Способ бесконтактного измерения магнитного поля в плазме Советский патент 1990 года по МПК G01R33/02 

/7-Д блок

Фиг.1

Изобретение относится к технике физического эксперимента и может найти применение в лабораторных плазменных экспериментах по управляемому термоядерному сиi-тззу и в астрофизических наблюдениях.

Цель изобретения - повышение точности измерений и временной разрешающей способности, а также расширение функциональных возможностей путем одновременного измерения продольной компоненты скорости у поступательного движения излучающих атомов или ионов.

На фиг, 1 представлена схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 и 3 - графики, иллюстрирующие результаты расчетов, подтверждающих эффективность работы.

Способ измерения магнитного поля в плазме реализуется в устройстве, включающем оптическую систему 1 для формирования излучаемого плазмой светового потока; короткофокусный, светосильный монохро- матор 2 для выделения используемой спек- тральчрй линии, в качестве которого можно использовать призменный или дифракционный монохроматор,.либо .полосовой светофильтр с фокусирующим объективом и .круглей диафрагмой вместо входной щели; установленный на фокусном расстоянии от выходной щели монохром атора объектив 3 для преобразования выходящего из моно- хроматора светового потока в параллельный световой пучок; установленный в параллельном световом, пучке электрооптический (ЭО) кристаллический элемент 4, ЭО модулятора светового потока для периодического {с частотой v) преобразования круговых поляризаций (TL и OR зеемановских компонент линии в линейные взаимно перпендикулярные поляризации; зеркала 5 и 6 для разделения параллельного светового потока на два равных параллельных пучка, на основе которых формируются два регистрационных канала рк-1 и рк-2; в каждом регистрационном канале поляризатор 7, являющийся одновременно выходным элементом ЭО модулятора и, входным элементом поляризационно-дисперсионного (П-Д) блока и служащий для поочередного выделения в каждом канале то OL , то OR зеемановских компонентов спектральной линии в соответствии с полупериодами напряжения Умод; входящий также в состав П-Д блока диспергирующий элемент 8 для преобразования в каждом регистрационном канале линейной поляризации светового пучка в эллиптическую поляризацию на основе эффекта дисперсии разности фаз колебаний о- и е-лучей в кристалле таким образом, чтобы для одного из компонентов линии в одном из регистрационных каналов большая полуось эллипса поляризации была бы параллельна, а в другом канале - перпендикулярно оси поляризатора 7, тогда как ля другого компонента линии, наоборот, - ) в первом указанном канале большая полуось эллипса поляризации была бы перпен- - икулярна, а во втором канале параллельна оси поляризатора 7, причем Э выполнен в виде кристаллической (например кварцевой) плоскопараллёльной пластины с плоскостями среза, параллельными оси Z кристалла, (которая, в свою очередь, ориентирована в П-Д блоке под углом П/4 по отношению к оси поляризатора) и имеет в одном регистрационном канале толщину di d -Л)/4(пе-По), а в другом d2 d+ + До/4(пе-по) при (ne-no), где N - целоёчисло, а По и пё показатели преломления о- и е-лучей в кристалле; входящий также в , состав П-Д блока анализатор 9, скрещенный с поляризатором 7, для выделения в каждом регистрационном канале светового потока,

обусловленного суммарным действием зее- мановского расщепления, допплеровского смещения и допплеровского уширения спектральной линии; регулируемый свето- ослабитель 10, используемый (при необходимосуи) для балансировки регистрационных каналов; фотоэлектронный умножитель 11 для регистрации прошедшего через П-Д блок светового пото)са; схему 12 дифференциального усиления (со вставленным блокомсуммирования) для выделения основного сигнала, обусловленного суммарным действием зеемановского расщепления и допплеровского смещения спектральной линии, путем формирования

разностного сигнала от двух регистрационных каналов и для выделения опорного сигнала путем формирования суммарного фотоэлектрического сигнала от тех же двух регистрационных каналов; промежуточный

узкополосный (из частоте ЭО модулятора) усилитель 13 для усиления выделенных фотоэлектрических сигналов до уровня, необходимого для ввода в электронно- вычислительную машину. 14. Последняя

