В п т б

 

400067

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства М—

М, Кл. Н 05h 1/ОО

Заявлено 25.1 l.1972 (№ 1752677126-25) с присоединением заявки <¹â€”

Государс гвенный KOMNTEò

Совета Министров СССР па делаМ изобретений и открытий

Приоритет

Опубликовано ОЗ.Х.1973. Бюллетень Хп 39

Дата опубликования описания 28.11.1974

УДК 533.9.08(088.8) Авторы изобретения

А. А. Калмыков и О. А. Лаврентьев

Заявитель

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПЛАЗМЫ

Изобретение относится к диагностике плазмы и может быть использовано для определения локальной плотности и локального потенциала плазт1ы при помощи зондирующего пучка частиц.

Известен способ измерения плотности и потенциала плазмы ионным пучком. В этом способе плотность и потенциал плазмы определяют путем зондирования плазмы моноэнергетическим пучком ионов, разделяя траектории однократно ионизированного (до столкновения) и двукратно ионизированного (после столкновения) ионов наложением поперечного магни1ного поля. Определение места выхода дву кратно ионизированного иона и его скорости позволяет восстановить траекторию и найти точку, где произошел акт вторичной ионизации, Изменение энергии иона позволяет най1и потенциал плазмы в этой точке, а количество вышедших двукратно иопизированных ионов — плотность (по сечениям ионизации) .

Однако при использовании известного способа необходимо применять ионы либо достаточно больших энергий, чтобы они прошли через область сильного магнитного поля (что ограничивает точность измерения потенциала), либо достаточно большой массы (что ограничивает временное разрешение). Кроме гого, способ не пригоден для локальных измерений по1епциала и плотности плазмы в магнитных полях сложной конфигурации, в частности прп отсутствии поперечного магнитного поля (например в системах электростатического удержания плазмы, в магнитных систе5 мах при зондировании вдоль силовых линий).

В этом случае не происходит пространственного разделения траекторий первичного и в1оричного пучков, а следовательно, невозможно определить место, где произошла ионизация

10 част ицы.

Целью изобретения является определение локальной плотности и локального потенциала в каждой точке траектории зондирующего

15 пучка.

ДЛ11 этОГО 11змсря10т совместно коли 1ество, энергетический спектр и время пролета npo oдящих через плазму частиц зондирующего пучка с измснспным зарядом, гпределя1ОТ по

20 результатам измерения времени пролета и энергетическому спектру частиц распределение потенциалов в плазме, а по результатам измерения количества частиц с использованием сечений взаимодействия — плотность

25 час1иц в плазме.

В отличие от известного способа разделение частиц, изменивших заряд, от частиц первичного пучка происходит по времени пролета через плазмы.

30 Изобретение пояснено чертежами.

400067

На фиг. 1 приведена блок-схема установки, на которой может быть реализован предложенный способ; на фиг. 2 — изменение энергии иона (верхняя кривая), проходящего плазму с потенциальной ямой параболического вида (нижняя кривая); на фиг. 3 — примерный вид осциллограмм временного анализатора в зависимости от регистрируемой энергии E вылетающих из плазмы ионов с измененным зарядом.

Установка содержит источник 1 ионов, модулятор 2, перезарядную мишень 3 (при работе на ионах не используется), сепаратор 4 пучка ионов по отношению заряда к массе, анализатор 5 ионов по энергиям, ионно-электронный преобразователь б, сцинтиллятор 7, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 8, временной анализатор 9.

Установка работает следующим образом.

Моноэнергетические ионы из источника 1 модулируются модулятором 2 и в виде серии импульсов малой длительности поступают в перезарядную мишень (при работе на ионах не используется), откуда в виде нейтральных атомов поступают в плазму. При столкновениях с частицами плазмы в результате ионизации зарядовый состав зондирующего пучка изменяется. При наличии электростатического потенциала в плазме частица, изменившая свой зарядовый состав в результате столкновения, после столкновения ускоряется (или замедляется) с учетом измененного заряда и выходит из плазмы с другой энергией. Если, например, в плазме имеется потенциальная яма для ионов, то, исследуя энергетический спектр вылетающих из плазмы частиц с измененным зарядом, находят максимальную потерю ионом энергии, которая дает в пересчете на изменение заряда иона максимальную величину потенциальной ямы, Время пролета при известной скорости позволяет определить место, в котором произошел акт изменения заряда, а по количеству вылетающих из плазмы частиц с данной энергией и по известным сечениям взаимодействия — плотность плазмы в данной точке пространства.

Частицы, испытавшие изменение заряда на разных склонах потенциальной ямы, выйдут из плазмы с временным сдвигом, что позволяет последовательно, шаг за шагом, определить распределение потенциала вдоль траектории зондирующего пучка, место изменения заряда и количество частиц с измененным зарядом для каждой данной энергии и данной задержки времени пролета, а следовательно, плотность плазмы в каждой точке траектории зондирующего пучка.

