Способ определения параметров плазмы Советский патент 1980 года по МПК H05H1/00 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ

1

Изобретение относится к области диагностики плазмы и может быть ис пользовано для определения пространственного распределения концентрации и энергетического спектра атомов Нейтрального газа в водородной или дейтериевой плазме.

Информация р пространственном распределении атомов нейтрального газа получается в настоящее время из спектроскопических боковых наблюдений с последукициМ преобразованием типа преобразования Абеля.

Известен способ определения параметров плазмы при помощи лазерногр зондирования путем измерения . спектра рассеянного излучения 1. Однако этот способ не пригоден для определения плотности нейтралов.

Наиболее близким к предлагаемому. техническому решению является способ определения, параметров плазмы путем зондирования резонансной электромагнитной волной и регистрации рассеянного плазмой излучения СИ .

В.качестве источника резонансно го излучения (Л 1216 А) в этом способе использовалась лазерная плазма, которая получалась при фокусировvj излучения импульсного лазера на .

неодимовом стекле на поверхность твердой мишени. Источник этого излучения помещен в фокусе сферического (или параболического) зеркала, обеспечившего фокусировку излучения в исследуемом объеме. Для пространственного сканирования излучения, возбужденных на уровень 2р атомов водорода, использовалась размещенная в вакууме сканирующая система.

Интенсивное излучение плазменного фокуса вызывает резонансный переход атомов водорода с невозбужденного со(5 стояния 15 на уровень-2р, с последующим спонтанным распадом возбужденного уровня. Распад вынужденного возбужденного состояния атомов водорода сопровождается излучением электромагнитной волны на длине волны Д

1216 А, приче.-i интенсивность этого резонансного излучения пропорциональ:на концентрации атомов водорода в облучаёмой точке плазменного объема.

25 Излучение атомов водорода принимается при помощи фотодетектора, соединенного с плазменной установкой вакуумированным каналом. Нижний предел iизмерения концентрации нейтра ьньк

30 атомов водорода составляет 10 см . Применейие этого способа на реаль ных Плазменных установках затрудняет ся необходимостью учета самообращени ригнала на пути рассеивающий объем спектрометр, засветкой поля зрения приемной системы резонансно рассеянным излучением объема, освещаемого зондирующим источником, что ухудшает соотношение сигнал/шум и не позволяет проводить измерения в условиях насыщения перехода. Кроме того, регистрация полезного сигнала в области вакуумного ультрафиолета приводит к использованию аппаратуры с низкой чувствительностью по сравнению с аппаратурой видимой области спектра, что не позволяет с достаточной точностью измерить спектральный состав резонансно рассеянного излучения, а следовательно энергетический спектр атомов водорода в плазме. К тому же технически сложно создать сканирующу систему, удовлетворяющую вакуумным условиям плазменной установки. Цель изобретения - расширение диапазона измерений локальных значёНИИ концентрации и измерения энергетическрго спектра нейтральных атомов водорода (дейтерия). Это достигается тем, что плазму зондируют одновременно двумя электро магнитными волнами с частотами, соот ветствующими резонансным частотам переходов соседних возбужденных состояний атома водорода (дейтерия). Излучение лазерно-плазменного источника вакуумного ультрафиолета воз буждает переход lS-2p, вызывая увели чение заселенности уровня 2р. Одновременно с этим исследуемый объем плазмы подвергается воздействию излу чения лазера на растворе органически красителей с длиной волны 6563 А. Из лучение этого лазера возбуждает пере ход 2p-3d. Интенсивность спонтанного излучения при радиационном распаде возбужденного уровня 3d пропорциональна заселенности уровня IS, а дли на регидтрируемого излучения (JL 6563- А) соответствует красной области видимого спектра. Ширина спект ра регистрируемого сигнала пропорциональна Ti и может быть измерена при помощи стандартной аппаратуры ви димого диапазона спектра. Кроме того так как заселённость уровня 2р велик только в области зондирующего луча лазернотплазменного источника, самообращения спектра излучения при пере ходе 3d-2p не происходит. Для того, чтобы убедиться в эффективности перекачки электранов в атоме водорода с уровня IS на уровень 3d методом каскадного возбуждения, рассмотрим следующую систему уравнений.: i lP VV 3l lPfV n- 2VfnzPfi 2f 2P(6 ) где п ;п2;Пу - плотность заселенности соответственно на , уровнях 1, 2 и 3; pfi) р- спектральная плотность накачки на 1216 А; спектральная плотность накачки на 6563 К; Ai - вероятность спонтанного перехода с IS на уровень 2р; Bi) - вероятность вынужденного перехода с 2р на уровень 3d под действием излучения. J()) . При больших плотностях накачки доминирующими будут вынужденные переходы между уровнями 1, 2 и 3, поэтому (lP(l 2 3PfVVV 2 2r2/ 23-° b/(ifl)8,3-n,p(i) Учтем, что BI - ВкЬ где q. qi - статистические веса уровня К и i соответственно тогда ,- . -e-nj ffn r Как вййно из решения системы уравнений, в случае каскадной накачки происходит эффективное заселение уровня 3d, пропорциональное концентрации атомов водорода в основном (IS) состоянии. На чертеже приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа. Излучение неодимового лазера 1 фокусируется на вольфрамовую мишень 2. Под действием излучения лазера на поверхности мишени возникает плотная высокотемпературная плазма, которая являете источником излучения cjl 1216 А. Изображение плазменного образования, с характерным размером около 1 мм, проецируется при помощи зеркала 3 в исследуемый объем 4. Излучение лазера 5, работающего на растворе красителей родамина 6Ж и крезилового фиолетового в этаноле, проецируется в исследуемый объем при помощи линзы 6. Резонансно рассеянное излучение Я 6563 А собирается линзой 7 и проецируется на входную щель монохроматора 8, который сочленен с фотоэлектрической многоканальной системой 9, позволяющей анализировать энергетический спектр принимаемого излучения. Полученные данные позволяют определить конструкцию и температуру нейтральных атомов водорода (дейтерия) . Таким образом, преимущества предложенного способа заключается в следующем . Расширяется диапазон измеряемых концентраций атомов водорода на два порядка за счет переноса измерений в видимую область спектра.

Отсутствует самообращение полезного сигнала.

За счет повышения чувствительное-. ти метода становится возможным изме-рение спектрального состава рассеянного излучения, а следовательно, и энергетического спектра нейтральных атомов водорода (дейтерия).

Регистрация электромагнитной волны в- видимой области значительно упрощает технику измерений вследствие использования стандартной аппаратуры и приемов, разработанных для видимого диапазона.

Формула изобретения

Способ определения параметров плазмы путем зондирования резонансной электромагнитной волной и регистрации рассеянного плазмой излучения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений локальных значений концентрации и измерения энергетического спектра нейтральньлх атомов водорода (дейтерия) , плазму зондируют одновременно двумя электромагнитными волнами с частотами, соответствуйщими резонансным частотам переходов соседних возбужденных состояний атома водорода (дейтерия).

Источники информации,

0 принятые во внимание при экспертизе

0 1974, с. 16.