используется для автоматической обработ- .и зарегистрированных фотоэлектрических (основного и опорного) сигналов, в том числе для выделения из основного сигнала той части, которая обусловлена действием зеемановского расщепления линии с поправочным множителем на /;опплеровское смещение, и той части, которая обусловлена допплеровским смещением линии с поправочным множителем на зеемановское расщепление, путем формирования соответственно полусуммы и полуразности амплитуд импульсов основного сигнала в первом и во втором полупериодах напряжения Умод (при условии, что зеемановское смещение OL и Ot компонент линии больше допплеров- ского) и, наоборот, - путем формирования полуразности и полусуммы амплитуд тех же импульсов при условии, что допплеровское смещение о. и CJR компонент линии больше ;зеемановского; определения точных значений аргументов тригонометрических функ- .ций, описывающих отношение амплитуды каждой выделенной части основного сигнала-х амплитуде опорного сигнала, методом последовательных итерационных приближений, что равнозначно одновременному измерению (определению) напряженности магнитного поля и скорости поступательного, движения излучателей в плазме.

Для количественного описания функциональной зависимости измеряемых сигналов от напряженности магнитного поля воспользуемся простым зееман-эффектом, т.е. синглетной. спектральной линией, причем сначала представим ее в приближении монохроматической световой волны с длиной Ло амплитудой Е и полушириной линии ЛДо. При наблюдении вдоль магнитного поля синглет расщепляется на две компоненты OL и о} с равными амплитудами Е /2 и противоположными круговыми поляризациями. Величина спектрального смещения каждой компоненты

(1)

4лс шо

В абсолютной системе Г скорость света в вакууме см/с , заряд электрона ,8 10 ед. заряда, масса покоя электрона то 9,1 ,ДАз 4,67-10 -До -н, АГ в см, Н - в Э.

В каждом регистрационном канале поворотом. П-.Д блока в целом вокруг собственной оси симметрии ориентируют ось поляризатора параллельно входной щели монохроматора. Тогда в соответствии с напряжением питания VMOA одновременно в обоих регистрационных каналах на вход диспергирующего элемента будут проходить световые потоки UL и CTR компонентов линии, промодулированные функциями модулятора fL(v) и fR{v) и сдвинутые по фазе на я/2. В рассматриваемых условиях поляризация выходящего из диспергирующих элементов излучения в отсутствие магнитного поля была бы циркулярной. При наличии же магнитного поля в плазме в световых пучках оииок компонент линии с длинами волн А АО - ААз и AR До+ ААз образуются дисПерсии разностей фаз колебаний о- и е- лучей соответственно

2л(пв1 - ПОР) . 2л(пв - По)

5

0

и

/Г

А

,/to - - По) 2л(ПеР - Пок) п) J AR

Здесь По, Пе, По1, Пеь ПоЯ, ПеЯ - показате- ли преломления ДЭ для о- и е-лучей на дли- 0 нах волн До. AL,AR . Поскольку А АЗ« АО, то можно считать Пе-По Пеи-По1 ПеК-ПоК и соответственно

- 2л(пв - no)d ААз/Ао. (3) Поляризация излучения в зтом случае становится эллиптической, причем степень эллиптичности зависит от напряженности Н магнитного поля, а интенсивность света в каждом канале в каждом полупериоде Умрд определяется величиной и знаком ААз. Фотоэлектрические сигналы на выходе рк-1 и рк-2 каналов в этом случае можно представить в виде

FI F OLlfL(v) + FORl fR(v) и .Р2 Fcn-2fL(v) + Fcmi fR(v),B котором множите- ли fL(v) sin Vt/2-7r/4) и fR (v) (Ol/2-Jl/A} представляют собой функции электрропти- ческого фазового модулятора светового - потока.

В рассматриваемых условиях для измерения магнитного поля в плазме необходимо сформировать разностный между рк-1 и рк-2 каналами сигнал

-F2 Foi.i fL(v) + -fRCv)- 5 fL() + FaR2 fR(в(FoL1- - F f;L2) fL( V ) + (Ff/R 1 - F Ш2) K(V )

(4)

в котором I F OL1| IFoul и |FaRi| |FOR2|. в принятом приближении монохрома- 0 тической (ААо 0) световой волны и в отсутствие допплеровских смещений () спектральной линии выражение (4) легко преобразуется в формулу

5 Fll F l-sirR/b-fL(v)- F| -sinV -fR(v).(5)

Таким образом, в рассматриваемых условиях основной измеряемый сигнал.(5) содержит два (за один период Умод) равных по амплитуде, но разных по знаку импульса: .

