Способ измерения напряженности магнитного поля в плазме при поперечном зееман-эффекте
Формула | Описание | Похожие патенты | МПК / Метки | Текст | Заявка | Код ссылки
Номер патента: 1690531
Автор: Смолкин
Формула
1. Способ измерения напряженности магнитного поля в плазме при поперечном Зееман-эффекте, включающий формирование поперечного потока излучения плазмы из области измерения магнитного поля, выделение потока излучения используемой спектральной линии с длиной волны 0 и полушириной
разделение потоков излучения p и
компонентов спектральной линии с помощью поляризаторов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и временной разрешающей способности, а также расширения функциональных возможностей путем одновременного измерения скорости V поступательного движения излучающих атомов или ионов, поток излучения используемой спектральной линии после его выделения преобразуют в параллельный световой пучок, разбивают пучок на четыре равных по интенсивности параллельных пучка, на основе которых формируют четыре регистрационных канала, параллельный пучок излучения в каждом регистрационном канале пропускают последовательно через поляризатор, ориентированный в первом и третьем регистрационных каналах перпендикулярно, а во втором и четвертом каналах параллельно по отношению к магнитному полю, диспергирующий элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины двупреломляющего кристалла, причем плоскость среза параллельна оптической оси Z кристалла, которая ориентирована под углом p/4 по отношению к оси поляризатора, а толщина пластины в первом и во втором каналах равна d1= d2= d = N
0/(ne-no), в третьем канале d3= d-
0/4(ne-no), в четвертом канале d4= d+
0/4(ne-no), где n0 и ne показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей в диспергирующем элементе, N целое число, а затем пропускают через анализатор, скрещенный с поляризатором, после этого потоки излучения в первом, во втором, в третьем и четвертом регистрационных каналах преобразуют в соответствующие фотоэлектронные сигналы F1-F4, из которых формируют основной измеряемый сигнал F
з+д= F1-F2, опорный сигнал F
0= F3+F4 и зависящий только от допплеровского сдвига спектральной линии сигнал F
дс= F3-F4, измеряют амплитуды сигналов F
з+д,F
o и F
дс и по результатам этих измерений определяют величины Н и V путем решения системы уравнений
0= 2
(ne-no)d
0/
20,
з= 2
(ne-no)
d
0/
20,
дс= 2
(ne-no)d
дс/
20,
где с скорость света в вакууме,
m0 масса покоя электрона.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поток излучения используемой спектральной линии после его преобразования в параллельный пучок подвергают электрооптической фазовой модуляции на частоте
Описание
Целью изобретения является повышение чувствительности, точности и временной разрешающей способности в измерениях напряженности магнитного поля в плазме при поперечном Зееманэффекте, а также расширение его функциональных возможностей путем одновременного измерения скорости V поступательного движения излучающих атомов или ионов.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа измерения напряженности магнитного поля в плазме при поперечном наблюдении; на фиг. 2 взаимная ориентация осей поляризатора, диспергирующего элемента (ось Z) и анализатора в поляризационно-дисперсионных ( П Д) блоках регистрационных каналов (РК), а также состояние поляризации











Способ измерения магнитного поля в плазме для случая поперечных наблюдений реализуется в устройстве, в состав которого входит объектив или система объективов 1; светосильный короткофокусный монохроматор 2; объектив 3 установленный на фокусном расстоянии от выходной щели монохроматора; установленный в параллельном (после объектива 3) световом пучке кристаллический электрооптический фазовый модулятор 4; зеркала 5 и 6 для разделения сформированного объективом 3 параллельного светового пучка на четыре равных параллельных пучка, на основе которых сформированы четыре регистрационных канала рk 1, рk 2, рk 3 и рk 4; в каждом регистрационном канале поляризатор 7, являющийся одновременно выходным элементом электрооптического (ЭО) фазового модулятора светового потока и выходным элементом П-Д блока и ориентированный перпендикулярно в рk 1 и рk - 3 каналах и параллельно в рk 2 и рk 4 каналах по отношению к направлению магнитного поля в плазме; диспергирующий элемент 8, выполненный в виде кристаллической, например кварцевой плоскопараллельной пластины с плоскостями среза, параллельными оптической оси Z кристалла (которая в свою очередь ориентирована в П-Д блоке под углом




При реализации способа бесконтактного измерения напряженности магнитного поля в плазме при поперечном наблюдении осуществляются следующие по порядку операции: формирование с помощью системы объективов 1 излучаемого плазмой поперечного к магнитному полю светового потока; выделение светового потока используемой спектральной линии с помощью светосильного короткофокусного монохроматора с широкой входной щелью, в качестве которого можно использовать призменный или диффракционный монохроматор или просто полосовой светофильтр с фокусирующим объективом и круглой диафрагмой вместо входной щели монохроматора; преобразование расходящегося после монохроматора 2 светового потока в параллельный световой пучок с помощью объектива 3, установленного на фокусном расстоянии от выходной щели монохроматора; периодическое ( с частотой

















