Способ диагностики плазмы

1Изобретение относится к областиоптической измерительной техники иможет быть использовано в интерферометрии, спектроскопии и голографии,Целью изобретения является увеличение избирательности определенияотдельных компонентов и расширениединамического диапазона измеряемыхконцентраций компонентов при диагностике многокомпонентной нестацио- Онарной плазмы,На фиг, 1 показаны положения линийпоглощения в спектре, зависимостьпоказателя преломления многокомпонентной плазмы от длины волны и 15спектр эондируемого лазерного излучения; на фиг.2 представлена схемаустройства, реализующего способ.Устройство содержит лазер с зеркалом 1, кювету 2 с красителем, ин Отероферометр фабри-Перо (ИФП) 3 ивторое зеркало 4, Лазер являетсяисточником линейчатого спектра генерации. Расстояние в спектре междулиниями генерации ь 3 определяют выбором базы интероАерометра с, которые связаны между собой соотношениемО=в (1)2 сф ЗО 1289195 в 5 раз меньшей (соответствующейад 1083 ) где 4 - длина волны генерации.Источник линейчатого спектра освещает интерферометр, включащий полупрозрачное зеркало 5, оптический клин б, линзу 7, зеркало 8 в опорном 35 канале и зеркало 9, линзу 10, зеркало 11 и диафрагму 12 в измерительном канале, 13 - исследуемый объект. Пучки всех длин волн сводятся на широко открытой входной цели 14 спектрогра- ф фа 15, который пространственно разделяет пучки различных длин волн. Интерференционная картина регистрируется в выходной полости спектрографа на фотопластинке 16.Показатель преломления определяется суммой вкладов всех компонентов плазмы, и для плазмы выского давления, когда контуры линий имеют лоренцевский вид, рефракция определяетО ся следующей Аормчлой:пР)-1 = с Е - -- (2)Е М Л (Л-Л)О- л,)" +(-М,;) где с = 2 24 х 10 4 см;Е- - сила осциллятора уровня;1Б - ширина линия перехода на4" длина волны перехода;И, - концентрация атомов илиионов.В соответствии с формулой (1) показатель преломления быстро растет вбиэи каждого компонента плазмы, обеспечивая высокую чувствительность измерений по отношению именно к этому компоненту. В то же время по отношению к другим компонентам чувствительность измерений меньше во столько раэ, во сколько раз линии поглощения этих компонентов дальше от зондирующей ливии, что и обеспечивает избирательность измерений.Для определения вкладов, обусловленных отдельными компонентами, зондируют плазму спектром равноотстоящих линий, С целью диагностики отдельных компонентов многокомпонентной нестационарной плазмы с вы сокой избирательностью формируют этот спектр так, чтобы в окрестности каждой линии поглощения плазмы обязательно попадала по крайней мере одна из линий генерации, причем без какой-либо предварительной настройки, то есть спектр генерации может произвольо располагаться по оси 1 относительно заданного спектра поглощения. Это достигается тем; что линии генерации лазера создаются со спектральным интервалом аЛ между ними, составляющим 1-10 полуширин линии поглощения 6; . Последнее позволяет проводить диагностику компонентов плазмы избирательно в условиях, когда чувствительность иэ"мерений велика и меняется в пределахот максимально достижимой (соответствующей д 3 = 0,581; ) до примерно Зондирование таким спектром значительно расширяет диапазон измеряемых концентраций, поскольку в этом случае вблизи линии поглощения. одного компонента плазмы расположены сразу несколько линий спектра генерация, генерируемых одновременно и расположенных в разных расстояниях от линии поглощения. Это обеспечивает и выс ".;ую увствительность, а следовательно, воэможность измерения малых концентраций на более близких к линии поглощения, линиях генерации, так и Воэможность измерения больших1дующим причинам. С ростом лирицы зоцлируюптейт пицци сужается диапазон иэмеряемьтх концентраций и ухудшается чувствительность измерений. Если потребовать, чтобы ухудшение чунстнцтельности и сужение диапазона из" иэмеримьгт концентраций при уширеции эоцдируюптей линии происходило це более чем н 2 разя по сраннецию с моно- хроматическим зондирующим излучением, тс необходимо, чтобы зоцдцруюптяя линия быца уже, чем линия поглощения.Для создания требуемой птирины линии генерации н устройстве использукт свттзь шприцы линии генерации ВЛ с коэффициентом отражения К зеркал ицтерферометра; 1, г-в 1, БТ Ь = -атснт.тт1 ехр(-: - )-.1 ),(3) где - эффективное время импульэтса генерации лазера.Согласно формуле (3) необходимой ниртттттп ттиции генерации можно добиться выбором баэтп ицтерферометра коэффициецта отражения зеркал К или длитепьттос.лт лазерного импульса 1 Поскольку и определяет расстояние между тттттцлмтт гецсраццц, та для за" дация п 1 трины линии предлагается варьировать посттеттцтте дна параметра3 128)195концентраций на более далеких от линии поглОщения линиях генерации сменьтпей чувствительностью. Перечисленные достоинства являются принципиальными при диагностике пространстненно-неоднородной мцогокомпонентной плазмы, у которой концентрациимогут сильно различаться как междуразными компонентами, так и н гространстве, а априорная информация 10о величине концентрации отсутствует.Одновременность эонидцровацияпозволяет получить полную картинупроходящих в плазме процессов ц изучить влияние каждого из компонентовна всю плазму в целом несмогря цато, что параметры последней быстроменяются во времени.