Способ бесконтактного измерения магнитного поля в плазме

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1603313 А 1)3 6 01 й 33/02 3 ьЫБы;.-3ПИЛЮ; ль ,. Ь" Б:с;ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К РСКОМУ С ТЕЛЬСТВУ излучающих атомов или ионов. Иэ плазмы коллимируют, отфильтровы . пользуемую линию, модулируют и щи электрооптич еского модулят затем разделяют на 2 канала, в ка .которых установлен поляриза дисперсионный блок, включающи ризатор 7, фазосдвигающую дву ляющую пластину 8 и анализатор щенный с поляризатором, раэност фаэосдвигающих пластин выбира нойс/2(по-пе); где по, пе - обыкнов необыкновенный показатели пр ния материала пластины. На вых дого из каналов интенсивность из измеряют при помощи фотопри 11. Сигналы, равные счмме и р сигналов от фотоприемников, мо в реальном масштабе времени о(53) 535.8(088.8) мерение вают исри помоора 4,а ждом из ционнод. Р,Холдревод под67, с. 60. 118, 1953,ны при помощи ЭВМ для определения продольных компонент магнитного поля и средней скорости атомов (ионов) в плазме. 3 ил. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПЛАЗМЕ(57) Изобретение относится к экспериментальной физике и может найти применениев экспериментах по термоядерному синтезу, Целью изобретения является повышениеточности измерений и временной разрешающей способности, а также расширенияфункциональных возможностей путем одновременного измерения продольной компоненты скорости поступательного движения прелом, скреь толщин ют раненный и еломлеоде кажлучения емн иков азности гут быть бработа30 40 Изобретение относится к технике физического эксперимента и может найти применение в лабораторных плазменных экспериментах по управляемому термоядерному синтэзу и в астрофизических наблюдениях.Цель изобретения - повышение точности измерений и временной разрешающей способности, а также расширение функциональных возможностей путем одновременного измеоения продольной компоненты скорости Ч поступательного движения излучающих атомов или ионов.На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа; на фиг, 2 и 3 - графики, иллюстрирующие результаты расчетов, подтверждающих эффективность работы.Способ измерения магнитного поля в плазме реализуется в устройстве, включающем оптическую систему 1 для формироаания излучаемого плазмой светового потока; короткофокусный, светосильный монохроматор 2 для выделения. используемой спектральнрй линии, в качестве которого можно использовать призменный или дифракционный монохроматор,.либо.паласовой светофильтр с фокусирующим объективом и ,круглой диафрагмой вместо входной щели; установленный на фокусном расстоянии от выходной щели монохроматора объектив 3 для преобразования выходящего из монохроматора. светового потока в параллельный световой пучок; установленный в параллельном световом пучке электрооптический (30) кристаллический элемент 4, 30 модулятора светового потока для периодического (с. частотой и) преобразования круговых поляризаций сг и оя зеемановских компонент линии в линейные взаимно перпендикулярные поляризации; зеркала 5 и б для разделения параллельного светового потока на два равных параллельных пучка, на основе которых формируются два регистрационных канала рки рк; в каждом регистрационном канале поляризатор 7, яв-. ляющийся одновременно выходным элементом ЭО модулятора и, входным элементом поляризационно-дисперсионного (П-Д) блока и служащий для поочередного выделения в каждом канале то сг, то сгя зеемановских компонентов спектральной линии в соответствии с полупериодами напряжения Чмод, входящий также в состав П-Д блока диспергирующий элемент 8 для преобразования в каждом регистрационном канале линейной поляризации светового пучка в эллиптическую поляризацию на основе эффекта дисперсии разности фаз колебаний о- и е-лучей в кристалле таким образом, чтобы для одного из компонентОв линии в одном из регистрационных каналов большая полуось эллипса поляризации была бы параллельна, а в другом канале - перпендикулярно оси поляризатора 7, тогда как для другого компонента линии, наоборот, - ) в первом указанном канале большая полуось эллипса