Способ измерения коэффициента диффузии заряженных частиц в плазме Советский патент 1988 года по МПК H05H1/00 G01N21/00 

Изобретение относится к способам диагностики и может быть использовано для изучения механизмов переноса заряженных частиц в широком . диапазоне параметров плазмы (как низкотемпературной, так и высокотемпературной) .

Настоящее изобретение направлено на решение задачи измерения коэффи- fo циента диффузии заряженных частиц в высокотемпературной плазме. Актуальность: указанной задачи определяется тем, что создание термоядерных реакторов опре- / деляется решением проблемы удержания 15 плазмы. В свою очередь, время существования плазмы зависит прежде всего от скорости диффузии заряженных час-тиц на стенки реактора. Несмотря на то, ,что подавляющее число эксперимен-20 тов по исследованию диффузии в последние три десятилетия ставилось в связи с решением задачи удержания вы-, сокотемпературной плазмы, до настоящего времени о диффузии судят, .как 25 правило, только по времени удержания miasje и пользуются грубыми оценками баланса частиц.

Так, извес.тен способ измерения коэффициента диффузии по скорости рас-30 пада плазмы, в которой отсутствует ионизация, основанный на том, что плотность плазмы после выключения ис точника ионизации в любой точке эк(цоненциально уменьшается во времени, jj при зтом постоянная времени распада определяется только геометриейэкспериментальной установки и коэффициентом диффузии. В соответствии с этим способом тем или иным известным мето- О дом измеряют скорость уменьшения концентрации заряженных, частиц в распа-. дающейся плазме и по измеренной величине рассчитывают коэффициент диффузии.д5

Недостатком зтого способа является неадекватность измеренных, величин измеряемым: полученные результаты не могут характеризовать реальную плазму и те диффузионные процессы, которые -д в ней происходят, поскольку измерения проводят на поздних стадиях распада плазмы, когда плаэма становится изотермичной и температура заряженных частиц (электронов и ионов) совпадаетс температурой остаточного газа.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ измерения коэффициента диффузии, основанный на создании в плазме кратковременных локализованных возмущений концентрации заряженных частиц и регистрации изменения во времени концентрации заряженных частиц. В соответствии с этим способом, с помощью внешнего источника плазмы, располо- женного на границе области исследуемой плазмы, создают последовательность сгустков дополнительной плазмы, распространяющихся в исследуемой области. С помощью зонда, расположенного на большом по сравнению с характерным линейным масштабом изменения концентрации плазмы расстоянии от источника дополнительной плазмы, регистрируют изменение концентрации заряженных частиц в какой-либо определенной точке ,в зависимости от времени. Затем решают уравнение диффузии заряженных частиц для определенных параметров плазмы и конкретных геометрических условий эксперимента. По рассчитанным теоретическим зависимостям концентрации зарядов от коэффициента диффузии, координаты и времени и по экспериментальнр измеренной величине концентрации в определенной точке в определенный момент времени определяют коэффициент D диффузии.

Недостатком этого способа является искажение первоначальных условий в плазме при введении в исследуемую область источника дополнительной mia3Na i, что снижает точность измерений. К другим существенным недостаткам этого способа относится его использование для определения коэффициента диффузии лишь в низкотемпературной плазме. Он неприменим для исследования процессов диффузии в высокотемпературной плазме, поскольку введение в область разряда источника дополнительной плазмы приводит к охлаждению плазмы и изменению ее химического состава.

Целью изобретения является обеспечение измерения коэффициента диффузии в высокотемпературной плазме.

