Диагностика плазмы



Скачать 423.11 Kb.
страница1/3
Дата29.10.2016
Размер423.11 Kb.
  1   2   3
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ (от греч. diagnostikos — способный распознавать) — определение значений параметров плазмы, характеризующих её состояние. Так как плазма в общем случае представляет собой многокомпонентную неравновесную неоднородную систему с широчайшим спектром всевозможных значений параметров, диагностика её сталкивается с большими принципиальными и техническими трудностями. Особенно сложно проводить диагностику плазмы в экстремальных условиях — при максимальных темпеpaтураx, плотностях, скоростях протекающих в плазме процессов, мощном внешнем воздействии и т. п. Поэтому важное значение в диагностики плазмы имеет широкое применение ЭВМ как для прямой обработки первичной информации в реальном масштабе времени, так и последующего анализа. Растёт роль экспериментов, в которых на основе совокупности экспериментальных данных и некоторых априорных предложений моделируются процессы реальной плазмы.

Набор параметров плазмы, определяемых современными методами диагностики плазмы, весьма велик. Определяются форма и местоположение плазмы, плотность п ( = е, i, a) составляющих компонент (электронов, ионов, атомов, радикалов, фотонов) и их статистическое распределения f (по скоростям, по уровням возбуждения и т. п.), температуры Т, если распределения близки к равновесным, теплопроводность, интенсивность излучения, коэффициент поглощения, частота столкновений компонент, коэффициент диффузии и т. д. Исследование распределений этих параметров в пространстве и времени при заданных внешних условиях позволяет выделить основные кинетические и динамические процессы, протекающие в изучаемой плазме, определить их скорости, энергетические характеристики, найти способы управления значениями параметров плазмы.

Помещение датчика в плазму искажает её параметры. Поэтому большинство методов диагностики-плазмы – бесконтактные, в которых носителями информации о плазме являются окружающие её поля и излучения. К числу контактных относятся различные зондовые методы (электрические, магнитные, СВЧ-зонды и пр.). Бесконтактные методы делятся на пассивные и активные. Пассивные методы диагностики плазмы основаны на регистрации излучений и потоков частиц из плазмы или измерении характеристик окружающих её полей. Активная диагностика плазмы основана на измерении характеристик внешнего зондирующего излучения при его прохождении через плазму и на отклике (реакции) самой плазмы на зондирующий луч. Таким образом, активные методы возмущают плазму, хотя в большинстве случаев возмущение можно сделать сравнительно малым. С другой стороны, целенаправленное создание в плазме определенных малых возмущений и изучение динамики их релаксации являются одним из направлений по определению локальных характеристик плазмы.

Значит, трудности при диагностики плазмы возникают во многих методах из-за сложной связи измеряемых величин с параметрами плазмы. Установление этой связи требует выбора определенной плазменной модели. Её часто приходится формулировать априорно. Затем в рамках модели реализуют конкретный метод диагностики плазмы и далее, интерпретируя результаты, контролируют адекватность принятой модели.

Другая проблема — нелокальность большинства методик. Определяется среднее значение G измеряемой величины g(x, у, z) в пределах объёма (V) наблюдения или зондирования

,

чаще всего V — объём в пределах малого сферического угла, узких слоев и т. п., «вырезаемых» диагностическими лучами в плазме. Восстановление локальных значений g(x, у, z) требует измерений по разным направлениям. В случае простой и заранее известной конфигурации плазмы (круговой, эллиптический и т. п.) достаточно определить G вдоль параллельных хорд или по углам одной точки. Затем g(x, у, z) вычисляется с помощью интегрального уравнения Абеля.

Самое общее разделение методов диагностики плазмы возможно по носителям информации о параметрах плазмы, хотя вклад каждой из таких групп в диагностики плазмы существенно неодинаков.