поляризации была бы перпендикулярна, а во втором канале параллельна оси поляризатора 7, причем ДЭ выполнен в виде кристаллической (например кварцевой) плоскопараллельной пластины с плоскостями среза, параллельными оси Е кристалла, (которая, в свою очередь, ориентирована в П-Д блоке под углом П/4 по отношению к оси поляризатора) и имеет в одном регистрационном канале толщину б 1= б - Яо/4(пе-по), а в другом ба= б+ + Ло/4(пе-по) при б=ЙЯо/4(пе-по) где М - целое число, а пои пе"показатели преломления о- и е-лучей в кристалле; входящий также в, состав П-Д блока анализатор 9, скрещенный с поляризатором 7, для выделения в каждом регистрационном канале светового потока, обусловленного суммарным действием зеемановского расщепления, допплеровского смещения и допплеровского уширения спектральной линии; регулируемый светоослабитель 10, используемый (при необходимости) для балансировки регистрационных каналов; фотоэлектронный умно- . житель 11 для регистрации прошедшего через П-Д блок светового потока; схему 12 дифференциального усиления(со вставленным блоком суммирования) для выделения основного сигнала, обусловленного суммарным действием зеемановского расщепления и допплеровского смещения спектральной линии, путем формирования разностного сигнала от двух регистрационных каналов и для выделения опорного сигнала путем формирования суммарного фотоэлектрического сигнала от тех же двух регистрационных каналов; промежуточный узкополосный (на частоте ЭО модулятора) усилитель 13 для усиления выделенных фотоэлектрических сигналов до уровня, необходимого для ввода в электронно- вычислительную машину. 14, Последняя используется для автоматической обработки зарегистрированных фотоэлектрических (основного и опорного) сигналов, в том числе для выделения из основного сигнала той части, которая обусловлена действием зеемановского расщепления линии с поправочным множителем на допплеровское смещение, и той части, которая обусловлена допплеровским смещением линии с поправочным множителем на зеемановское рас 1603313щепление, путем формирования соответственно полусуммы и полуразности амплитудимпульсов основного сигнала в первом и вовтором полупериодах напряжения Чмод(при условии, что зеемановское смещение 5о. и ОВ компонент линии больше допплеровского) и, наоборот, - путем формированияполуразности и полусуммы амплитуд тех жеимпульсов при условии, что допплеровскоесмещение а и пв компонент линии больше 10зеемановского; определения точных значений аргументов тригонометрических функ.ций, описывающих отношение амплитудыкаждой выделенной части основного сигнала к амплитуде опорного сигнала, методом 15последовательных итерационных приближений, что равнозначно одновременномуизмерению (определению) напряженностимагнитного поля и скорости поступательного,движения излучателей в плазме, 20Для количественного описания функциональной зависимости измеряемых сигналов от напряженности магнитного полявоспользуемся простым зееман-эффектом,т,е. синглетной.спектральной линией, причем сначала представим ее в приближениимонохроматической световой волны с длиной ЛО, амплитудой Е иполушириной линииАЛО, При наблюдении вдоль магнитного поля синглет расщепляется на две компоненты а. и ОВ с равными амплитудами Е К 2/2 ипротивоположными круговыми поляризациями, Величина спектрального смещениякаждой компонентыЛЛ.= - ( - )3 Н.1 е(1)354 угс 2 П 1 оВ абсолютной системеГСкорость света в вакууме с=3 10 см/с, заряд электро 1 О-10нае=4,8 10 ед.заряда,массапокояэлектрона то= 9,1 10 21 гг,ЬЛз = 4,б 710 5 Ло Н,Л - всм, Н - вЗ,В каждом регистрационном канале поворотом. П-.Д блока в целом вокруг собственной оси симметрии ориентируют ось 45поляризатора параллельно входной щелимонохроматора. Тогда в соответствии с напряжением питания Чмод одновременно вОбоих регистрационных каналах на входдиспергирующего элемента будут проходить световые потоки о 1 и ов компонентовлинии, промодулирован ные функциями модулятора Цм) и 1 в(у) и сдвинутые по фазе наЛ /2. Врассматриваемых условиях поляризация выходящего из диспергирующих элементов излучения в отсутствие магнитногополя была бы циркулярной, При наличии жемагнитного поля в плазме в световых пучкахО. и ОВ компонент линии с длинами волн Л== Й-АЛз иЛя = ЛО+ ЛЛз образуются дис персии разностей фаз колебаний о- и е- лучей соответственно 2 Пе поО -2 Пе По а.1М т) + Е ов 1фв(1) +Е.,2 в( М=(Е + (Еив 1 е Ов 2) в( )(4) 1Е 01.2иЕов 1ЕОв 2 . приближении монохрома- ) световой волны и в отсутких смещений (ЛЛдс =О) нии выражение (4) легко ормулу1ю -- г.