Изобретение относится к области поляризационной и оптической спектроскопии, преимущественно, к спектроскопии плазмы
Поставленная цель достигается тем, что), в известном способе определения дрей- фоиой скорости ионов в плазме, включающе
и регистрацию излучения в линейчатом
спектре плазмы, измерение оптических характеристик анализируемой среды как функцкпр
й движения частиц, в соответствии с полагаемым изобретением, в линейчаTON спектре плазмы выделяют оптическое излучение в области спектральной линии, соответствующей переходу с уровней дублетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры, на общий нижний уровень, излучение выделенной ли- нт линейно поляризуют, регистрируют две
ортогональные поляризованные компоненты ионных линий, измеряют их интенсивности ly и z, определяют величину Ф(у, z) из соотношения Ф(у, г) ai(h,-l2, lo)(ly -I2)ino
1
1
oa(li, h, lo)(ly+jlz)ii-Oy+5-lz)i2
0)
где «i(l,l2,lo) и O2(li,i2,lo) - численные коэффициенты, зависящие от полных угловых моментов составляющих дублета И, h и общего нижнего уровня спектральных переходов lo, сопоставляют полученное значение Ф (ly, Iz) с теоретической зависимостью Ф(ууг), рассчитанной как функция дрейфовой скорости ионов в среде через скорости радиального затухания и элементы релаксационной матрицы, и по совпадению теорею
ю
тической и экспериментальной величин Ф определяют дрейфовую скоростью ионов в плазме vyz.
Новизна предполагаемого способа заключается в использовании впервые физического эффекта формирования поляризации спектральной линии эмиссии дрейфующих в плазме ионов и приемах аналитического определения величины дрейфовой скорости, примененных к линейно поляризованным компонентам спектральных ионных линий, соответствующих пере- ходам.с уровней дублетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры, на общий уровень.
Выбор линий, соответствующих переходам, имеющим тонкое расщепление порядка атомной температуры, на общий нижний уровень обусловлен необходимостью анизотропной столкновительной релаксации за счет ион-атомных столкновений при дрейфовом движении в изотропной среде нейтральной компоненты плазмы, что отражено в кинетическом, уравнении для поляризационных моментов составляющего дублета.
Выделение спектральной линии эмиссии и дополнительно регистрация составляющих дублета, измерение интенсивности ортогональных линейно поляризованных (Компонентов у, z позволяет решить уравнение для поляризационных моментов матрицы плотности с использованием связи поляризационных моментов составляющих узких ионных дублетов с поляризацией линии эмиссии, и получить теоретическую зависимость Ф(У), затем, путем сопоставления экспериментальных данных с теоретической зависимостью, определяют искомую величину дрейфовой скорости ионов в плазме.
Рассмотрим сущность предлагаемого способа более подробно,
Аналитически определить дрейфовую скорость ионов в плазме по результатам спектрально-поляризационного измерения можно следующим образом.
Функция распределения относительных скоростей ионов и нейтральных атомов f(v), участвующих только в хаотическом тепловом движении vj - va, имеет следующи и вид:
„,
уИ
.(2)
где v0 v0e - радиальная скорость дрейфа ионов, д- угол между векторами v и Јз, у mima/2K(rniTa+ maTi);
mi, ma, TI, Ta - массы и эф4 ективиые температуры ионов и атомов. Характеристи.|u,0s}2(-,)ҐTT
(5)
f(v) (y/jr)(v 2vvoCOS0W) j I I klfk 1
{11loj -a q2 qlj
55 где с(а) зависит от частоты перехода и геометрических условий наблюдения, aqi и аЧ2 - коэффициенты разложения орта поляризации еяпо круговым ортам.
Зависимость Ф (Р, Я) является функцией давления нейтрального газа в плазме Р, а
кой анизотропии распределения относительных скоростей служит безразмерный параметр Я - V0 Vy. В силу сказанного выше, величины v0 и Я зависят от радиальной координаты рассматриваемого макроскопически малого объема в плазме.
Анизотропия соударений дрейфующих ионов с нейтральными атомами приводит к тому, что столкновительная релаксация поляризационных моментов составляющих узких ионных мультиплетов происходит по закону:
15
$о):Ј R&Ki(ni)9&i(ii)
(3)
гдеро (И)- поляризационные моменты ионных состояний;
( k 1
RQ (IH) - компоненты матрицы ани- эогропной столкновительной релаксации.
Уравнение, описывающее временное изменение продольного выстраивания состояний с дублета 4d 2Pi(2,3)2, расщепление которого заметно меньше энергии относительного движения сталкивающихся частиц (д (1 /2, 3/2) 100 К при Т Та - 330 К), с учетом свойств симметрии матрицы анизотропной столкновительной релакса,02
ции R002(3/2, 3/2)- Rux (1/2, 3/2) принимает вид:
- 7TRo°2(1/2,3/2)ni/235
- - R002(1/2. 3/2)пз/2 + + Р002(3/2,3/2)-Гсаз/2
, (А)
где аз/2 2 р (3/2) Г0 - константа релаксзЦии распада.
