Способ определения характеристик ионизованной среды

 

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 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, а затем рассчитывают характеристики объекта, отражающие его структурные свойства. 3 ил. со С

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 N 21/19

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4901980/25 (22) 11.01,91 (46) 30.03,93, Бюл, N 12 (71) Ленинградский государственный университет (72) С.А.Казанцев (56) Блум К. Теория матрицы плотности, и ее приложение М„Мир, 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

„„5QÄÄ 1805350 А1 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 Ilo 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 на том, что структурные характеристики ионизованного объекта непосредственно проявляются в особенностях кинетики наиболее независи м г мой электронной компоненты, Функция распределения электронов f(v) в простран-! стве скоростей может быть разложена по IQl

bi+ сферическим гармоникам /я(ч/ч): О

-а Х, М -1 (5C)

f(v) =, g Yq (V/V) fq (ч) (2)

Х 0 я Х где fq (v) — мультипольный момент функции распределения электронов, Квадруполный момент fa()(ч) пропорционален тензору (2) плотности потока импульса электронов.

При возбуждении атомов по выделенным подансамблям электронов с вектором

1805350 скорости v в системе координат с направлением оси квантования вдоль вектора скорости v могут образоваться только поляризационные моменты ансамбля возбужденных частиц, имеющих индекс q =- 0; рф) (ч), который непос5 редственно связан с сечением выстраивания электронным. ударом о()(ч).

Для . получения поляризационных моментов ансамбля вбзбужденных частиц в 10 ионизованной газовой среде необходимо перейти из системы столкновения в лабораторную систему координат и усреднить в ней по всем направлениям скоростей электронов v: 15

p()(v) — - ) d v v3ОФ(ч)И(ч) (3)

Поляризационные характеристики линейчатого излучения атомов в представлении поляризационных моментов атомной матрицы плотности описываются следующим выражением:

I е, = А $ (— 1p аурф (ч) Фф (е, ), (4)

Х < где ч ф) е Х вЂ” тензор наблюдения, le - интен- 30 сивность излучения выделенной спектральной линии Л а поляризации, определяемой вектор ром е Х, А, аХ вЂ” константы, характеризующие рассматриваемый переход.

Степень линейной поляризации на рассматриваемом переходе Л в системе коорринат детектора при наблюдении вдоль оси

ОХ будет определяться соотношением

40 еЛ If ОХ вЂ” I еЛ !! OY

Р—

1еЛ il ОХ + I еЛ Il OY

Подставляя 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- 50 рых электронов

fq+ (v) 2 (v) + f-y (v), который описывает структурные характери- 55 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 ионизованной 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.3— результаты определения радиального ïðîфиля потенциала в цилиндрическом положительном столбе разряда постоянного тока в неоне, Способ осуществляется с помощью устройства — магнитного спектрополяриметра (фиг. t), Излучение плазменного источника 1 помещают в центр фокуса линзы 2, излучение анализируемого объекта фокусируется на входную щель монохроматора З,.которым выделяют нужную спектральную линию, 3а 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 s-2р неона в раличных точках его изображения для диапазона условий: диаметр разряда 30 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 осесимметричного

1805350 разряда в плоскости входной щели спектрального прибора Р((х), можно записать (»!*(Я (г»!Гд )Дйй!(Ц6(k13s(xk({)4k k6 ;(Ц(»(м,k)

»! Ч

R и

» !

Лй»»! .!- (г(l{! q 1 ; (6!»Ь! !! где k — энергия возбуждающего электрона;

r — радиальная координата, R — радиус поперечного сечения.

Мультипольные моменты функции распределения быстрых возбуждающих электронов рассчитывались в предположении, что анизотропия распределения скоростей определяется формированием конусов потерь, частично заполненных упруго рассеянными электронами на нейтралах в пространстве скоростей вне конусов; (g 1 Jik-ü Ф

k (,й.й ({)a) — — (- Ч1 (Д-е ! л (, (».k(=- И,(й "„ .. (ф! 4 Г6 д1 !-Г („(.,й. —,, «.(E{) (—. (ч ), » це 6 ° k+e" (rl > "-Ы»1> (k 5Д,(!,kl(((а(1-y ) i );

Ь-0»р» »5., а.((s,-g Ù!- (g»р» f< 5„ (.(;k(»а .Щ(."(.,Ч ©" Ц 0 при sp < 0 (запертые электроны): а = а (r)—

=(1/2) ехр(-R(1+ ф)А 3+ ехр(-R (1-ф)Л) = ф= г/R, гдето-длина свободного пробега электрона

Функция распределения быстрых электронов fp(е) в предположении параболической радиальной зависимости потенциала и относительной малости ухода электронов на стенки выражается через функцию Макдональда, характерная температура спада которой Т1определяется оцениваемым экспериментально продольным электрическим полем в столбе. . Расчеты поляризационных профилей как функции параметров плазмы производились на ЭВМ по программе, Радиальный профиль потенциала аппроксимировался степенной функцией ((2 (r} - (vp — Лч) (г/R)" в обьеме разряда и резким скачком Лч в пристеночном дебаевском слое, В процессе расчета варьировались параметры vp, Лч, и. Функция R (e) вычислялась в борновском приближении с использованием дифференциальных сечений неупругого возбуждения, Величина Т1, вид хвоста fp (я) и параметра также варьировались при расчетах Р((х). (1ри этом рассматривались случаи .отсутствия столкновений а- 1, постоянное, независящее от г столкновительное заполнение конуса потерь (а = const) и учет столкновений в соответствии с рассматриваемой моделью.