Для количественного описания функциональной зависимости амплитуд измеряемых сигналов от напряженности магнитного поля и скорости поступательного движения излучателей в плазме воспользуемся синглетной спектральной линией, представив ее сначала в приближении монохроматической светавой волны с длиной



















где С скорость света в вакууме; е, mo заряд и масса покоя электрона.
Поворотом П-Д блока в целом вокруг собственной симметрии ориентируем ось поляризатора 7 в рk 1 и рk З регистрационных каналах перпендикулярно, а в рk 2 и рk 4 каналах параллельно к измеряемому магнитному полю в исследуемой области плазменного объема. Тогда после поляризатора при работе ЭO модулятора в максимуме напряжения питания Vм будут распространяться линейно поляризованные потоки излучения

Прошедшее через поляризатор излучение в каждом рk-канале попадает в. диспергирующий элемент (ДЭ). При указанных выше толщинах ДЭ
















Следовательно, поляризация излучения


Поскольку, однако, после ДЭ световые потоки в обоих каналах проходят через анализатор, скрещенный с поляризатором, то из сказанного выше становится ясным, что световой поток









Выделенные с помощью анализаторов в рk 1 и рk 2 каналах световые потоки после их преобразования в фотоэлектрические сигналы можно представить в виде

Здесь первый и второй (после буквенного) цифровые индексы обозначают соответственно номер рk-канала и номер периода Vм. Функции f1(


Если напряжение питания Vм не включено, то эффективная толщина ЭО кристаллического элемента пропорциональна четверти длины волны



Понятно, что при такой величине










Таким образом, во всех регистрационных каналах световые потоки (фотоэлектрические сигналы) будут промодулированы по фазе функциями f1(






Полярно, что при диагностике плазмы с применением ЭО фазовой модуляции светового потока все измерения разностных сигналов типа F1 F2 и F3 Р4 следует производить в фазе максимальных значений функций f1(


В рассматриваемых условиях для измерения напряженности магнитного поля необходимо сформировать разностный между рk 1 и рk 2 каналами фотоэлектрический сигнал

содержащий два разных по знаку импульса с равными амплитудами

а также суммарный от рk-3 и рk-4 каналов сигнал

содержащий два (по одному в каждом полупериоде Vм одинаковых положительных импульса с амплитудой
F








Как уже отмечалось, в приближении монохроматической световой волны проходящие через анализаторы в рk 1 и рk 2 каналах потоки излучения p компонента линии равны нулю (F








Учитывая, что основной измеряемый сигнал (6) в приближении монохроматической световой волны можно представить в виде




Здесь







Обратимся теперь к входящему в формулы (10) и (11) сигналу F










В лабораторных плазменных экспериментах величина Фo может быстро неконтролируемым образом изменяться в ходе эксперимента. Следовательно, для корректного измерения магнитного поля необходимо одновременно и с одинаковой высокой степенью точности измерять оба сигнала: F

Сформированный указанным выше способом опорный сигнал обладает уникальными свойствами и роль его в предлагаемом cпособе измерения магнитного поля в плазме чрезвычайно велика. В своем деле, сигнал Fo является суммой сигналов от рk 3 и рk 4 каналов, причем интенсивность световых потоков








Таким образом, опорный сигнал F


Таким образом, в отсутствие допплеровских смещений спектральной линии для измерения напряжения Н магнитного поля в плазме достаточно измерять амплитуду F



















Рассмотрим теперь случай, когда одновременно происходят зеемановское расщепление и допплеровское смещение спектральной линии в плазме, т.е. наряду со смещениями -













Разностный между рk 1 и рk 2 каналами сигнал в данном случае можно представить согласно (11) в виде

содержащем в одном периоде Vм два разных по знаку импульса с одинаковыми амплитудами

Опорный сигнал имеет прежний вид F






поскольку, как уже отмечалось, его амплитуда совершенно не зависит от допплеровских, штарковских, зеемановских возмущений спектральной линии.
Как и следовало ожидать в формуле (12) действия зееман- и допплер-эффектов разделились. Одно из них определяется функцией sin2(






