oL и ок компонент линии с длинами волн Л=

= ЯО- А4 идп = Ло+ ЛЛз обРазУютсЯ дис2 ne no

d—

5 и

2 ne — no. (2) 35

50

40 персии разностей фаз колебаний о- и е- лучей соответственно

ЗДЕСЬ no, ne, noL Пе1, Пой, Пей ПОКаэатЕли преломления ДЭ для о- и е- лучей на длинах Волн % Л1, ЯЯ Поскольку b2>« О то МОЖНО СЧИтатЬ пе Ïî neL-noL= Пей Пой И COответственно ф =фй =фз = 211(пе — np)d Ë çÆ (3)

Поляризация излучения в этом случае становится эллиптической, причем степень эллиптичности зависит от напряженности Н магнитного поля, а интенсивность света в кажДом канале в кажДом полУпеРиоДе Чмод определяется величиной и знаком ЛЛз. Фотоэлектрические сигналы на выходе рк-1 и рк-2 каналов в этом случае можно представить в виде

F1 = F oL1fL(v) + FoR1 fR(v) и

F2 = F oL2fL{v) + FoR1 fR(v),в котором множители fL(v j sIn (вt/2-к/4) и fR (v}= sin (аt/2-л!4) представляют собой функции электрооптического фазового модулятора светового потока.

В рассматриваемых условиях для измерения магнитного поля в плазме необходимо сформировать разностный между рк-1 и рк-2 каналами сигнал

Fs = F1 F2 г о1 1 fL(v) + FoR1 fR(v) — (Род i(1 ) + "ояг fR(v Ì =(FoL1 — F о1 2) (1 ) + (FoR 1 F ойг) () (4) в котором 1F oL11>1Е01.21 и IFoR11< 1Еонг1.

В принятом приближении монохроматической (АЛО = О) световой волны и в отсутствие допплеровских смещений (ЛЛд =О) спектральной линии выражение (4) легко преобразуется в формулу

F p = — ГЦ Я1г1фз f L(v ) — — ЕБ s i Ilt/ f R(v ). (5)

2 2

Таким образом, в рассматриваемых условиях основной измеряемый сигнал (5) содержитдва (за один период V pg равных по амплитуде, но разных по знаку импульса: положительный в первом и отрицательный во втором полупериоде.

В формуле (5) величина VMpq представляет собой опорный сигнал, строго следующий за изменениями интенсивности излучения в источнике, По величине он соответствует интенсивности излучения на входе отдельного регистрационного канала.

В лабораторных плазменных экспериментах интенсивность излучения в источнике

1603313

10

15 та, непосредственно влияющая на чувствительность способа измерения магнитного поля. Для обеспечения максимальной чувст(7) вительности к магнитному no(llo рекомендуется выбирать оптимальную толщину d

0 диспергирующего элемента, определяемую ор va ycnoolilR 1 )=д/

Рассмотрим случай, когда в плазме одновременно происходят зеемановское рас щепление и допплеровское смещение

il825 спектральной линии, т.е. наряду со смещением -ЛЛз и+ ЛЛ, имеется также допплемя ровскмй сдвиг, например - ЛЛд, как следтаствие компонента скорости поступательного движения излучателей, направленного в ой яе30 сторону наблюдателя. Разностный между двумя регистрационными каналами сигнал. в,этом случае можно представить в виде кт- !з +д F1 F2 (F У! 1 Г oL2) ()

+(F0R1 Fпкг) тя(1)

1 a!if /2

Т)(1/ ) 8 i П(фз + фд с) (ф)/2} г fR() П®

1 si8 /2 .

40 (A/2) (9) (8) Тогда после процессов формирования основного и опорного сигналов необходимо выполнить следующие операции. Выделение из основного сигнала, обусловленного

45 суммарным действием зееман-эффекта и

1 допплеровского сдвига спектральной ли= — l Iкl. нHlи1lи1,, lфI)рpаsкKLцilи1lи1, обусловленной зееман-эффектом с поправочным множителем на допплеровский сдвиг и фракции, обуслов50 ленной допплеровским сдвигом с поправочным множителем на зееман-эффект путем формирования соответственно полусумма и полуразности от амплитуд импульсов (относительно оси абсцисс) левого F 0 L и правого

F 0R эеемановских компонентов спектральной линии, если ЛЛз > ЛЛд,, и наоборот,— полуразности и полусуммы от амплитуд тех же импульсов, еслиЛЛ3 < Мдс .

1 может быстро неконтролируемым образом изменяться в ходе эксперимента, Следовательно, необходимо обеспечить одновременное с F3 и столь же точное, как для F3

И И измерение опорного сигнала Fo, В представленной на фиг. 2 схеме для этого достаточно сформировать суммарный от тех же рк-1 и рк-2 каналов сигнал !!)=!1+Р2 Р01 1 fL(>)+ oR1 я(1)+ .+ F0L2 .fL(1 ) + F(7R 2 fR(>) = (FGL 1 +

+ F0L2) fL(v)+(Fcr81+ Fств2) Фв(1 ) (8) содержащий два за один период Чиод положител ьн ых импул ьса с равн ы ми ампли дами (Р 1 F 2) fL(V) (РУВ1+

+ F0 R2) т! (1 ) =к = где к — квантовый выход фотоприемника.

Сформированный таким образом on ный сигнал является по существу посто но действующим, жестко синхронизов ным калибровочным сигналом. Он сов шенно не зависит от зеемановских, допп ровских и других подобного рода воз щений спектральной линии. В то же вре он полностью освобождает эксперимен тора от необходимости применения тра ционной, но не всегда достаточно точн процедуры калибровки амплитуды измер мых сигналов от внешнего источника ст дартного сигнала.

Учет конечной полуширины Mocne ральной линии с модельным треугольн, контуром и выражений (1) и (3) приводи следующему выражени)о для амплитуды новного измеряемого сигнала

IF I = Ргт,1 — Р0!21 = !РОР1—

sin ф)/2 — F0.R2l =Ро — 2 з! 44 =

/2)2

„ею (оо/г)„„гж <„ (о/2) — по}d. 4,67 10 .Н)

) где

Fo =,(F0L1+ F0L2) =(F0R 1 + "окг) амплитуда опорного сигнала;

4 —. полная интенсивность спектральной линии на входе отдельного регистрационного канала; ф) = 2к(ng — пг)б ЛЛ!)/4 — дисперсия разности фаз колебаний о- и е- лучей в ДЭ на полуширине линии Мо.

Таким образом; в отсутствие допплеровских смещений спектральной линии для измерения напряженности магнитного поля в плазме достаточно измерить амплитуду

F3 основного и амплитуду Fp опорного сигИ и налов и взять их отношение Fg /Fp. При этом

И И согласно (8) получается линейная зависимость Fa / Fp от напряженности поля Н.

l! И

В формуле(8) при учете конечной полуширины ЛЛр спектральной линии появился множитель (л! л!Оо/2)J/(ф>/г) . B обнести Q< (x/2 он 61изок к единице, при ф)=л/2 он равен 0,81, а в области ф>л/2 его величина постепенно спадает до нуля, Свободным параметром в ф является толщина d диспергирующего.элемен1603313

В СЛуЧаЕЛ4 >вудс(ИЛИ1/Ъ >1/>дс ИМЕют (Fo Li — FoL2I + 1FoR1 — FcyR2l

2

s In2 (&/21 5

FO $1П1/>з С0$ фдс = Fs Сазфдс

2 . (Р1/2)2 (10) 1 10

1FOL1. F CTL2l УЙ1 1 УЯ21

21, $1 2 ()/2 1

"0 $1ПфдС С0$ у>з = РдС СОВ 1/>з (ф1/2)2

15 (11)

В СпуЧаЕ Лдз < Ь дс(ИЛИф>з (1г>дс) ИМЕем

2 "<тL1 "crL2t

1 sin Йй/2 1 0 $1пфз са$ фдс = Рз са$1/>дс, (1/.о/2)2 (12) г5 — 1F o L1 Р О(2 + < F o R1 1 o R2

2

1 s ln2 (1г11/2 1

$1пМдс COSQ — F c COS

l0 (13) ПонЯтно, что пРи 1/>з - tP«

I F CTL1 F oL2 l

2

И вЂ” з CO$1/>дс — F« COS 1г>з

1 "ою FoR2j =0

2 (15)

Аналогичные результаты получаются в предположении, что одновременно с зеемановскими смещениями-ЛА, и+ ЛАдс имеет место допплеровский сдвиг + ЛАдс(а не - hilqc как это было в предыдущем случае), Формулы (10) — (15) остаются без изме- 45 . нений. Несколько изменяются лишь эпюры сигналов. Они будут как бы антисимметричными относительно оси времени по сравнению с предыдущим случаем.

Затем необходимо произвести послед- 50 нюю па порядку операцию — определение точных значений а ргументов тригонометрических функций, списывающих отношение амплитуды каждой выделенной части основного сигнала к амплитуде опорного сигнала 55 методом последовательных итерационных приближений, что равнозначно одновременному измерению (определению) продольной компоненты напряженности магнитного поля и продольной компоненты скорости поступательного движения излучателей в плазме.

Таким образом, предлагаемый способ измерения напряженности магнитного поля в плазме позволяет сначала просто па кон- фигурациям импульсов F gL1 — Foe и

Ро-R1 — F o.R2 в зарегистрированном сигнале приближенно определить соотношение

МЕЖДУ ВЕЛИЧИНаМИ 1г>з и фдс ТОЧНО УСтаНОвить знак дапплеровского смещения спектральной линии, а затем методом итерационных прибли>кений по формулам (10) — (15) определить точное значение продольного компонента напряженности магнитного поля в плазме. При этом одновременно (автоматически) определяется другой важный параметр плазмы — продольный компонент скорости поступательного движения атомных(ионных) излучателей.