оя .ь 1 в ю.5 в которомЕ а.В принятомтической (ЬЛо = 0ствие допплеровсспектральной липреобразуется в ф1 ф ( ) 2Таким образом, в рассматриваемых условиях основной измеряемый сигнал (5) содержитдва (за один период Чмод) равных по амплитуде, но разных по знаку импульса: положительный в первом и отрицательный во втором полупериоде.В формуле (5) величина Чмод представляет собой опорный сигнал, строго следующий за изменениями интенсивности излучения в источнике, По величине он соответствует интенсивности излучения на входе отдельного регистрационного канала. В лабораторных плазменных экспериментах интенсивность излучения в источнике ЗДЕСЬ По, Пе, ПоЬ ПеЬ ПоВ, ПеВ - ПОКаэатЕ. ли преломления ДЭ для о- и е- лучей на длинах Волн Ло, Лд, Ля Поскольку ЛЛз Ло ТО МОЖНО СЧИтатЬ Пе-По Пе 1:По= ПеВ-Пой И СО- ответственноф. = фв = фз = 2 л(пе - по)б МзЖ (3) Поляризация излучения в этом случае становится эллиптической, причем степень эллиптичности зависит от напряженности Н магнитного поля, а интенсивность света в каждом канале в каждом полупериоде Чмод определяется величиной и знаком Мз. Фотоэлектрические сигналы на выходе рки ркканалов в этом случае можно представить в видеЕ 1= Еа.1 Цю)+ Еов 19(ю) и.Е 2 = Е а 21(и) + Еов 1 тв(м),в котором множители б (ю)= зи (вт/2-зт/4) и в(и)= зп(ат/2-л 4) представляют собой функции электрооптического фазового модулятора светового потока.В рассматриваемых условиях для измерения магнитного поля в плазме необходимо сформировать разностный между рки ркканалами сигналЕз =Е 1 Е 2 - Е- Га.2М 1)- Еа.2)М")(1 3) Понятно, что при фз =вудс-Е О1 - Е о .212И(15)Аналогичные результаты получаются в предположении, что одновременно с зеемановскими смещениями -ЛАз и+ ЛАдс имеет место допплеровский сдвиг + ЛАдс(а не - Мдс как это было в предыдущем слу-чае), Формулы (10) - (15) остаются без изме . нений. Несколько изменяются лишь эпюры сигналов. Они будут как бы антисимметричными относительно оси времени по сравнению с предыдущим случаем,Затем необходимо произвести послед нюю по порядку операцию - определение точных значений а ргументов тригонометрических функций, описывающих отношение амплитуды каждой выделенной части основного сигнала к амплитуде опорного сигнала 55 методом последовательных итерационных приближений, что равнозначно одновременному измерению (определению) продольной компоненты напряженности магнитного поля и продольной компоненты скорости поступательного движения излучателей в плазме.Таким образом, предлагаемый способ измерения напряженности магнитного поля в плазме позволяет сначала просто па кон- фигурациям импульсов Еоп - Еоги Е, - Еор 2 взаРегистРиРованномсигнале "приближенно определить соотношение между величинами фз и фдс точно установить знак дапплеровского смещения спектральной линии, а затем методом итерационных прибликений по формулам (10) - (15) определить точное значение продольного компонента напряженности магнитного поля в плазме, При этом одновременно (автоматически) определяется другой важный параметр плазмы - продольный компонент скорости поступательного движения атомных(ионных) излучателей,На фиг. 2 представлена зависимость отношения измеряемых сигналов Ез/Ео отв напряженности магнитного паля в плазме Н, вычисленная па формуле (8), График 1 вычислен при использовании синглетнойоспектральной линии Не6678,15 А (1 Р 1- Р 2) в предположении модельного треугольного контура. Толщина диспергирующего элемента 0=10 см выбирается исходя из условия ф = л/2 при температуре атомов излучателей Тз = 2 эВ, которая может быть реализована в инжектируемом в плазму диагностиче"кам .пучке типа ДИНА, Графиком 2 прсдставлены результаты аналогичных расчетов при использовании спекторальной линии С Ч 2277,25 А ( 51- Ро), излучаемой непосредственно ионами высокотемпературной плазмы ( Те 1 кэВ, пЮО см, б = 0,6 см).Б пределе малый уровень нескомпенсированного фона, обеспечиваемый схемой дифференциального усиления, составляет 10 Ео, Следовательно, пороговая чувствительность по графику 1(фиг, 2) составляет единицы Э, а диапазон измеряемых полей превышает четыре порядка величины. При необходимости для измерения сильных полей а плазме динамический диапазон измеряемых полей можно сдвинуть в область 103 107 ЗНа фиг. 3 представлены результаты количественных расчетов зависимости Едс/Ео-И П от зне 2 агии поступательного движения Е= МЧ /2 излучателей в плазме при использовании той же спектральной линииаНе6678,15 А и при тех же указанных условиях, Пороговая чувствительность со 1603313-4энергий движения излучателей составляет 7-8 порядков величины при уровне нескомпенсированного фона 10 Ро,Ф о р мул а изобретения Способ бесконтактного измерения магнитного поля в плазме, включающий формирование продольного потока излучения плазмы из области измерения магнитного поля, электрооптическую фазовую модуляцию потока с частотой 1, выдЕлЕниЕ СвЕтО- вого потока используемой спектральной линии с длиной волны Ж, и полушириной ЬАо, разделение потока на два равных по интенсивности потока, формирование на их основе двух регистрационных каналов, регистрацию интенсивности потоков излучения на выходе регистрационных каналов фотоприемниками; формирование электрического сигнала, равного разности электрических сигналов на выходе фотоприемников, путем пропускания через дифференциальный усилитель, усиление полученного сигнала, измерение его величины и вычисление по этой величине напряженности Н измеряемого магнитного поля, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений и временной разрешающей способности, а также расширения функциональных возможностей путем одновременного измерения скорости Ч поступательного движения излучающих атомов или ионов, поток излучения используемойспектральной линии после его выделения преобразуют в параллельный световой пучок, а затем производят электрооптическую фазовую модуляцию; параллельный световой пучок в каждом регистрационном канале пропускают последовательно через поляризатор, диспергирующий элемент, выполненный в виде плоскопараллельной пластины двухпреломляющего кристалла, причем плоскость среза параллельна оси Е кристалла, которая, в свою очередь, ориентирована под угломер/4 по отношению к оси поляризатора, а толщина пластины в первом канале Равна б 1-б-Яо /4 (пе-по), а во втоРом б 2= б + Ло/4 (пв-по) при б ЙЛо /(пе-по), 5 где по и пе - показатели преломления дляобыкновенного и необыкновенного лучей в .диспергирующем элементе, й - целое числое, а затем через анализатор, скрещенный с поляризатором, после этого синхронно 10 промодулированные по фазе световые потоки в первом и втором регистрационных каналах преобразуют в соответствующие фотоэлектрические сигналы Р 1 и Р 2, из которых формируют основной измеряемый сиг инал Рз +д= Р 1-Р 2 и опорный сигнал Ро= Р 1+Н+Р 2, затем в каждом периоде модуляционного напряжения измеряют амплитуды Рг и Ря импульсов основного сигнала, соответствующих первому и второму полупериодам, и амплитуду Ро опорного сигнала и по результатам этих измерений определяют величины Н и Ч путем решения системы уравнений1 зп ф,/225 .ф,/2)21/2 Ж ф Ря) = Ро з 1 п 4 Ь соз 9 дс, 1/2(Р+. Рй) =р Ро3 пфдс 6 В 9 з,зП 2 Р /2фо/2)2 30фо = 2 Л (пе - , По) б Мо/о,фдс = 2 И(пе - по) бМдс/о,ЬАдс =АоЧ/с,1 (е )ф.Нгде ЬЯо- полуширина модельного треугольного контура спектральной линии;с - скорость света в вакууме;40 е, що - заРЯд и масса покоЯ электРона;знаки (+) в первом и (-) во втором уравнениях отвечают условию фз дс, знаки(-) в первом и (+) во втором уравненияхотвечают условию фз Г.трдс.451603313 р(/Гр 101 м 10-4 10-г 10 д 3 нергия 83 ияения аьлуцателеи Составитель В.КоледовРедактор И,Касарда Техред М.Моргентал Корректор И.Муска Производственно-издательский комбинат "Патент" жгород, ул. Гагарина,Заказ 3382 Тираж 568 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5