Способ измерения локальных параметров плазмы

.,ЯОы 1066446 3 цц Н 05 Н 1/00; С 01 М 21/64 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ м,ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ас,К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71.) Институт высоких температурАН СССР(56) 1. Бураков В.С Мисаков П,Я,Науменков П.А, и др, Диагностика высокотемпературной водородной плазмы методом резонансной флюоресценции. -Журнал прикладной спектроскопии", том ХХ 1 Х, вып, 6, 1978, с,1079.2. Батенин В.М., Пятницкий Л.Н.,Марголин Л.Я., Минаев П.В. Диагностика низкотемпературной плазмы порасстоянию излучения аргонового лазера. - Теплофизика высоких температур. Т, 15,.Р 2, 1977, с. 239 (прототип),(54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ, включающий зондирование плазмы резонансным излучением, регистрацию спектра флюоресценции плазмы с пространственным разрешением, измерение интенсивности зон, дирующего излучения и мощности флюоресценции, определение локальнойконцентрации компонента плазмы с использованием сечения Флюоресценциии определение локальной температурызаселения компонент плазмы из отношения их концентраций, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью, повышенияточности измерений, в процессе измерений изменяют интенсивность зондирующего излучения и регистрируют зависимость мощности флюоресценции отинтенсивности зондирующего излучения,затем аппроксимируют эту зависимостьфункцией видаУ =Х (о+ЬХ 1, . анаходят из этой зависймости парамет-,ры аппроксимации ы и и и определяют Ясечение флюоресценции по формулеА=и,ъ ( с,где Й - сечение флуоресценции, смр еВ 1 - коэФфициент Эйнштейна,:с ",- длина волны йзлучения флюоресценции, см,1 Чл - статический вес нижнего иверхнего уровней перехода,К = 1,58 10 4 размерный коэффициент,Дж см.50 55 В - длина волны излучения флю, оресценции, см- статический вес нижнего уровня,с - статистический вес верхнего уровня,-г 41=1,58 10 - размерный коэффициент,Джсм.Дополнительное введение операций 10изменения интенсивности зондирующегоизлучения и регистрации зависимостиУ = .Е(Х с последующей ее аппроксимацией.функцией вида (3) и определение. сечения флюоресценции, например, по формуле (4) позволяют экспериментально определить сечение флюо 1ресценции в том же процессе измерений, ранее экспериментально не определявшееся, что ведет к достижению 20цели изобретения.Для вывода формулы (4), т.е. дляустановления связи между экспериментально измеряемыми параметрами аппроксимации а, Ъ и сечением флюорес ценции, кратко рассмотрим кинетикузаселения состояний в двухуровневойатомной системе. Рассматриваются стационарные процессы. Уоавнения, учитывающие сохранение частици постоян- З 1ство стационарных заселенностей уров-.ней, имеют вид;М +й =м +Но ог35- рН +1 ф "гэ"21 Ч - начальные и текуо ощие заселенности рабочих уровнейо:сХ 6 по 1 - вероятность возбужденияО, флюоресценции, 6 - спектральныйпрофиль сечения поглощения, п - нормированная на Х объемная спектральная плотность фотонов, ,1 - частота, с - скорость света, %., - скорость.".возбуждения электронным ударом, уг - полная ширина верхнего уровня. Для измеряемой мощности флюоресценции справедливо выражение где Ъ - постоянная Планка,Находя из формулы (5) разность (Мг -Из формулы (7) видно, что криваянасыщения перехода описывается функцией вида (3). Найдем связь междуотношением параметров аппроксимацииЫб и интенсивностью зондирующегоизлучения: ц,Связь между параметрами аппроксимации кривой насыщения перехода и се" чением флюоресценции легко установить, сравнив выражения (2) и (7) с учетом зависимости (8) После подстановки численных значений постоянных в формулу (9) для режима слабоинтенсивного зондирования (Ъ(а Х 1 ) и с учетом соотноше- ния=Д +В % (что имеет местоог л гг 12всегда,так как %9/12) получаем расчетное выражение (4),Способ может быть реализован, например, при помощи устройства, схема, которого приведена на фиг. 1 и 2.,Устройство для реализации способа содержит оптически связанные импульс ный лазер 1, прерыватель 2 излучения, выполненный в виде электрооптического модулятора, систему 3 фокусировки, систему 4 сбора и спектрального анализа рассеянного излучения, фотодетектор 5, выход которого соединен с входом блока 6 выделения сигналов, выполненного в виде оптимального корреляционного фильтра, опорный фотодетектор 7, оптически связанный с вторым поляризационным выходом пре рывателя 2, выход опорного фотодетектора 7 соединен с управляющим входом блока 6 выделения сигналов, двухканаль ный обращающий. усилитель 8, первый вход которого соединен с выходом опор" ного фотодетектора 7 а второй вход соединен с выходом блока б выделения25 сигналов, при этом оба выхода двухканального обращающего усилителя 8соединены с блоком 9 обработки и регистрации сигналов,Блок 6 выделения сигналов, принципиальная схема которого приведенана фиг. 2, содержит триггер 10, входкоторого соединен с выходом Фотодетектора 5, а управляющий вход соединен с выходом опорного фотодетектора107, линию 11 задержки, вход которой .