Способ определения характеристик ионизованной среды Советский патент 1993 года по МПК G01N21/19 

Предполагаемое изобретение относится к области оптики и спектроскопии плазмы, поляризационной спектроскопии и может быть использовано при диагностике ионизованной среды.

Известны спектроскопические способы диагностики плазмы, в которых информацию об объекте извлекают на основании исследования частотного распределения интенсивности собственного оптического излучения.

Целью изобретения является определение структурных характеристик ионизованной среды, а именно,, энергетических и силовых.

Сущность изобретения заключается в следующем. Спектрополяриметрические методы диагностики ионизованной среды

основываются на том, что структурные характеристики ионизованного объекта непосредственно проявляются в особенностях кинетики наиболее независимой электронной компоненты. Функция распределения электронов f(v) в пространстве скоростей может быть разложена по сферическим гармоникам Yq(T/v):

00

о

1СЛ

IGJ сл о

-+ °°

W 2

й о

(х) . /ч) Yq (v/V)fq (V)

(2)

где fq (v) - мультипольный момент функции распределения электронов. Квадруполный момент fa 2 (v) пропорционален тензору плотности потока импульса электронов.

При возбуждении атомов по выделенным подансамблям электронов с вектором

скорости v в системе координате направлением оси квантования вдоль вектора скорости Г могут образоваться только поляризационные моменты ансамбля возбужденных частиц,

имеющих индекс q 0; /o$ (v), который непосредственно связан с сечением выстраивания

электронным ударом OY (V).

Для Получения поляризационных моментов ансамбля вбзбужденных частиц в ионизованной газовой среде необходимо перейти из системы столкновения в лэборэ- тор ную систему координат и усреднить в ней по всем направлениям скоростей электронов v:

00

. / dyVnW(.)i0(v)

О)

Поляризационные характеристики линейчатого излучения атомов в представлении поляризационных моментов атомной матрицы плотности описываются следующим выражением:

I еД А Ј (-1)4 с%$ (v) Ф&3 (), (4)

%«. . -тензорнаблюдения, ley-интен- сивность излучения выделенной спектральной линии Я в поляризации, определяемой вектором е у , А, «у - константы, характеризующие рассматриваемый переход.

Степень линейной поляризации на рассматриваемом переходе Я в системе координат детектора при наблюдении вдоль оси ОХ будет определяться соотношением

Р|

1еЯИ ОХ -1еЯ OY IеДП OX +I еЯИ OY

Подставляя выражения (3), (4) в (5), после несложного преобразования получим выражение (1) для степени поляризации наблюдаемого излучения в системе координат детектора. Выражение связывает наблюдаемые поляризационные характеристики с тензором плотности потока энергии быст- рых электронов

fq+(2)(v) f2(2)(v) + f-2(2)(v),

который описывает структурные характери- стики ионизованной среды. Таким образом, по спектрополяриметрическим наблюдениям в линейчатом спектре и определенному по ним тензору плотности потока энергии быстрых электронов могут быть определены

5

0

5

0

5

0

5 0

5

параметры, определяющие структуру ионизованной среды (энергопередача, распределение внутренних полей).

На фиг,1 представлено устройство для осуществления способа и схема эксперимента; на фиг.2 - радиальный профиль степени поляризации спектральной линии при электрическом разряде в неоне; на фиг.З - результаты определения радиального профиля потенциала в цилиндрическом положительном столбе разряда постоянного тока в неоне.

Способ осуществляется с помощью устройства - магнитного спектрополяриметра (фиг.1), Излучение плазменного источника 1 помещают в центр фокуса линзы 2, излучение анализируемого объекта фокусируется на входную щель монохроматора 3, которым выделяют нужную спектральную линию. За выходной щелью монохроматора (3) устанавливают интерференционный поляризатор 4, который поляризует излучение данной спектральной линии и делит его на два пучка с взаимно ортогональными линейными поляризациями. Измерение интен- сивностей поляризованных компонент спектральной линии производят двухка- нальной схемой: двумя фотоумножителями 5 и 6, сигналы с которых поступают на вход дифференциального усилителя 7, и аналоге- цифрового преобразователя 8. информация с которого поступает в накопитель информации 9 (любое накопительное устройство или ЭВМ), с помощью которого формируется величина степени поляризации и производится статистическая обработка.

