Способ определения характеристик ионизованной среды

(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСА Е ИЗОБРЕТЕНИ СВИДЕТЕЛЬСТВ ВТОР электромагнитного излучения объема среды в нескольких спектральных линиях, возбуждаемых в результате соударений, с последующим пропусканием через линейный поляризатор, регистрации двух ортогональных линейно поляризованных компонент спектральных ионных линий, соответствующих переходам с уровней дублетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры на общий нижний уровень, измерении интенсивности линейно поляризованных составляющих каждой линии. По измеренным величинам определяют степень линейной поляризации для каждой спектральной линии, и по ним аналитически определяют компоненты тензора анизотропного давления возбуждающего агента в каждой точке ионизованной среды, э затем рассчитывают характеристики объекта, отражающие его структурные свойства, 3 ил. основываются рактеристики посредствен особенностях к мой электрон распределения стве скоростей сферическим га О (л Ы(д т(ч) гдето (ч распред момент плотнос При ным под) - мультипольный момент функции еления электронов, Квадруполный 1( )(ч) пропорционален тензору(2)ти потока импульса электронов. возбуждении атомов по выделен- ансамблям электронов с вектором ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Ленинградский государственный университет(56) Блум К. Теория матрицы плотности, и ее приложение ММир, 1983, с.247,Фриш С.Э. Спектроскопия газоразрядной плазмы, Л. Наука, 1970, стр,244-273. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИОНИЗОВАННОЙ СРЕДЫ(57) Использование: оптика и спектроскопия плазмы, преимущественно, поляризационной, Сущность. структурные характеристики ионизованной среды, такие, как энергетические и силовые - энергопередача, распределение внутренних полей, определяют путем выделения собственного Предполагаемое изобретение относится к области оптики и спектроскопии плазмы, поляризационной спектроскопии и может быть использовано при диагностике ионизованной среды.Известны спектроскопические способы диагностики плазмы, в которых информацию об обьекте извлекают на основании исследования частотного распределения интенсивности собственного оптического излучения.Целью изобретения является определение структурных характеристик ионизованной среды, а именно, энергетических и силовых.Сущность изобретения заключается в следующем. Спектрополяриметрические методы диагностики ионизованной среды на том, что структурные хаионизованного объекта не- но проявляются, в инетики наиболее независиной компоненты, Функция электронов (ч) в пространможет быть разложена по рмоникам /я(ч/ч): М -1 (Ъс)Уя (ч ч) 1 я (ч) ( Жскорости ч в системе координат с направлением оси квантования вдоль вектора скорости чмогут образоваться только поляризационныемоменты ансамбля возбужденных частиц,имеющих индекс ц =. 0; р) (ч), который непос 5редственно связан с сечением выстраиванияэлектронным. ударом о(2)(ч),Для: получения поляризационных моментов ансамбля возбужденных частиц в 10ионизованной газовой среде необходимоперейти из системы столкновения в лабораторную систему координат и усреднить вней по всем направлениям скоростей электронов ч: 15Д ) Ко Йе ч з (2) ) Щ(3)Поляризационные характеристики линейчатого излучения атомов в представлении поляризационных моментов атомной матрицы плотности описываются следующим выражением:1 е ) щ А( в 1 )я дтрдт) (т) Фтея (е тт ), тд)Х цтде Ф)р) е т - тенаор наблюдения, 1 е т- интен. 30 сивность излучения выделенной спектральной линии Л в поляризации, определяемой вектолром е , А, а - константы, характеризующие рассматриваемый переход.Степень линейной поляризации на рассматриваемом переходе Л в системе коорринат детектора при наблюдении вдоль оси ОХ будет определяться соотношением40еЛОХ -еЛ ОУР -еЛ ОХ +еЛОУПодставляя выражения (3), (4) в (5), по сле несложного преобразования получим 45 выражение(1) для степени поляризации наблюдаемого излучения в системе координат детектора. Выражение связывает наблюдаемые поляризационные характеристики с тензором плотности потока энергии быст рых электронов1 ч+ (ч) = 12 (ч) + 1-2 (ч),который описывает структурные характери стики ионизованной среды, Таким образом, по спектрополяриметрическим наблюдениям в линейчатом спектре и определенному по ним тензору плотности потока энергии быстрых электронов могут быть определены параметры, определяющие структуру ионизован ной среды (энергопередача, распределение внутренних полей),На фиг,1 представлено устройство для осуществления способа и схема эксперимента; на фиг,2 - радиальный профиль степени поляризации спектральной линии при электрическом разряде в неоне; на фиг.З - результаты определения радиального профиля потенциала в цилиндрическом положительном столбе разряда постоянного тока в неоне,Способ осуществляется с помощью устройства - магнитного спектрополяриметра (фиг,1), Излучение плазменного источника 1 помещают в центр фокуса линзы 2, излучение анализируемого объекта фокусируется на входную щель монохроматора З,.которым выделяют нужную спектральную линию, За выходной щелью монохроматора (3) устанавливают интерференционный поляризатор 4, который поляризует излучение данной спектральной линии и делит его на два пучка с взаимно ортогональными линейными поляризациями. Измерение интенсивностей поляризованных компонент спектральной линии производят двухканальной схемой: двумя фотоумножителями 5 и 6, сигналы с которых поступают на вход дифференциального усилителя 7, и аналого- цифрового преобразователя 8, информация с которого поступает в накопитель информации 9 (любое накопительное устройство или ЭВМ), с помощью которого формируется величина степени поляризации и производится статистическая обработка.Примеры реализации заявленного способа определения структурных характеристик ионизованных газов получены на газовом разряде постоянного тока в высокочастотном емкостном разряде.В излучении положительного столба разряда постоянного тока измеряли степень поляризации спектральных линий, соответствующих переходам 1 зр неона в раличных точках его изображения для диапазона условий: диаметр разряда ЗО мм, ток разряда 20-50 мА, давление газа 0,1-0,5 Торр, Радиальный профиль степени поляризации излучения в линии 626,6 нм приведен на фиг.2,Оправданно считая плазму при исследовании спектральных линий оптически прозрачной, и предполагая быстрое убывание мультипольных моментов функции распределения, для распределения степени линейной поляризации, индуцированной электронным ударом, по поперечной координате изображения осесимметричногоразряда в плоскости входной щели спектрального прибора Р 1(х), можно записатьРЬь 1(г,уг,ддйй;ЬЩщ(чЦж 6,и 1,(цФац мфн"(ы ф, 1 ф(мь,где К - энергия возбуждающего электрона;г - радиальная координата,В - радиус поперечного сечения.Мультипольные моменты функции распределения быстрых возбуждающих электронов рассчитывались в предположении,что анизотропия распределения скоростейопределяется формированием конусов потерь, частично заполненных упруго рассеянными электронами на нейтралах впространстве скоростей вне конусов;т ,йБ-1 ( ц м (йЯ - ф1,И ал, ф= г/Б,гдето-длина свободного пробега электронаФункция распределения быстрых электронов 10(е) в предположении параболической радиальной зависимости потенциала иотносительной малости ухода электроновна стенки выражается через функцию Макдональда, характерная температура спадакоторой Т 1 определяется оцениваемым экспериментально продольным электрическимполем в столбеРасчеты поляризационных профилейкак функции параметров плазмы производились на ЭВМ по программе, Радиальныйпрофиль потенциала аппроксимировалсястепенной функцией р (г) - (ч 0 - Лч) (г/В)" вобьеме разряда и резким скачком Ьч впристеночном дебаевском слое, В процессерасчета варьировались параметры ч, Лч,и. Функция Я (я) вычислялась в борновском приближении с использованием дифференциальных сечений неупругоговозбуждения, Величина Т 1, вид хвоста 1 (я)и параметра также варьировались при расчетах Р(х). 1 ри этом рассматривались случаи.отсутствия столкновений а, постоянное,независящее от г столкновительное заполнение конуса потерь(а = сопят) и учет столкновений в соответствии срассматриваемой моделью.5 Определение профиля потенциала вплазме проводилось для разряда в неонепри давлении 0,2 Торр, токе разряда 25 мд(протяженность продольного электрического поля в столбе 1,8 В/см и рассчитано Тт =10 =2,6 эВ) на линии 626,6 нм (г 2(го = 1,2). Использован алгоритм минимизации функционала невязки, С учетом малости взаимнойкорреляции параметров чо и и, задача минимизации может быть разбита на два этапа,15 На первом этапе, в предположении и = 2,совестно определяют оптимальные значения параметров а=0,11(1), Ч, = 24 (1),Л Ч ==1,0 (5) эВ. На втором этапе параметры а иЧо фиксируют и определяют значения аЧ =20 =1,0(3) эВ, п = 1,95. При полученном векторепараметров невязка составила 6 при точности экспериментальных измерений степени поляризации не хуже 10%, Врезультате радиальный профиль потенциа 25 ла в плазме положительного столба разрядав условиях эксперимента выражается соотношением:с(т (г) = 23 г/В 8. Независимые2контрольные измерения разности потенциалов между двумя точками в плазме мето 30 дом электрических зондов показали, что онисогласуются в рамках приводимых погрешностей с даннь 1 ми спектрополяриметрических измерений. Результаты определениярадиального профиля потенциала в цилинд 35 рическом положительном столбе разрядапостоянного тока в неоне приведены нафиг,З,П р и м е р 2, Определяли энергию,передаваемую в плазму безэлектродного40 емкостного разряда через приэлектродныйслой. Учитывая, что передача энергии внешнего высокочастотного поля в плазме разряда, поддерживаемого на частоте 100 МГцпроисходит, главным образом, в приэлект 45 родном слое за счет фермиевского нагрева,были получены аналитические выражениядлямультипольных моментов функции распределения в рамках простой модели, основанной на представлении об упругом50 взаимодействии тепловых максвелловскихэлектронов, падающих из центральной об-ласти плазмы с осциллирующей границей.Для группы быстрых электронов, осуществляющих прямое возбуждение исследуемых55 атомных состояний, скорости которых, согласно оценкам, удовлетворяют условию ч2 а(а - средняя скорость границы слоя), мультипольные моменты функции распределения быстрых электронов принимает вид:1И(ц,Р) = Яехр(-ц )+ Х 2 р,(1- )ехр(430 а - ц 2 - 4 ф) ба)б (ц,р) = - 2 -р (За - 1)(1 =-) ехр(48 о а - ц - 4 Р) б а,где а =чт/ч, о "ч/ч, ч - тепловая скорость электрона, ф = а/ч, 10 Средняя за период мощность, переда ваемая от внешнего генератора в плазму через приэлектродный слой, выражается какчЧ = (д) пе взчт а,где пв - концентрация электронов;гп - масса электрона;з - площадь электрода.Для определения передаваемой мощности измеряли величину призлектродного 15 20 поляризационного максимума степени линейной поляризации в цилиндрическом емкостном высокочастотном разряде диаметром 4 см, длиной 6 см, с внешними 25 электродами диаметром 4,5 см, на линиях аргрна 801,4 нм, 763,5 нм, 706,6 нм при давлении 27 мТорр, напряжении на электродах 200 В и частоте генератора 100 МГц. Расчет поляризационных профилей как функции параметров плазмы проводили по 30 программе на 3 ВМ как в примере 1. Параллельно с этими расчетами проводили расчет зависимости Р(ф ). Сечения возбуждения и выстранивания исследуемых уровней аргона рассчитывали исходя из дифференциальных сечений возбуждения электронным ударом, Определение параметров 3 проводили в результате сравнения рассчитанныхзависимостей Р(3 ) с экспериментальными величинами Рь 40В таблице приведены результаты определения параметра Р для каждой спектральной линии 1 и трех значений чт, , Погрешность каждого отдельного результата, определяемая только исходной погреш ностью измерения Рь очень мала, порядка 10 ь, Этот Факт, наряду с совпадением в пределах указанной погрешности значений Р для раных спектральных линий, но для одной ч, свидетельствует о надежности 50 предлагаемого способа. Значение искомой средней скорости границы приэлектродного слоя а = чт р (чт) также приведены в таблице. Для различных значений ч различие в величине а мало по сравнению с неоп редел ен н остью чт, кото рвя реал ь но оценивалась в расчетах порядка 156. Причиной этого является слабая чувствитель, ность зависимости Р(а) к параметру чт Скорость границы приэлектродного слоя пространственного заряда определяли путем усреднения данных для различных линий и ч и составила 1,3 (2) 10 см/с,Подтверждением надежности этого результата служит сопоставление скорости пучковых электронов чв = ч/2 + 2 а = 3,2(ч)в10 см/с, определенной на основе полученной скорости границы приэлектродного слоя с непосредственными измерениями величины на методом отклонения пучка электронов поперечным магнитным полем. Различие этих величин входит в пределы погрешности прямого определения скорости пучковых электронов, Окончательно, мощность, передаваемая от генератора через приэлектродный слой, составила величину 1,3 (4) Вт для концентрации электронов пе= 10 смПриведенные примеры реализации предлагаемого способа демонстрируют его уникальные возможности по бесконтактному определению структурных энергетических и силовых характеристик ионизованной среды, которые лежат за пределами возможностей известных интенсивностных методов спектроскопической диагностики ионизованныхгазов,Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в рас- ширении класса спектрополяриметриче-. ских методов для бесконтактной диагностики структурных энергетических и силовых характеристик ионизованных сред широкой физической природы. Способ-прототип позволяет определять только изотропные характеристики ионизованных сред, что является существенным ограничителем в диагностике ионизованной среды.Формула изобретен и я Способ оп ределения ха ра ктеристик ионизованной среды, включающий регистрацию линии спектрального перехода собственного электромагнитного излучения среды, измерение ее поляризационно-спектроскопических характеристик, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью определейия энергетических и силовых характеристик среды, дополнительно регистрируют электромагнитное излучение среды одновременно не менее чем в одной линии, возбуждаемой в результате соударений, линейно поляризуют выделенное линейчатое излучение, измеряют интенсивности линейно поляризованных составляющих каждой линии спектрального перехода, по измереннымвеличинам определяют степень линейной поляризации для каждой спектральной линии Р(г) как функцию вида1805350 чт( - скорость возбуждающей частицы,соответствующая порогу возбуждения уровня Го, Г 2( - константы релаксации заселенности и выстраивания рассматриваемого5 уровня;1 1 21- 6(- символ Вигнера;1 я(ч,г) - мультипольные моментыфункции распределения по скоростям воз 10 буждающей компоненты ионизованной среды,ра(ссчитывают квадрупольный момент1 я+ ч,г) и по нему определяют компонентыЬтензора анизотропного давления возбужда 15 ющих частиц в каждой точке ионизованнойсреды, по которым определяют характеристики ионизованной среды.Ьч С;(ч 4 (ю,т(5 (е 3в 8г;, ,ь, (а( .И(ии(,6",и/64,где - угловой момент нижнего уровня спектрального перехода;08 (ч), О( (ч) - зависящие от скорости возбуждающей частицы ч сечения выстраивания и возбуждения уровня с моментом , с которого происходит рассматриваемый спектральный переход 1 - 1,Продолжение таблицы Экспериментальные значения приэлектродных максимумов степени линейной поляризации в емкостном высокочастотном разряде для некоторых линий аргона и рассчитанные параметры(В и а при различных значениях Ч,,Гагарина, 101 каз 937 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5