Локальная диагностика неоднородной плазмы с помощью автоматизированного спектрометрического комплекса

Екимов, Константин Анатольевич

Локальная диагностика неоднородной плазмы с помощью автоматизированного спектрометрического комплекса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Екимов, Константин Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Петрозаводск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Локальная диагностика неоднородной плазмы с помощью автоматизированного спектрометрического комплекса»

Автореферат диссертации на тему "Локальная диагностика неоднородной плазмы с помощью автоматизированного спектрометрического комплекса"

На правах рукописи

Екимов Константин Анатольевич

ЛОКАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ С ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

01.04.04 - физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Петрозаводск 2004

Работа выполнена на кафедре информационно-измерительных систем и физической электроники физико-технического факультета Петрозаводского государственного университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Хахаев А.Д.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Ионих Ю.З.

кандидат технических наук, Депутатова Л.В.

Ведущая организация: Всероссийский научный центр

"Государственный оптический институт им. СИ. Вавилова".

Защита диссертации состоится "16 " Мг1/7/и# 2004г. в час на заседании диссертационного совета "К212.190.01 при

Петрозаводском государственном университете по адресу: Петрозаводск, ул.Университетская, 10.

Отзывы направлять по адресу:

185640, Петрозаводск, пр.Ленина 33, Петр ГУ,

ученому секретарю диссертационного совета К 212.190.01. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПетрГУ. Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета К 212.190.01^^------—Стефанович Г.Б.

доктор физико-математических наук

" 2004г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Развитие физики плазмы и ее приложений тесным образом связаны с успехами в разработке методик, средств диагностики и контроля физических условий, в определении состава компонентов плазмообразующих сред. Особое значение имеют бесконтактные не вносящие искажений оптические и спектрометрические методы. Использование этих методов актуально для астрофизики, плазмохимии, плазменной металлургии, физики и техники газоразрядных источников света, включая газовые лазеры, приложений плазмы в микроэлектронике, биологии и других областях науки и техники, круг которых постоянно расширяется.

Возрастающая сложность и разнообразие разрабатываемых и изучаемых плазменных объектов, сопряжена с необходимостью сбора больших массивов первичной информации и их сложной математической обработкой.

Возрастающая потребность в сокращении времени и трудозатрат для сбора и обработки информации, сопряжена с необходимостью управления объектами по результатам диагностики в реальном времени.

Для решения задач фундаментальной и прикладной физики также требуются объективные высокоэффективные методы

спектроскопического анализа характеристик неоднородных гетерогенных сред.

Все это делает создание и модификацию спектрометрических методов и аппаратуры, актуальной проблемой диагностики, например, неоднородной плазмы.

Цель работы

Целью данной работы была разработка и создание программно-аппаратного комплекса для автоматизированного сбора и обработки спектроскопической информации, необходимой для определения параметров неоднородной плазмы, с использованием унифицированных модулей управления экспериментом и рациональных алгоритмов обработки данных, уменьшающих влияние шумов эксперимента на конечный результат и применение комплекса для диагностики конкретных плазменных объектов.

теоретических моделей, если известны интенсивности и формы контуров спектральных линий, излучаемых различными элементарными объемами плазмы.

Для получения этой спектроскопической информации необходимо:

- собрать массив экспериментальных данных, связанных с пространственным распределением спектральной энергетической яркости поверхности источника;

- определить, на основе этих данных, пространственное распределение спектральной энергетической яркости поверхности источника, с учетом кривой спектральной чувствительности использованных фотоприемников и возможных искажений полученных распределений, из-за конечного разрешения спектральной аппаратуры;

- перейти от массива яркости поверхности источника к массиву локальных значений коэффициентов излучения на основе принятой модели источника.

Это очень трудоемкий и времязатратный процесс с большим объемом рутинных действий и огромным объемом, записей протоколов исследования, являющихся тормозом в использовании эффективных методов диагностики, если не решена проблема автоматизации процесса сбора и обработки данных. С решением этой задачи и связана, в частности, цель настоящей работы. Дополнительной целью является демонстрация эффективности решения задач диагностики с использованием методических и программно-аппаратных средств на основе результатов предпринятой разработки.