Макроскопические методы устанавливают самые общие представления об интегральных характеристиках плазмы (факт существования, качественное представление об её структуре, динамике движения и т. п.) и обычно основываются на анализе эффективности взаимодействия плазмы с источником питания. Модель для таких методов: плазма — проводящий объём (например, токовый «шнур» и т. п.). Техническая реализация модели зависит от способа создания плазмы. Так, например, в газовых НЧ-разрядах — это, прежде всего, измерения тока и падения напряжения (электрического поля) в плазме. В сильноточных разрядах ток часто измеряется поясом Роговского (катушкой индуктивности), напряжение в тороидальных установках (например, «Токамаках») — петлей связи.

В случае лазерных и СВЧ-методов формирования плазмы определяются мощности падающего, отражённого и прошедшего излучения, которые позволяют вычислить поглощаемую в плазме энергию, средне активную проводимость.

Для оценки газокинетического давления в плазме пеТе + пiТi в ряде случаев используются её диамагнитные свойства. При возникновении плазмы происходит изменение магнитного потока через контур, охватывающий поперечное сечение рабочей части разрядной камеры. По величине изменения магнитного потока судят о величине газокинетического давления (см. Диамагнетизм плазмы).

Определенною информацию о плазменном шнуре дают его индуктивные и ёмкостные свойства.

Измерения полных радиационных потерь плазмы с помощью болометров, пироэлектрических детекторов и т. д. в сочетании с другими методами позволяют анализировать энергетический баланс, процессы диффузии примесных ионов и т. д. Применение коллиматоров позволяет вести приём в заданном элементе телесного угла (хордовое зондирование).

Динамика плазмы исследуется с помощью скоростной оптической развёртки и регистрации излучения электронно-оптическими преобразователями. При исследованиях плазмы в магнитном поле применяются магнитные зонды — малые катушки индуктивности, расположенные обычно на периферии плазменных объектов и ориентированные в разных направлениях. По колебаниям магнитного потока, пронизывающего катушки, судят о перемещениях плазменного шнура.

Диагностика плазмы, основанная на регистрации электромагнитных излучений, наиболее информативна, обширна по диапазону используемых физических принципов, способам реализации устройств и является обычно бесконтактной. Конкретные методы можно условно разделить на несколько подгрупп.

Спектроскопическая диагностика плазмы в основном подразумевает регистрацию и анализ характеристик спектров электромагнитного излучения плазмы; по используемому интервалу частот её делят на СВЧ, оптическую (включал УФ) и рентгеновскую. С помощью спектров можно найти пространственно-временные распределения практически всех параметров плазмы в самых широких диапазонах их значений. Главные недостатки метода — сложность связи параметров плазмы с непосредственно измеряемыми интенсивностями и существенная зависимость от видов статистических распределений частиц и излучения, которые заранее не известны. Поэтому спектроскопические исследования проводятся в три этапа. Сначала устанавливают модель состояния плазмы и выбирают методы диагностики плазмы, допустимые в рамках этой модели, далее эти методы реализуют, а затем интерпретируют полученные результаты измерений и контролируют адекватность принятой модели. Информация, необходимая для решения задач первого этапа, может быть получена из анализа спектрального состава излучения плазмы, который позволяет определить основные компоненты ионного и химического состава плазмы; выявить линии, принадлежащие ионам (атомам) с наибольшей энергией ионизации Еi и оценить значение температуры электронов Те по эмпирическим формулам вида Те = аЕi (а – коэффициент, зависящий от Еi,). Выявление последней различимой на фоне сплошного спектра линии в сериальной последовательности позволяет оценить значение концентрации электронов пе и т. д. Обычно измеряют интенсивности, интегральные вдоль луча наблюдения. Локальные значения, связанные непосредственно с параметрами плазмы, приходится вычислять с помощью интегрального преобразования.

В качестве основных в спектроскопической диагностики плазмы используются модели локального термического равновесия (ЛТР), частичного локального термического равновесия (ЧЛТР), а также коронарная или более общая ударно-радиационная (УР) модель. Наиболее надёжную и определенную информацию получают из оптически тонкой плазмы.

