Способ диагностики плазмы

 

Изобретение может быть использовано при диагностике плазмы, используемой в сварочном оборудовании, термоядерном реакторостроении, магнитогидродинамических генераторах газоразрядных источниках света, спектральном анализе и др. С цепью увеличения избирательности определения отдельных компонент и расширения динамического диапазона измеряемых концентраций диагностика производится путем зондирования плаамы спектром равноотстоящих мний renepaipm широкополосного лазера. 2 ия. to 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСЙ ИХ

09) (11) А1 (51) 5

ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

r)O ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (46) 15.10.90. Б)0л. 1) 38 (21) 3913496/31-25. (22) 19.06.85

„(7l) Ленинградский государственный, университет (72) А ГИиглинский, ГеГ Кунде

: А.Н.Самохин и А.О.Морозов (53) 535 е 24(088 ° 8) (56) Зайдель А;Ц., островская Г.В, Лазерные методы исследования плазмы

11., Наука, 1977, с.222.

Авторское свидетельство СССР

Ь 246710, кл. 0 01 N 21/45, 1969. (54) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ (57) Изобретение иокет быть использовано при диагностике плазмы, используемой в сварочном оборудовании, термоядерном реакторостроенин, магнитогидродинамических генераторах, газоразрядных источниках света,. спектральном анализе и др. С целью увеличения избирательности определения отдельных компонент и расширения динамического диапазона измеряемых концентраций диагностика производится путем зондирования плазмы слектром равноотстоящих линий генерации широкополосного лазера. 2 ил.

1289195

Изобретение относится к области оптической измерительной техники и может быть использовано в интерферометрии, спектроскопии и голографии, Целью изобретения является увеличение избирательности определения отдельных компонентов и расширение динамического диапазона измеряемых концентраций компонентов при диагностике многокомпонентной нестацио- Ю нарной плазмы.

На фиг. 1 показаны положения линий поглощения в спектре, зависимость показателя преломления многокомпонентной плазмы от длины волны и спектр эондируемого лазерного излучения; на фиг.2 представлена схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит лазер с зеркалом 1, кювету 2 с красителем, ин- 2О тероферометр Фабри-Перо (ИФП) 3 и второе зеркало 4. Лазер является источником линейчатого спектра генерации. Расстояние в спектре между линиями генерации ь3 определяют вы25 бором базы интероАерометра с, которые связаны между собой соотношением

4 = —, (1)

2с ЗО где М. — 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 спектрографа 15, который пространственно разФ деляет 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 определяет-5О ся следующей Аормчлой:

5 () — Е-М Ь (Л- Agg) () (a -,„) +(z SA;; ) где с = 2 24х10 4 см;

f- - сила осциллятора уровня;

Sp., — ширина линия перехода на ..оловине высоты;

2 — длина волны перехода;

N, — концентрация атомов или ионов.

В соответствии с формулой (1) показатель преломления быстро растет вб иэи 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 ликии, 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 произволь;;о располагаться по оси относительно заданного спектра поглощения. Это достигается тем; что линии генерации лазера создаются со спектральным интервалом мЛ между ними, составляющим 1-10 полуширин линии поглощения GA;„ . Последнее позволяет проводить диагностику компонентов плазмы избирательно в условиях, когда чувствительность иэ" мерений велика и меняется в пределах от максимально достижимой (соответствующей ь3 = 0,5&3;„. ) до примерно в 5 раз меньшей (соответствующей а1 = 1053;; ).

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 генераций, так и Возможность измерения больших

1 дующим причинам. С ростом 1чирины зонЛирующе11 линии сужается диапазон иэмеряемь.х концентраций и ухудшается чувствительность- измерений. Если потребовать, 21тоб11 ухудп1ение чувствительности и сужение диапазона из" иэмеримьгк концентраций при уширении эондируклт1ей линии происходило не более чем в 2 разя по сравнению с монохроматическим зондирующим излучением, тс необходимо, чтобы зондируюп1ая линия бына уже, чем линия поглоще21ия.

Для создания требуемой п1ирины линии генерации в устройстве использукт связ1 пгирины линии генерации И с коэффициентом отражения К зеркал интерферометря:

2, 2 . ll-R I 2п2

31 =--„ - -",гсв т1 -- 1ехр(-„= — ---)-1 ), (3) где 1 — эффективное время импульЭ 1 Г са генерации лазера.

Согласно формуле (3) необходимой н1ирины ли11ии генерации можно добиться выбором баэь1 интерферометра коэффицие!kтя отражения зеркал R или длительности лазерного импульса 1,„, Поскольку t определяет расстояние между Jnk>kl

3 128q1l15 концентраций на более далеких от линии поглОщения линиях генерации с меньшей чувствительностью. Перечисленные достоинства являются принципиальными при диагностике пространственно-неоднородной многокомпонентной плазмы, у которой концентрации могут сильно различаться как между разными компонентами, так и в пространстве, а априорная информация 10 о величине концентрации отсутствует.

Одновременность эонидирования позволяет получить полную картину проходящих в плазме процессов и изучить влияние каждого из компонентов на всю плазму в целом несмогря на то, что параметры последней быстро меняются во времени.

Для определения пространственного распределения концентрации каждого 20 иэ компонентов производится расшиф" ровка N интерферограмм, соответствующих N разным длинам волн. На основании соотношения (2) записывается система из N уравнений, что дает возможность определять концентрации

И различных компонентов. В случае, если число компонентов плазмы меньше числа генерируемых линий, можно увеличить точность определения отдельньм компонентов эа .счет использования для определения одного компонента нескольких линий генерации.

Положительный эффект может быть достигнут в случае выполнения усло- 35 вий, определяющих ширину линии генерации.

Ширина линии генерации ограничивается.сверху шириной линии поглоп1ения. 40

Это условие обеспечивает высокую чувствительность, избирательность, точность измерений, высокое качество интерферограммы и простоту обработки послед-

1ней. Высокая видность картины (а 45 следовательно, и ее качество) в этом случае обеспечивается тем, что рефракция исследуемой плазмы мало ме(Няется 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- 55 печивающей максимальную чувствительность, то есть вплоть до полуширины линии поглощения. Выполнение этого ограничения необходимо еще. по слеШирина линии генерации ограничена снизу вели инеи нескольких расстояний между продольными модами резонатора лзэеря, . 1собходимость пыпол11ения этого условия J1Jlë получения положительного эффекта при диагностике миогокомпетентиой пляэмы обусловлена следующими ири 1ииами. При создании генерации рявнооп стоящих линий интенсивиости этих линий не должны сильно отличаться го величине. Только в этом случае удается получить информацию на всех длш1ах волн одновременно. Одиако согласно квантовой статистике лазерного иэлучепия между интенсивностями лазерных мод, генерируемых независимо, вероятны флуктуации, достигающие 1007, то есть воэь1ожно,"что некоторые Моди вообще

Hp будут генерировать или будут гораздо слабее соседних, что не даст возможности для их одновременной регистрации, Поэтому создают линии генерации, содержащие внутри себя несколько мод резонатора, уменьшая таким образом флуктуации интенснвности между линиями до величины, где f - -длина резонатора лазера, Таким образом, полуширина линии генерации &Л, „ ограничена снизу 20 величиной

Формула изобретения

5 1289195

О позволяющей их одновременную регист- Для получения величины ширины линиии рацию. необходимое число мод в линии генерации 8Л, "- 10 нм выбирают ген 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 Г„ линиями генерации с числом мод в ли- = 100 нс. При этом лазером на красинии генерации И, по формуле теле генерировалось более 50 линий одновременно. Были определены прост- f ранственные распределения в разряде

Тогда при большом И флуктуации,материала электродов (вольфрам,".нат0 интенсивности между. линиями стремят- рий) и температуры дуги (по плотносся к нулю. Расстояние между продоль- ти воздуха в дуге). Чувствительность ными модами резонатора лазера 84 измерений концентрации атомов металопределяется по формуле ла составляла 10 — 10 атом/см избирательность по отношению к дру(5)

27 гим компонентам была не хуже,чем 10 .

Динамический диапазон измеряемых концентраций составлял,.10 -10

S S

) Л

ЗЛ ЫВЛ =, (6) где величина р — допустимые в эксперименте флуктуации интенсивности между линиями генерации.

Пример конкретной реализации способа — исследование плазмы дугового разряда при атмосферном давлении.

Характерная ширина линий поглощения такой плазмы составляет О, 1-0,2 нм.

Расстояние между линиями спектра генерации составляет 1-2 полуширины линии поглощения для обеспечения максимальной избирательности, т.е.

О = SA „ „ 0,2 нм. В соответствии с формулой (1) база интерферометра t равна 1 мм (для видимой области спектра Л „" 500 нм). При этом задают условие, чтобы относительные флуктуации интенсивности линий не превышали ЗОЖ, т.е. Р = 0,3 тогда иэ фор" мулы (6)

SA „) б 10 нм.

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 преломления исследуемой среды интерферометрическим методом, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличе« ния избирательности определения отдельных компонентов плазмы и расширения динамического диапазона измеряемых концентраций компонентов при

З5 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.

Составитель С. Голубев

Редактор Т.Юрчикова Техред A. Еравцук Корректор В. Бутяга

Ы

Заказ 43б1

Тираж 512 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое нредлриятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4