Способ определения параметров плазмы

 

ОП И САНИ Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советсвмк

Соцмалмстмческмк

1теснублмн п11586 779

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 16. 04. 76 (21) 2346253/25

Р1)М. К . с присоединением заявки ¹ —(23) Прио(зитетН 05 Н 1/00

Государственный комитет

СССР по деяам изобретений и открытий

Опубликовано 231280. Бюллетень ¹ 47 (53) УДК 533. 9..082.5(088.8) Дата опубликования описания 253. 280 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ

Изобретение относится к области диагностики плазмы и может быть использовано для определения пространственного распределения концентрации и энергетического спектра атомов нейтрального газа в водородной или дейтериевой плазме.

Информация о пространственном распределении атомов нейтрального газа получается в настоящее время из спектроскопических "боковых" наблюдений с последующим преобразованием типа преобразования Абеля.

Известен способ определения параметров плазмы при помощи лазерного зондирования путем измерения спектра рассеянного излучения (13 .

Однако этот способ не пригоден для определения плотности нейтралов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ определения параметров плазмы путем зондирования резонансной электромагнитной волной и регистрации рас; сеянного плазмой излучения C23 .

В .качестве источника резонансного излучения (Я = 1216 А) в этом способе использовалась лазерная плазма, которая получалась при фокусиров излучения импульсного лазера на

2 неодимовом стекле на поверхность твердой мишени. Источник этого излучения помещен в фокусе сферического (или параболического) зеркала, обеспечившего фокусировку излучения в исследуемом объеме. Для пространственного сканирования излучения, возбужденных на уровень 2р атомов водорода, использовалась размещенная в вакууме

10 сканирующая система.

Интенсивное излучение плазменного фокуса вызывает резонансный переход атомов водорода с невоэбужденного со15 стояния 1S на уровень. 2р, с последующим спонтанным распадом возбужденного уровня. Распад вынужденного возбужденного состояния атомов водорода сопровождается излучением электромаг20 нитной долны на длине волны Х

1216 А, причеА интенсивность этого резонансного излучения пропорциональ;на концентрации атомов водорода в облучаемой точке плазменного объема.

25 Йзлучение атомов водорода принимается при помощи фотодетектора, соединенного с плазменной установкой вакуумированным каналом. Нижний предел ,измерения концентрации нейтральных

30 атомов водорода составляет 10 см .

В. Д. Коцубанов, А. Н. Летучий и О. С. Павличенко

586779

Применение этого способа на реальных плазменных установках затрудняется необходимостью учета самообращения

)=игнала на пути "рассеивающий объем спектрометр", засветкой поля зрения приемной системы резонансно рассеянным излучением объема, освещаемого зондирующим источником, что ухудшает соотношение сигнал/шум и не позволяет проводить измерения в условиях насыщения перехода. Кроме того, регистрация полезного сигнала в области вакуумного ультрафиолета приводит к использованию аппаратуры с низкой чувствительностью по сравнению с аппаратурой видимой области спектра, что не позволяет с достаточной точ- 3$ ностью измерить спектральный состав резонансно рассеянного излучения, а следовательно энергетический спектр атомов водорода в плазме. К тому же технически сложно создать сканирующую щ систему, удовлетворяющую вакуумным условиям плазменной установки.

Цель изобретения — расширение диапазона измерений локальных значе-, ний концентрации и измерения энергетического спектра нейтральных атомов водорода (дейтерия).

Это достигается тем, что плазму зондируют одновременно двумя электромагнитными волнами с частотами, соответствующими резонансным частотам 39 переходов соседних возбужденных состояний атома водорода (дейтерия).

Излучение лазерно-плазменного источника вакуумного ультрафиолета возбуждает переход 1S-2р, вызывая увели- 35 чение заселенности уровня 2р. Одновременно с этим исследуемый объем плазмы подвергается воздействию излучения лазера на растворе органических о красителей с длиной волны 6563 А. Из- 40 лучение этого лазера возбуждает переход 2р-30. Интенсивность спонтанного излучения при радиационном распаде возбужденного уровня 3d пропорциональна заселенности уровня 1S, а дли4>

6563 A) соответствует красной области видимого спектра. Ширина спектра регистрируемого сигнала пропорциональна Ti и может быть измерена при помощи стандартной аппаратуры ви- 50 димого диапазона спектра. Кроме того, так как заселенность уровня 2р велика только в области зондирующего луча лазерно-.плазменного источника, самообращения спектра излучения при пере- .55 ходе 3d-2р не происходит.