0 положительный в первом и отрицательный во втором полупериоде.

В формуле (5) величина VMOA представляет собой опорный сигнал, строго следующий за изменениями интенсивности

5 излучения в источнике. По величине он соответствует интенсивности излучения на входе отдельного регистрационного канала. В лабораторных плазменных экспериментах интенсивность излучения в источнике

может быстро неконтролируемым образом изменяться в ходе эксперимента. Следовательно, необходимо обеспечить одновре- 1И8иное с РЗ и столь же точное, как для р измерение опорного сигнала Fo. В пред- ставленной на фиг. 2 схеме для этого достаточно сформировать суммарный от тех же рк-1 и рк-2 каналов сигнал , РУ FI + F2 FaLrfL(v) + FaR 1 -ffiCv) + + FaL2VfL(v) + F(;R2-fR(v) (FaLi +

+ FcrL2) fL(v)4-(FCTRi-fFaR2)-fR(v)

(6)

содержащий два за один период Умод положительных импульса с равными амплиту- 15 дами

(Fan +FcrL2)-fL(v)(FCTR +

+ FaR2)-fR(v)«r-E2

где к- квантовый выход фотоприемника.

Сформированный таким образом опор- 20 ный сигнал является по существу постоянно действующим, жестко синхронизованным калибровочным сигналом. Он совершенно не зависит от зеемановских, доппле- ровских И других подо.бного рода возму- 25 щений спектральной линии. В то же время он полностью освобождает экспериментатора от необходимости применения-традиционной, но не всегда достаточно точной процедуры калибровки амплитуды измеряе- 30 мых сигналов от внешнего источника стандартного сигнала.

Учет конечной полуширины АЛо спектральной линии с модельным треугольным контуром и выражений (1) и (3) приводит к 35 следующему выражению для амплитуды основного измеряемого сигнала

1РУ I lFCTLi-FaL2i lFaRi- t- I .- sin(tit)/2) . ..лп

.- sin(VV2) , ro ,

-no)d-4,67- 10 -H ..45

где

Fo (FaLr + FaL2) (F(7R i +FaR2)

амплитуда опорного сигнала;

ID - полная интенсивность спектраль- 50 ной линии на входе отдельного регистрационного канала;

7/ti 27г(пе - no)d A/o/ B - дисперсия разности фаз колебаний о- и е- лучей в ДЭ на полуширине линии АЛо ..

Таким образом, в отсутствие доппле- ровских смещений спектральной линии для измерения напряженности магнитного поля в плазме достаточно измерить амплитуду

(8)

Fa основного и амплитуду F опорного сигналов и взять их отношение F /Ро. При этом согласно (8) получается линейная зависимость РЗ / FO от напряженности поля Н,

В формуле(8) при учете конечной полуширины АДо спектральной линии появился

множитель а I )/(/2) . В области гро«71/2 он близок к единице, при л:/2 он равен 0,81, а в области л/2 его величина постепенно спадает до нуля. Свободным параметром в гро является толщина d диспергирующего элемен- та, непосредственно влияющая на чувствительность способа измерения магнитного поля. Для обеспечения максимальной чувствительности к магнитному по{1Ю рекомендуется выбирать оптимальную толщину d диспергирующего элемента, определяемую из условия л/2.

Рассмотрим случай, когда в плазме одновременно происходят зеемановское расщепление и допплеровское смещение спектральной линии, т.е. наряду со смещением -АЯз и+ АЛз имеется также доппле- рОЕский сдвиг, например - А Аде, как следствие компонента скорости поступательного движения излучателей, направленного в сторону наблюдателя. Разностный между двумя регистрационными каналами сигнал в.этом случае можно представить в виде

FL -t-A Fi-F2(FaLr-FaL2)-fL(v) + + (F(7Ri-FaR2)-fR( v)

(v)-sin(v.34t/ «c)-

(9)

Тогда после процессов формирования основного и опорного сигналов необходимо выполнить следующие операции. Выделение из основного сигнала, обусловленного суммарным действием зееман-эффекта и допплеровского сдвига спектральной линии, фракции, обусловленной зееман-эф- фектом с поправочным множителем на допплеровский сдвиг и фракции, обусловленной допплеровским сдвигом с поправочным множителем на зееман-эффект путем формирования соответственно полусумма и полуразности от амплитуд импульсов (относительно оси абсцисс) левого FcrLИ правого FQ-R зеемановских компонентов спектральной линии, если ААз АЯдс , и наоборот, - полуразности и полусуммы от амплитуд тех же импульсов, еслиААз АЯдс.

