Способ диагностики плазмы Советский патент 1990 года по МПК G01N21/45 

112

Изобретение относится к обласлти оптической измерительной техники и может быть использовано в интерферометрии, спектроскопии и голографии.

Целью изобретения является увеличение избирательности определения отдельиьк компонентов и расширение динамического диапазона измеряемых концентраций компонентов при диаг- Ностике многокомпонентной нестационарной плазмы.

На фиг,1 показаны положения линий поглощения в спектре, зависимость показателя преломления многокомпонентной плазмы от длины волны и спектр зондируемого лазерного излучения; на фиг,2 представлена схема устройства, реализующего способ,

Устройство содержит лазер с зеркалом 1, кювету 2 с красителем, ин- тероферометр Фабри-Перо (ИФП) 3 и второе зеркало 4, Лазер является источником линейчатого спектра генерации. Расстояние в спектре между линиями генерации л А определяют выбором базы интероферометра t, которые связаны между собой соотношением

лД , , (1)

где А - длина волны генерации.

Источник линейчатого спектра освещает интерферометр, включащий полупрозрачное зеркало 5, оптический 6, линзу 7, зеркало 8 в опорном 35 линии поглощения ЛДля определения вк ловленных отдельными зондируют плазму спек стоящих линий. С цель отдельных компонентов нентной нестационарно сокой избирательность этот спектр так, чтоб каждой линик поглощен зательно попадала по одна из линий генерац какой-либо предварите ки, то есть спектр ге произвольно располага относительно заданног лощения. Это достигае линии генерации лазер со спектральным интер ними, составляющим 1канале и зеркало 9, линзу 10, зеркало 1 1 и диафрагму 12 в измерительном канале, 13 исследуемый объект. Пучки всех длин волн сводятся на щироко открытой входной цели 14 спектрографа 15, который пространственно разделяет пучки различных длин волн. Интерференционная картина регистрируется в выходной полости спектрографа на фотопластинке 16,

Показатель преломления определяется суммой вкладов всех компонентов плазмы, и для плазмы выского давления, когда контуры линий имеют ло- ренцевский вид, рефракция определяет ся следующей ФОРМУЛОЙ:

liN iA (ЛгАл)

п(А)-1 с;

(2)

bJ

(A-Aij/-KbAu)

где

f. SA,

1 i

2 24x10- CM} сила осциллятора уровня; ширина линии перехода на юловине высоты;

линии поглощения - длина волны перехода; N - концентрация атомов или ионов,

В соответствии с формулой (1) показатель преломления быстро растет вбгизи каждого компонента плазмы, обеспечивая высокую чувствительность измерений по отношению именно к этому компоненту, В то же время по отношению к другим компонентам чувствительность измерений меньше во столько раз, во сколько раз линий поглощения этих компонентов дальше от зондирующей линии, что и обеспечивает избирательность измерений,

Для определения вкладов, обусловленных отдельными компонентами, зондируют плазму спектром-равноотстоящих линий. С целью диагностики отдельных компонентов многокомпонентной нестационарной плазмы с высокой избирательностью формируют этот спектр так, чтобы в окрестности каждой линик поглощения плазмь обязательно попадала по крайней мере одна из линий генерации, причем без какой-либо предварительной настройки, то есть спектр генерации может произвольно располагаться по оси А относительно заданного спектра поглощения. Это достигается тем , что линии генерации лазера создаются со спектральным интервалом &А между ними, составляющим 110 полуширин

Последнее

позволяет проводить диагностику компонентов плазмы избирательно в условиях, когда чувствительность измерений велика и меняется в пределах от максимально достижимой (соответствующей д/ 0,5&A-,j ) до примерно

в 5 раз меньшей (соответствующей

45

&fl

106Д;

).