Примеры реализации заявленного способа определения структурных характеристик ионизованных газов получены на газовом разряде постоянного тока в высокочастотном емкостном разряде,

В излучении положительного столба разряда постоянного тока измеряли степень поляризации спектральных линий, соответствующих переходам 1 s-2p неона в раличных точках его изображения для диапазона условий: диаметр разряда 30 мм, ток разряда 20-50 мА, давление газа 0,1-0,5 Торр, Радиальный профиль степени поляризации излучения в линии 626,6 нм приведен на фиг.2.

Оправданно считая плазму при исследовании спектральных линий оптически .прозрачной, и предполагая быстрое убывание мультипольных моментов функции распределения, для распределения степени линейной поляризации, индуцированной электронным ударом, по поперечной координате изображения осесимметричного

разряда в плоскости входной щели спектрального прибора Р|(х), можно записать

l)iUbl5y Z(r0/r2)|dki R;tnei((.4|)k.l daniD(«.4 Jч

J- - ,(Л,

t

Э.И: irV

I Vvij

«;1Ч.( j ,

где k - энергия возбуждающего электрона;

г - радиальная координата;

R - радиус поперечного сечения.

Мультипольные моменты функции распределения быстрых возбуждающих электронов рассчитывались в предположении, что анизотропия распределения скоростей определяется формированием конусов потерь, частично заполненных упруго рассеянными электронами на нейтралах в пространстве скоростей вне конусов: I tit . л

Ен

Аг,

««UeflW-a .-«ЦтЙ

где (rlj t-sint;

. Ik-SkUfAkJ/ttM -f K1

И. О при S0 ,

,- 4l/{l- 4i 4«P V 50,

Ur.4 ««.l«l,i(M4.lgM-0

при So 0 (запертые электроны): а a (f (1/2) (1 + Ј)А } + (1 -Ј)А ,

гдеА-длина свободного пробега электрона Функция распределения быстрых электронов f0 (е ) в предположении параболической радиальной зависимости потенциала и относительной малости ухода электронов на стенки выражается через функцию Мак- дональда, характерная температура спада которой TI определяется оцениваемым экспериментально продольным электрическим полем в столбе.

Расчеты поляризационных профилей как функции параметров плазмы производились на ЭВМ по программе. Радиальный профиль потенциала аппроксимировался степенной функцией р (г) (v0 - Av) (r/R)n в объеме разряда и резким скачком Av в пристеночном дебаевском слое, В процессе расчета варьировались параметры v0, Av, п. Функция R ( е ) вычислялась в борнов- ском приближении с использованием дифференциальных сечений неупругого возбуждения. Величина TL вид хвоста f0 (е) и параметра также варьировались при расчетах Pi(x). ПРИ этом рассматривались случаи отсутствия столкновений « 1, постоянное,

независящее от г столкновительное заполнение конуса потерь {а const) и учет стол- кновений в соответствии с рассматриваемой моделью. 5Определение профиля потенциала в плазме проводилось для разряда в неоне при давлении 0,2 Торр, токе разряда 25 мА (протяженность продольного электрическо го поля в столбе 1,8 В/см и рассчитано TI

0 2,6 эВ) на линии 626,6 нм (г2/г0 1,2). Использован алгоритм минимизации функционала невязки, С учетом малости взаимной корреляции параметров v0 и п, задача минимизации может быть разбита на два этапа.

