СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ВОЗБУЖДЕННЫХ АТОМОВ В ПРОДОЛЬНОМ НАНОСЕКУНДНОМ РАЗРЯДЕ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к спектроскопии плазмы, а точнее к лазерным методам диагностики плазмы. Изобретение может быть использовано при измерении концентрации возбужденных атомов в процессе волнового пробоя в наносекундных разрядах продольной конфигурации.

Известно, что концентрацию возбужденных атомов, в том числе и метастабильных атомов, можно измерить методом реабсорбции собственного излучения плазмы или полного поглощения излучения от вспомогательного источника [1] При этом можно установить связь между коэффициентом поглощения κ и плотностью возбужденных атомов N_i. В частности для случая доплеровского механизма уширения спектральных линий справедлива следующая формула
,
где f_ik сила осциллятора; e и m₀ заряд и масса электрона; c скорость света в вакууме.

Для измерения коэффициента поглощения κ пользуются известным методом трубки с одним зеркалом или методом двух трубок [1]
Главным недостатком этих методов является малое временное разрешение, что составляет величину порядка нескольких мкс.

Известно также, что плотность возбужденных атомов можно измерить по поглощению спектральной линии на фоне сплошного спектра. В этом способе вводят величину
,
которая называется полным поглощением. Здесь Φ_o и Φ_l световые потоки падающей и вышедшей из поглощающего слоя соответственно, Δν выделенный участок спектра вблизи линии поглощения. Для случая слабого поглощения, когда kl<1 справедливо следующее приближение

где l длина поглощающего слоя. При сильном поглощении, когда κl>1, выполняется другое предельное соотношение

где γ_ik константа столкновительного уширения данной спектральной линии. В промежуточных случаях связь между полным поглощением и плотностью поглощающих атомов можно установить численным расчетом и результаты такого расчета приведены в [1] Недостатком данного метода также является малое временное разрешение.

Из известных методов измерения концентрации возбужденных атомов наиболее близким по технической сущности является метод лазерной абсорбционной спектроскопии [2] В основе этого метода лежит метод полного поглощения, где в качестве источника зондирующего излучения использован перестраиваемый по частоте широкополосный лазер на красителе с накачкой азотным лазером. Выбор такого источника излучения позволяет повысить временное разрешение измерений до нескольких нс.

Недостатком метода лазерной абсорбционной спектроскопии является то, что он не позволяет учитывать пространственную неоднородность ионизации в длинных трубках в процессе волнового пробоя.

Известно, что при наносекундном пробое в длинных трубках ионизация газа происходит ионизирующей волной градиента потенциала (ИВГП), распространяющейся от высоковольтного электрода к заземленному со скоростью 10⁸ - 10¹⁰ см/с [3] Если такой разряд зондировать лазерным излучением вдоль трубки, то в начальные моменты времени длина поглощающегося слоя растет со временем со скоростью волны ионизации. Так, например, если длина разрядной трубки 40 см, то вдоль всей трубки ионизация газа происходит в течение 4 400 нс в зависимости от скорости ИВГП. Неучет этого обстоятельства может привести к занижению результатов измерений концентрации возбужденных атомов в несколько раз для начальных стадий пробоя.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что разработан способ определения концентрации возбужденных атомов в процессе волнового пробоя, позволяющий учитывать неодновременность ионизации газа вдоль трубки, путем измерения геометрической длины поглощающего слоя одновременно с измерением полного поглощения лазерного излучения. При этом согласно изобретению становится возможным учет роста длины поглощающего слоя в процессе пробоя. С этой целью вдоль разрядной трубки на определенных расстояниях друг от друга устанавливаются емкостные и оптические (в виде отрезков световодов) датчики. С помощью емкостных датчиков измеряется скорость ИВГП и определяется скорость роста длины поглощающего слоя. С помощью световых датчиков, регистрирующих излучение разряда поперек трубки, контролируется степень однородности разряда вдоль трубки. По результатам этих измерений при расчете концентрации возбужденных атомов по формулам (1) и (2) вместо длины трубки используется длина поглощающего слоя l'=vt

где v скорость ИВГП, t текущее время. Расчеты по формулам (1а) и (2а) ведутся до полного заполнения трубки разрядом.

На фиг. 1 показана схема установки для предлагаемого способа. В качестве источника зондирующего излучения использован широкополосный лазер на кристалле 2 с накачкой от азотного лазера 1. Спектр поглощения лазерного излучения в разрядной трубке 3 выделяется монохроматором 6 и регистрируется с помощью ФЭУ 7 и системы регистрации 8 10. Питание ФЭУ осуществлялось высоковольтным стабилизированным источником питания 17. Регистрация излучения выполнялась в цифровом виде с помощью системы регистрации, включающей транзисторный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9 и счетчик импульсов 10. Для измерения временной зависимости концентрации возбужденных атомов лазер 1 и ГИН 12, возбуждающий разряд, запускаются с регулируемой задержкой относительно друг друга при помощи ГИС 14. Для улучшения точности запуска лазера 1 использовался дополнительный блок запуска 15, выбрасывающий короткие (около 5 мкс) импульсы напряжения амплитудой до 1 кВ, поскольку промышленные ГИС 14, как правило, имеют амплитуду выходных импульсов напряжения до 100 В. Ввиду того что между моментом запуска лазера и его излучением существует определенная задержка, зависящая от конструкции лазера, точная временная привязка зондирующего лазерного импульса с разрядом осуществлялась с помощью сигнала с фотокатода 13 с временем срабатывания менее 0,1 нс, регистрирующего момент появления лазерного импульса, снимаемого с полупрозрачного зеркала 16. С целью уменьшения расходимости лазерного пучка использовалась оптическая система 18, состоящая из двух собирающихся линз с общим фокусным расстоянием около 3 м. Степень продольной однородности разряда контролируется по осциллограммам излучения поперек трубки, снимаемым разными оптическими датчиками. Измерения проводились в условиях, когда продольные неоднородности разряда были невелики. Это наблюдалось при малых коэффициентах затухания ионизующей волны градиента потенциала. Следует отметить, что на данной установке можно определить концентрацию возбужденных атомов и при наличии продольных неоднородностей путем их контроля оптическими датчиками, однако это выходит за рамки задачи, поставленной в изобретении и поэтому здесь не обслуживается. Окончательный расчет концентраций возбужденных атомов выполняется по формулам (1а) и (2а) с использованием результатов измерений величин полного поглощения и скорости волны ионизации.