Связь между поляризационными моментами ионных состояний ра) и интенсивностью света , испускаемого ионами с линейной поляризацией вдоль произвольно
заданного орта вд, можно получить, применяя известную технику сложения угловых моментов:
i2 t .. „ч + о
1)
I#A с (u) I UI Id L Г ( (2I-M)(2I0-M)(2L0-M)
.|u,0s}2(-,)ҐTT
(5)
I I klfk 1
также параметра анизотропии функции рас- гределения скоростей дрейфующих ионов Д. С учетом выражения (5), эту величину мож- ю выразить через наблюдаемые величины:
Ф(Р,А)
12.5(1у-Ь)э6
5(ly+l|zM-( (ly,lz).
де индексы 1/2, 3/2 указывают на зна- ение момента I для того уровня дублета d 2Pi/2,3/2, с которого испускается излуче- ие.
Функцию Ф (Р, А) можно выразить также ерез скорость радиационного затухания Г0 1 теоретически вычисляемые элементы реаксационной матрицы RQ (Hi) (5): (P.v)l
Го - Ri2 (з. W)
(7)
При каждом значении давления Р и для аждого положения локального излучающе- о объема z левая часть равенства (7) - изме- эяемая на опыте величина Ф (P,v) - и его травая часть - элементы релаксационной матрицы RQ зависят от скорости дрейфа /IQHOB v. Искомое значение v определяют из условия совпадения измеренного значения (P,v)(6) и величины Ф, теоретически рассчитанной с использованием соотношения (7) и таблицы для элементов R - матрицы.
Сущность предлагаемого способа поясняется фиг. 1-3. На фиг.1 представлена схема экспериментальной установки для определения скорости дрейфа ионов для плазмы разряда в полом катоде, На фиг.2 приведена экспериментальная зависимость величины Ф(У) от давления среды Р для работы точек с различной радиальной компонентой (плазма разряда в полом катоде). На фиг.З приведена экспериментальная зависимость распределения скорости дрейфа ионов в плазме цилиндрического полого катода по координате (радиальная зависимость) для различных значений давления среды (представлена в двух масштабах измерения).
| Способ осуществляют следующим образом, используя устройство на фиг.1. Излучение плазменного источника 1 помещают в центр фокуса линзы 2. Излучение анализируемого объекта фокусируют на входную щель монохроматора 3, которым выделяют нужную спектральную линию. За входной щелью монохроматора 3 устанавливают по
ляризатор 4, который поляризует излучение данной спектральной линии и делит его на два пучка со взаимно ортогональными поляризациями. Регистрация этих пучков соот5 ветствует регистрации одной из двух спектральных линий, соответствующей переходу с уровня одного из дублетов, имеющих такое же. расщепление. Регистрация другой спектральной линии производится
10 после выделения ее монохроматором после регистрации и обработки данных по первой линии и аналогичным образом.
Измерение интенсивности поляризованных компонент производят двухкэналь15 ной схемой: двумя фотоэлектронными умножителями 5 и 6, сигналы с которых поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 7 и 8, информация о которых поступает в накопитель информации (нако20 пительный прибор или ЭВМ), с которого и считывают информацию о величинах интенсивности 1У и i и производит их статистическую обработку и аналитический расчет величины Ф(1у, Iz). Сопоставляя ее t-теоре25 тическими зависимостями Ф(У) для конкретных условий в ионизованной среде, определяют величину скорости дрейфа v при совпадении зависимости, Погрешность в определении скорости дрейфа ионов
30 включает в себя погрешность измерения спектральных характеристик линий и погрешность принятой модели анизотропной релакрации.
П р и м е р 1. Измеряли распределение
35 скорости дрейфа ионов в разряде в цилиндрическом полом катоде диаметром 1 см и длиной 5 см, в аргоне при давлениях 0,01- 0,5 Торр и постоянных токах 20-25 мА по спектральным линиям аргона 3819 и 3883
40 о
А соответствующим переходам с дублета 4d 2Pi/2,i/2 на нижний уровень 4p2Di/2°. Наблюдали излучение вдоль оси ОХ, параллельной оси цилиндрического катода. С
45 помощью отверстия размером 0,3x0,3 мм, помещенного вместо входной щели монохроматора, выделяли излучение с определенного участка отрицательного свечения, удаление которого от оси катода было фик50 сированным или варьировалось.
Отметим, что область отрицательного свечения характеризуется максимальной выраженностью поляризационных эффектов спектральных линий, обусловленной
55 особенностями скорости дрейфа ионов в плазме и дрейфовым самовыстраиванием.
После поляризатора ортогональные компоненты поляризующего излучения поступали в каналы регистрации и измерения интенсивности излучения и в вычислительмое устройство для расчета величины функции Ф по (6), которая затем сопоставлялась с теоретически рассчитанной зависимостью (при ус - 28 МГц (7)).