который содержит два одинаковых по знаку и по амплитуде импульса в одном периоде напряжения Vм.
Таким образом, П-Д способ измерения магнитного поля для случая поперечных наблюдений обеспечивает возможность одновременного измерения напряженности Н магнитного поля и скорости V1 поступательного движения излучателей в плазме. Для этого необходимо ( и достаточно) измерить три сигнала: основной (12), опорный (0) и сигнал допплеровского сдвига (14). Затем с помощью двух последних определяются дисперсия разности фаз колебаний


























На фиг. 6 представлена форма сигналов рk 3 pk 4 каналов, а также разностного F3 F4 и суммарного F3 + F4 сигналов за один период колебаний напряжения Vо. Понятно, что в обоих вариантах допплеровского смещения (-







Для количественной оценки чувствительности П-Д метода к магнитному полю и динамического диапазона измеряемых полей в варианте поперечных наблюдений была вычислена по формуле (13) зависимость отношения измеряемых сигналов F




График 1 вычислен при использовании синглетной спектральной линии СI2478, 56



График 2 вычислен при использовании синглетной спектральной линии Не 16678, 15




График 3 получен при использовании дублетной линии H





Из приведенных на фиг. 7 графиков видно, что предельный малый уровень нескомпенсированного фона, обеспечиваемый схемой дифференциального усиления, составляет 10-4. Следовательно, пороговая чувствительность, например, по графику 1 составляет несколько сот эрстед. Динамический диапазон измеряемых полей по графикам ( фиг. 7) составляет около двух порядков величины.
Для количественной оценки чувствительности предлагаемого метода к скорости V поступательного движения излучателей в плазме и соответствующего динамического диапазона измеряемых скоростей была вычислена зависимость отношения измеряемых сигналов F




Представленные на фиг. 8 результаты численных расчетов свидетельствуют о высокой (~ 102 103 см/с) пороговой чувствительности П-Д метода к скорости V поступательного движения излучателей в плазме. Диапазон измеряемых скоростей составляет около четырех порядков величины.
Как уже отмечалось, все представленные в этом описании количественные оценки способа измерения магнитного поля в плазме в случае поперечных наблюдений были сделаны для случая строго поперечных наблюдений







Кроме того, на начальном этапе использовалось приближение монохроматической световой волны, которой соответствует бесконечно тонкая спектральная линия.
В результате проведенного анализа была получена следующая функциональная зависимости амплитуды измеряемого сигнала от угла наблюдения q:
F







при опорном сигнале Fo=


Естественно, что в приближении конечной полуширины спектральной линии получится точно такая же функциональная зависимость амплитуды сигнала от угла





При опорном сигнале Fo=



В соответствии с этой формулой амплитуда сигнала максимальна при



Таким образом, формула (16) позволяет измерять напряженность магнитного поля Н, если известен угол наблюдения


Направим оптическую ось прибора перпендикулярно боковой поверхности плазменного тороида вдоль большого радиуса R (фиг. 9). Тогда оба компонента поля (Нp, и Hт) будут перпендикулярны к линии наблюдения. Направим диагностический атомный пучок вертикально в точку пересечения ro с линией наблюдения. Для регистрации сигнала от Нр в различных точках радиуса r инжектор пучка атомов должен перемещаться горизонтально или изменять свою ориентацию вокруг горизонтальной оси так, чтобы точка пересечения пучка с линией наблюдения могла перемещаться по радиусу камеры токамака вдоль линии наблюдения.
Для измерения Нp (r) сфокусируем входной объектив монохроматора на элемент объема плазмы с размерами 0,2 х 0,2 х 3 см в точке ro. Поворотом П-Д блоков в рk 1 и рk 2 каналах вокруг собственных осей симметрии ориентируем оси поляризаторов симметрично ( под углами


Угол поворота суммарного Нт + Нр магнитного поля относительно поля Нр можно представить в виде

Тогда амплитуда разностного между рk 1 и рk 2 каналами сигнала, связанного с разбалансом схемы при появлении Нр, будет равна

Численные расчеты зависимости величины F





Напомним, что параметр устойчивости плазменного тороида в токамаке
q(r)=r


где R большой радиус токамака.
Причем q(r) равен 2,5 на периферии и 1 в приосевой области плазменного тороида. Тогда, например, при R 150 см, Hт 3


Из приведенных на фиг. 9 данных видно, что на периферии (rо 20 см) отношение сигнала F















Эффективность использования первичного светового потока, поступающего на вход устройства для реализации способа,

где К 1 отношение ширины выходной щели монохроматора к полной ширине контура используемой спектральной линии;
D диаметр;
f фокусное расстояние объектива, формирующего световой поток,
а вх и h вх соответственно ширина и высота входной щели монохроматора, выделяющего используемую спектральную линию.
Как и в случае продольных наблюдений этот параметр П-Д способа измерения магнитного поля в плазме в случае поперечных наблюдений необычайно высок.А это в свою очередь позволяет в 10 2 3

