Способ измерения коэффициента диффузии заряженных частиц в плазме

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ СПУБЛИК 5 Н 1/ 01 И 21/О(54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИ- . ЕНТА ДИФФУЗИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ, основанный на создании в плазме локализованного возмущения концентрации заряженных, частиц и ре- гистрации изменения во времени концентрации заряженных частиц, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью обеспечения измерений в высокотемпературной плазме, возмущение создают путем воздействия на плазму импупьсным монохроматическим лазерным излучением, частота которого совпадает с,частотой спектрального перехода одного из атомов в плазме.физик Н.Полуш ряженных оле. Усс. 377 Диффузия магнитно т. 79, У ский В.Л. Зквание волн тиц в газе, поле. Радиот. 7, 1 5АРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР АМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт прикладнАН СССР(56) Голант В.Е.частиц плазмы влехи физ, наук.,440, 1963Голубев В.С., Граноспериментальное исследодиффузии заряженных часпокоящемся в магнитномтехника и электроника.с. 880-889, 1962. 80109321093228 Изобретение относится к способам диагностики плазмы и может быть использовано для изучения механизмов переноса заряженных частиц в широком диапазоне параметров плазмы (как низкотемпературной, так и высокотемпературной).Настоящее изобретение направлено на решение задачи измерения коэффи циента диффузии заряженных частиц в высокотемпературной плазме. Актуальность указанной задачи определяется тем, что создание термоядерных реакторов опре-. деляется решением проблемы удержания 15 плазмы. В свою очередь, время сущест. вования плазмы зависит прежде всего от скорости диффузии заряженных частиц на стенки реактора. Несмотря на то, что подавляющее число экспериментов по исследованию диффузии в последние три десятилетия ставилось в связи с решением задачи удержания высокотемпературной плазмы, до настоящего времени о диффузии судяткак 25 правило, только по времени удержания плазмы и пользуются грубыми оценками баланса частиц.Так, известен способ измерения коэффициента диффузии по скорости раеФпада плазмы, в которой отсутствует ионизация, основанный на том, что плотность плазмы после выключения источника ионизации в любой точке экспоненциально уменьшается во времени, З 5 при этом постоянная времени распада определяется только геометриейэк- спериментальной установки и коэффициентом диффузии. В соответствии с этим способом тем или иным известным методом измеряют скорость уменьшения концентрации заряженных, частиц в распа-. дающейся плазме и по измеренной величине рассчитывают коэффициент диффузии. 45Недостатком этого способа является неадекватность измеренных величин измеряемым: полученные результаты не могут характеризовать реальную плазму и те диффузионные прОцессыф которые 50 в ней происходят, поскольку измерения проводят на поздних стадиях распада плазмы, когда плазма становится изотермичной и температура заряженных частиц (электронов и ионов) совпадает 55 с температурой остаточного газа.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ1 измерения коэффициента диффузии, ос 2нованный на создании в плазме кратко- временных локализованных возмущений концентрации заряженных частиц и регистрации изменения во времени кон" центрации заряженных частиц. В соответствии с этим способом, с помощью внешнего источника плазмы, расположенного на границе области исследуе" мой плазмы, создают последовательность сгустков дополнительной плазмы, распространяющихся в исследуемой области. С помощью зонда, расположенного на большом по сравнению с характерным линейным масштабом изменения концентрации плазмы расстоянии от источника дополнительной плазмы, регистрируют изменение концентрации заря" женных частиц в какой-либо определенной точке в зависимости от времени. Затем решают уравнение диффузии заряженных частиц для определенных параметров плазмы и конкретных геометрических условий эксперимента. По рассчитанным теоретическим зависимостям концентрации зарядов от коэффициента диффузии, координаты и времени и по экспериментально измеренной величине концентрации в определеннойточке в определенный момент времени определяют коэффициент Р диффузии.