Способ измерения штарковской ширины линии в плазме Советский патент 1988 года по МПК G01N21/63 

Изобретение относится к технике диагностики плазмы и может быть использовано для диагностики плазмы в плазмотронах, в установках управляемого- термоядерного синтеза (УТС) типа токамак, стелларатор и т.п. В настоящее время выбор того или иного способа диагностики плазмы определяется параметрами плазмы, в том числе, ее температурой, плотностью и временем существования. Настоящее изобретение направлено на разработку способа измерения штадковской щирины спектральной линии в плазме, несущей информацию об электрическом поле в плазме или о концентрации примесей тяжелых частиц в импульсной плазме, ; применимого для диагностики плазмы вне зависимости от вьшеперечисленных параметров. Известный способ измерения штарковской ширины спектральной линии, основанньй на анализе спектра собственного излyчev ия плазмы, можно ис пользовать для диагностики как стаци онарной, так и импульсной плазмы. Од нако он неприменим для диагностики высокотемпературной плазмы, в которо уширение спектральных линий происходит не столько из-за эффекта Штарка, сколько за счет эффекта Допплера. Кроме того, из-за реабсорбции, которая проявляется тем больше в искажении профиля спектральной линии, чем больше плотность плазмы, применение этого способа возможно в некотором (определенном для конкретного вещества) диапазоне изменения плотностей плазмы. Известен способ измерения штарков ской ширины линии, ,основанный на не линейной лазерной спектроскопии насыщения внутри доплеровской линии, который применим как для низкотемпературной, так и для высокотемператур ной плазмы. Возможности использовани этого способа из-за реабсорбции опре деляются диапазоном плотностей иссле дуемой плазмы, Один из вариантов этого способа измерения штарковской ширины линии наиболее близкой к предлагаемому ; включает одновременное облучение пла змы двумя потоками лазерного излучеВИЯ, первый из которых монохроматический с частотой, совпадающей с час тотой Ыр излучаемой линии, и облучение плазмы вторым потоком монохроматического излучения с частотой, перестраиваемой в диапазоне от иОд - S до Юо+ - где /5Ы 10 -10 t.0 . Информацию о ширине штарковской линии получают путем измерения интенсивности проходящего через плазму иЗлучения при изменении частоты второго потока. Недостаток этого способа заключается в применимости его к исследованию только стационарной плазмы и, к . тому же, с определенной плотностью. Последнее ограничивает возможности экспериментов со стационарной плазмой, а в целом этот недостаток ограничивает диапазон экспериментов с п.пазмой. - Целью изобретения является обеспечение исследования плазмы в широком диапазоне изменения ее параметров: П.ПОТНОСТИ, времени существования и температуры. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения штарковской ширины линии в плазме, включающем облучение плазмы двумя )|отоками лазерного излучения, первый из которых монохроматический с частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, в качестве второго потока лазерного излучения используют широкополосное излучение с центральной частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, при этом в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности первого потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, возникающую при облучении первым потоком и в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности второго потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, возникакщей при облучении ее вторым потоком, а затем по измеренным изменениям плотностей интенсивностей потоков излучения и интенсивностей флюоресценции определяют штарковскую ширину линии. На чертеже представлена схема установки, с помощью которой можно реализовать способ при исследовании импульсной плазмы.,, Установка содержит импульсный монохроматический лазер 1 с частотой , где Wp - частота исследуемой линии (при этом ширина лазерной линии должна быть в 3-5 раз меньше ширины исследуемой линии), и широкополосный лазер 2, формирующий широкополосное излучение с частотами от

(э

- -2- Ac(s

намного превьппает ширину исследуемой линии (не менее, чем в 3-5 раз), В изображенной установке лазеры 1 установлены так, что формируемые ими потоки излучения распространяются под углом друг к другу (в частном случае лазеры 1 и 2 могут формиро- вать параллельные потоки, при этом схема установки несколько иная), а излучение лазеров 1 и 2 линзами 3 и 4 соответственно фокусируются в разг ных плоскостях поперечного сечения плазменной камеры 5. Расстояние между фокусами F и F- линз 3 и 4 определяет пространственную разрешающую способность установки и ограничивается только дифракционной расходимостью лазерного излучения. Лазер 1 оптически связан с фотоэлектрическим измерителем 6, а лазер 2-е измерителем 7.

Регистрация интенсивностей флюоресценции плазмы под действием излучения лазеров 1 и 2 осуществляется измерителями 8 и 9 соответственно. При этом перед выходом измерителя 8. установлена линза 10, фокус которой совпадает с местоположением фокуса F. линзы 3, а фокус линзы 11, установленной перед входом измерителя 9 совпадает с местоположением фокуса F линзы 4. На входе каждого измерителя 8 и 9 установлены также ограничивающие диафрагмы 12 и 13 соответственно.

Выходы измерителей 6, 7, 8, 9 подключены к регистратору 14, в качестве которого может быть использована ЭВМ,

Сущность способа заключается в следующем.:

Исследования в плазме прородят для линии, частота U) которой равна частоте перехода с нижнего уровня на верхний в соответствии с двухуровневой моделью атома.

При облучении плазмы потоком монохроматического излучения формируемого лазером 1, возникает флюоресценция плазмы, интенсивность которой в каждьй момент времени на частоте и;,, исследуемой линии равна:

ЛЫ«

Ji Т

2(1 + G,)

где коэффициент, постоянный для конкретной геометрии установки и при исследовании конкретной линии, ilN разность населенностей в верхнем и нижнем уровнях атома до воздействия лазерным излучением, G d( 400 параметр насыщения плазмы под действием излучения лазера, 1, где е(коэффициент, S - плотность интенсивности излучения лазера, 1, Л U) штарковская ширина линии, Г - время жизни возбужденных атомов на верхнем уровне.

Аналогично при облучении плазмы излучением лазера 2 интенсивность флюоресценции плазмы в каждый момент времени равна:

2(ГГс;)

где G - параметр насыщения плазмы

под действием излучения лазера 2.

Поскольку излучение лазера 2.широкополосное ( даз ) параметр С (У Sjl), где Sj - плотность интенсивности излучения лазера 2.

В соответствии со способом, в интервале времени 4t,, начиная с момента времени t, производя измерения измерителем 6 плотности интенсивности S, .лазера 1, а измерителем 8 измерения интенсивности J., флюоресценции плазмы. Измерения проводят до .момента времени t2, которьй в оптимальном случае соответствует моменту, когда интенсивности измеряемых вели-, чин максимальны. Аналогично в интервале времени t измерителя 7 и 9 измеряют плотность интенсивности S лазера 2 и интенсивность флюоресценции J2, возникающей в результате облучения плазмы лазером 2. В случае диагностики импульсной плазмы измерения всех параметров следует проводить одновременно, а при диагностике стационарной плазмы выбор интервалов времени измерения величин 8, J и S,, J определяется тем, насколько быстро изменяется состояние плазмы.

Следует отметить, что измерения можно проводить и дискретно, приэтом в зависимости от характера измерений (дискретный или непрерьганый) выбирают соответствующий алгоритм обработки сигналов в регистраторе 14.

При непрерывном измерении величины S, S, J,, Ji алгоритм об1) в регистраторе задают в соответствии с соотношением: .., . (-4 jTi7jJ/)Ti7siT где ;i(1/S.,) и j(1/Sj) - величины, характеризующие изменения S и S в интервале (интервалах) времени измерения. d(1/J,) и /)(1/J,) - величины, характериз5пощие изменения J, и J, в интервале (интервалах) времени измерения. Таким образом, способ применим для диагностики как стационарной, так и 10 0 импульсной плазмы. Поскольку измеряемые параметры не связаны с температурой плазмы, возможности использования способа не ограничиваются температурой- плазмы. Явление реабсорбции сказывается на точности измерения только абсолютных значений J и J, и прак-, тически не влияет на точность определения величины Jiif)on (ЛМшт определяется по отношению величин J, и Jj), т.е. точность измерения практически не зависит от плотности плазмы. К достоинству способа следует отнести простоту его реализации.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИГГАРКОВСКОЙ ШИРИНЫ ЛИНИИ В ПЛАЗМЕ, включающий облучение плазмы двумя потоками лазерного излучения, первый из которых монохроматический с частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, отличающийся тем, что, с целью обеспечения исследования плазмы в широком диапазоне изменения ее па-, раметров: плотности, времени существования и температуры, в качестве второго потока лазерного излучения используют широкополосное излучение с центральной частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, при этом в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности первого потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, возникающую при облучении ее первым потоком, и в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности второго потока излучения и интенсивность флюоресценции Кл плазмы, возникающей при облучении ее вторым потоком, а затем по измеренным изменениям плотностей интенсивностей потоков излучения и интенсивностей флюоресценции определяют щтарковскую ширину линии.