В П Т Б Советский патент 1973 года по МПК H05H1/00 

1

Изобретение относится к диагностике плазмы и может быть использовано для определения локальной плотности и локального потенциала нлаз.Т1ы нри помощи зондирующего пучка частиц.

Известен способ измерения плотности и нотенциала плазмы ионным пучком. В этом способе плотность и потенциал плазмы определяют путем зондирования плазмы моноэнергетическим пучком ионов, разделяя траектории однократно ионизированного (до столкнове}шя) и двукратно ионизированного (после столкновения) ионов наложением поперечного магнитного поля. Определение места вы.хода двукратно ионизированного иона и его скорости позволяет восстановить траекторию и найти точку, где произошел акт вторичной ионизации. Изменение энергии иона позволяет найти потенциал плазмы в этой точке, а количество выщед ни.ч двукратно ионизированных ионов - плотность (по сечениям ионизации).

Однако нри использовании известного способа необ.ходимо применять ионы либо достаточно больших энергий, чтобы они прощли через область сильного магнитного ноля (что ограничивает точность измерения потенциала), либо достаточно большой массы (что ограничивает временное разрешение). Кроме того, снособ не нригоден для локальных измерений нотегщиала и плотности плазмы в маг2

нитных ПОЛЯХ СЛОЖНО конфигурвции, в частности нрн отсутствии поперечного магнитного поля (нанример в системах электростатического удержания плазмы, в магнитных системах нри зондировании вдоль силовых линий). В этом случае не нроисходит пространственного разделения траекторий первичного и вторичного пучков, а следовательно, невозможно определить место, где произошла ионизация частицы.

Целью изобретения является онределепие локальной плот 1остн н локального нотенцнала в точке траектории зондируютцего

пучка.

Для этого измеряют совместно количество, энергетический снектр и время пролета проходящих через гтлазму частиц зондирующего нучка с из енсн1 ым зарядом, определяют по

результатам измерения времени иролета и энергетическому спектру части 1 распределе 1ие потенциалов в плазме, а но результатам измерения количества частиц с использованием сечений взаимодействия - плотность

частиц в плазме.

В отличие от известного способа разделение частиц, изменивших заряд, от частиц иервичного пучка нроисходит по времени пролета через плазмы.

Изобрететше пояснено чертежами.

На фиг. 1 приведена блок-схема установки, на которой может быть реализован предложенный снособ; на фиг. 2 - изменение энергии иона (верхпяя кривая), проходящего нлазму с нотенциалыюй ямой параболического вида (нижняя кривая); на фиг. 3 - нрнмерный вид осциллогра.мм временного анализатора в зависимости от регистрируемой энергии Е вылетающих из плазмы ионов с измененным зарядом.

Установка содержит источник 1 ионов, модулятор 2, перезарядную мишень 3 (при работе на ионах не используется), сепаратор 4 пучка ионов по отношению заряда к массе, анализатор 5 ионов по энергиям, ионно-электронный преобразователь 6, сцинтиллятор 7, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 8, временной анализатор 9. , Установка работает следующим образом.

Моноэнергетические ионы из источника 1 модулируются модулятором 2 и в виде серии импульсов малой длительности поступают в перезарядную мишень (при работе на ионах не используется), откуда в виде нейтральных атомов поступают в плазму. При столкиовениях с частицами плазмы в результате ионизации зарядовый состав зондирующего пучка изменяется. При наличии электростатического потенциала в плазме частица, изменившая свой зарядовый состав в результате столкновеНИН, после столкновения ускоряется (или замедляется) с учетом измененного заряда и выходит из плазмы с другой энергией. Если, например, в плазме имеется потепциальная яма для ионов, то, исследуя энергетический спектр вылетающих из плазмы частиц с измененным зарядом, находят максимальную потерю ионом энергии, которая дает в пересчете на изменение заряда иона максимальную величину потенциальной ямы. Время пролета при известной скорости позволяет определить место, в котором произошел акт изменения заряда, а по количеству вылетающих из плазмы частиц с дайной энергией и по известным сечениям взаимодействия - нлотиость плазмы в данной точке прострапства.

Частицы, испытавшие изменение заряда на разных склонах потенциальной ямы, выйдут из плазмы с временным сдвигом, что позволяет последовательно, шаг за шагом, определить распределение нотенциала вдоль траектории зондирующего нучка, место изменения а.аряда и количество частиц с измененным зарядом для каждой данной энергии и данной задержки времени пролета, а следовательно, плотность плазмы в каждой точке траектории зондирующего пучка.