Поставленная цель достигается тем, что при измерении коэффициента диффузии в плазме способом, основанным на создании вплазме кратковременного локализованного возмущения концентрации заряженных частиц и регистрации изменения во времени концентрации заряженных частиц, указанное возмущение создают путем воздействия на плазму импульсным монохроматическим лазерны излучением, частота которого совпада ет с частотой спектрального перехода одного из атомов в плазме, Сущность предлагаемого способа за ключается в следующем. При воздействии на плазму импульс ным монохроматическим лазерным излучением, частота которого совпадает с частотой спектрального перехода атомов, в области взаимодействия плазмы с излучением увеличивается концентрация атомов в верхнем возбужденном состоянии. В результате газокинетических столкновений возбужденных атомов с атомами в основном состоянии происходит процесс ассоциативной ионизации с образованием молекулярного иона по схеме А - А 1+ е, (1) следствием чего является образование возмущения концентрации заряженных частиц, состоящего из электронов и молекулярных ионов, в небольшой области плазмы, определяемой поперечным сечением лазерного луча. Используя фокусировку лазерного луча, эту область можно сделать сколь угодно малой. Это локализованное возмущение формируется за время 4 д определяе мое длительностью импульса лазерного излучения, а затем начинает расплываться вследствие диффузионных процессов . Измеряя с помощью любого известно го способа изменение концентрации за ряженных частиц в какой-либо определенной точке исследуемой плазмы в зависимости от времени и решая затем уравнение диффузии для определенных параметров плазмы и конкретных геометрических условий эксперимента, можно определить коэффициент D диффу зии заряженных частиц. На чертеже представлена схема од-, ного из устройств, с помощьюкоторого можно реализоватьпредлагаемый способ измерения коэффициента диффузии заряженных частиц в высокотемпературной плазме, Дпя создания возмущения концентра ции в плазме устройство содержит рас положенные на одной оптической оси импульсньй перестраиваемый лазер 1, настроенный на частоту спектрального перехода атомов в исследуемой плазме установленную с возможностью перемещения длиннофокусную линзу 2 и по- воротное зеркало 3. Зеркало 3 и линза 2 обеспечивают фокусировку излучения лазера 1 в любой точке плазменного объема 4. Для регистрацией изменения концентрации заряженных частиц в плазме устройство содержит расположенные на: одной оптической оси импульсный перестраиваемый лазер 5, настроенный на частоту, совпадающую с частотой спектрального перехода молекулярных ионов, образующихся в области возмущения концентрации заряженных частиц в исследуемой плазме в результате реакций (I), длиннофокусную линзу 6, установленную с возможностью перемещения, и поворотное зеркало 7, Линза 6 и зеркало 7 обеспечивают фокусировку ,излучения лазера 5 в любой точке плазменного объема 4. Устройство содержит также расположенное на одной оптической оси линзу 8, спектральный фильтр 9 и фотоэлектронный умножитель 1О, подключенный к регистратору, в качестве которого может быть использован осциллограф, ЭВМ и т.п. Пример. Импульсный лазер 1 представляет собой перестраиваемый лазер на спиртовом растворе родамина 6G с накачкой от второй гармоники серийно вьтускаемого лазера ЛТИПЧ 8. Сначала, путем перемещения линзы 2 и поворота зеркала 3, обеспечивают фокусировку излучения лазера 1 в точке Р плазменного объема 4 и воздействуют на плазму импульсным монохроматическим лазерным излучением. Длительность Л д, импульса составляет 15 не, мощность генерации 10 кВт, ширина полосы генерации 0,2 А. Как показали результаты экспериментов, указанная мощность вполне достаточна для насыщения спектральных переходов в гелиевой, неоновой и водородной газоразрядной плазме при плотностях тока до Авторы экспериментально определили, что,насыщение перехода, на пример - 3d3D в гелии и;2р 382р53р в неоне приводит к появлению возмущения п go концентрации зарядов , в разряде, которое составляет 1-2% от начальной концентрации п заряг женных частиц. Указанное локальное возмущение практически не приводит к из 1енению физических свойств плаз-. мы, поскольку изменение концентрации электронов и их- нагрев за счет пробоя плазмы происходят при мощностях, на 4-5 порядков превышающих использованную. Указанное возмущение концентрации плазмы измеряют наиболее чувствительным в настоящее время способом, основанньсм на использовании явления резонансной лазерной флюоресценции плазмы. Указанный способ позволяет измерять концентра1щи частиц вплоть до малых (/ 10 ) значений, В установках же с высокотемпературной плазмой изменение концентрации на 1% приводит к увеличению концентрации пр на величину т.е. на 3-4 порядка больше минималь-г но измеряемой. Для измерения 4др(, в точке Р перемещением линзы 6 и поворотом зеркала 7 обеспечивают фокусировку излучения лазера 5 и сразу же после воздействия на плазму импульсным излучением лазера 1 осуществляют импульсное воздействие на плазму монохроматическим излучением лазера 5 (длительность /J С д -импульса 10 не). Так как частота излучения лазера 5 совпадает с частотой спект рального перехода молекулярных ионов, возникающих в области возмущения , плазмы под воздействием лазера 1, в указанной области возникает 4 люоресценция плазмы, интенсивность которой пропорциональна величине возмущения концентрации. Сигнал флюоресценции с помощью линзы 8 и спектрального шьтра 9 подают на фотоумножитель 10 и далее на регистратор. Измеряя величину сигнала флюоресценции, определя,ют увеличение лпр концентрации в Точке Р. Затем, через время ЛС .,, , которое выбирают не превышающим времени изменения параметров исследуемой плазмы, измеряют изменение 25П{ концентрации в точке S плазменного объема 4, являющееся результатом процесса диффузии заряженных частиц в плазме. Расстояние d т между точками Р и S выбирают из условия, чтобы Jr бьто меньше характерного линейного масштаба изменения параметров плазмы. Поскольку процесс (расплываяия) начального возмущения описывается уравнением диффузии, решение которого для однородной стационарной .1 хорошо известно: Г- (2) 404- пе expj I 4D42 измеряя jnp и4Прр, определяют коэффициент D диффузии из соотношения (2). Авторами бьт экспериментально измерен коэффициент D диффузии заряженных частиц в низкотемпературной плазме. Измеренные значения коэффициента D совпадают с их значениями, известными для данных условий эксперимента, что подтверждает работоспособность способа. Таким образом, предлагаемьй способ не накладывает принципиальных ограничений на диапазон параметров исследуемой плазмы. Как и известный способ, являющийся одновременно и прототипом и базовым объектом по отношению к предлагаемому способу, предлагаемый способ позволяет осуществлять измерения в низкотемпературной плазме, и, кроме того, в отличие от известных способов, предлагаемый способ позволяет осуществлять измерения в высокотемпературной плазме. Следует отметить, что реализации способа не вызовет больших затруднений, поскольку в настоящее время практически на всех крзтных термоядерных установках имеется аппаратура Для измерения концентрации электронов ПО-рассеянию лазерного излучения (способу менее чувствительному, чем способ, основанньй на лазерной флюоресценции плазмы, но наиболее распространенному).

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ, основанньй на создании в плазме локализованного возмущения ко.нцентрации заряженных частиц и регистрации изменения во времени концентрации заряженных частиц, отличающийся тем, что, с целью обеспечения измерений в высокотемпературной плазме, возмущение создают путем воздействия на плазму импульсным монохроматическим лазерным излучением, частота которого совпадает с .частотой спектрального перехода одного из атомов в плазме.

J