Способ определения дрейфовой скорости ионов в плазме

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) яЦ 5)5 6 01 Й 21/6 ЕН 1 Эьу 1 Г) .: рственнци унине и Т.В.Рудакойфовое самовызме, Письма в О,М. О движении сб,"Спектроско- ", 1970, Л,; НауНИЯ ДРЕЙФО- ПЛАЗМЕ компонен- нтенсивноФ(у, г) из ГфСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВДОМСТВО СССР(21) 4903612/25 (2 ) 18,01.91 (4 ) 30.08.93, Бюл, 3 Ф 32 (7 ) Ленинградский госуда ве ситет (7 ) С.А.Казанцев, В.Н,Реба ва (5 ) Казанцев С.А. и др. Дре ст аивание ионов в пла Ж ГФ, 1987, т,45, с,15 - 17.:, Захарова В,МКаган иоров и атомов в плазме, В пич газоразрядной плазмы ка с,291. (5 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕ В Й СКОРОСТИ ИОНОВ ВИзобретение относится к области поляри ационной и оптической спектроскопии, пр имущественно, к спектроскопии плазмы 1,Поставленная цель достигается тем, чт, в известном способе определения дрейфо ой скорости ионов в плазме, включающе регистрацию излучения в линейчатом сп ктре плазмы, измерение оптических хара теристик анализируемой среды как функц й движения частиц, в соответствии с пр дполагаемым изобретением, в линейчато спектре плазмы выделяют оптическое иэ учение в области спектральной линии, со тветствующей переходу с уровней дублетов, имеющих тонкое расщепление поря ка атомной температуры, на общий ни ний уровень, излучение выделенной лини линейно поляризуют, регистрируют две(57) Способ определения дрейфовой скорости ионов в плазме, включает регистрацию эмиссионного спектра источника в инертном газе и выделение оптической спектральной линии инертного газа. Излучение в выделенной спектральной линии линейного газа поляризуют, для каждого положения локального излучающего объема дополнительно регистрируют две ортогональнце линейно поляризованные компоненты спектральных ионных линий, соответствующих переходам с уровней диблетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры, на общий уровень. Измеряют их интенсивности по которым проводят определение, 3 ил,ортогональные поляризованны ты ионных линий, измеряют их СТИ у И 2, определяют величИн соотношенияФ(у г) =а (1, г, о) 1,у -а 2 1,1 2 о) 1,у + 2 к)1 0 у + 2 )2(1)о) И а 2(1,)2,о) - ЧИСЛЕННЫЕ КОзф, зависящие от полных угловых составляющих дублета 1, 2 и обего уровня спектральных перехопоставляют полученное значение с теоретической зависимостью ссчитанной как функция дрейфости ионов в среде через скорости го затухания и элементы релаксаатрицы, и по совпадению теорегде а 1(1,2, фициенты моментов щего нижн дов о, со Ф (у, г) Ф(чу, ра вой скоро радиально ционной мкже параметра анизотропии функции расределения скоростей дрейфующих ионов С учетом выражения (5), эту величину можо выразить через наблюдаемые величины: и 1: 5 ф(Р,Л) =12,5 (1 у - 1 д)з 5(У 2 ф (" 21 1 =у" (1 У 1 д) 10(6) де индексы 1/2, 3/2 указывают на энаение момента 1 для того уровня дублета б Р 1 д,зд, с которого испускается иэлучеие.функцию ф (Р, Л) можно выразить также ереэ скорость радиационного затухания Го теоретически вычисляемые элементы реаксационной матрицы Ва (11) (5):КК 1 20(7) Г - К 22 (М й) 25При каждом значении давления Р и дляаждого положения локального излучающео объемалевая часть равенства (7) - иэмеяемая на опыте величина Ф(Р,ч) - и егоравая часть - элементы релаксационной 30атрицы В 0 зависят от скорости дрейфакк 1онов ч, Искомое значение ч определяют из1 славия совпадения измеренного значения(Р,ч) (б) и величины Ф, теоретически рассчианной с использованием соотношения (7) и 35аблицы для элементов К - матрицы,Сущность предлагаемого способа поясняется фиг,1 - 3, На фиг,1 представлена схема экспериментальной установки дляопределения скорости дрейфа ионов для 40плазмы разряда в полом катоде, На фиг,2приведена экспериментальная зависимостьвеличины Ф(ч) от давления среды Р для работы точек с различной радиальной компонентой (плазма разряда в полом катоде), На 45фиг.