Способ измерения штарковской ширины линии в плазме

Изобретение относится к технике диагностики плазмы и может быть использовано для диагностики плазмы в плазмотронах, в установках управляемого. термоядерного синтеза (УТС) типа токамак, стелларатор и т.п.В настоящее время выбор того или иного способа диагностики плазмы определяется параметрами плазмы, в том числе, ее температурой, плотностью и временем существования. Настоящее изобретение направлено на разработку способа измерения штарковской ширины спектральной линии в плазме, несущей 15 информацию об электрическом поле в плазме или о концентрации примесей тяжелых частиц в импульсной плазме, применимого для диагностики плазмы .вне зависимости от вышеперечисленных 20 параметров.Известный способ измерения штарковской ширины спектральной линии, основанный на анализе спектра собственного излучения плазмы, мвжно использовать для диагностики как стационарной, так и импульсной плазмы. Однако он неприменим для диагностики высокотемпературной плазмы, в которой уширение спектральных линий происхо дит не столько из-за эффекта Штарка, сколько за счет эффекта Допплера.Кроме того, из-за реабсорбции, кото.-, рая проявляется тем больше в искажении профиля спектральной линии, чем больше плотность плазмы, применение этого способа возможно в некотором (определенном для конкретного вещества) диапазоне изменения плотностей плазмы, 40Известен способ измерения штарковской ширины линии основанный на нелинейной лазерной спектроскопии насыщения внутри доплеровской линии, который применим как для низкотемпе 4ратурной, так и для высокотемпературной плазмы. Возможности использования этого способа из-за реабсорбции определяются диапазоном плотностей исследуемой плазмы.Один из вариантов этого способаизмерения штарковской ширины линии наиболее близкой к предлагаемому, включает одновременное облучение плазмы двумя потоками лазерного излучения, первый из которых монохроматический с частотой, совпадающей с частотой Ы, излучаемой линии, и облучение плазмы вторым потоком монохроматического излучения с частотой, перестраиваемой в диапазоне от ы --ВИДЫ -4 Х 2 до ц + , где ды= 10 -10 ь Информацию о ширине штарковской линии получают путем измерения интенсивности проходящего через плазму излучения при изменении частоты второго потока.Недостаток этого способа заключается в применимости его к исследованию только стационарной плазмы и, к . тому же, с определенной плотностью. Последнее ограничивает возможности экспериментов со стационарной плазмой, а в целом этот недостаток ограничивает диапазон экспериментов с плазмой.Целью изобретения является обеспечение исследования плазмы в широком диапазоне изменения ее параметров: плотности, времени существования и температуры.Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения штарковской ширины линии в плазме, включающем облучение плазмы двумя 1 атаками лазерного излучения, первый из которых монохроматический с частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, в качестве второго потока лазерного излучения используют широкополосное излучение с центральной частотой, совпадающей с частотой исследуемой линии, при этом в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности первого потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, возникающую при облучении первым потоком и в одном интервале времени измеряют плотность интенсивности второго потока излучения и интенсивность флюоресценции плазмы, .возникающей при облучении ее вторым потоком, а затем по измеренным изменениям плотностей интенсивностей потоков излучения и интенсивностей флюоресценции определяют штарковскую ширину линии.На чертеже представлена схема установки, с помощью которой можно реализовать способ при исследовании импульсной плазмы.Установка содержит импульсный монохроматический лазер 1 с частотой й, Ф где Ы, - частота исследуемой линии (при этом ширина лазерной линии должна быть в 3-5 раз меньше ширины исследуемой линии), и широкополосный лазер 2, формирующий широкополосное излучение с частотами отфла 3люэ 5 ы - --- до ы + --- , Где В даэ2 2 фнамного превышает ширину исследуемой, линии (не менее, чем в 3-5 раз). В изображенной установке лазеры 1 и 2 установлены так, что формируемые ими1 О потоки излучения распространяются под углом друг к другу (в частном случае лазеры 1 и 2 могут Формиро- . вать параллельные потоки, при этом схема установки несколько иная), а15 излучение лазеров 1 и 2 линзами 3 и 4 соответственно Фокусируются в раз-. ных плоскостях поперечного сечения плазменной камеры 5Расстояние между фокусами Г, и Р линз 3 и 4 определя-20 ет пространственную разрешающую способность установки и ограничивается только дифракционной расходимостью лазерного излучения, Лазер 1 оптически связан с фотоэлектрическим измерителем 6, а лазер 2 - с измерителем 7.