50

55

Зондирование таким спектром значительно расширяет диапазон измеряемых концентраций, поскольку в этом случае вблизи линии поглощения.одного компонента плазмы расположены . сразу несколько линий спектра генерации, генерируемых одновременно и расположенных в разных расстояниях от линии поглощения. Это обеспечивает и выс чсую увствительность, а следовательно, возможность измерения ма- льк концентраций на более близких к линии поглощения; линиях геиерации, так и возможность измерения болывизс

20

25

концентраций на более далеких от линии поглощения линиях генерации с меньшей чувствительностью. Перечисленные достоинства являются принципиальными при диагностике простран- 5 ственно-неоднородной многокомпонентной плазмы, у которой концентрации могут сильно различаться как между разными компонентами, так и в пространстве, а априорная информация 0 о величине концентрации отсутствует,

Одновременность зонидирования позволяет получить полную кадтину проходящих в плазме процессов н изучить влияние каждого из компонентов 5 на всю плазму в целом несмотря на то, что параметры последней быстро меняются во времени.

Для определения пространственного распределения концентрации кгшдого из компонентов производится расгаиф- ровка N интерферограмм, соответствующих N разным длинам волн. На основании соотношения (2) записывается система из N уравнений, что дает возможность определять концентрации N различных компонентов. В случае, если число компонентов плазьпл меньше числа генерируемых линий, можно увеличить точность определения отдельных компонентов за .счет испо/гьзова- ния для определения одного компс1 1ея- та нескольких линий генерации.

Положительный зффект может быть достигнут в случае выполне}1ия уело- 35 ВИЙ, определяющих ширину лянии генерации.

Ширина линии генерации ограничивается.сверху шириной линии поглощения. 4G Это условие обеспечивает высокую чувст- , витальность, избирательность, точность измерений, высокое качество интерферо- граммы и простоту обработки послед- ней. Высокая видность картины (а 45 следовательно, и ее качество в этом случае обеспечивается тем, что рефракция исследуемой плазмы мало меняется для разных монохроматических соста вляющих контура каждой линии 50 генерации. Высокая избирательность обеспечивается в этом случае возможностью при необходимости приближаться зондирующей линией к линии поглощения вплоть до точки спектра, обес- 55 печивакидей максимальную чувствительность, то есть вплоть до полуширины линии поглощения. Бьтолнение этого ограничения необходимо еще по сле30

0

5

5 0

5

5

G , 5 0 5

0

луюпим причинам. С ростом ширины эон- диругогдей линии сужается диапазон из- меря,емы.ч концентраций и ухудшается чувствительность измерений. Если потребовать, чтобв-i ухудшение чувствительности и сужение диапазона из- измеримьп концентраций при уширении зондирующей линии происходило не более чем в 2 раза по сравнению с монохроматическим зондирующим излучением, те необходимо, чтобы зондируюп(зя линия бы.ча уже, чем линия поглощения.

Для создания требуемой П1ириг1ы линии генерации п устройстве исполь- зук Т свя-эь 11ГирИ Го линии генерации ВЛ с коэффициентом отражения R зеркал интерферометра;

с-, /1 2 , I 1-R / . in 2 . ,-, 5.)

(3)

где Т - пЛфективное время импульj fp

са генерации лазера. Согласно формуле (3) необходимой ширины липни генерации можно добиться выборо -1 базы интерферометра с, коэс Лициаята отражения зеркал R или длительности лазерного импульса 1, . Поскольку t определяет расстояние между линиями гет срат1ии, то для задания ширины линии предлаглатся варь- нропать послелние дна параметра.

111ириил линиг reiio.panvH-t ограничена снизу рели И-.;-оГ1 носколькюс расстояний eж,дy продолъ}п,гми модами резонатора лазера, (еобх.одимпсть пыполнения этого услолия для получения положи- тельпого пффекта при диагностю е .мно1 окомг10.те(гтиой пллзмы обусловлена слоду1оп;нми причинами. При создании генерации рлпноотстояших линий интенсивности этих линий не должны сил)11о отличаться по . Только в этом случае удается получить информацию на всех длинах волн одновременно. Однако согласно квантовой статистшсе лазерного излучения между . И {тенси1зностями лазериьк мод, гене- рируем1.гх независимо, вероятны флуктуации, достигающие 100%, то есть воз:-южко, некоторые модм вообще не будут тенериройать или будут гораздо слабее соседних, что не даст возможности для их одновременной регистрации. Поэтому создают линии генерации, содержащие внутри себя несколько мод резонатора, уменьшая таким образом флуктуации интенсивности мещ1У линиями до величины.