Диагностики по интенсивности» линий в большинстве случаев основаны на модели ЛТР. Если измерена локальная абс. интенсивность Imp спектральной линии, возникающей при спонтанном переходе атомов (молекул, ионов) из возбуждённого состояния т в состояние р, то может быть определена температуpa плазмы Т, однако из других измерений должна быть известна плотность п. Проще определить Т по отношению интенсивностей линий, которое уже не зависит от п. В рамках модели ЛТР зависимость относительных интенсивностей множества линий в полулогарифмическом, масштабе от энергии их возбуждения Ет линейна с наклоном, определяемым температурой Т.

Интенсивность спектральной линии с ростом температуры сначала увеличивается, а затем, когда становится существенной ионизация, падает. Значение Т, соответствующее максимуму интенсивности, зависит от состава плазмы. При известном составе оно может быть заранее рассчитано. Зафиксировав в эксперименте немонотонный ход интенсивности по радиусу столба плазмы данного состава, можно определить зону, где находится максимум температуры даже не проводя подробных измерений интенсивности.

Для диагностики плазмы по спектрам поглощения наиболее типичны метод поглощения тонким слоем и метод обращения. Если слой оптически тонкой однородной плазмы толщиной l «просвечивать» излучением вспомогательного источника со сплошным спектром J () с яркостной температурой Т, превышающей температуру плазмы Т, то на фоне этого спектра можно наблюдать линии поглощения. Если Т < Т, то вместо линий поглощения будут наблюдаться эмиссионные линии. При I = T линии в спектре исчезают («обращение линий»). Следовательно, варьируя Т известным образом, можно по моменту обращения линий определить Т (см. также Пирометрия оптическая).

В рамках модели ЧЛТР для диагностики плазмы используются только линии, создаваемые переходами с достаточно высоких уровней, населённости которых находятся в равновесии со свободными электронами. По абсолютной интенсивности такой линии можно найти либо пе, либо Те, если одна из этих величин известна из других измерений. Измеряя отношение интенсивностей линий атомов (ионов) разного типа, можно получить относительный ионный состав плазмы, а его абсолютную нормировку можно провести с помощью уравнения квазинейтральности. Если, же в плазме присутствуют ионы только одного типа, то пi = пе и Iтр ~ пe2. В этом случае отношение интенсивности дискретной линии к интенсивности континуума (обусловленного радиационной рекомбинацией и торможением на ионах) зависит только от Те и может быть использо­вано для её определения.

Спектроскопические методы диагностики неравновесной плазмы, основанные на подходящем варианте УР модели, позволяют определить по интенсивности спектральных линий населённости уровней, которые затем с помощью системы уравнений баланса связывают с другими параметрами плазмы. Для простых моделей существуют рассчитанные графики зависимости интенсивностей линий от пе и Те. Такие зависимости имеются, например, для резонансных, интеркомбинационных и сателлитных линий водородо- и гелиеподобных многозарядных ионов, возбуждаемых в горячей (Те ≥ 107 К) сверхплотной (ne ≥ 1020 см-3) плазме. Если адекватность исходной УР модели не вполне ясна или же модель сложна, то путём сравнения измеряемых и расчётных пространственно-временных распределений интенсивностей линий выявляют основные кинетические и динамические процессы, протекающие в плазме.

Диагностика плазмы по контурам спектральных линий основана на измерениях формы наблюдаемых контуров Iн(), их полуширин н и интенсивности в максимумах. Наблюдаемый контур может весьма сильно отли­чаться от истинного (или «локального») контура линий Iл () вследствие его искажения измеряющим спектральным прибором, характеризуемым аппаратной функцией А (). Так что Iн () представляет собой свёртку распределений Iл () и А (). Для восстановления контура Iл () по измеряемому Iн () необходимо знать форму А () (для свёртки двух распределений Лоренца и Гаусса имеются табулированные функции Фойгта). Форма Iл () определяется влиянием множеством факторов: доплеровским уширением, уширением за счёт столкновений, расщеплением уровней в электрических (Штарка эффект) или магнитных (Зеемана эффект) полях и т. д. Наибольшее значение имеют измерения уширений, обусловленных Доплера эффектом и линейным Штарка эффектом. По форме доплеровского контура спектральной линии можно определить функцию распределения f (v) излучающих частиц по скоростям. При максвелловской форме функции f (v). контур становится гауссовым, полуширина которого (в ) однозначно связана с темп-рой частиц Т (эВ) = 4,7108 (Д /)2 А, где А — атомный вес излучающих атомов (ионов), Тих кинетическая температуpa. Этот метод успешно применяется, например, для определения температуры ионов в плазме токамаков. Минимум температур, которая может быть, таким образом, определена (при min ~ 0,1 ), составляет (0,1 - 0,3) эВА.