ют

В случав АДз ДАдс (или дс име2-{lFaLi -FaL2l + IFasi -FfjRalj

- Ч с llnLCVto/S) . ,5

2° .Г7Д)/2)2 РЗ-СОЗ ДС t

(10)

1

jj FaLI -F(7L2t - iFcTRI -FCTR2ll

1,- sln2rtA)/2) (%-)2 -COS t/b Fдc -COS V4

ем

(11) В случае ДАз АЯдс( дс)имеg-jIFffLi -F(7L2l - iFoTRi -Fo-p2l| 20

- c sln (Vti/2.) , ,

2 ° /./2f FзcosV дc,

1

2 |lFcrLi -FOTUZ + iFo-Ri Fo-R2 |

(Joff Sint/ nc -COS Рдс -COS ,

25

Понятно, что при дс

glFfTLI - F0L2I

РЗ -COS Vkc Fflc

2 FaR1 -FaR2l 0.

(13)

(14)

(15)

35

Аналогичные результаты получаются в предположении, что одновременно с зеема- новскими смещениями -ААа и + ЛАдс имеет место допплеровский сдвиг + ААдс(а не - АЯдс как это было в предыдущем случае). Формулы (10) - (15) остаются без изме- 45 нений. Несколько изменяются лишь эпюры сигналов. Они будут как бы антисимметрич- ны.ми относительно оси времени по сравнению с предыдущим случаем. .

Затем необходимо произвести послед- CQ нюю по порядку операцию - определение точных значений аргументов тригонометрических функций, описывающих отношение амплитуды каждой выделенной части основного сигнала к амплитуде опорного сигнала 55 методом последовательных итерационных приближений, что равнозначно одновременному измерению (определению) продольной компоненты напряженности магнитного поля и продольной компоненты

5

t

10

15

20

,

25

Ю

5

5

скорости поступательного движения излучателей а плазме.

Таким образом, пре,длагаемый способ измерения напряженности магнитного поля в плазме позволяет сначала просто по кон- фигурациям импульсов FgRi FcrR2 в зарегистрированном сигнале приближенно определить соотношение между величинами и t/ дс точно установить знак допплеровского смещения спект- ральной линии, а затем методом итерационных приближений по формулам (10) - (15) определить точное значение продольного компонента напряженности магнитного поля в плазме. При этом одновременно (автоматически) определяется другой важный параметр плазмы - продольный компонент скорости поступательного движения атомных (ионных) излучателей.

На фиг. 2 предста-злена зависимость отношения измеряемых сигналов от напряженности магнитного поля в плазме Н, вычисленная по формуле (8). График 1 вычислен при использовании- синглетной

спектральной линии Не I 6678,15 А (V ) в предположении модельного треугольного контура. Толщина диспергирующего элемента d 10 см выбирается исходя из условия ф 7г/2 При температуре атомов излучателей Та «2зВ, которая может быть реализована в инжектируемом в плазму ди- агностйчес ком .пучке типа ДИНА. Графиком 2 представлены результаты аналогичных расчетов при использовании спект- ,

ральной линии С V 2277,25 А (), излучаемой непосредственно ионами вы- сокотемпера.турной плазмы ( кзВ Л d 0,6 см),

В пределе малый уровень нескомпен-. сированного фона, обеспечиваемый схемой дифференциального усилейия,составляет 10 FO, Следовательно, пороговая чувствительность по графику 1 (фиг. 2) составляет единицы Э,- а диапазон измеряемых полей превышает четыре порядга величины. При необходимости для измерения сильных полей 3 плазме динамический диапазон измеряемых полей можно сдвинуть в область .

