Способ измерения локальных параметров плазмы Советский патент 1984 года по МПК H05H1/00 G01N21/64 

Изобретение относится к диагностике плазмы оптическими методами, в частности методом резонансной флюоресценции, и может найти применение в приборах и устройствах, создаваемых для исследования плазмы и плазмопсдобных сред. Известен- способ изменения локальных параметров плазмы, называемый способом насьщения когда проводитс активная спектроскопия насьпцения флю оресцен:ции, т.е. интенсивность зондирующего излучения составляет более пяти интенсивностей насыщения данног перехода (при этом мощность флюоресценции перестает зависеть от интенсивности зондирования), измеряется мощность флюоресценции, после чего вычисляется концентрация компонента плазмы с использованием условия насы щения перехода: . 2 - насыщенная концентрация ниж где --, него уровня, см. N - насьш енная концентрация вер него уровня, см, Я/ - статический вес нижнего ур ня, % статический вес верхнего уровня. При этом также используются условия сохранения числа частиц и решение уравнений баланса концентраций для каждого конкретного случая измерений О 3. Недостатками указанного способа являются значительные ошибки измере ний из-за изменения измеряемых параметров плазмы под действием интенсивного зондирующего излучения, низ кая точность измерений из-за необходимости принятия какой-либо модели равновесия в плазме (в случае ра боты tl условия коронального раз иовесия), что является зачастую довольно грубым приближением. Известен также способ измерения локальных параметров плазмы, включаюш ш зондирование плазмы резонанс ным излучением, регистрацию спектра .(шюоресценции плазмы с пространстве ным разрешением, измерение интенсив ности; зондирующего излучения и мощности флюоресценции, определение ло кальной концентрации компонента пла мы по формуле М У/Х6УФ, (z)i где N - концентрация компонента плазмы, Y - мощность флюоресценции, X - интенсивность зондирующего излучения, о - сечение флюоресценции, V - зондируемый объем плазмы, Ф - телесный угол сбора излучения флюоресценции, и определение локальной температуры заселения компонент плазмы из соотношения их концентраций . . Недостатками указанного способа являются низкая точность измерений из-за использования расчетного значения сечения флюоресценции в формуле (2), так как сечение зависит от ширины линии зондирующего излучения, ширины линии спонтанного излучения компонента плазмы, соотношения его доплеровского и ударного уширений, расстройки линии зондирования относительно линии спонтанного излучения плазмы, а все эти величины известны с большой неопределенностью. Кроме того, расчетные вьфажения для сечения флюоресценции известны лишь для ряда частных случаев. Целью изобретения является повышение точности измерений локальных параметров плазмы. Цель достигается тем, что по способу измерения локальных параметров плазмы, включающему зондирование плазмы излучением, регистрацию спектра флюоресценции .плазмы с пространственным разрешением, измерение интенсивности зондирующего излучения и мощности флюоресценции, -определение локальной концентрации компо 1ента плазмы с использованием сечения флюоресценции и определение локальной температуры заселения компонент плазмы из отношения их концентраций. В-процессе измерений изменяют интенсивность зондирующего излучения и регистрируют зависимость мощности флюоресценции от интенсивности зондирующего излучения, аппроксимируют функцие й вида (o-ffcX) , (3) находят из этой зависимости параметры аппроксимации .oi и Ъ и определяют сечение флюоресценции по формуле 6 КА2 Ъ/огД(, М где 6 - сечение флюоресценции, см, Аг I коэффициент Эйнштейна, с. J10 /1 - длина волны излучения флю оресценции, см , с, - статический вес нижнего уров ня, с,, - статистический вес верхнего ур ня, -2А ,58-10 - размерный коэффициент, Джсм. Дополнительное введение операций изменения интенсивности зондирующего излучения и регистрации зависимости Y -f|.X) с последующей ее аппрокси мацией, функцией вида (3) и определение- сечения флюоресценгщи, например, по формуле (4) позволяют экспериментально определить сечение флюо ресценции в том же процессе измерений, ранее экспериментально не определявшееся, что ведет к достижению цели изобретения. Для вывода формулы (4), т.