5 Определение профиля потенциала в плазме проводилось для разряда в неоне при давлении 0,2 Торр, токе разряда 25 MA (протяженность продольного электрического поля в столбе 1,8 B/cM и рассчитано Tt =

10 =2,6 эВ) на линии 626,6 нм (r2/ro = 1,2). Использован алгоритм минимизации функционала невязки, С учетом малости взаимной корреляции параметров ч0 и и, задача минимизации может быть разбита на два этапа.

15 На первом этапе, в предположении n = 2, совестно определяют оптимальные значения параметров а=0,11(1), V4= 24 (1),Л V =

=1 0 (5) эВ. На втором этапе параметры а и

Vp фиксируют и определяют значения ch =

20 =1,0(3) эВ, п = 1,95. При полученном векторе параметров невязка составила 6 Д при точности экспериментальных измерений степени поляризации не хуже 10%. В результате радиальный профиль потенциа25 ла в плазме положительного столба разряда в условиях эксперимента выражается соотношением:rp (r) = 23 г/R В. Независимые

2 контрольные измерения разности потенциалов между двумя точками в плазме мето30 дом электрических зондов показали, что они согласуются в рамках приводимых погрешностей с данными спектрополяриметрических измерений. Результаты определения радиального профиля потенциала в цилиндрическом положительном столбе разряда постоянного тока в неоне приведены на фиг.3, Пример 2, Определяли энергию, передаваемую в плазму безэлектродного

40 емкостного разряда через приэлектродный слой. Учитывая, что передача энергии внешнего высокочастотного поля в плазме разряда, поддерживаемого на частоте 100 МГц происходит, главным образом, в приэлект45 родном слое за счет фермиевского нагрева, были получены аналитические выражения для мультипольных моментов функции распределения в рамках простой модели, основанной на представлении об упругом

50 взаимодействии тепловых максвелловских электронов, падающих из центральной об- ласти плазмы с осциллирующей границей.

Для группы быстрых электронов, осуществляющих прямое возбуждение исследуемых

55 атомных состояний, скорости которых, согласно оценкам, удовлетворяют условию v >

2а (а — средняя скорость границы слоя), мультипольные моменты функции распределения быстрых электронов принимает вид:

1805350

1 (u P= Жехр(-u)+ f2р, „(1 — — ) °

° exp(4pUa — u2 — 4ф) da)

fz@(U,pj- — — ) р,„(За — 1)(1 = )

exp(4p Ua — u — 4Р ) da, где а = чт/ч, u - ч/чт, ч — тепловая скорость электрона, j3= a/v. 10

Средняя за период мощность, передаваемая от внешнего генератора в плазму через приэлектродный слой, выражается как

W = (д) 1/2 и msvTa2 15 где n — концентрация электронов;

m — масса электрона;

s — площадь электрода.

Для определения передаваемой мощности измеряли величину приэлектродного 20 поляризационного максимума степени линейной поляризации в цилиндрическом емкостном высокочастотном разряде диаметром 4 см, длиной 6 см, с внешними электродами диаметром 4 5 см, на линиях 25 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 IBM как в примере 1. Параллельно с этими расчетами проводили расчет зависимости Pi(P ). Сечения возбуждения и выстранивания исследуемых уровней аргона рассчитывали исходя из дифференциаль- 35 ных сечений возбуждения электронным ударом. Определение параметров Р проводили в результате сравнения рассчитанных зависимостей Р (Р ) с экспериментальными величинами Рь 40

В таблице приведены результаты определения параметра Р для каждой спектральной линии I и трех значений чт., Погрешность каждого отдельного результа та, определяемая только исходной погреш- 45 ностью измерения Рь очень мала, порядка

17, Этот Факт, наряду с совпадением в пределах указанной погрешности значений

Р для ра ных спектральных линий, но для одной v, свидетельствует о надежности 50 предлагаемого способа. Значение искомой средней скорости границы приэлектродного слоя а = vT P (чт) также приведены в таблице. Для различных значений v различие в величине а мало по сравнению с неоп- 55 ределенностью чт, которая реально оценивалась в расчетах порядка 15 . Причиной этого является слабая чувствитель, wocTb зависимости Pl(a) к параметру v .

Скорость границы приэлектродного слоя пространственного заряда определяли путем усреднения данных для различных линий! и vT и составила 1,3 (2) 10 см/с, Подтверждением надежности этого результата служит сопоставление скорости пучковых электронов v8 = vT/2 + 2а = 3,2(v) ° в

10 см/с, определенной на основе полученной скорости границы приэлектродного слоя с непосредственными измерениями величины v> 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 t,3 (4) Вт для концентрации электронов

n = 109 смз, Приведенные 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 ионизованных газов, 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 изобретения

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 юшийся 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 измеренным величинам определяют степень линейной поляризации для каждой спектральной линии Pi(r) как функцию вида

1805350

vt) — скорость возбуждающей частицы, соответствующая порогу возбуждения уровня Го, Г2) — константы релаксации заселенности и выстраивания рассматриваемого

5 уровня;

1 1 2 (Ij lI I)) — 6) — символ Вигнера;

fq (ч,r) — мультипольные моменты функции распределения по скоростям воз10 буждающей компоненты ионизованной среды, рассчитывают квадрупольный момент

fq+ v,r) и по нему определяют компоненты

Ь( тензора анизотропного давления возбужда15 ющих частиц в каждой точке ионизованной среды, по которым определяют характеристики ионизованной среды. где I — угловой момент нижнего уровня спектрального перехода; оЯ (ч), О) (v) — зависящие от скорости возбуждающей частицы ч сечения выстраивания и возбуждения уровня с моментом!в 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 VT, 1805350

20

0 E7 ° 2

@ИХ Э

Составитель С.Казанцев

Техред М,Моргентал Корректор Е.flann

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 937 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5