Проходя через плазму, частицы зопдирующего пучка попадают в сепаратор 4, отделяющий частицы с измененным зарядом от первичного пучка, затем в анализатор 5 по энергиям, а ионно-электронный преобразователь 6, где из мищени выбиваются вторичные электроны, количество которых пропорционально падающему потоку ионов. Электроны регистрируются сцинтиллятором 7 с ФЭУ 8. Сигнал с ФЭУ 8 вместе с сигналом модулятора поступает во временной анализатор 9. Измеряются время нролета и количество частиц для каждого данного заряда и энергии.

Ион (см. фиг. 2) входит в плазму с энергией ЕО и зарядом 2)6. Его энергия увеличивается по закону fo+Zief/d), - текущая координата, а время пролета отрезка длиной от I до -i-d равно

Kf

d2 + Zie(i)

где |я - масса иона.

Расстояние от О до .х ион пролетит за время

1/

Cf

YE, + г,(е)

Если в точке х ион претерпел повторную ионизацию, то его дальнейщее движение будет происходить с измененным зарядом Z2e. В точке X его энергия была равна Eg-i-ZteU(х). При своем хЧальнейшем движении ион с зарядом 226 нроходит разность потенциалов /7(|)- - и (х) и набирает энергию

E, + z,elJ(x) + z,)-U(x)l.

На выходе из потенциальной ямы (| L) энергия иона будет равна

E E, + (z,-z,}eU(x)(1)

Время пролета иона от л: до L равно

1/7 Г

у 2 j yE, + ZteU{x) + z,(,)-U(x)

X

L

Ki

УЕ + ,ef/(5)

Полное время пролета ионом области плазмы

№)I/f,,

dc

г +

УЕ, +

6

+Kij

rfi

YE + г,()

Если (, (см. фиг. 3), то регистрируются ионы, для которых столкновение с изменением заряда произошло на краю потенциаль юй ямы, либо при х 0, либо при , где (у (0) 6(L) 0. В первом случае ион с зарядом 2:26 пролетает всю потенциальную яму с увеличенной скоростью и проходит на детектор раньше (время пролета, отсчитанное от начала исходного импульса, равно Та). Во втором случае ион пролетает потенциальную яму с зарядом 2i6(), его скорость меньше, а время пролета больше (ть). Уменьшая регистрируемую энергию Е, последовательно находят профиль потенциальной ямы во временном масштабе задержек т и ее максимальную величину по энергии регистрации , при которой наблюдается один импульс ионов с измененным зарядом. Из формулы (1) получим (П - ° ЛЧ1 -макс - W Определение профиля потенциальной ямы осуществляют по следующей схеме. 1)Учитывают аппаратурное пролетное время То, которое складывается из суммы времен пролета расстояния ei от источников ионов до плазмы (с энергией 0) и расстояния ez от плазмы до детекторов ионов (с энергией ), по формуле /ц, Г Й . е. 1/, .-(4) На графике (т) (см. фиг. 2) для каждого Е вводят поправку на величину TO по формуламТаС,) г Тз - т„ т(.) т -т, и. т.д. 2)Определяют потенциал L-A.j;i в точке, отстоящей от границы плазмы L на небольшое расстояние . Можно показать, что при достаточно малом AA;I U(,) (t - zi)e 41/2. о т(,)-т(о) ЕО - EI 5 10 15 20 25 30 35 где T(I) и т:(Ео)-время пролета ионов с энергией 1 н 0. причем EI близко к EQ. 3) Далее находят потенциал в точке L-Длт -Ал2 и т. д. Вычисления удобно проводить на ЭВЦМ по заранее составленной программе. После нахождения потенциальной кривой, когда установлен иотенциал для каждого значения X, а следовательно, известно из какой точки пространства вылетает группа частиц с измененным зарядом с задержкой т, определяют плотность плазмы в этой точке по изменению величины первичного пучка в результате повторной ионизации при помощи соответствующего сечения взаимодействия. Предмет изобретения Способ измерения параметров плазмы, находящейся в магнитных полях сложной конфигурации, путем зондирования плазмы монознергетическим пучком атомов или ионов, отличающийся тем, что, с целью определения локальной плотности и локального потенциала в каждой точке траектории зондирующего пучка, измеряют совместно количество, энергетический спектр и время пролета проходящих через плазму частиц зондирующего пучка с измененным зарядом, определяют по результатам измерения времени иролета и энергетическому спектру частиц распределение потенциалов в плазме, а по результатам измерения количества частиц с использованием соответствующих сечений взаимодействия - плотность частиц в плазме.

0