Регистрация интенсивностей флкюресценции плазмы под действием излучения лазеров 1 и 2 осуществляется измерителями 8 и 9 соответственно. 330 При этом перед выходом измерителя 8, установлена линза 10, фокус которой совпадает с местоположением фокуса Р линзы 3, а фокус линзы 11, установленной перед входом измерителя 9 35 совпадает с местоположением фокуса Г линзы 4. На входе каждого измерителя 8 и 9 установлены также ограничивающие диафрагмы 12 и 13 соответственно. 40Выходы измерителей 6, 7, 8, 9 подключены к регистратору 14, в качестве которого может быть использована ЭВМ.Сущность способа заключается в следующем.: 45Исследования в плазме проводят для .линии, частота ы которой равна частоте перехода с нижнего уровня на верхний в соответствии с двухуровневой моделью атома. 50При облучении плазмы потоком моно- хроматического излучения формируемого лазером 1, возникает флюоресценция плазмы, интенсивность которой в каждый момент времени на частоте с 0 исследуемой линии равна;С 1- ддф2(1 + С,) где- коэффициент, постоянный для конкретной геометрии установки и приа исследовании конкретной линии, д Я разность населенностей в верхнем и нижнем уровнях атома до воздействия лазерным излучением, С =Ы Б 2/ дмц,. - параметр насыщения плазмы под действием излучения лазера, 1, где а - коэффициент, Б, - плотность интенсивности излучения лазера, 1, д сош штарковская ширина линии, 3 - время жизни возбужденных атомов на верхнем уровне.Аналогично при облучении плазмы излучением лазера 2 интенсивностй флюоресценции плазмы в каждый момент времени равна;Су.7 4 л юв евДЯг(1+ С,)где С - параметр насыщения плазмыпод действием излучения лазера 2.Поскольку излучение лазера 2,широкополосное ( ОАаь )4 ) параметр С =Б /ДЮа, где Я - плотность интенсивности излучения лазера 2.В соответствии со способом, в интервале времени ЗС начиная с момен. та времени С , производят измерения1измерителем 6 плотности интенсивности Ялазера 1, а измерителем 8 - измерения интенсивности Л, флюоресценции плазмы. Измерения йроводят до ,момента времени 1, который в оптимальном случае соответствует моменту, когда интенсивности измеряемых вели-. чин максимальны. Аналогично в интер-, вале времени дй измерителя 7 и 9 измеряют плотность интенсивности Б лазера 2 и интенсивность флкюресценцИи Л, возникающей в результате облучения плазмы лазером 2. В случае диагностики импульсной плазмы измерения всех параметров следует проводить одновременно, а при диагностике стационарной плазмы выбор интервалов времени измерения величин Б Л и Б 3 определяется тем, насколько1быстро изменяется состояние плазмы,Следует отметить, что измерения можно проводить и дискретно, приэтом в зависимости от характера измерений (дискретный или непрерывный) выбирают соответствующий алгоритм обработки сигналов в регистраторе 14.При непрерывном измерении величи- . ны 8, Я, Л Л алгоритм обработки5 10 б 7930 бв регистраторе задают в соответствииг импульсной плазмы. Поскольку иэмеряес соотношением; мые параметры не связаны с температурой плазмы, возможности использования способа не ограничиваются температуЛ(1/8 ) и З(1/8 ) - величины ха Рой плазмы Явление реабсорбции сказывается на точности измерения только рактеризующие изменения 8, и 8 в инабсолютных значений. Л, и .1, и прак-. тервале (интервалах) времени измеретически не влияет на точность опре 10 деления величины д, (лы- опрехарактеризующие изменения Д, и Лделяется по отношению величин 1, и в интервале (интервалах) времени из. ), т.е. точность измерения практимерения.чески не зависит от плотности плазмы.Таким образом, способ применим для К достоинству способа следует отдиагностики как стационарной, так и нести простоту его реализации. Техред М.Моргентал Корректор Л.Па актор Н.Сильнягина ирак 84 Подписное каз 489 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. приятие Производственно-п город, ул, Проектна а ическое