При высокой плотности заряженных частиц (1014 ne  1018 см-3) уширение, обусловленное линейным эффектом Штарка для атомов водорода и водородоподобных ионов, преобладает над доплеровским. Форма линий и их полуширина Ш становятся мало чувст­вительными к значениям температуры Т. Это позволяет применять такие линии для определения пе путём под­бора такого значения пе, при котором расчётный контур лучше всего согласуется с измеренным Iл (). Менее точен, но более удобен метод определения пе по изме­ренной полуширине Ш, т. к. расчётные графики зависимости Ш (пе) для многих линий построены. По контурам линий других атомов значение пе можно оценивать (довольно грубо) в тех случаях, когда их уширение обусловлено квадратичным эффектом Штарка.

Диагностика плазмы по сплошному спектру («континууму») основана на определении либо абсолютной локальной интенсивности Iл (v) в какой-либо точке спектра, либо её относит, распределения в протяжённом участке (обычно в коротковолновой области). Основная трудность этих методов связана с интерпретацией измеренных интенсивностей, так как в плазме могут одновременно действовать несколько механизмов генерации континуума (см. Излучение плазма). С наибольшей надёжностью диагностики плазмы (оптически тонкой) проводится в тех условиях, в которых излучаемый ею континуум Iл (v) представляет собой совокупность тормозного (на ионах) и рекомбинационного (одноэлектронного) континуумов, а сама плазма химически однокомпонентна. В этом случае для спектральных распределений интенсивности в тормозном IТ (v) и рекомбинационном Iр (v) континуумах имеют аналитические выражения, позволяющие определять Те (при максвелловском распределении электронов) по наклону зависимости lnIл = In (IT + Iр) от v. В случае немаксвелловской формы функции распределения электронов измерения Iл (v) позволяют исследовать вид fe (). По абсолютной интенсивности континуума может быть найдена затем концентрация пе, если известен ионный состав плазмы или эффективный заряд Zэфф ионов плазмы, важный параметр высокотемпературной плазмы.

В оптически плотной плазме спектры излучения уже не несут столь обширной информации. По мере распространения излучения к границам контуры линий трансформируются за счёт процессов поглощения и переизлучения. Определение «локального» контура становится невозможным. Полезность усреднённого контура основана на том, что он оказывается самообращённым; значение и положение максимума интенсивности на «крыльях» такого контура зависят от температуры на оси плазмы.

Пассивная СВЧ диагностика плазмы использует ту особенность оптически плотной плазмы, что на сравнительно низких частотах регистрируемое спектральное распределение интенсивности связано с поверхностной температурой плазмы формулой Рэлея–Джинса (для абсолютно чёр­ного тела): Iн=2Tе/8 3с2. При отсутствии влияния магнитного поля необходимо, чтобы частота принимаемых волн > р = (плазменной частоты). Измерения излучения плазмы с использованием СВЧ-приёмников получили довольно широкое распространение. Принимаемая мощность излучения Р (Вт) связана с эффективной (радиационной) температурой электронов Тр (эВ) соотношением P = B1,6 10 -19 Tp v, где v – полоса частот приёмника (в Гц), В — поглощать способность плазмы, равная доле энергии поглощаемого ею излучения. Трудности этого метода диагностики плазмы связаны с интерпретацией результатов, так как лишь при максвелловском распределении электронов их средняя энергия равна радиационной температуре (Te = Tр), которая может быть вычислена при известной В. Если Те в плазме не постоянна, то даже при В = 1 (чёрное тело) необходим расчёт толщины слоя, из которого принимается излучение.

