Изобретение относится к устройствам для диагностики нлазмы методом рассеяния светового пучка лазера.
Известны аналогичные устройства, содержащие лазер, линзу, фокусирующую лазерное излучение в сосуд для плазмы, линзу, собира-. ющую рассеянный свет, анализатор спектра, фотоумножитель, усилитель и осциллограф.
Известная схема имеет существенный недостаток. Сигнал от рассеянного света (полезный сигнал) наблюдается на фоне излучения плазмы, которое имеет постоянную и пульсирующую составляющие. От постоянной составляющей, а также от медленно меняющейся во времени переменной слагаемой легко избавиться радиотехническими методами, например с помощью сужения полосы пропускания усилителя осциллографа. Пульсирующая же составляющая-щум плазмы-имеет ту же природу, а следовательно, и длительность импульсов, что и излучение лазера, и поэтому не может быть отделена от полезного сигнала обычными радиотехническими средствами. Амплитуда полезного сигнала пропорциональная концентрации электронов. Шум плазмы зависит от ее температуры, давления газа и от того, насколько близко к исследуемому спектральному интервалу располагается линия излучения плазмы (вблизи линии щум плазмы соответственно возрастает). При сложном составе газа число линий может быть значительным, и измерения становятся невозможными. Вдали от линий при атмосферном давлении, например, аргоновой плазмы, уже при температурах около 10°К полезный сигнал трудно различим при концентрации электронов порядка 10 см. Между тем в ряде практических задач (МГД-генераторы, плазматроны, ударные трубы и т. д.) необходимо измерять
значительно более низкие концентрации электронов.
Целью изобретения является устранение указанного недостатка и расширение пределов параметров плазмы, при которых возможна диагностика данным методом.
Это достигается путем избирательной оптико-электрической компенсации шумов плазмы при сохранении практически неизменным полезного сигнала. Между анализатором спектра и основным фотоумножителем расположена поляризационная призма с дополнительным фотоумножителем для регистрации отклоненного луча, причем анод основного фотоумножителя соединен с последним динодом
дополнительного фотоумножителя и они подсоединены к общей нагрузке.
затора; двулучепреломляющая призма 5; световые сигналы 4, 5; фотоумнЬжители 6, 7 (ФЭУ); анод 8 ФЭУ 6; последний дииод 9 ФЭУ 6; три последние ячейки 10 делителя напряжения, питающего ФЭУ 6; три последние ячейки 11 делителя напряжения, питающего ФЭУ 7; нагрузочное сопротивлепие /2; последний динод 13 ФЭУ 7; анод 14 ФЭУ; усилитель 15; осциллограф 16.
Для компенсации шума плазмы используется то, что излучение плазмы неполяризовано, тогда как лазер излучает плоскополяризованный свет. Допустим, что плоскость поляризации вертикальна. Луч 2, выходящий из щели 1 анализатора спектра, содержит полезный сигнал и шум плазмы. В призме 3 он расщепляется па два: обыкновенный (вертикально поляризованный) луч 4 и необыкновенный (горизонтально поляризованный) луч 5. Луч 5 проходит через призму 3, не меняя направления, тогда как луч 4 сильно отклоняется от первоначального направления и выходит в боковую грань призмы. Так как лучи 4 и 5 поляризованы во взаимно пер пепдикулярных направлениях, то один из них (в данном случае луч 4) содержит весь полезный сигнал и вертикальную компоненту шума плазмы, а другой (луч 5)-только шум плазмы, точпее его горизонтальную компоненту. Каждый луч поступает на свой фотоумножитель 6 или 7. Так как обе компоненты шума плазмы в лучах 4 и 5 когерентны, то достаточно теперь вычесть из сигнала ФЭУ 6 сигнал ФЭУ 7, чтобы скомпенсировать шум плазмы и получить полезный сигнал, в значительной степени «очищенный от шума плазмы. Обычно в радиотехнике такое «вычитание сигналов производят после дополнительного усиления. Однако, в данном случае этот способ является неудовлетворительным ввиду того, что сигнал от рассеяния очень мал по амплитуде, обычно он составляет порядка Ю доли энергии зондирующего излучения. Для того, чтобы его уверенно регистрировать, необходимо очень больщое, близкое к предельно допустимому, предварительное усиление при полосе пропускания усилителя до 250 мгц.
В этих условиях импульсы от шума плазмы способствуют возбуждению в усилителях генерации колебаний напряжения и тем самым сильно снижают допустимый предел усиления. Поэтому вычитание сигналов необходимо производить до подачи на усилитель напряжения.
В предлагаемом устройстве это осуществляется с электрическими импульсами, которые получаются на выходе ФЭУ 5 и 7. ФЭУ б и 7 имеют частично смешанное питание и общее нагрузочное сопротивлепие 12. Чтобы не усложнять схему, на чертеже делители напряжения, представлены не полностью, а лишь тремя последними ячейками 10 (ФЭУ 6) и 11 (ФЭУ 7).
образом.,Анод /-# соединен с точкой 11 делителя, имеющей нулевой потенциал («земля),
последний динод 13 имеет потенциал-и, предпоследний динод-2 и т. д. (на схеме не показано). Но сигнал с ФЭУ 7 снимается не с анода, как обычно, а с последнего динода 13 при помощи сопротивления 12. Каскад динод 13- анод 7 имеет, коэффициент усиления около 4. Это значит, что на каждый электрон, пришедщий на динод 13, в процессе усиления, последний теряет четыре электрона. Следовательно, амплитуда импульса с динода 13 составляет 3/4 от импульса анода ФЭУ 7 (если бы импульс снимался с анода), но при этом имеет
положительную полярность.
ФЭУ 6, на который поступает световой сигнал, содержащий шум плазмы и полезный сигнал, питается следующим образом. Его анод 8 имеет потепциал-и относительно земли,
последний динод 9 имеет потенциал -2и, предпоследний динод -Зи и т. д. (на схеме не показапо).
Сигнал ФЭУ 6 снимается с анода 5с помощью того .же сопротивления 12. Сигнал
имеет отрицательную полярность и полную амплитуду. Таким образом, на сопротивлении 12 смешиваются два сигнала различной полярности. В результате на усилитель 15 поступает сигнал, в котором шум плазмы скомпенсирован.
Так как при данном включении ФЭУ 7 дает усиление 3/4 от полного, то для более глубокой компенсации шума плазмы необходимо увеличить полный коэффициент умножения
ФЭУ .7, увеличив напряжение его питания. Меняя напрялсение питания ФЭУ, можно подобрать максимум степени компенсации.
Компенсация шума .плазмы непосредственно увеличивает отношение сигнал-шум. Кроме того, она дает возмол ность поднять коэффициент усиления усилителя напряжения. Благодаря этому существенно расширяются пределы параметров плазмы, при которых можно проводить диагностику методом рассеяния. В приведенном выше примере (температура порядка 10°К, атмосферное давлепие газа) м.инимально измеримые значения концентрации электронов можно снизить па два
порядка.
Предмет изобретения
Устройство для диагностики плазмы методом рассеяния света, содержащее импульсный лазер, линзу, фокусирующую лазерное излучение в сосуд для плазмы, линзу, собирающую рассеянный свет, , анализатор спектра, основной фотоумножитель, усилитель и осциллограф,. отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона диагносцируемых параметров и повышения чувствительности метода, между анализатором спектра и основным фотоумножителем расположена поляризационная призма с дополнительным фотоумножителем для регистрации отклоненного луча. 5 причем анод основного фотоумножителя соединен с последним динодом дополнительного 6 фотоумножителя и они подсоединены к общей нагрузке.