Для того, чтобы убедиться в эффективности "перекачки" электронов в атоме водорода с уровня 1S на уровень 3d методом каскадного возбуждения, рассмотрим следующую систему уравнений:

Р()В "Д1 Р(У.)В,Р А GP(V2)52PP(MA%0

2 В 3 3 31 3 31 3 Ю 65 где n<,n<,n — плотность заселенносУ ти соответственно на уровнях 1, 2 и 3;

) (" ),.- спектральная плотность накачки на 1216 Х; .г  — спектральная плотность р(И)— накачки на 6563 Х;

41j — вероятность спонтанного перехода с 1S на уровень 2р;

Ь1) — вероятность вынужденного перехода с 2р на уровень 3d под действием излучения. Р (9).

При больших плОтностях накачки доминирующими будут вынужденные переходы между уровнями 1, 2 и 3, поэтому

"1Г(У "3 " 8, "Р(2)8 ) "В"

np(u )8 -n p(u@)B -о

Учтем, что В к = —" В

КСi где цк и ц — статистические веса уровня К и (соответстФ венно тогда

n = „. и =с-и; т.е.n =g(n ).

3 "у 3 1

Как вй1 но из решения системы уравнений, в случае каскадной накачки происходит эффективное заселение уровня 3d, пропорциональное концентрации атомов водорода в основном (1S) состоянии.

На чертеже приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Излучение неодимового лазера 1 фокусируется на вольфрамовую мишень 2.

Под действием излучения лазера на поверхности мишени возникает плотная высокотемпературная плазма, которая являетсу источником излучения с.4.

1216 А. Иэображение плазменного образования, с характерным размером около 1 мм, проецируется при помощи зеркала 3 в исследуемый объем 4. Излучение лазера 5, работающего на растворе красителей родамина 6Ж и крезилового фиолетового в этаноле, проецируется в исследуемый объем при помощи линзы б.

Резонансно рассеянное излучение

Л = 6563 А собирается линзой 7 и проецируется на входную щель монохроматора 8, который сочленен с фотоэлектрической многоканальной системой 9, позволяющей анализировать энергетический спектр принимаемого излучения. Полученные данные позволяют определить конструкцию и температуру нейтральных атомов водорода (дейтерия).

Таким образом, преимущества предложенного способа заключается в следующем.

Расширяется диапазон измеряемых концентраций атомов водорода на два порядка за счет переноса измерений в видимую область спектра.

586779

Формула изобретения

Составитель А. Билаев

Редактор Л. Письман Техред .Жепанская Корректор Н. Григорук

Заказ 9243/74 Тираж 885 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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

Отсутствует самообращение полезного сигнала.

За счет повышения чувствительнос-. ти метода становится возможным измерение спектрального состава рассеянного излучения, а следовательно, и энергетического спектра нейтральных атомов водорода (дейтерия).

Регистрация электромагнитной волны в видимой области значительно упрощает технику измерений вследствие использования стандартной аппаратуры и приемов, разработанных для видимого диапазона.

Способ определения параметров плазмы путем зондирования резонансной электромагнитной волной и регистрации рассеянного плазмой излучения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений локальных значений концентрации и измерения энергетического спектра нейтральных атомов водорода (дейтерия), плазму зондируют одновременно двумя электромагнитными волнами с частотами, соответствующими резонансным частотам переходов соседних возбужденных состояний атома водорода (дейтерия).

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Лукьянов С. IO. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. "Наука", 1975, с. 194.

2. Бретон К. и Паполар Р. Опре15 деление нейтральной плотности по рас- сеянию вакуумно ультрафиолетового излучения . Материалы VI Гвропейской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. М., 20 1974, с. 16.