Способ определения дрейфовой скорости ионов в плазме

 

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 ортогональные линейно поляризованные компоненты спектральных ионных линий, соответствующих переходам с уровней диблетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры, нз общий уровень. Измеряют их интенсивности по которым проводят определение . 3 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 6 01 N 21/67

ИИЕНУ!1) -::

1 » !

ГфСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

В ДОМСТВО СССР (Г ЭСПАТЕНТ СССР) !

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4903612/25 (2 ) 18.01.91 (4 ) 30.08.93, Бюл. % 32 (7 ) Ленинградский государственный униве ситет (7 ) С.А.Казанцев, В.Н.Ребане и Т.В.Рудакова (5 ) Казанцев С.А. и др. Дрейфовое самовыст аивание ионов в плазме, Письма в

Ж ГФ, 1987, т,45, с,15 — 17., :Захарова В.М„Каган !О,M. О движении иоров и атомов в плазме, В сб. "Спектроскопи ч газоразрядной плазмы", 1970, Л.; Наука с.291. (5 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДРЕЙФОВ Й СКОРОСТИ ИОНОВ В ПЛАЗМЕ! Изобретение относится к области поляри ационной и оптической спектроскопии, пр имущественно, к спектроскопии плазмы . !

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 и 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

„„Я2, „1837212 А1 (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 ортогональные линейно поляризованные компоненты спектральных ионных линий, соответствующих переходам с уровней диблетов, имеющих тонкое расщепление порядка атомной температуры, на общий уровень. Измеряют

L1x интенсивности по которым проводят определение, 3 ил, ортогональные поляризованные компоненты ионных линий, измеряют их интенсивности !у и Iz, опРеДелЯют величинУ Ф(!у, Iz) из соотношения

Ф(!у, lz) = а1 (I1, !г, 4) (Iy — !)!1!, 1 1 а2 (!1 !2. !о) (!у + 2 4)!1 (Iy + 2 Iz)12 (1)

ГДЕ а1(!,!г,tо) И аг(!1,)2,!о) — ЧИСЛЕННЫЕ КОзффициенты, зависящие от полных угловых моментов составляющих дублета Il, 12 и обцего нижнего уровня спектральных переходов !о, сопоставляют полученное значение

Ф (ly, Iz) с теоретической зависимостью

Ф(чу), рассчитанной как функция дрейфовой скорости ионов в среде через скорости радиального затухания и элементы релаксационной матрицы, и по совпадению теоре1Я37212 тической и экспериментальной величин Ф определяют дрейфовую скоростью ионов в плазме viz, Новизна предполагаемого способа заключается в использовании впервые физического эффекта формирования поляризации спектральной линии эмиссии дрейфующих в плазме ионов и приемах аналитического определения величины дрейфовой скорости, примененных к линейно поляризованным компонентам спектральных ионных линий, соотвегству1ощих переходам.с уровней дублетов, имеющих танков расщепление порядка атомной температуры, на общий уровень, Выбор линий, соответствующих переходам, имеющим тонкое расщепление порядка атомной температуры, на общий нижний уровень обусловлен необходимость1о анизатропной сталкнавительнай релаксации за счет иан-атомных столкновений при дрейфовом движении в изотропной среде нейтральной компоненты плазмы, что отражено в кинетическом уравнении для поляризациОнных моментов состэвля1ащега дчблета.

Выделение спектральной линии эмиссии и дополнительно регистрация составляющих дублетэ, измерение интенсивности ортаганальных линейно поляризованных компонентов ly, Ь позволяет решить уравнение для поляриэационных моментов матрицы плотности с использованием связи поляризацианных моментов составляющих узких ионных дублетов с поляризацией линии эмиссии, и получить теоретическую зависимость ч1(ч), затем, путем сопоставления экспериментальных данных с теоретической зависимостью, определяют искому1о величину дрейфовой скорости ионов в плазме.

Рассмотрим сущность предлагаемого способа более подробно.

Аналитически определить дрейфовую скорость ионов в плазме по результатам спектрально-поляризэционного измерения можно следующим образом.

Функция распределения относительных скоростей ионов и нейтральных атомов

f(v), участвующих только в хаотическом тепФ ловом движении v = v — v, имеет следующий вид;

f(v) = (у/л) ехр(- у (v2+ 2ччосоз О+ чо )) (2) где v, = чое — радиальная скорость дрейфа ионов, Π— угол между векторами v и 0<, у

=. п1 (па/2К(И1!Та+ maTi) п1ь m, Ti, Та — массы и эффективные температуры ионов и атомов, Харэктеристикай анизотрапии распределения относительных скоростей служит безразмерный параметр Л = чо v . В силу сказанного выше, величины vo и Л зависят от радиальной координаты рассматриваемого макроскапически малого абьема в плазме, Аниэотропия соударений дрейфующих ионов с нейтральными атомами приводит к тому, что столкновительная релаксация 10ляризационных моментов составляющих узких ионных мультиплетав происходит по закону:, 6 (I) =- Х Р6К10! Ф1(! ) {3) гдерс1 (l1) — поляризационные моменты ианк

НЫХ СОСТОЯНИЙ, Ra (ll1) — компоненты матрицы аниКК1 эотрапнай столкновительнай релаксации. уравнение, описывающее временное изменение продольного выстраивания состояний с l=3/2 дублета 4d Р1(г,з12, расщеп 2 ление которого заметно меньше энергии относительного движения сталкивающихся частиц (<) (1/2, 3/2} = 100 К при Т = Та = 330

I), с учетом свойств симметрии матоицы анизатропной сталкнавительной релаксации Ро (3/2, 3/2)=-- — Р (1/2, 3/2) прини02 „1 02

30 мает вид: ,„=-72 Rо(1/2,,,3/2)п1/2- — RоО2(1/2. 3/2}ПЗ/2 + о

+ Roо (3/2, 3/2) — Го а з(г где азп = 2 р (3/2) Го — константа релакса{2)

40 ции распада.

Связь между паляриэационными моментами ионных состояний pa (I) и интенк сивностью света I, испускаемого ионами с линейной поляризацией вдоль произвольно заданного орта е>, можно получить, применяя известную технику сложения угловых моментов:

Ipg = c ((д) I < Lol Щ Ц > I (— 1) + " (2 ) + 1) (2 i, + 1) (a L, - 1) .

Lo lo Sf ) (— 1) V2p+1 (5)

i L 1jxQ

II I k)(k 1 vaja„"i*fqQ где с(в) зависит от частоты перехода и геометрических условий наблюдения, а<1 и а г — коэффициенты разложения орта поляЧ ризации е по круговым ортам, Зависимость Ф (Р, Л} является функцией давления нейтрального газа в плазме Р, а

1837212 кже параметра аниэотропии функции расределения скоростей дрейфующих ионов

С учетом выражения (5), эту величину можо выразить через наблюдаемые величины:

H Iz: 5

Ф<Р,Л) =

12,5 (Iy — lz+

5 (ly + — Iz — (Iy + — Ь)

1 1

= () 1 0 (6) де индексы 1/2, 3/2 указывают на энаение момента I для того уровня дублета

d Р1д,зд, с которого испускается иэлучеие.

Функцию Ф (Р, Л) можно выразить также ереэ скорость радиационного затухания Г теоретически вычисляемые элементы реаксационной матрицы Ra (II>) (5):

КК1 20 (7) R» y з ) 25

При каждом значении давления P и для аждого положения локального излучающео объема z левая часть равенства (7) — иэмеяемая на опыте величина Ф (P,ч) — и его равая часть — элементы релаксационной 30 атрицы Ra зависят от скорости дрейфа

КК1 онов v. Искомое значение v определяют из славия совпадения измеренного значения .(Р,v) (6) и величины Ф, теоретически рассчианной с использованием соотношения (7) и 35 аблицы для элементов R — матрицы, Сущность предлагаемого способа поясняется фиг.1 — 3. На фиг,1 представлена схема экспериментальной установки для определения скорости дрейфа ионов для 40 плазмы разряда в полом катоде, На фиг,2 приведена экспериментальная зависимость величины Ф(ч) от давления среды Р для работы точек с различной радиальной компонентой (плазма разряда в полом катоде), На 45 фиг.3 приведена экспериментальная зависимость распределения скорости дрейфа ионов в плазме цилиндрического полого катода по координате (радиальная зависимость) для различных значений давления 50

:среды (представлена в двух масштабах из,. мерения), Способ осуществляют следующим об разом, используя устройство на фиг,1. Излу;чение плазменного источника 1 помещают 55 ! ! в центр фокуса линзы 2. Излучение анализи-! руемого объекта фокусируют на входную, . щель монохроматора 3, которым выделяют

: нужную спектральную линию. За входной, : 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 iy и 1д и производит их статистическую обработку и аналитический расчет величины &(Iy, Iz). Сопоставляя ее c;òåoðåтическими 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.