е. для установления связи между экспериментально измеряемыми параметрами аппроксимации (Я, Ъ и сечением флюорес ценции, кратко рассмотрим кинетику заселения состояний в двухуровневой атомной системе. Рассматриваются ста ционарные процессы. Уравнения, учитывающие сохранение частиц и постоян , ство стационарных заселенностей уров ней, имеют вид: N. + N. N..-№ 12 zTl ,,, 0, У гдеМ,, М , N, Nj - начальные и текущие заселенности рабочих уровней, Т Д сХ (э .ndV вероятность возбуждени о , . , флюоресценции, и - спектральный профиль сечения поглощения, п - нор мированная на X объемная спектраль ная плотность фотонов, .-J - частота С - скорость свет-а, W., - скорость возбуждения электронным ударом, у„полная ширина верхнего уровня. Для измеряемой мощности флюоресценции справедливо вьфажение iV-(,V.. l где Ъ - постоянная Планка, Находя из формулы (5) разность (Njp и подставляя ее в формулу (6), олучим: 5 -L-bVN°/ УФ 4л о 1 21 .,г 2/ °2 з формулы (7) видно, что кривая насыщения перехода описывается функией вида (3). Найдем связь между тношением параметров аппроксимации Ъ/о и интенсивностью зондирующего злут4ения: , , Л. () (.. ) Связь между параметрами аппроксимации кривой насыщения перехода и сечением флюоресценции легко установить, сравнив вьфажения (2) и (7) с учетом зависимости (8) -.% 6 -bV,/ 4л О 21 а После подстановки численных постоянных в формулу (9) для режима слабоинтенсивного зондирования (Ъ/с1 X « 1 ) и с учетом соотношения имеет место всегда, так как получаем расчетнбе выражение (4). Способ может быть реализован, например, при помощи устройства, схема, которого приведена на фиг. 1 и 2.. Устройство для реализации способа содержит оптически связанные импульсд,- прерыватель 2 излучеНИН, выполненный в виде электрооптического модулятора, систему 3 фокусировки, систему 4 сбора и спектрального анализа рассеянного излучения, фотодетектор 5, выход которого соединен с входом блока 6 вьзделения сигналов, выполненного в виде оптимального корреляционного фильтра, опорный фотодетектор 7, оптически связанньй с вторым поляризационным выходом прерывателя 2, выход опорного фотодетектора 7 соединен с управляющим входом блока 6 вьщеления сигналов, двухканальньй обращающий усилитель В, первый вход которого соединен с выходом опорного фотодетектора 7,V а второй вход .соединенс выходом блока 6 вьзделения 1сигналов, при этом оба выхода двухканального обращающего усилителя 8 соединены с блоком 9 обработки и ре гистрации сигналов. Блок 6 выделения сигналов, принципиальная схема которого приведена ;на фиг. 2, содержит триггер 10, вход кЬторого соединен с выходом фотоде,тёктора 5, а управляющий вход соеди нён с выходом опорного фотодетектора 7, линию 11 задержки, вход которой . соединен с первым выходом триггера 10, дифференциальный усилитель 12, суммирующий вход которого соединен с выходом линии 11 задержки, а разнсзстный вход соединен с вторым выход триггера 10, при этом выход дифферен циального усилителя 12 соединен с вт рь1м входом двухканального обращающего усилителя. Описанное устройство для реализации предложенного способа работает следующим образом. Сформированный лазером 1 импульс резонансного излучения модулируется прерывателем 2 излучения, выполненHHIM в виде электрооптического модулятора, управляемого периодическим напряжением радиочастотного диапазона. 34,тем излучение фокусируется с стемой 3 фокусировки в исследуемый объем плазмы. Рассея-нное плазмой резонансное излучение (флюоресценция) собирается из исследуемого объема и анализируется с помощью системы 4 сбора и спектрального анализа рассеянного излучения, состоящей из сис1емы объективов, фокусирующих изобр жение на входную щель монохроматора, например, ДФС-24. Мощность флюоресце ции регистрируется фотодетектором 5, например, типа ФЭУ - 79, сигналы с выхода которого подаются на вход бло ка б -выделения сигналов, управляемог вьйсодным напряжением X опорного фото детектора 7, например, типа ФЭК-12, от слеживающего изменения интенсивности зондирующего излучения при модуляции. На выходе блока 6 выделения сигналов формируется напряжение Y , пропор1щональное мощности флюоресценции и имеющее высокое отношение сигнал/шум. Напряжение Y обращается в дву-хканальном обращающем усилителе 8, на втором выходе которого формиру ется напряжение, пропорциональное 1/V. В первом канале усилителя 8 обр щается выходное напряжение опорного фотодетектора 7, при этом на его первом выходе формируется напряжение, пропорциональное 