Диагностика плазмы по циклотронному излучению применяют, когда в окрестности циклотронной частоты e (или вблизи её гармоник) плазма излучает как абсолютно чёрное тело, а вдали от e излучение пренебрежимо мало. Обычно это излучение наблюдается в области СВЧ и позволяет определить Tр. Для плазмы низкой плотности по мощности излучения можно рассчитать электронное, давление пТе.

Взаимодействие когерентного электромагнитного поля с плазмой используется в ряде методов диагностики плазмы. По диапазону частот делится на СВЧ и лазерную диагностику плазмы, хотя в ряде методик это деление условно.

Зондирование плазмы СВЧ основано на модели плазмы как макроскопической среды, влияющей на распространение электронно-магнитных волн. Этот метод даёт возможность определить пе, ve (частоту столкновения электронов с тяжёлыми частицами), а в оптическом диапазоне и концентрацию нейтральных атомов. Методика основана на зависимости диэлектрической проницаемости плазмы от частоты:



,

— критическая концентрация, при которой = р и Re = 0. При ( р сигнал проходит через плазму, при < р происходит отражение волн (т. н. отсечка). Это первый простейший метод оценки концентрации плазмы. Он используется при зондировании ионосферы, а также в лабораторных исследованиях. Широкое применение в исследованиях, особенно нестационарной плазмы, получили интерферометрические методы, основанные на зависимости разности фаз между опорным излучением и излучением, прошедшим через плазму, от плотности плазмы.

Если пе < пс и длина волн  — характерного размера неоднородности, то Re определяет разность фаз волны, прошедшей через плазму, и опорной:





l – длина зондирования. Мнимая часть Im определяет экспоненциальное затухание волны с коэффициентом , откуда вычисляется ve. Так могут быть определены средняя по лучу зондирования концентрация и частота столкновений ve. Для восстановления профиля п (r) необходимо обратное интегральное преобразование.





Рис. 1. КГ – клистронный генератор, ДТ – двойной тройник, ФВ – фазовращатель, Ат – аттенюатор.
Диапазон частот, используемых для интерферометрических измерений, ограничен, с одной стороны, условием распространения волн р, а с другой — минимальным измеряемым сдвигом фаз. При плотностях плазмы n << 1014 см-3 используют СВЧ-диапазон. В этом диапазоне существует несколько интерферометрических схем: локация в свободном пространстве, волноводный, резонаторный методы (по изменению сдвига резонансной частоты). Простейшая схема первого способа приведена на рис. 1. Прошедший через плазму сигнал сравнивается с опорным сигналом на детекторной головке.

Для плотных плазм (nе > 1016 - 1017 см-3) может использоваться оптическая лазерная интерферометрия. При определении концентрации атомов её чувствительность поднимется на 6-10 порядков для тех атомов, для которых есть близколежащие к частоте зондирующего луча резонансные переходы. В качестве источников света в оптической интерферометрии применяются рубиновые, гелий-неоновые и др. лазеры, в различных оптических схемах — интерферометры, Майкелъсона, Маха–Цендера и др. При фотографической регистрации интерферограммы можно с помощью преобразования Абеля получить мгновенный профиль концентрации. Фотоэлектрические методы регистрации позволяют проводить анализ последовательно.



Каталог: ld
ld -> Информация относительно прав пожилых людей
ld -> «Великая Отечественная война» Воспитательная. Воспитание патриотизма, нравственное воспитание на примерах героев войны
ld -> В русском бардовском творчестве
ld -> 4. предприятия и заводы оборонной промышленности
ld -> Информация о Сибае (Республика Башкортостан)
ld -> Внутренний предиктор СССР
ld -> [26/01/2009] Атомная энергетика для подводного флота
ld -> 1. Средства измерения, их характеристика, разновидности, области применени
ld -> Отчет о деятельности Федерального государственного учреждения науки
ld -> Научная подготовка, степень и звание: Доцент по специальности 07. 00. 07 – «Этнография, этнология и антропология»


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©grazit.ru 2019
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал