Устройство для диагностики плазмы методом рассеяния света

 

С АМ

ОП И И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

279 8I2

Сова Соввтскик

Сециалистическил

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 06.IX.1968 (М 1268994/26-25) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликована 01.VII.1971. Бюллетень № 21

Дата опубликования описания 15.IX.1971

МПК б 01п 9/24

Комитет по делам изобретениЯ и открытий при Совете Министров

СССР

УДК 533.9.07(088.8) Авторы изобретения

Заявитель

Л. Н. Пятницкий, Г. П. Хаустович и В. В. Коробкин

Государственный научно-исследовательский энергетическиЙ институт им. Г. М. Кржижановского

УСТРОИСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ

РАССЕЯНИЯ СВЕТА

Изобретение относится к устройствам для диагностики плазмы методом рассеяния светового пучка лазера.

Известны аналогичные устройства, содержащие лазер, линзу, фокусирующую лазерное излучение в сосуд для плазмы, линзу, собирающую рассеянный свет, анализатор спектра, фотоумножитель, усилитель и осциллограф.

Известная схема имеет существенный недостаток. Сигнал от рассеянного света (полезный сигнал) наблюдается на фоне излучения плазмы, которое имеет постоянную и пульсирующую составляющие. От постоянной составляющей, а также от медленно меняющейся во времени переменной слагаемой легко избавиться радиотехническими методами, например с помощью сужения полосы пропускания усилителя осциллографа. Пульсирующая же составляющая — шум плазмы — имеет ту же природу, а следовательно, и длительность импульсов, что и излучение лазера, и поэтому не может быть отделена от полезного сигнала обычными радиотехническими средствами. Амплитуда полезного сигнала пропорциональная концентрации электронов. Шум плазмы зависит от ее температуры, давления газа и от того, насколько близко к исследуемому спектральному интервалу располагается линия излучения плазмы (вблизи линии шум плазмы соответственно возрастает). При сложном состане газа число линий может быть значительным, и измерения становятся невозможными.

Вдали от линий при атмосферном давлении, например, аргоновой плазмы, уже при температурах около 10"К полезный сигнал трудно различим при концентрации электронов порядка 10" см — . Между тем в ряде практических задач (МГД-генераторы, плазматроны, ударные трубы и т. д.) необходимо измерять

10 значительно более низкие концентрации электронов.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка и расширение пределов параметров плазмы, при которых возмож15 на диагностика данным методом.

Это достигается путем избирательной оптико-электрической компенсации шумов плазмы при сохранении практически неизменным полезного сигнала. Между анализатором спект20 ра и основным фотоумножителем расположена поляризационная призма с дополнительным фотоумножителем для регистрации отклоненного луча, причем анод основного фотоумножителя соединен с последним динодом

2S дополнительного фотоумножителя и они подсоединены к общей нагрузке.

Принцип компенсации поясняется чертежом на котором представлена выходная часть установки: выходная щель 1 анализатора спект30 ра; световой сигнал 2, выходящий из анали279812

3 затора; двулучепреломляющая призма 8; -световые сигналы 4, 5; фотоумножители 6, 7 (ФЭУ); анод 8 ФЭУ 6; последний динод 9

ФЭУ 6; три последние ячейки 10 делителя напряжения, питающего ФЭУ 6; три последние ячейки 11 делителя напряжения, питающего

ФЭУ 7; нагрузочное сопротивление 12; последний динод 18 ФЭУ 7; анод 14 ФЭУ; усилитель

15; осциллограф 16.

Для компенсации шума плазмы используется то, что излучение плазмы неполяризовано, тогда как лазер излучает плоскополяризованный свет. Допустим, что плоскость поляризации вертикальна. Луч 2, выходящий из щели

l анализатора спектра, содержит полезный сигнал и шум плазмы. В призме 8 он расщепляется на два: обыкновенный (вертикально поляризованный) луч4 и необыкновенный (горизонтально поляризованный) луч 5. Луч 5 проходит через призму 8, не меняя направления, тогда как луч 4 сильно отклоняется от первоначального направлейия и выходит в боковую грань призмы. Так как лучи 4 и 5 поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях, то один из них (в данном случае луч 4) содержит весь полезный сигнал и вертикальную компоненту шума плазмы, а другой (луч 5) — только шум плазмы, точнее его горизонтальную компоненту. Каждый луч поступает на свой фотоумножитель 6 или 7.