5 На первом этапе, в предположении п 2, совестно определяют оптимальные значения параметров а 0,11 (1), V0 24 (1),Д V 1,0 (5) эВ. На втором этапе параметры а и V0 фиксируют и определяют значения гЛ/

0 1,0(3)эВ, п 1,95. При полученном векторе параметров невязка составила 6% при точности экспериментальных измерений степени поляризации не хуже 10%. В результате радиальный профиль потенциа5 ла в плазме положительного столба разряда в условиях эксперимента выражается соотношением: (г) 23 r/R2 В. Независимые контрольные измерения разности потенциалов между двумя точками в плазме мето0 дом электрических зондов показали, что они согласуются в рамках приводимых погрешностей с данными спектрополяриметриче- ских измерений. Результаты определения радиального профиля потенциала в цилинд5 рическом положительном столбе разряда постоянного тока в неоне приведены на фиг.З.

Пример 2. Определяли энергию, передаваемую в плазму безэлектродного

0 емкостного разряда через приэлектродный

сло й. Учитывая, что передача-энергии внешнего высокочастотного поля в плазме разряда, поддерживаемого на частоте 100 МГц происходит, главным образом, в приэлект5 родном слое за счет фермиевского нагрева, были получены аналитические выражения для мультипольных моментов функции распределения в рамках простой модели, основанной на представлении об упругом

0 взаимодействии тепловых максвелловских электронов, падающих из центральной области плазмы с осциллирующей границей. Для группы быстрых электронов, осуществляющих прямое возбуждение исследуемых

5 атомных состояний, скорости которых, согласно оценкам, удовлетворяют условию v 2а (а - средняя скорость границы слоя), муль- типольные моменты функции распределения быстрых электронов принимает вид:

f«V0 exp(-uV/2/ /u (1 -Ј| ). xp(4/ ua-u2-4/ 2)da

(гВ(и.Д))2/,л()(,-1|). xp( -u2-4)d«,

де.а vt/v, u V/VT, VT - тепловая скорость лектрона, /3 a/vT.

Средняя за период мощность, передаваемая от внешнего генератора в плазму ерез приэлектродный слой, выражается как

W- ()1/2nemsvTa2. где пе - концентрация электронов;

m - масса электрона;

s - площадь электрода.

Для определения передаваемой мощности измеряли величину приэлектродного поляризационного максимума степени линейной поляризации в цилиндрическом емкостном высокочастотном разряде диаметром 4 см, длиной 6 см, с внешними электродами диаметром 4,5 см, на линиях аргрна 801,4 нм, 763,5 нм, 706,6 нм при давлении 27 мТорр, напряжении на электродах 200 В и частоте генератора 100 МГц.

Расчет поляризационных профилей как функции параметров плазмы проводили по программе на ЭВМ как в примере 1. Параллельно с этими расчетами проводили расчет зависимости Р|(/5 ). Сечения возбуждения и выстранивания исследуемых уровней аргона рассчитывали исходя из дифференциальных сечений возбуждения электронным ударом. Определение параметров / проводили в результате сравнения рассчитанных зависимостей Р|(/ ) с экспериментальными величинами Рь

В таблице приведены результаты определения параметра / для каждой спектральной линии I и трех значений VT. Погрешность каждого отдельного результата, определяемая только исходной погрешностью измерения PI, очень мала, порядка 1 %, Этот Факт, наряду с совпадением в пределах указанной погрешности значений j3 для разных спектральных линий, но для одной VT, свидетельствует о надежности предлагаемого способа, Значение искомой средней скорости границы приэлектродного слоя а vT ft (VT) также приведены в таблице. Для различных значений VT различие в величине а мало по сравнению с неопределенностью VT, которая реально оценивалась в расчетах порядка 15%. Причиной этого яоляется слабая чувствитель- ность зависимости Pi(a) к параметру VT.

Скорость границы приэлектродного слоя пространственного заряда определяли путем усреднения данных для различных линий i и VT и составила 1,3 (2)-108см/с.