. . , 5 . 1 позволяющей их одновременную регист- рацда. Необходимое число мод в линии определяется согласно модовой статистике, связьтакицей флуктуации относительной интенсивности Ф между линиями генерации с числом мод в линии генерации N, по формуле

Ф.-, Ш

Тогда при большом N флуктуации интенсивности между линиями стремятся к нулю. Расстояние между продоль- ными модами резонатора лазера6И опре,деляется по формуле

8Л - 22

(5)

где t - длина резонатора лазера.

Таким образом, полуширина линии генерации бД величиной

геиограничена снизу

.ен - NS

(6)

где величина - допустимые в эксперименте флуктуации интенсивности между линиями генерации. Пример конкретной реализации способа - исследование плазмы дугового ризРида при атмосферном давлении. Характерная шир.ина линий поглощения такой плазмы составляет 0,1-0,2 нм. Расстояние между линиями спектра генерации составляет 1-2 полугаирины линии поглощения для обеспечения максимальной избирательности, т.е. дЛ ЬА 0,2 нм. В соответствии с формулой (1) база интерферометраt равна 1 мм (для видимой области спектра 500 нм). При этом задают условие, 1тобы относительные флуктуации интенсивности линий не превьш1а- ли 30%, т.е. Ф- 0,3, тогда из формулы (6)

6-10 нм.

891556

Для получения величины ширины линиии генерации 8Л,„ 10 нм выбирают в соответствий с формулой (3) величину коэффициента отражения зеркал 5 интерферометра R 0,04 И 100 НС, При этом лазером на красителе генерировалось более 50 линий одновременно. Были определены пространственные распределения в разряде .материала электродов (вольфрам,-натрий) и температуры дуги (по плотности воздуха в дуге), Чувствительность измерений концентрации атомов металла составляла Ю -Ю атом/см .

15

. избирательность по отношению к ДРУ, гим компонентам была не хуже, чем 10 . Динамический диапазон измеряемых концентраций составлял. 10 -10.

20

Формула изобретения

Способ диагностики плазмы, заключающийся в зондировании ее лазерным

излучением со Спектром нескольких частот генерации, проходящих через плазму по одной и той же оптической оси, и измерение показателя преломления исследуемой среды интерферо- метрическим методом, отличающийся тем, что, с целью увеличения избирательности определения отдельных компонентов плазмы и расширения динамического диапазона измеряемых концентраций компонентов при

диагностике многокомпонентной нестационарной плазмы, зондирование производят излучением со спектром равноотстоящих линий генерации, причем расстояние между линиям спектра генерации равно 1-10 полуширинам линий поглощения исследумой плазмы, а ширина линий спектра генерации йень- ше ширины линии поглощения и больше расстояния между продольными модают

резонатора лазера.

I

iiiiii

I

.eJ.

iii

I

.eJ.

Изобретение может быть использовано при диагностике плазмы, используемой в сварочном оборудовании, термоядерном реакторостроении, маг- нитогидродинамических генераторах газоразрядных источниках света, спектральном анализе и др. С цепью увеличения избирательности определения отдельных компонент и расширения динамического диапазона измеряемых концентраций диагностика производится путем зондирования плаамы спект- ром равноотстоящих мний renepaipm широкополосного лазера. 2 ия. to 00

J

nir ll

4t

II ;

11

M

;

«

(Ptff.f

Ck cTaBHTenb C. Голубев Редактор-Т.Юрчикова Техред A. КравчукКорректор В. Бутяга

4361

Тираж 512Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

но делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4