Комплекс применен для исследования конкретных плазменных объектов. В качестве примера исследования таких объектов были выбраны металлогалоидная лампа (МГЛ) и индукционная лампа. Результаты, относящиеся к МГЛ, во многом согласуются с ранее известными, что свидетельствует о достоверности результатов, получаемых с помощью разработанных средств и методов. Однако даже в этом давно изучаемом объекте, обнаружены новые эффекты.

Результаты исследования индукционной лампы получены впервые.

Научная новизна работы:

- впервые к реальному объекту применен метод коллективной обработки больших массивов спектроскопической информации, сокращающий затраты времени на обработку данных и повышающий устойчивость результатов к шумам эксперимента. Метод реализован в программных модулях разработанного комплекса и использован для определения параметров дуговой плазмы по контурам спектральных

линий. Продемонстрирована эффективность метода по сравнению с традиционными алгоритмами;

- получены данные о локальных значениях плотности нормальных и возбужденных атомов и концентрации электронов в ртутно-таллиевой дуговой лампе высокого давления;

- впервые исследовано пространственное распределение плотности возбужденных состояний в неоновой лампе трансформаторного типа, что позволило сделать вывод о механизме возбуждения уровней и физических условиях в таком разряде;

-разработано и создано оригинальное программное обеспечение для автоматизированного информационно-измерительного

спектрометрического комплекса сбора и обработки спектрометрической информации, построенное на основе стандартизированных технических и программных средств по модульному принципу, что позволяет легко адаптировать его к конкретным диагностическим задачам, а также использовать в режиме удаленного доступа к оборудованию.

Научно-практическая значимость работы

Для нужд локальной количественной диагностики неоднородной плазмы, создан действующий программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий высокую эффективность сбора спектроскопической информации, ее сохранения отображения и обработки с использованием рациональных, устойчивых к шумам алгоритмов.

Комплекс имеет удобный интерфейс и легко настраивается на различные режимы работы, в том числе и при удаленном доступе к оборудованию.

Программные и аппаратные модули комплекса, каждый из которых удовлетворяет требованиям унификации, стандартизации и переносимости, могут быть использованы при создании других систем автоматизированной диагностики и контроля.

Данные о пространственных распределениях параметров неоднородной плазмы, получаемые из анализа спектральных распределений коэффициентов излучения, обеспечивают возможность детального исследования физико-химических процессов в плазме и способствуют, как расширению знаний и представлений о плазме конкретных приложений, так и дают информацию для инженерно-конструкторских разработок.

могут быть использованы и уже используются в научно-образовательном процессе при подготовке специалистов по физической электронике и информационно-измерительной технике.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Применение в реальном эксперименте, основанного на методе главных компонент, рационального алгоритма обработки массивов спектральной энергетической яркости поверхности неоднородной, аксиально-симметричной плазмы, повышающего устойчивость результатов к шумам эксперимента.

2. Пространственные и временные распределения электронной плотности- и концентраций нормальных и возбужденных атомов в дуговом разряде высокого давления в парах ртути с добавками иодида таллия.

3. Пространственное распределение заселенностей возбужденных атомов в новом типе источника света - индукционно связанной плазме, позволившее сделать вывод о близости условий в такой плазме к условиям положительного столба тлеющего разряда и ступенчатом механизме возбуждения уровней.

4. Программно-аппаратный комплекс для спектрометрических измерений, построенный по модульному принципу на базе современных унифицированных технических и программных средств, что обеспечивает его переносимость и адаптацию к решению различных спектрометрических задач. Состав методических и программных средств, входящих в комплекс, создает для пользователя комфортные условия эффективной работы.

Апробация работы

Содержание работы докладывалось на всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001 (Петрозаводск, 2001), международной конференции по инженерному и компьютерному образованию ICECE'2003 (Brazil in Santos, 2003), 160M международном симпозиуме по плазмохимии 16th International Symposium on Plasma Chemistry, (Taormina, Italy, 2003), 30ой конференции европейского физического общества по физике плазмы, 30th EPS Conference, (Санкт-Петербург, 2003), на школе молодых ученых, по проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 2003г), IV Российском семинаре, по современным средствам диагностики плазмы и их применению (Москва, 2003) и опубликованы в работах, список которых приведен в конце реферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 112 страниц, 32 рисунка и 4 таблицы. Список использованной и цитированной литературы содержит 41 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование выбора темы диссертации, сформулированы цели работы, показана актуальность, научная и практическая значимость работы, изложены основные результаты, полученные в диссертации и положения, выносимые на защиту.