1/X. Сформированные сигналы 1/Х и 1/Y с выходов двухканального обращающего усилителя 8 подаются на вход блока 9 обработки и регистрации сигналов, в котором производится аппроксимация зависимостл (1/У) f (1 / f ) линейной функцией вида (1/Y) (о((1/х)+Ь) методом наименьших квадратов. Вид- функции аппроксимации следует из вьфажения (3). При этом вычисляется величина Ъ/d и ошибка в ее определении, характеризующая точность определения сечения флюоресценции. Вычисления концентрации компонент плазмы по формуле (2) производятся в блоке 9 обработки и регистрации сигналов после определения сечения Сэ , Необходимые вычисления в блоке 9 могут быть выполнены, например, при помощи микро-ЭВМ Электроника-60, Блок 6 выделения сигналов, схема которого приведена на фиг, 2, работа ет следуюищм образом. Электрический сигнал с выхода фотодетектора 5 подается на вход триггера 10, управляемого сигналом с выхода опорного фотодетектора 7 таким образом, что в момент просветления прерывателя 2 сигнал от фотодетектора 5 подается на вход линии 11 задержки, а с ее выхода - на сум;мирующий вход дифференциального усилителя 12 через время., равное половине периода модуляции лазерного излучения. В то же время на разностный вход усилителя 12 подается напряжение от фотодетектора 5 в те полпериода, когда отсечено лазерное излучение от плазмЫд т,в, в этот момент триггер 10 находится в другом устойчивом состоянии. Таким образом, осуществляется компенсация собственного излучения плазмы одновременно со скоростным синхронным детектированием. На выходе дифференциального усилителя 12 формируется полезный сигнал с высоким отношением сигнал/шум. Пример. Исследовалась плазма БЧ разряда в неоне. Параметры плазмы: Т,,, 350 К, Т 1,1 эВ, р QQ ДJ..JJ возбуждения применялся импульсный лазер на красителях (Родамин 6Ж) со следуюпщми характеристиками: длительность импульса 3-6 МКС, максимальная энергия в импульсе 30 мДж, диаметр каустики луча 0,3 мм. Измерялась локальная концентрация атомарного неона на уровне ISs Р этом возбуждался переход ISj - 2р. на длине волны 6163 А. Измеренное сечение флюоресценции оказалось равным (2,8 i0,3)) . Расчет сечения по приближенным формулам дает значение (914) . Таким образом,, точность измерения локальных параметров плазмы в данном случае повышалась более чем в 4 раза. Кроме того, учтена систематическая ошибка из-за расстройки. Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ измерения локальных параметров плазмы повьшает точность измерений путем учета неконтролируемой расстройки между линией плазмы и линией зондирующего излучения, а также нестабильность последнего, в экспериментально-определяемом сечении флюоресценции, повышает точность измерений путем учета реальных- параметров плазмы, осуществляемого в результате экспериментального определения сечения флуоресценции в ходе того же измерения. При этом . точность увеличивается в 2-6 раз. Реализация способа на описанном устройстве позволяет повысить чувствительность измерений минимум в 2 раза, повысить временное разрешение измерений до , а также автоматизировать процесс измерений. Возможно ис-; пользование описанного способа и устройства для его реализации при измерении сечений столкновений и атомных констант.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ, включающий зондирование плазмы резонансным излучением, регистрацию спектра флюоресценции плазмы с пространственным разрешением, измерение интенсивности зон, дирующего излучения и мощности флюоресценции, определение локальной концентрации компонента плазмы с использованием сечения флюоресценции и определение локальной температуры заселения компонент плазмы из отношения их концентраций, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью .повьшения точности измерений, в процессе измерений изменяют интенсивность зондирующего излучения и регистрируют зависимость мощности флюоресценции от интенсивности зондирующего излучения, затем аппроксимируют эту зависимость функцией вида Х() , . § находят из этой зависимости парамет- (Л ры аппроксимации « и Ь и определяют сечение флюоресценции по формуле с: ( КА2,/с|Л(. где 6 - сечение флуоресценции, см, 2- коэффициент Эйнштейна,: , Д - длина волны излучения флюоресценции, см, о: Ч-1Ч2- статический вес нижнего и Од 4ik 4 уровней перехода, К 1,58-10- pasMepHbrii коэффициент, Дж-см.

7 К

V

А t Тг

Фи1.1

От(7)

ft

От(5)

W

иг.г