Пример. Предлагаемым способом исследован наносекундный разряд в неоне и гелии в диапазоне давлений газа 1 30 торр. На разрядную трубку с диаметром 4 мм и длиной 30 см подавались импульсы напряжения регулируемой амплитуды до 60 кВ с передним фронтом около 10 нс. Исследования показали, что в указанных условиях скорость распространения ИВГП линейно возрастала от 2•10⁸ до 2•10⁹ см/с с повышением амплитуды импульсов напряжения от 20 до 60 кВ. При этом время заполнения трубки разрядом менялось от 15 нс при максимальной скорости до 150 нс при минимальной скорости распространения ИВГП. При скоростях волн ионизации, близких к 10⁸ см/с, учет неодновременности ионизации вдоль трубки при измерениях плотности возбужденных атомов становится существенным в течение 150 нс с момента старта волны ионизации у высоковольтного электрода.

Порядок выполнения измерений. Устанавливается определенная задержка t между запуском разряда и лазера. Для этого момента времени с помощью емкостных датчиков измеряется скорость распространения ИВГП. При всех последующих измерениях, если не меняется давление газа и амплитуда напряжений на разрядной трубке, величина скорости ИВГП остается постоянной. Затем измеряется с помощью системы регистрации световой поток, прошедший через разрядную трубку. При этом монохроматор 6 настраивается на излучаемую спектральную линию поглощения так, чтобы она находилась примерно посередине выделенного участка спектра Δν. Сама величина Dn определяется по ширине выходной щели и дисперсии монохроматора. Эта процедура классическая и она изложена, например, в [1] Таким образом, измеряется величина F₁ в относительных единицах. Для измерения Φ_o делается тоже самое, только при выключенном разряде. По этим данным вычисляется величина полного поглощения А, а по формулам (1) или (2) концентрация возбужденных атомов для момента времени t. Выполняя аналогичные измерения и вычисления для других задержек запуска лазера относительно разряда, можно получить зависимость концентрации возбужденных атомов от времени. В качестве иллюстрации на фиг. 2 приведена зависимость плотности возбужденных атомов He(2³S) от времени, полученная с учетом переменной длины поглощающего слоя. Полное поглощение измерялось на длине волны 338,9 нм.

Предложенный способ измерения концентрации возбужденных атомов по сравнению с другими способами позволяет корректно измерять длину поглощающего слоя разряда в условиях волнового пробоя.

Определение концентрации возбужденных атомов описанным выше способом обеспечивает измерение заселенностей возбужденных состояний атомов в процессе пробоя до полного заполнения зарядной трубки плазмой. Вследствие этого становится возможным построение адекватных моделей начальных стадий пробоя в наносекундных разрядах.

Испытания предложенного способа показали, что неучет неодновременности ионизации вдоль трубки может привести к ошибкам измерения заселенностей возбужденных состояний атомов более чем на порядок.

Источники информации
1. Фриш С.Э. Определение концентрации нормальных и возбужденных атомов и сил осцилляторов методом испускания и поглощения света. Сб. Спектроскопия плазмы. Л. Наука, 1970, с. 7 62.

2. Ашурбеков Н. А. Кинетика заселения возбужденных состояний атомов в послесвечении мощного импульсного разряда наносекундной длительности в неоне и гелии. Канд. диссертация. Л. ЛГУ, 1985, 184 с.

3. Асиновский Э.И. и др. ТВТ, 1983, т. 21, N 3, с. 577.

Использование: в области спектроскопии плазмы. Сущность изобретения: способ определения концентрации возбужденных атомов в наносекундном разряде заключается в измерении величины полного поглощения в выделенном спектральном диапазоне и длины поглощающего слоя, по которым определяют концентрацию возбужденных атомов. Длину поглощающего слоя определяют по скорости распространения ионизирующей волны градиента потенциала во время волнового пробоя в газоразрядной трубке. 2 ил.

Способ определения концентрации возбужденных атомов в продольном наносекундном разряде, заключающийся в вычислении концентрации возбужденных атомов по измеренным величинам полного поглощения в выделенном спектральном диапазоне на фоне широкополосного спектра зондирующего лазера на красителе и длины поглощающего слоя, отличающийся тем, что в течение времени волнового пробоя длину поглощающего слоя определяют по скорости распространения ионизующей волны градиента потенциала.