Так как обе компоненты шума плазмы в лучах 4 и 5 когерентны, то достаточно теперь вычесть из сигнала ФЭУ 6 сигнал ФЭУ 7, чтобы скомпенсировать шум плазмы и получить полезный сигнал, в значительной степени

«очищенный» от шума плазмы. Обычно в радиотехнике такое «вычитание» сигналов производят после дополнительного усиления. Однако в данном случае этот способ является неудовлетворительным ввиду того, что сигнал от рассеяния очень мал по амплитуде, обычно он составляет порядка 10 — 4 доли энергии зондирующего излучения. Для того, чтобы его уверенно регистрировать, необходимо очень большое, близкое к предельно допустимому, предварительное усиление при полосе пропускания усилителя до 250 мги,.

В этих условиях импульсы от шума плазмы способствуют возбуждению в усилителях генерации колебаний напряжения и тем самым сильно снижают допустимый предел усиления. Поэтому вычитание сигналов необходимо производить до подачи на усилитель напряжения.

В предлагаемом устройстве это осуществляется с электрическими импульсами, которые получаются на выходе ФЭУ б и 7. ФЭУ б и 7 имеют частично смешанное питание и общее нагрузочное сопротивление 12. Чтобы не усложнять схему, на чертеже делители напряжения представлены не полностью, а лишь тремя последними ячейками 10 (ФЭУ б) и 11 (ФЭУ 7).

ФЭУ 7, на который поступает сигнал, содержащий лишь шум плазмы, питается обычным

Предмет изобретения

Устройство для диагностики плазмы методом рассеяния света, содержащее импульсный лазер, линзу, фокусирующую лазерное излучение в сосуд для плазмы, линзу, собирающую рассеянный свет, анализатор спектра, основной фотоумножитель, усилитель и осциллограф,. отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона диагносцируемых параметров и повышения чувствительности метода, между анализатором спектра и основным фотоумножителем расположена поляризационпая призма с дополнительным фотоумножителем для регистрации отклоненного луча.

4 образом. Анод 14 соединен с точкой 11 дели теля, имеющей нулевой потенциал («земля»), последний динод 18 имеет потенциал — и, предпоследний динод — 2и т. д. (на схеме не показано). Но сигнал с ФЭУ 7 снимается не с анода, как обычно, а с последнего динода 18 при помощи сопротивления 12. Каскад динод 18— анод 14 имеет коэффициент усиления около 4.

Это значит, что на каждый электрон, пришед10 ший на динод 18, в процессе усиления, последний теряет четыре электрона. Следовательно, амплитуда импульса с динода 18 составляет

3/4 от импульса анода ФЭУ 7 (если бы импульс снимался с анода), но при этом имеет

15 положительную полярность.

ФЭУ б, на который поступает световой сигнал, содержащий шум плазмы и полезный сигнал, питается следующим образом. Его анод

8 имеет потенциал — и относительно земли, 20 последний динод 9 имеет потенциал — 2и, предпоследний динод — 8и и т. д. (на схеме не показано).

Сигнал ФЭУ б снимается с анода 8 с помощью того же сопротивления 12. Сигнал

25 имеет отрицательную полярность и полную амплитуду. Таким образом, на сопротивлении

12 смешиваются два сигнала различной полярности. В результате на усилитель 15 поступает сигнал, в котором шум плазмы скомЗ0 пенсирован.

Так как при данном включении ФЭУ 7 дает усиление 3/4 от полного, то для более глубокой компенсации шума плазмы необходимо увеличить полный коэффициент умножения

35 ФЭУ .7, увеличив напряжение его питания.

Меняя напряжение питания ФЭУ, можно подобрать максимум степени компенсации.

Компенсация шума .плазмы непосредственно увеличивает отношение сигнал — шум. Кро40 ме того, она дает возможность поднять коэффициент усиления усилителя напряжения.

Благодаря этому существенно расширяются пределы параметров плазмы, при которых можно проводить диагностику методом рассе45 яния. В приведенном выше примере (температура порядка 104 К, атмосферное давление газа) минимально измеримые значения концентрации электронов можно снизить па два

50 пор sa.

279812

Составитель Б. Кононов

Техред 3. Н. Тараиенко

Редактор А. Калашникова

Корректор В. Жолудева

Заказ 2349/7 Изд. № 991 Тираж 473 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр, Сапунова, 2 причем анод основного фотоумножителя соединен с последним динодом дополнительного фотоумножителя и они подсоединены к обшей нагрузке.