Проходя через плазму, частицы зондирующего пучка попадают в сепаратор 4, отделяющий частицы с измененным зарядом от первичного пучка, затем в анализатор 5 по энергиям, а ионно-электронный преобразователь 6, где из мишени выбиваются вторичные электроны, количество которых пропорционально падающему потоку ионов. Электроны регистрируются сцинтиллятором 7 с ФЭУ 8. Сигнал с ФЭУ 8 вместе с сигналом модулятора поступает во временной анализатор 9. Измеряются время пролета и количество частиц для каждого данного заряда и энергии.

Иоп (см. фиг. 2) входит в плазму с энергией Ео и зарядом z e. Его энергия увеличивается по закону Ep+z eU Я), — текущая координата, а время пролета отрезка длиной

10 от $ до E+d(равно р.

2 ) Ег + Z

Расстояние от 0 до х ион пролетит за время х

u. ((1;"

2 ) ) ЕО + z eU()

О

Если в точке х ион претерпел повторную ионизацию, то его дальнейшее движение будет происходить с измененным зарядом z>e. В точке х его энергия была равна Ео+г,eU(x). При своем дальнейшем движении ион с зарядом

z e проходит разность потенциалов U(K)— — U(x) и набирает энергию

Е, + z,eU(x) + z,e fU(<) — У(х)1.

На выходе из потенциальной ямы (g=L) энергия иона будет равна

E — Eå + (z zã,)- (x) (1)

Время пролета иона от х до L равно

V б

IJ, dq

2 ) ) Е„+ z,eU(x) + z,å(U(:) — U(x)) !

А d-

2 ) УЕ+ z eU(-:) х

Полное время пролета ионом области плазмы х

2 ) Ео —, г,eU(-".) о

L л

/1

dq

2 ) /Е + z eU(5) 45 (2) 50

Если E=Eo (см. фиг. 3), то регистрируются ионы, для которых столкновение с измене55 нием заряда произошло HB краю потенциальной ямы, либо при х=0, либо при x=L, где

U(0) =U(L) =О. В первом случае ион с зарядом г.е пролетает всю потенциальную яму с увеличенной скоростью и проходит на детек60 тор раньше (время пролета, отсчитанное от начала исходного импульса, равно т,). Во втором случае ион пролетает потенциальную яму с зарядом zie(z>(zz), его скорость меньше, а время пролета больше (т,) . .Уменьшая регист65 рируемую энергию Е, последовательно нахо400067

Ео Еа макс

Га — 2 f

Определение профиля потенциальной ямы осуществляют по следующей схеме.

1) Учитывают аппаратурное пролетное время то, которое складывается из суммы времен пролета расстояния е1 от источников ионов до плазмы (с энергией Ео) и расстояния е2 от плазмы до детекторов ионов (с энергией g), по формуле (4) На графике Е(т) (см. фиг. 2) для каждого

Е вводят поправку на величину то по формулам е(Ее) — а сев в(Ее) в <е и. т. д.

2) Определяют потенциал L — Лх в точке, отстоящей от границы плазмы L на небольшое расстояние Лхь Можно показать, что при достаточно малом Лх (Z g ) Ео — Еа (ге — zq)e (5) 4Р2. Ео - (Е1) — -.(Ео)

Ьх,= а

IJ. Ео — Еа дят профиль потенциальной ямы во временном масштабе задержек т и ее максимальную величину по энергии регистрации Е=Еа, при которой наблюдается один импульс ионов с измененным зарядом. Из формулы (1) получим где т(Е;) и т(Ео) — время пролета ионов с энергией L> и L,1, причем Е, близко к Ео.

3) Далее находят потенциал в точке

L Лх1 — Лх и т. д.

5 Вычисления удобно проводить на ЭВЦМ по заранее составленной программе.

После нахождения потенциальной кривой, когда установлен потенциал для каждого значения х, а следовательно, известно из какой

10 точки пространства вылетает группа частиц с измененным зарядом с задержкой т, определяют плотность плазмы в этой точке по изменению величины первичного пучка в результате повторной ионизации при помощи соот15 ветствующего сечения взаимодействия.

Предмет изобретения

20 Способ измерения параметров плазмы, находящейся в магнитных полях сложной конфигурации, путем зондирования плазмы моноэнергетическим пучком атомов или ионов, отлича ош,ийся тем, что, с целью определения

25 локальной плотности и локального потенциала в каждой точке траектории зондирующего пучка, измеряют совместно количество, энергетический спектр и время пролета проходящих через плазму частиц зондирующего пуч30 ка с измененным зарядом, определяют по результатам измерения времени пролета и энергетическому спектру частиц распределение потенциалов в плазме, а по результатам измерения количества частиц с использованием

35 соответствующих сечений взаимодействня— плотность частиц в плазме.

490067

Ео

Ez

Е1

Еи

Фиг.,7 Риг. Р

Составитель В. Ким

Редактор А. Зиньковский

Техред 3. Тараненко Корректор А. Дзесова

Ти погр аф и я, пр. Сапунов а, 2

Заказ 417!8 Изд. М 102 Тираж 755 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, К-35, Раугнская наб., д. 4/5