З приведена экспериментальная зависимость распределения скорости дрейфа1 ионов в плазме цилиндрического полого катода по координате (радиальная зависимость) для различных значений давления 50:среды (представлена в двух масштабах измерения),Способ осуществляют следующим образом, используя устройство на фиг,1, Излу;чение плазменного источника 1 помещают 55в центр фокуса линзы 2. Излучение анализи 11 руемого объекта фокусируют на входную, :щелью монохроматора 3 устзнавливают поляризатор 4, который поляризует излучение данной спектральной линии и делит его на два пучка со взаимно ортогональными поляризациями. Регистрация этих пучков соответствует регистрации одной из двух спектральных линий, соответствующей переходу с уровня одного иэ дублетов, имеющих такое же расщепление, Регистрация другой спектральной линии производится после выделения ее монохроматором после регистрации и обработки данных по первой линии и аналогичным образом,Измерение интенсивности поляризованных компонент производят двухканальной схемой: двумя фотоэлектронными умножителями 5 и б, сигналы с которых поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 7 и 8, информация о которых поступает в накопитель информации (накопительный прибор или ЭВМ), с которого и считывают информацию о величинах интенсивности 1 у и 1 д и производит их статистическую обработку и аналитический расчет величины Ф(1 у, 1 д). Сопоставляя ее с.теоретическими зависимостями Ф(ч) для конкретных условий в ионизованной среде, определяют величину скорости дрейфа ч при совпадении зависимости, Погрешность в определении скорости дрейфа ионов включает в себя погрешность измерения спектральных характеристик линий и погрешность принятой модели анизотропной релаксации.П р и м е р 1. Измеряли распределение скорости дрейфа ионов в разряде в цилиндрическом полом катоде диаметром 1 см и длиной 5 см, в аргоне при давлениях 0,01 - 0,5 Торр и постоянных токах 20 - 25 мА по спектральным линиям аргона 3819 и 3883 оА, соответствующим переходам с дублета 4 о Р 1 П,12 на нижний уровень 4 р 01 д, Наблюдали излучение вдоль оси ОХ, параллельной оси цилиндрического катода, С помощью отверстия размером 0,3 хО,З мм, помещенного вместо входной щели монохроматора, выделяли излучение с определенного участка отрицательного свечения, удаление которого от оси катода было фиксированным или варьировалось.Отметим, что область отрицательного свечения характеризуется максимальной выраженностью поляризационных эффектов спектральных линий, обусловленной особенностями скорости дрейфа ионов в плазме и дрейфовым самовыстраиванием,После поляризатора ортогональные компоненты поляриэующего излучения поступали в каналы регистрации и измерения интенсивности излучения и в вычислитель 1837212ное устройство для расчета величины функции Ф по б), которая затем сопоставляласьс теоретически рассчитанной зависимостьюпри "у =- 28 ЧГц 7,Для излучения в фиксированной точке г: 5= 2,5 мм (оадиальная компонента) при давлении среды 0,12; 0,16; 0,20 и О,ЗО Торрпоследовательно получили эксперимен;альную величину Ф(х 10 ) соответственно3.3, З,б; 3.8 и 3,9, Сопоставляя с теоретическими расчетами, получили величину дрейфовой;корости ионов в данной точкесоответственно 1,8; 1,35; 1,2 и 0,8 х 105)смс.П р и м е р 2. При фиксированном давлении среды Р = 0,2 Торр в условиях примеоа, было изме рено радиальноераспределение скорос,и дрейфа ионов наудалении г по радиусу от центра симметрии,равном О; 0,5; 1,0; 2,25; 2,5 и З,О мм. Расчетные величины функции Фх 10 ) составили-2соо.