Недостатком этого способа является искажение первоначальных условий в плазме при введении в исследуемую область источника дополнительной плазмы, что снижает точность измерений. К другим существенным недостаткам этого способа относится его использование для определения коэффициента диффузии лишь в низкотемпературной плазме. Он неприменим для исследования процессов диффузии в высокотемпературной плазме, поскольку введение в область разряда источника дополнительной плазмы приводит к охлаждению плазмы и изменению ее химического состава.Целью изобретения является обеспечение измерения коэффициента диффузии в высокотемпературной плазме.Поставленная цель достигается тем, что при измерении коэффициента диффузии в плазме способом, основанным на создании вплазме кратковременного локализованного возмущения концентрации заряженных частиц и регистрации изменения во времени концентрации заряженных частиц, указанное возмущение создают путем воздействия на плазмуимпульсным монохроматическим лазерным излучением, частота которого совпадает с частотой спектрального перехода одного йз атомов в плазме.5Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.При воздействии на плазму импульсным монохроматическим лазерным излучением, частота которого совпадает 10 с частотой спектрального перехода атомов, в области взаимодействия плазмы с излучением увеличивается концентрация атомов в верхнем возбужденном состоянии. В результате газо- д 5 кинетических столкновений возбужденных атомов с атомами в основном состоянии происходит процесс ассоциатив.- ной ионизации с образованием молекулярного иона по схеме 20А+ А Ат+ е, (1) следствием чего, является образование возмущения концентрации заряженных частиц, состоящего из электронов и молекулярных ионов, в небольшой области плазмы, определяемой поперечным сечением лазерного луча. Используя фокусировку лазерного луча, эту область можно сделать сколь .угодно малой. Это локализованное возмущениелформируется за время Допределяемое длительностью импульса лазерного излучения, а затем начинает расплываться вследствие диффузионных процессов.35Измеряя с помощью любого известного способа изменение концентрации .за-ряженных частиц в какой-либо определенной точке исследуемой плазмы в зависимости от времени и решая затем 40 уравнение диффузии для определенных параметров плазмы и конкретных геометрических условий эксперимента, можно определить коэффициент Р диффуэии заряженных частиц.45На чертеже представлена схема одного из устройств, с помощьюкоторого можно реализоватьпредлагаемый способ измерения коэффициента диффузии заряженных частиц в высокотемпературной плазме.Для создания возмущения концентрации в плазме устройство содержит расположенные на одной оптической оси импульсный перестраиваемый лазер 1,55 настроенный на частоту спектрального перехода атомов в исследуемой плазме, установленную с возможностью перемещения длиннофокусную линзу 2 и поворотное зеркало 3. Зеркало 3 и линза 2 обеспечивают фокусировку излучения лазера 1 в любой точке плазменного объема 4,Для регистрами изменения концентрации заряженных частиц в плазмеустройство содержит расположенные наодной оптической оси импульсный перестраиваемый лазер 5, настроенныйна частоту, совпадающую с частотойспектрального перехода молекулярныхионов, образующихся в области возмущения концентрации заряженных частицв исследуемой плазме в результате реакций (1), длиннофокусную линзу 6,установленную с возможностью перемещения, и поворотное зеркало 7. Линза6 и зеркало 7 обеспечивают фокусировку,излучения лазера 5 в любой точкеплазменного объема 4, Устройство содержит также расположенное на.однойоптической оси линзу 8, спектральныйфильтр 9 и фотоэлектронный умножитель10, подключенный к регистратору, вкачестве которого может быть использован осциллограф, ЭВМ и т.п.Пример.Импульсный лазер 1 представляетсобой перестраиваемый лазер на спиртовом растворе родамина 6 С с накачкойот второй гармоники серийно выпускаемого лазера ЛТИПЧ 8. Сначала, путемперемещения линзы 2 и поворота зеркала 3, обеспечивают фокусировку излучения лазера 1 в точке Р плазменного объема 4 и воздействуют на плазму. импульсным монохроматическим лалзерным излучением. Длительность 3 цимпульса составляет 15 нс, мощностьгенерации10 кВт, ширина полосы генерации 0,2 А. Как показали результаты экспериментов, указанная мощностьвполне достаточна для насыщенияспектральных переходов в гелиевой,неоновой и водородной газоразряднойплазме при плотностях тока . до 10 . Авторы экспериментально опАсмределили, что,насыщение перехода, например 2 рр - 36 Э в гелии и 2 р 38 То2 р 53 р в неоне приводит к появлениювозмущения дпконцентрации зарядов,в разряде, которое составляет 1-2 Жот начальной концентрации п заря-,женных частиц, Указанное локальноевозмущение практически не приводитк изменению физических свойств плаэ-.109 З 228 6процесса диффузии заряженных частиц я в плазме, Расстояние а г между точками Р и Б выбирают из условия, чтобы Эг было меньше характерного линейно 5го масштаба изменения параметров плазмы. Поскольку процесс (расплывания) начального возмущения описывается уравнением диффузии, решение которого для однородной стационарной плазмы хорошо известно: 40 Г Г дг 1 7 (Ьг) 1 40 д 1 ф мы, поскольку изменение концентрации электронов и их нагрев за счет пробо плазмы происходят при мощностях, на 4-5 порядков превышающих использован ную. Указанное возмущение 3 пр концентрации плазмы измеряют наиболее чувствительным в настоящее время спо собом, основанным на использовании явления резонансной лазерной фпюорес ценции плазмы. Указанный способ позволяет измерять концентрации частйц вплоть до малых (, 10 ф см-Р) значений. В установках же с высокотемпературной плазмой изменение концентра ции на 1 Х приводит, кувеличению кони центрации п на величину 10"-1 О см Р, т.е. на 3-4 порядка больше минималь-, но измеряемой. Для измерения Ллр в точке Р перемещением линзы 6 и по О воротом зеркала У обеспечивают фокусировку излучения лазера 5 ы сразу же после воздействия на плазму импульсным излучением лазера 1 осуществляют импульсное воздействие на плаз му монохроматическим излучением лазера 5 (длительность Д симпульса 10 нс). Так как частота излучения лазера 5 совпадает с частотой спект рального перехода молекулярных ионов, ЗО возникающих в области возмущения , плазмы лод воздействием лазера 1, в указанной области возникает фпюоресценция плазмы, интенсивность которой пропорциональна величине возмущения концентрации. Сигнал флюоресценции с помощью линзы 8 и спектрального фильтра 9 подают на фотоумножитель 10 и далее на регистратор. Измеряя величину сигнала фпюоресценции, определя- О ют увеличение впконцентрации в точке Р. Затем, через время В я Д 3, которое выбирают не превышающим времени изменения параметров ис-, следуемой плазмы, измеряют изменение 45 Дп концентрации в точке Я плазменного объема 4, являющееся результатом измеряя д п и дп определяют коэффициент Р диффузии из соотношения (2),Авторами был экспериментально измерен коэффициент Р диффузии заряженных частиц в низкотемпературной плазме. Измеренные значения коэффициентаР совпадают с их значениями, известными для данных условий эксперимента, что подтверждает работоспособность способа.Таким образом, предлагаемый способ не накладывает принципиальных ограничений на диапазон параметров исследуемой плазмы. Как и известный способ, являющийся одновременно и прототипом и базовым объектом по отношению к предлагаемому споеобу, предлагаемый способ позволяет осуществлять измерения в низкотемпературной плазме, и, кроме Того, в отличие от известных способов, предлагаемый способ позволяет осуществлять измерения в высокотемпературной плазме.Следует отметить, что реализации способа не вызовет больших затруднений, поскольку в настоящее время практически на всех крупных термоядерных установках имеется аппаратура для измерения концентрации электронов ло рассеянию лазерного излучения (способу менее чувствительному, чем способ, основанный на лазерной флюоресценции плазмы, но наиболее рас,пространенному).1093228 сирам ехРед М Чоргента аж 832 дписно аказ 48 Тир ВНИИПИ Госу по делам 3035, Москвомитета СССР открытииая иаб., д, 4/5 дарственного изобретений Ж, Раушс о-полиграфическое предпри ие, г водс Редактор Н.Сильнягина орректор Л Патай жгород, ул. Проектная,