Габариты устройства для реализации предполагаемого П-Д способа измерения магнитного поля в плазме в случае поперечных наблюдений будут полностью идентичными габаритам устройства для реализации П-Д способа измерения магнитного поля в случае продольных наблюдений, т.е. они будут в 15-35 раз меньшими по сравнению, например, с габаритами солнечных магнитографов.
Подробно следует рассмотреть вопрос о такой важнейшей характеристике способа, как временная разрешающая способность. В настоящем способе измерения магнитного поля в случае поперечных наблюдений временная разрешающая способность определяется частотой

Существует, однако, большое число различного рода экспериментальных установок, на которых ведутся исследования быстрых и сверхбыстрых плазменных процессов с очень малыми характерными временами, достигающими в пределе наносекундных и возможно даже субнаносекундных интервалов. Это пинчи, плазменные фокусы, установки с лазерным, электронно-пучковым, ионно-пучковым УТС и др. Проблема корректного измерения магнитных полей в такого рода экспериментах не менее актуальна чем, например, в экспериментах на упомянутых квазистационарных установках. Однако существенное (104 раз) повышение временной разрешающей способности предлагаемого П-Д метода применительно к таким быстрым процессам путем простого повышения частоты n ЭО модуляции светового потока едва ли вообще возможно и разумеется совершенно нецелесообразно, поскольку есть другой гораздо более простой путь достижения той же цели. Для ее реализации следует просто полностью отказаться от метода ЭО фазовой модуляции светового потока используемой спектральной линии, т.е. в схеме на фиг. 1 исключить кристаллический элемент 4 ЭО модулятора светового потока. При этом для дополнительного усиления сигналов, поступающих от дифференциального усилителя на вход ЭВМ, естественно следует использовать гораздо более широкополосный усилитель.
Основной измеряемый сигнал в данном случае описывается формулой

опорный сигнал формулой
F



и сигнал, обусловленный только допплеровским сдвигом спектральной линии, формулой

в которых функции ЭО модулятора f1 (

На пути светового сигнала в этой схеме единственным сравнительно инерционным элементом является фотоэлектронный регистратор (ФЭР), т.е. открывается возможность реализации эффективного корректного бесконтактного измерения магнитных полей в плазме с наносекундным временным разрешением, если в качестве ФЭР используется фотоэлектронный умножитель, и даже возможно с субнаносекундным разрешением, если организовать высокоскоростную временную развертку световых сигналов рk 1, рk 2, рk 3 и рk 4 регистрационных каналов с помощью импульсного электронно-оптического преобразователя с предельным усилием яркости изображения.
В экспериментах на токамаках или других квазистационарных установках также можно применять предлагаемый П-Д способ измерения магнитного поля без ЭО модулятора. Следует только помнить, что использование метода ЭО фазовой модуляции светового потока снимает проблему обеспечения широкополосного дополнительного усиления сигналов, поступающих от дифференциального усилителя на вход ЭВМ, и может оказаться даже более важным в некоторых спектроскопических экспериментах, например в экспериментах с лазерной флюоресценцией на токамаках ЭО, фазовый модулятор светового потока позволяет освободиться от поступающей неконтролируемым образом сильной фоновой засветки на участке спектра с используемой спектральной линией. 2 4
Изобретение относится к технике физического эксперимента и может найти применение в лабораторных плазменных экспериментах, в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, в астрофизических наблюдениях. Цель - повышение точности измерений, временной разрешающей способности и расширение функциональных возможностей. Для измерения магнитного поля при поперечном Зееман-эффекте используется эффект дисперсии разности фаз колебаний обыкновенного и необыкновенного лучей в двухпреломляющем кристалле в комбинации с техникой дифференциального усиления малого сигнала на фоне большого. 1 з. п. ф-лы, 9 ил.
Рисунки
Заявка
4774603/25, 28.12.1989
Смолкин Г. Е
МПК / Метки
МПК: H05H 1/00
Метки: зееман-эффекте, магнитного, напряженности, плазме, поля, поперечном
Опубликовано: 20.07.1996
Код ссылки
<a href="https://patents.su/0-1690531-sposob-izmereniya-napryazhennosti-magnitnogo-polya-v-plazme-pri-poperechnom-zeeman-ehffekte.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Способ измерения напряженности магнитного поля в плазме при поперечном зееман-эффекте</a>
Предыдущий патент: Фотопроводящий слой электрофотографического материала
Следующий патент: Способ получения средства для лечения эндометритов и маститов у животных
Случайный патент: Способ автоматического торможения реверсивного стана холодной прокатки