Для определения пространстненцогораспределения концентрации каждого 20иэ компонентов производится растпиф" ровка Я интерферограмм, соответствующих И разным длинам волн, На основании соотношения (2) записываетсясистема из И уравнений, что даетвозможность определять концентрации И различных компонентов. В случае,если число компонентов цлазют меньше числа генерируемых линий, можно увеличить точность определения отдельньм компонентов эа .счет использона ния для определения одного компонента нескольких линий генерации.Положительный эффект может быть достигнут н случае выполнения усло вий, определяющих ширину линии генерации. Ширина линии генерации ограничивается.сверху шириной линии погттоп 1 ения. 40 Это условие обеспечивает высокую чувствительность, избирательность, точность измерений, нысокое качество интерферограммы и простоту обработки послед-1 ней. Высокая видность картины (а 45 следовательно, и ее качество) н этом случае обеспечивается тем, что рефракция исследуемой плазмы мало меНяется для разных монохроматических составляющих контура каждой линии генерации. Высокая избирательность обеспечивается в этом случае воэможностью при необходимости приближаться зондирующей линией к линии поглощения вплоть до точКи спектра, обес печивающей максимальную чувствительность, то есть вплоть до полуширины линии поглощения, Выполнение этого ограничения необходимо еще. по слеШирина линии генерации ограничена снизу нели ццои цескоттькттх расстояний между продольцьпти модами резонатора лазера. Псобходимость ньтполттения этого услоцип дцл ттолучения положительцого эффекта цри диагностике мцогокомцс:тецтцой плазмы обусловлена следующими ири синями. При создании генерации ряццоотстояптих линий интенсивности этих литтттй це должны сильно отличаться го величине. Только в этом случае удается получить информацию ца всех длицах волн одновременно, Одпако согласно квацтоной статистике лазерного иэлучеция между интенсивностями лаэерцьм мод, генерируемтм независимо, вероятны флуктуации, достигающие 1007, то есть воэьтожцо," что некоторые 1 тодьт вообще не будут генерировать илц будут гораздо слабее соседних, что не даст возможности для их одновременной регистрации, Поэтому создают линки генерации, содержащие внутри себя несколько мод резонатора, уменьшая таким образом флуктуации интенсивности между линиями до величины,где- длина резонатора лазера,Таким образом, полуширина линиигенерации а,ограничена снизу 20величиной Формула изобретения 5 1289195 б позволяющей их одновременную регист- Для получения величины ширины линиии рацию. Необходимое число мод в линии генерации 83, ". 10 нм выбираютен определяется согласно модовой ста- в соответствии с формулой (3) велитистике, связывающей флуктуации от" чину коэффициента отражения зеркал носительной интенсивности Р между 5 ннтерферометра К 0,04 и С, линиями генерации с числом мод в ли- = 100 нс. При этом лазером на красинии генерации Я, по формуле теле генерировалось более 50 линийодновременно. Были определены пространственные распределения в разрядеТогда при большом И флуктуации ,материала электродов вольфрам, .нат 0интенсивности между. линиями стремят- рий) и температуры дуги (по плотносся к нулю. Расстояние между продоль- ти воздуха в дуге). Чувствительность ными модами резонаторалазера 83 измерений концентрации атомов метал- определяется по формуле ла составляла 10 - 10 атом/смизбирательность по отношению к друее (5)Ь21 гим компонентам была не хуже,чем 10 .Пинамическнй диапазон измеряемыхконцентраций составлял 10 -102Зь )вал = -, (6) где величина Р - допустимые в эксперименте флуктуацииинтенсивности между линиями генерации,Пример конкретной реализации способа - исследование плазмы дугового разряда при атмосферном давлении. Характерная ширина линий поглощения такой плазмы составляет 0,1-0,2 нм.Расстояние между линиями спектра генерации составляет 1-2 полуширины линии поглощения для обеспечения максимальной избирательности, т.е. О = 84" 0,2 нм, В соответствии с формулой (1) база интерферометра с равна 1 мм (для видимой области спектра А ф 500 нм), При этом задают условие, чтобы относительные флуктуации интенсивности линий не превьппали ЗОЖ, т.е. Р = О,З, тогда иэ фор" мулы (6)а. 6 10нм. Способ диагностики плазмы, заключающийся в зондировании ее лазерным излучением со спектром нескольких частот генерации, проходящих через плазму по одной и той же оптической оси, и измерение показателя прелом" пения исследуемой среды интерферометрическим методом, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью увеличения избирательности определения отдельных компонентов плазмы и расширения динамического диапазона измеряемых концентраций компонентов при З 5 диагностике многокомпонентной нестационарной плазмы, зондирование производят излучением со спектром равноотстоящих линий генерации, причем расстояние между линиямй спектра генерации равно 1-10 полуширинам линий поглощения исследумой плазмы, а ширина линий спектра генерации Меньше ширины линии поглощения и больше расстояния между продольными модами резонатора лазера.1289195 аказ 43 б 1 Тираж 512 Подписи ИИПИ Государственного комитета ССС но делам изобретений и открытий 3035, Иосква, Ж, Рауаская наб., д. 4/5