соединен с первым выходом триггера10, дифференциальный усилитель 12,суммирующий вход которого соединенс выходом линии 11 задержки, а разностныйвход соединен с вторым выходомтриггера 10, при этом выход дифференциального усилителя 12 соединен с вто рым входом двухканального обращающего усилителя.20Описанное устройство для реализации предложенного способа работаетследующим образом.еСформированный лазером 1 импульсрезонансного излучения модулируетсяпрерывателем 2 излучения, выполненным в виде электрооптического модулятора, управляемого периодическимнапряжением радиочастотного диапазона. Затем излучение фокусируется системой 3 фокусировки в исследуемыйобъем плазмы, Рассеянное плазмой ре-,зонансное излучение (Флюоресценция)собирается из исследуемого объема и35анализируется с помощью системы 4сбора и спектрального анализа рассеянного излучения, состоящей из системы объективов, фокусирующих изобра.жение на входную щель монохроматора,например, ПФС. Мощность Флюоресцен"ции регистрируется фотодетектором 5,например, типа ФЭУ - 79, сигналы свыхода которого подаются на вход блока 6 выделения сигналов, управляемоговыходным напряжением Х опорного Фото-детектора 7, например, типа ФЭК,отслеживающего изменения интенсивности зондирующего излучения при модуляции. На выходе блока 6 выделениясигналов формируется напряжение 1пропорциональное мощности Флюоресценции и имеющее высокое отношениесигнал/шум. Напряжение У обращаетсяв двухканальном обращающем усилителе8, на втором выходе которого формируется напряжение, пропорциональное1/У, В первом канале усилителя 8 обращается выходное напряжение опорного Фотодетектора 7, при этом на егопервом выходе формируется напряжение,пропорциональное 1/). Сформированныесигналы 1/ и 1/1 с выходов двухканального обращающего усилителя 8 подаются на вход блока 9 обработки ирегистрации сигналов, в котором производится аппроксимация зависимостн(1/11 = Г(1/ У ) линейной функциейвида (1/ У ) = (о(1/х)+Ь) методомнаименьших квадратов. Вид Функцииаппроксимации следует из выражения(3), При этом вычисляется величинаЪа и ошибка в ее определении, характеризующая точность определениясечения флюоресценции. Вычисленияконцентрации компонент плазмы поформуле (2) производятся в блоке 9обработки и регистрации сигналов после определения сечения б . Необходимые вычисления в блоке 9 могутбыть выполнены, например, при помощи микро-ЭВМ "Электроника",Блок 6 выделения сигналов, схемакоторого приведена на фиг. 2, работает следующим образом.Электрический сигнал с выходафотодетектора 5 подается на вход триггера 10, управляемого сигналом с выхода опорного фотодетектора 7 такимобразом, что в момент просветленияпрерывателя 2 сигнал от фотодетектора 5 подается на вход линии 11 задержки, а с ее выхода - на суммирующий вхоц дифференциального усилителя 12 через время., равное половинепериода модуляции лазерного излучения. В то же время на разностныйвход усилителя 12 подается напряжение от фотодетектора 5 в те полпериода, когда отсечено лазерное излучение от плазмы, те. в этот моменттриггер 10 находится в другом устойчивом состоянии,Таким образом, осуществляется компенсация собственного излучения плазмы одновременно со скоростным синхронным детектированием. На выходе дифференциального усилителя 12 формируется полезный сигнал с высоким отношением сигнал/шум.П р и м е р. Исследовалась плазма ВЧ разряда в неоне, Параметры плазмы: Т, = 350 К, Т = 1,1 эВ, Р = 400 Па. Пля возбуждения применялся импульсный лазер на красителях (Родамин 6 Ж) со следующими характеристиками: длительность им 1066446пульса 3-6 мкс, максимальная энергия в импульсе 30 мДж, диаметр каустики луча 0,3 мм. Измерялась локальная концентрация атомарного неона на уровне 1 з 5, При этом возбуждался 5 переход 1 э - 2 р, на длине волныО6163 А. Измеренное сечение Флюоресценции оказалось равным (2,8 + 0,3) 10 см . Расчет сечения по приближенным Формулам дает значение (9+4)ф-19 уМО см. Таким образом,. точность измерения локальных параметров плазмы в данном случае повышалась более чем в 4 раза. Кроме того, учтена систематическая ошибка из-за расстройки.Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ измерения локальных параметров. плазмы повышает точность измерений путем учета неконтролируемой расстройки между линией плазмы и линией зондирующего излучения, а также нестабильность последнего, в экспериментально определяемом сечении цтюоресценции, повышает точность измерений путем учета реальных параметров плазмы, осуществляемого в результате экспериментального определения сечения Флуоресценции в ходе того же измерения. При этом . точность увеличивается в 2-6 раз. Реализация способа на описанном устройстве позволяет повысить чувствительность измерений минимум в 2 раза, повысить временное разрешение измерений до 1 С ьс, а также автоматизировать процесс измерений. Возможно ис-. пользование описанного способа и устройства для его реализации при измерении сечений столкновений и атомныхконстант.;тор О, Юркова Тираж 782 Государственног делаи изобретени Москва, Ж, РаувПодписи тийб д. 4 иал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проек 4 акаэ.7052/2 ВНИИПИ но 113035, ставитель А. Захаровхред М.Надь комит и отк ская Корректор В. Синицкая