На фиг. 3 представлены результаты ко- личественных расчетов зависимости Рдс/Ро от- энергии поступательного движения Е MV /2 излучателей в плазме при использовании той же спектральной линии

о

Не I 6678,15 А и при тех же указанных условиях. Пороговая чувствительность составляет 10 эВ. Диапазон измеряемых энергий, движения излучателей составляет 7-8 порядков величины при уровне не- сйомпенсированного фона 10 FO. ормулаизобретения Способ бесконтактного измерения магнитного поля в плазме, включающий формирование продольного потока излучения плазМы из области измерения магнитного поля, электрооптическую фазовую модуляцию потока с частотой v, выделение светового потока используемой спектральной линии с длиной волны До и полушириной ЛЯо , разделение потока на два равных по интенсивности потока, формирование на их основе двух регистрационных каналов, регистрацию интенсивности потоков излучения на выходе регистрационных каналов фотоприемниками, формирование электрического сигнала, равного разности электрических сигналов на выходе фото приемников, путем пропускания через дифференциальный усилитель, усиление полученного сигнала, измерение его величины и вычисление по этой величине напряженности Н измеряемого магнитного поля, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений и временной разрешающей способности, а также расширения функциональных возможностей путем одновременного измерения скорости V поступательного движения излучающих атомов или ионов, поток излучения используемой спектральной линии после его выделения преобразуют в параллельный световой пучок, а затем производят электрооптическую фазовую модуляцию, параллельный световой пучок в каждом регистрационном канале пропускают последовательно через поляризатор, диспергирующий элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины двухпреломляющего кристалла, причем плоскость среза параллельна оси Z кристалла, которая, в свою очередь, ориентирована под углом л/4 по отношению к оси поляризатора, а толщина пластины в первом канале равна /4 (пе-По), а во втором

d2 d + Ло/4 (Па-По) при d NAo /(Пе-По),

где По и Пв - показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей в диспергирующем элементе, N - целое чис- лое, а затем через анализатор, скрещенный с поляризатором, после этого синхронно

промодулированные по фазе световые потоки в первом и втором регистрационных каналах преобразуют в соответствующие фотоэлектрические сигналы Ft и Ра, из которых формируют основной измеряемый сигнал pi +ff Pi-P2 и опорный сигнал Ро PI+ +Р2, затем в каждом периоде модуляционного напряжения измеряют амплитуды PL и PR импульсов основного сигнала, соответствующих первому и второму полупериодам, и амплитуду РО опорного сигнала и по результатам этих измерений определя ют величины Н и V путем решения системы уравнений

1/2(PL ± PR) -cos t/ Ac, 1/2(PL ± FR) 5 Fo y sinV Ac-dos v%,

Ipo 2n (Пе - По) d -ЛЛз/Ао, 2n (Пе - По) d ДЯдс/До,

ААдс AoV/c,

(;)Д|-Н,

где АЯо - полуЩирина модельного треугольного контура спектральной линии;

с - скорость света в вакууме; е, то - заряд и масса покоя электрона; знаки (+) в первом и (-) во втором уравнениях отвечают условию 1рз фд,с , знаки {-) в первом и (+) во втором уравнениях отвечают условию дс .

W

1603313

W 10 Фиг. г

..

Изобретение относится к экспериментальной физике и может найти применение в экспериментах по термоядерному синтезу. Целью изобретения является повышение точности измерений и временной разрешающей способности, а также расширения функциональных возможностей путем одновременного измерения продольной компоненты скорости поступательного движения излучающих атомов или ионов. Измерение плазмы коллимируют, отфильтровывают используемую линию, модулируют при помощи электрооптического модулятора 4, а затем разделяют на 2 канала, в каждом из которых установлен поляризационно-дисперсионный блок, включающий поляризатор 7, фазосдвигающую двупреломляющую пластину 8 и анализатор 9, скрещенный с поляризатором, разность толщин фазосдвигающих пластин выбирают равной λ/2(N₀-N_L, где N₀,N_L - обыкновенный и необыкновенный показатели преломления материала пластины. На выходе каждого из каналов интенсивность излучения измеряют при помощи фотоприемников 11. Сигналы, равные сумме и разности сигналов от фотоприемников, могут быть в реальном масштабе времени обработаны при помощи ЭВМ для определения продольных компонент магнитного поля и средней скорости атомов (ионов) в плазме. 3 ил.

Энергии движения излучателей.Фиъ.