Способ измерения напряженности электрического поля Советский патент 1982 года по МПК G01N27/64 G01N27/66 

Изобретение относится к технике измерения напряженности электрического поля, . а точнее « бесконтактному измерению напряженности электрического поля в плазме несамостоятельного разряда, которая используется, например, в оптических квантовых генераторах.

Известен способ измерения напряженности электрического поля в плазме 1, основанный на использовании зондов Ленгмюра и заключающийся в том, что на два электрода, помещенные в плазму, подается от внешнего источника разность потенциалов, (уменьшающая до нуля электрический ТО.К на зонд, вызванный в цепи электродов электрическим полем плазмы. Недостаток этого способа заключается в том, что при измерении в неоднородном поле для повышения точности измерения зонды должны располагаться близко друг к другу, но при этом один из зондов оказывается в тени другого, т. е. заэкранированным от электронов или фотонов, индуцирующих несамостоятельный разряд, что приводит к ошибочным результатам. Кроме того, внесение зондов в плазму возмущает ее и может привести .к неустойчивости в несамостоятельном разряде.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ измерения напряженности электрического поля по измерению спектральной плотности излучения плазмы 2, заключающийся в том, что с помощью спектрального прибора

измеряется контур спектральной линии и по ее ширине определяется электрическое поле в плазме. Недостатками такого способа являются большое время измерения изза необходимости использовать спектральный прибор с высоким разрешением (не менее нм для водородной плазмы, где штарковское уширение максимально), что приводит к большим потерям интенсивности регистрируемого излучения; ограничение обл.асти применения упомянутого способа из-за сопутствующего ударного уширения спектральных линий, которое появляется при давлении нейтрального газа порядка атмосферного и выше.

Целью предлагаемого способа является повышение точности измерения электрического поля плазмы несамостоятельного разряда, уменьшение времени измерения, расширение диапазона измерений на область высоких давлений нейтрального газа, достижение простоты и надежности работы измерительной системьь

Зта .цель достигается тем, чТо в способе измерения напряженности электрического

поля в плазме несамостоятельного разряда, включающем измерение спектральной плотности излучения плазмы, измеряется спектральная плотность тормозного континуума, образующегося при рассеянии электронов на атомах и молекулах, по крайней мере на двух длинах волн, одна из которых находится Вблизи максимума интенсивности излучения. .На фиг.-1 изображена схема измерения, на фиг. 2 - зависимости спектральной плотности излучения от длины волны, на фиг. 3 - отношение интенсивностей излучения для фиксированных длин волн. Объект 1 излучает сплошной спектр. Линза 2 фокусирует излучение на входную щель спектрального прибора 3, например монохроматора, который выделяет две длины волны в заданном, спектральном диапазоне. Спектральную плотность тормозного излучения можно выразить следующим образом :,. Л„ d. : Л JsV(s) l/l-hio/s (s - h(o) .,(г) 4. hw ,(e-fic«), 4/2 e где A n,N Зтс/пз/2сз где Л/ - концентрация молекул; Пе - концентрация электронов; йщ- энергия фотона; е -: заряд электрона; щ - масса электрона; i с - скорость света; Те - парциальное сечение упругого рассеяния; f(e) - функция распре.деления элект ронов по энергиям, нормированная на единицу; f е/2Де)е. Численное решение уравнения (1) на примере разряда в азоте представлено на фиг. 2 в виде зависимостей спектральной плотности излучения от длины волны для разных значений параметров E/N, где Е- напряженность электрического поля, которая и подлежит определению. Видно, что в длинноволновой области спектра зависимость / X от параметра BIN слабая. Для определенности скажем, что при изменении параметра E/N в два раза, интенсивность Л меняется примерно на 30%. В коротковолновой области спектра имеет место сильная .зависимость /х от параметра EIN. Здесь при изменениях параметра на десятки процентов интенсивность сплошного спектра изменяется в несколько раз. Благодаря этому коротковолновая область спектпя ппиголна пля изменения папаметра E/N. Очевидно, что если зафиксировать две длины волны A,i и Яз, то для каждого значения параметра E/N отношение интенсивностей излучения на этих длинах волн будет вполне определенным. Т. (4) На фиг. 3 приведена рассчитанная для yVa зависимость величины f от параметра E/N для , нм и Я, шл. Определив экспериментально спектральным прибором величину, можно определить параметры E/N плазмы, пользуясь расчетной зависимостью (E/N). Если .концентрация .V в изучаемой плазме известна и в процессе измерения не меняется, в этом случае однозначно определяется напряженность поля Е. Зависимость для разных значений E/N можно получить и экспериментально, варьируя параметр E/N. Существует зависимость спектральной плотности тормозного континуума при рассеянии электронов на атомах и молекулах газа от напряженности электрического поля, а именно: для любого газа и смеси газов можно выбрать две длины волны, для которых будет иметь место слабая и сильная зависимости интенсивности излучения от параметра EIN. Максимальная точность измерения будет в том случае, когда одна из длин волн выбрана вблизи максимума излучения плазмы. В связи с использованием спектрального прИбора низкого разрешения ( 4 мм) регистрируемый световой поток по крайней мере в 400 раз больше чем в прототипе, что позволяет, например, при работе с импульсными разрядами проводить измерения за один импзльс, не набирая т статистических измерений, в результате чего время измерения уменьшается в т раз. Спектральный прибор низкого разрешения, используемый в предлагаемом способе, значительно проще и надежнее приборов для измерения ширины спектральных линий. Предлагаемый способ измерения напряженности электрического поля в плазме несамостоятельного разряда повышает точность измерения, не вносит искажений в измеряемый объект, уменьшает время измерения и не имеет ограничения по давлению нейтрального газа в плазме. Формула изобретения Способ измерения напряженности электрического поля в плазме несамостоятельного разряда, включающий измерение спектральной плотности излучения плазмы, отичающийся тем, что, с целью повыения точности и уменьшения времени измерения, улучшения надежности работы змеоительной системы, а также оасшиоения диапазона измерений на область высоких давлений нейтрального газа в разряде, измеряется спектральная плотность тормозного континуума, образующегося при рассеянии электронов на атомах и молекулах, по крайней мере на двух длинах волн, одна из которых находится вблизи максимума интенсивности излучения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М., 1969, с. 36. 2. Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме. М.,.1978, с. 273,

К ас ц.

„ Г Вт 1

7ffff эоо то

EJH10 8-CH

JSOff НМ}

иг. Z

lA

В.} В.2

D.1

иг.З