Пример 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 о

А, соответствующим переходам с дублета

4d Р1д,1/2 на нижний уровень 4р 0 д . Наблюдали излучение вдоль оси ОХ, параллельной оси цилиндрического катода, С помощью отверстия размером 0,3х0,3 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 вычислитель1837212 условиях, когда контур линии может полностью передавать распределение ионов по скоростям. Конкретный пример показывает, гто по предлагаемому способу можно производи ь измерение дрейфовой скорости ионов на 1 — 2 порядка меньше по величине, особенно., в области малых скоростей дрейфа,, а также для условий, в которых прототип не применим, Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в повышении чувствительности бесконтактных спек гроскопических методов определения дрейфовой скорости ионов и расширение

55 ное устройство для расчета величины функции Ф по (6), которая затем сопоставлялась с теоретически рассчитанной зависимостью (при y =- 28 ЧГц (7)).

Для излучения в фиксированной точке г= 5

= 2,5 мм (радиальная компонента) при давлении среды 0,12; 0,16; 0,20 и 0,30 Торр последовательно получили эксперименальную величину Ф(х10 ) соответственно

-2

;=:.3, 3,6; 3.8 и 3,9, Сопоставляя с теоретиче- 10 скими расчетами, получили величину дрейфовой . корости ионов в данной точке соответственно 1,8; 1,35; 1,2 и 0,8 (х105) см jc.

Пример 2. При фиксированном дав- 15 лении среды Р = 0,2 Торр в условиях примера: было изме рено радиальное распределение скорости дрейфа ионов на удалении z no радиусу от центра симметрии, равном О; 0,5; 1,0; 2,25; 2,5 и 3,0 мм. Расчет- 20 ные величины функцииФх (10 ) составили

-2 соответственно: 0,5; 0,6; 0,9; 3,3; 3,8 и 5,2.

После сопоставления с теоретической зависимостью определили распределение скоросги дрейфа ионов в анализируемой 25 области. Величина v х (105) составила 0,3;

0.35; G,4., 1,G; 1,2 и 1,7 см/с, Экспериментальные зависимости функции Ф отдавления газа Р в различныхточках

30 среды в полом катоде {радиальная симметрия картины) приведены на фиг.2, Видно, ло при малых удалениях от оси величины слабочувствительны к давлению. Однако пр » удалении or центра зависимость Ф (Р)

35 с-»ановится все =îëåå отчетливой.

Радиальная вариация скорости дрейфа ионов в плазме при давлениях 0,1 — 0,3 Торр представлена на фиг.3. Конкретные примеры показывают, что по предлагаемому спо40 собу можно проводить измерения малых скоростей доейфа ионов в плазме.

Способ-прототип позволяет определить скорость дрейфа ионов вдоль оси разряда при любьх давлениях, особенно, в 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, отличающийся 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 Iy и lz, определяют величинуФ(1у,lz) из соотношения

Ф(1у, 1,) = а1 (, Ьг, 4) (I„— Ц 1, /

Q2 (I 1â I2е Ip) (fy + Iz) (ly + 2 Iz)lg где a<(I>,И0) и a2(i>,l2, lo) — численные коэффициенты, зависящие от полных угловых моментов составляющих дублета I>,!г и общего нижнего уровня спектральных переходов l, сопоставляют полученное значение Ф(1у,lz) с теоретической зависимостью Ф(чу ), рассчитанной как функция дрейфовой скорости ионов в среде через скорости радиационного затухания и элементы релаксационной матрицы и по совпадению теоретической и экспериментальной величин Ф определяют дрейфовую скорость ионов в плазме vyz, взбеги

1837212

ТрР7

Составитель С.Казанцев

Техред M.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор С.Кулакова

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

Заказ 2862 Тираж Подписное

В НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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