ветственно: 0,5; О,б; 0,9; 3,3; 3,8 и 5,2.После сопоставления с теоретической зависимостью определили распределение скоросги дрейфа ионов в анализируемой 25области. Величина ч х 105) составила 0,3;О 35 г 4 . О 2 и 1см/сЭкспериментальные зависимости функции Ф отдавления газа Р в различныхточках среды в полом катоде (радиальная симметрия картины) приведены на фиг.2, Видно, что при малых удалениях от оси величины слабочувствительны к давлению. Однако при удалении ог центра зависимость Ф Р)становится все более отчетливой.Радиальная вариация скорости дрейфа ионов в плазме при давлениях 0,1 - О,З Торр представлена на фиг,З, Конкретные примеры показывают, что по предлагаемому способу можно проводить измерения малых скоростей доейфд ионов в плазме,Способ-прототип позволяет определить скорость дрейфа ионов вдоль оси разряда при любых давлениях, особенно, вусловиях, когда контур линии может полностью передавать распределение ионов по скоростям. Конкретный пример показывает, гто по предлагаемому способу можно производиь измерение дрейфовой скоростиионов на 1-2 порядка меньше по величине, особенно в области малых скоростей дрейфа а также для условий, в которых прототип не применим,Технико-экономическая эффективностьпредлагаемого способа заключается в повышении чувствительности бесконтактных спектроскопических методов определения дрейфовой скорости ионов и расширение 3035405055 диапазона их применимости, что достигается использованием дополнительной спектроскопической характеристики, а именно, поляризации линии эмиссии, Способ-прототип позволяет определить дрейфовую скорость ионов только в газоразрядной плазме, что является существенным ограничением по отношению к предлагаемому способу определения скорости дрейфа. Поэтому предлагаемый способ может быть применен для широкого класса ионизованных газов в лабораторных условиях, физико-энергетических установках, в астрофизических исследованиях, например, эруптивных процессов в солнечной атмосфере, и в геофизических исследованиях ионосферы с целью получения информации о кинетических свойствах объекта.формула изобретения Способ определения дрейфовой скорости ионов в плазме, включающий регистрацию излучения в линейчатом спектре плазмы, измерение оптических характеристик анализируемой среды как функций движения частиц, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения в области малых скоростей и расширения функциональных возможностей, в линейчатом спектре плазмы выделяют оптическое излучение в области спектральной линии, соответствующей переходу с уровней дублетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры, на общий нижний уровень, излучение выделенной линии линейно поляризуют, регистрируют две ортогональные поляризованные компоненты ионных линий. измеряют их интенсивности 1 у и 1, определяют величинуФ(1 У,Ь) из соотношения Ф(1 У,1) =а 1, 12, 1) (у - Ц 11 О/а 2 (11, 12 1 о) (у+а) (У+ 2 1 г)2где а 1(11 12, о) и 02(11,12,1 о) численные коэффициенты, зависящие от полных угловыхмоментов составляющих дублета 11, 12 и общего нижнего уровня спектральных переходов 1:,сопоставляют полученное значение Ф(1 У,1) стеоретической зависимостью Ф(чу, рассчитанной как функция дрейфовой скоростиионов в среде через скорости радиационного затухания и элементы релаксационнойматрицы и по совпадению теоретической иэкспериментальной величин Ф определяютдрейфовую скорость ионов в плазме чу, 1832121837212 7 фр 1 оставитель С,Казанцехред М.Моргентал Редактор С.Кулакова Корректор Н.Ревска Производственно-издательский комбинат "Патент город, ул.Гагарина, 101 каз 2862 Тираж В НИИПИ Государственного комитет 113035, Москва, Подписноепо изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР35, Раушская наб 4/5