Для излучения е фиксированнрй точке г 2,5 мм (радиальная компонента) при давлении среды 0,12; 0,16; 0,20 и 0,30 Торр последовательно получили экспериментальную величину Ф() соответственно 3,3; 3,6; 3,8 и 3,9, Сопоставляя с теоретическими расчетами, получили величину дрейфовой скорости ионов s данной точке соответственно 1,8; 1,35; 1,2 и 0,8 () см/с.
Пример 2. При фиксированном давлении среды Р 0,2 Торр в условиях примере 1 было измерено радиальное распределение скорости дрейфа ионов на удалении z no радиусу от центра симметрии, равном 0; 0,5; 1,0; 2,25; 2,5 и 3,0 мм. Расчетные величины функцииФк (10 ) составили соответственно: 0,5; 0,6; 0,9; 3,3; 3,8 и 5,2. После сопоставления с теоретической зави- йимостью определили распределение скорости дрейфа ионов в анализируемой области. Величина v x (105) составила 0,3; 0,35; 0,4г 1,0; 1,2 и 1,7 см/с.
Экспериментальные зависимости функции Ф от давления газа Р в различныхточках среды в полом катоде (радиальная симметрия картины) приведены на фиг.2. Видно, что яри малых удалениях от оси величины ел абочувствительны к давлению. Однако при удалении от центра зависимость Ф (Р) становится асе более отчетливой.
Радиальная вариация скорости дрейфа ионов в плазме при давлениях 0,1-0,3 Торр представлена на фиг.З. Конкретные примеры показывают, что по предлагаемому способу можно проводить измерения малых скоростей дрейфа ионов в плазме.
Способ-прототип позволяет определить скорость дрейфа ионов вдоль оси разряда при любых давлениях, особенно, в условиях, когда контур линии может полностью передавать распределение ионов по скоростям. Конкретный пример показывает, что по предлагаемому способу можно производить измерение дрейфовой скорости ионов на 1-2 порядка меньше по величине, особенно, s области малых скоростей дрейфа, а также для условий, в которых прототип не применим.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в повышении чувствительности бесконтактных спектроскопических методов определения дрзйфовсй скорости ионов и расширение
диапазона их применимости, что достигается использованием дополнительной спектроскопической характеристики, а именно, поляризации линии эмиссии. Способ-прото- 5 тип позволяет определить дрейфовую скорость ионов только в газоразрядной плазме, что является существенным ограничением по отношению к предлагаемому способу определения скорости дрейфа. Поэтому пред0 латаемый способ может быть применен для широкого класса ионизованных газов в лабораторных условиях, физико-энергетических установках, в астрофизических исследованиях, например, эруптивных про5 цессов в солнечной атмосфере, и в геофизических исследованиях ионосферы с целью получения информации о кинетических свойствах объекта.
Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я
0 Способ определения дрейфовой скорости ионов в плазме, включающий регистрацию излучения в линейчатом спектре плазмы, измерение оптических характеристик анализируемой среды как функций дви5 жения частиц, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения в области малых скоростей и расширения функциональных возможностей, в линейчатом спектре плазмы выделяют оптическое
0 излучение в области спектральной линии, соответствующей переходу с уровней дублетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры, на общий нижний уровень, излучение выделенной ли5 нии линейно поляризуют, регистрируют две ортогональные поляризованные компоненты ионных линий, измеряют их интенсивности (у и lz, определяют величину(ly.lz) из соотношения
0
Ф(у, lz)
glQl 2. lo)(ly - z)lHo
СИ 01, I2, lo)(ly+lz)-(ly+l|z)|2
5 где «i(li,l2,lo) ncG(ii,l2,lo) - численные коэффициенты, зависящие от полных угловых моментов составляющих дублета И, h и общего нижнего уровня спектральных переходов 10,
0 сопоставляют полученное значение Ф(1у,1г)с теоретической зависимостью Ф(ууг), рассчитанной как функция дрейфовой скорости ионов в среде через скорости радиационного затухания и элементы релаксационной
5
матрицы и по совпадению теоретической и экспериментальной величин Ф определяют дрейфовую скорость ионов в плазме vyz.
5
О
ff,10,2
(pv г. 2
V
pЈ/ei
т 0.3
Too.
opp
V: 
Способ определения дрейфовой скорости ионов в плазме, включает регистрацию эмиссионного спектра источника в инертном газе и выделение оптической спектральной линии инертного газа. Излучение в выделенной спектральной линии линейного газа поляризуют, для каждого положения локального излучающего объема дополнительно регистрируют две ортогональные линейно поляризованные компоненты спектральных ионных линий, соответствующих переходам с уровней диблетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры, нз общий уровень. Измеряют их интенсивности по которым проводят определение. 3 ил
2
i.
i25Z.M
&#e. j
P QtZToty