Подтверждением надежности этого результата служит сопоставление скорости пучковых электронов VB vT/2 + 2а 3,2(v)- 108см/с, определенной на основе полученной скорости границы приэлектродного

слоя с непосредственными измерениями величины VB методом отклонения пучка электронов поперечным магнитным полем. Различие этих величин входит в пределы погрешности прямого определения скорости пучковых электронов. Окончательно, мощность, передаваемая от генератора через приэлектродный слой, составила величину 1,3 (4) Вт для концентрации электронов пе 109см 3.

Приведенные примеры реализации предлагаемого способа демонстрируют его уникальные возможности по бесконтактному определению структурных энергетических и силовых характеристик

ионизованной среды, которые лежат за пределами возможностей известных мнтенсив- ностных методов спектроскопической диагностики ионизованных газов.

Технико-экономическая эффективность

предлагаемого способа заключается в рас- ширении класса спектрополяриметриче-. ских методов для бесконтактной диагностики структурных энергетических и силовых характеристик ионизованных сред

широкой физической природы. Способ-прототип позволяет определять только изотропные характеристики ионизованных сред, что является существенным ограничителем в диагностике ионизованной среды.

Формула изобретения

Способ определения характеристик ионизованной среды, включающий регистрацию линии спектрального перехода собственного электромагнитного излучения

среды, измерение ее поляризационно-спек- троскопических характеристик, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью определения энергетических и силовых характеристик среды, дополнительно регистрируют электромагнитное излучение среды одновременно не менее чем в одной линии, возбуждаемой в результате соударений, линейно поляризуют выделенное линейчатое излучение, измеряют интенсивности линейно поляризованных составляющих каждой линии спектрального перехода, по измеренным величинам определяют степень линейной поляризации для каждой спектральной линии Pi(r) как функцию вида

W

Г« 3 $М4(ЛМ

l

Г : rT MSjWl l.

,

где I - угловой момент нижнего уровня спектрального перехода;

(№ (v) , Oi (v) - зависящие от скорости возбуждающей частицы v сечения выстраивания и возбуждения уровня с моментом , с которого происходит рассматриваемый спектральный переход 1-1;

vti - скорость возбуждающей частицы. соответствую.щая порогу возбуждения уровня Г0| , Г21 - константы релаксации заселенности и выстраивания рассматриваемого уровня;

112

{Ij. h. li} - 6j - символ Вигнеря; fq (у,г) - мультипольные моменты функции распределения по скоростям воз- буждающей компоненты ионизованной среды,

рассчитывают квадрупольный момент .r) и по нему определяют компоненты тензора анизотропного давления возбужда- ющих частиц в каждой точке ионизованной среды, по которым определяют характеристики ионизованной среды.

Использование: оптика и спектроскопия плазмы, преимущественно, поляризационной. Сущность: структурные характеристики ионизованной среды, такие, как энергетические и силовые - энергопередача, распределение внутренних полей, определяют путем выделения собственного электромагнитного излучения объема среды в нескольких спектральных линиях, возбуждаемых в результате соударений, с последующим пропусканием через линейный поляризатор, регистрации двух ортогональных линейно поляризованных компонент спектральных ионных линий, соответствующих переходам с уровней дублетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры на общий нижний уровень, измерении интенсивности линейно поляризованных составляющих каждой линии. По измеренным величинам определяют степень линейной поляризации для каждой спектральной линии, и по ним аналитически определяют компоненты тензора анизотропного давления возбуждающего агента в каждой точке ионизованной среды, а затем рассчитывают характеристики объекта, отражающие его структурные свойства. 3 ил. со С

Экспериментальные значения приэлектродных максимумов степени линейной поляризации в емкостном высокочастотном разряде для некоторых линий аргона,и рассчитанные параметры/Зи а при различных значениях VT.

Продолжение таблицы

Редактор

Фиг. 2

ФИГ. 3

Составитель С.Казанцев

Техред М.Моргентал Корректор Ё.Папп