На фиг. 2 представлена зависимость отношения измеряемых сигналов Ез/Fp от в напряженности магнитного поля в плазме Н, вычисленная па формуле (8), График 1 вычислен при использовании. синглетной о спектральной линии Не l 6678,15 А(Р1- Р2) в предположении модельного треугольного контура. Толщина диспергирующего элемента d=10 см выбирается исходя из условия ф> = л/2 )iðè температуре атомов излучателей Тз = 2эВ, которая может быть реализована B инжектируемом в плазму диагностическом .пучке типа ДИНА. Графиком 2 прсдставлены результаты аналогичных расчетов при использовании спекто ральной линии С V2277,,225 А (S1- Po), излучаемой непосредственно ионами высокотемпературной плазмы (Те 1 кэВ, п%0 см, d=06см).

Б пределе малый уровень нескомпенсированного фона, обеспечиваемый схемой дифференциального усиления, составляет 10 Fp. Следовательно, пороговая чувствительность па графику 1(фиг, 2) составляет единицы Э, а диапазон измеряемых полей превышает четыре порядка величины. При необходимости для измерения сильных полей а плазме динамический диапазон измеряемых полей можно сдвинуть в область

103 107

На фиг. 3 представлены результаты количественных расчетов зависимости Едс/Fp

-И П от знеагии поступательного движения

Е= MV /2 излучателей в плазме при использовании тай же спектральной линии а

He I 6678,15 А и при тех же указанных условиях. Пороговая чувствительность со

1603313 ставляет 10 эВ. Диапазон измеряемых

-4 энергий движения излучателей составляет

7-8 порядков величины при уровне нескомпенсированного фона 10 Fo, Формула изобретения

Способ бесконтактного измерения магнитного поля в плазме, включающий формирование продольного потока излучения плазмы из области измерения магнитного поля, электрооптическую фазовую модуляцию потока с частотой 1, выдЕлЕниЕ СвЕтОвого потока используемой спектральной линии с длиной волны Мо и полушириной

AQ, разделение потока на два равных по интенсивности потока, формирование на их основе двух регистрационных каналов, регистрацию интенсивности потоков излучения на выходе регистрационных каналов фотоприемниками; формирование электрического сигнала, равного разности электрических сигналов на выходе фотоприемников, путем пропускания через дифференциальный усилитель, усиление полученного сигнала, измерение его величины и вычисление по этой величине напряженности Н измеряемого магнитного поля, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерений и временной разрешающей способности, а также расширения функциональных возможностей путем одновременного измерения скорости Ч поступательного движения излучающих атомов или ионов, поток излучения используемой спектральной линии после его выделения преобразуют в параллельный световой пучок, а затем производят электрооптическую фазовую модуляцию; параллельный световой пучок в каждом регистрационном канале пропускают последовательно через поляризатор, диспергирующий элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины двухпреломляющего кристалла, причем плоскость среза параллельна оси Z кристалла, которая, в свою очередь, ориентирована под угломер/4 по отношению к оси поляризатора, а толщина пластины в первом канале равна б1-d-Яо /4 (пе-по), а во втором

dz= d + Ло/4 (пв-по) при d Ni4 /(пе-по), где по и п — показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей в . диспергирующем элементе, N — целое числое, а затем через анализатор, скрещенный с поляризатором, после этого синхронно промодулированные по фазе световые потоки в первом и втором регистрационных каналах преобразуют в соответствующие фотоэлектрические сигналы Fy и Fz, из которых формируют основной измеряемый сиг15 и нал F3+д= F1 Fg и опорный сигнал Fo= F1+

Н

+Fz, затем в каждом периоде модуляционноr0 напряжения измеряют амплитуды Fiu FR импульсов основного сигнала, соответствующих первому и второму полупериодам, и амплитуду Fo опорного сигнала и по результатам этих измерений определяют величины Н и Ч путем решения системы уравнений

1 31П2 Чь/2 (М2) .1/2(Fl. ". Fe) = Fo з1пфЬ сов фдс, 1/2(Fp +. Ря) = g Fo з!пфдс

Vb = 2 г(пе по) б Мо/ о фдс = 2 г(пе по.) d aXдс/ о

ЛАдс =iloV/Ñ,3б ЛА.—,()4 Н, где ЛA - полуширина модельного треугольного контура спектральной линии; с — скорость света в вакууме;

40 е, mo — заРЯд и масса покоЯ электРона; знаки (+) в первом и (-) во втором уравнениях отвечают условию 1/Ъ >вудс, знаки (-) в первом и (+) во втором уравнениях отвечают условию Q фд.

1603313

10-1

10-+ 10 10 1О Е,зд

3нерсия ддиэгеииа аьлучателе и «. Фю. Я

Составитель В.Коледов

Техред M.Ìîðãåíòàë

Редактор И,Касарда

Корректор И.Муска

Заказ 3382 Тираж 568 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 - //

7у

p//

7у

joz 10

Фие.я

ГО У,3