Первая глава состоит из четырех частей. В первом разделе описаны цели и методы спектроскопической диагностики неоднородной плазмы, сформулированы требования к системам сбора спектроскопической информации, обоснована необходимость автоматизации эксперимента. Во втором разделе содержится краткий исторический обзор развития автоматизированных спектроскопических комплексов и описаны некоторые современные технические средства спектроскопической диагностики неоднородной плазмы, они, как правило, узко специализированы, процессы сбора и обработки информации технически и программно разделены. В третьем разделе рассмотрен метод перехода от массива спектральных энергетических яркостей поверхности источника к радиальному распределению коэффициентов излучения, в случае источника с осевой симметрией (радиальное преобразование), показана "некорректность" этой задачи (неустойчивость решения к шумам эксперимента) и рассмотрены некоторые известные методы стабилизации решения. В четвертом разделе рассматривается случай, когда данные о спектральных энергетических яркостях поверхности источника искажены аппаратной функцией прибора и показана "некорректность" процесса исключения этих искажений.

Во второй главе описан рациональный алгоритм обработки массивов спектроскопической информации, основанный на методе главных компонент [1], позволяющий уменьшить влияние шумов эксперимента на результаты определения спектральных распределений коэффициентов излучения (контуров линий), в различных точках сечения исследуемой плазмы. Суть его состоит в следующем:

Автоматизированная система осуществляет сканирование по пространственной координате х - расстоянию от оси источника и для

определенных положений х^ (пусть их число равно т) и регистрирует распределение отсчетов фотоприемного устройства Р^, соответствующих различным длинам волн (число спектральных интервалов обозначим п).

(О

Здесь Ь(А,,Х|() - спектральная энергетическая яркость поверхности источника на расстоянии от оси - аппаратная функция

спектрального прибора, д - коэффициент, зависящий от чувствительности фотоприемника, практически постоянен в пределах контура одной спектральной линии, поэтому в дальнейшем описании алгоритма опускается.

Вместо исключения аппаратных искажений из каждого профиля Р^ (при фиксированном к) и радиального преобразования каждой спектральной компоненты (при фиксированном 1), проводится "коллективная" обработка исходного массива, при которой существенно сокращается число операций, и главное, каждая операция совершается над распределением, полученным путем усреднения значительного числа отсчетов, что повышает устойчивость результата к шумам.

Сначала находится средний вектор отсчетов, в зависимости от пространственной координаты (его компоненты усреднены по всем длинам волн):

(2)

Затем вычисляется ковариационная матрица массива отсчетов:

(3)

Массив Р^ раскладывается по собственным векторам матрицы А, причем учитываются только вектора отвечающие собственным значениям матрицы А, превосходящим величину оценки дисперсии воспроизводимости одного отсчета Б (оценивается при повторных измерениях одного и того же массива). Вследствие сильной корреляции отсчетов внутри массива число таких векторов V всегда существенно меньше т. Адекватность описания массива Р^ моделью:

р1,к=Р" + ЕМ!>рир>к (4)

может быть проверена по критерию Фишера [1].

- 1 п

Рк =-Ер1,к

пи

Здесь М^р- проекции спектрального распределения на вектор с номером

и только они зависят от длин волн и из них, в случае необходимости, надо исключать аппаратные искажения, результат такого исключения обозначим Ь„р.

и зависят только от координат и над ними надо осуществлять радиальные преобразования, оператор такого преобразования обозначим Я.

В результате искомые контура в различных точках плазмы получаются согласно соотношению:

е(Х,г)=/?{Р}+£ ЦА)Л{ир} (6)

Преимущества описанного алгоритма были продемонстрированы на модельном эксперименте в работе [2], в данной работе он впервые реализован в программном обеспечении измерительного комплекса и применен при обработке реальных экспериментальных данных. В работе описаны конкретные алгоритмы реализации оператора Я и исключения аппаратных искажений.

Третья глава содержит описание разработанного программно-аппаратного комплекса для спектроскопической диагностики -технических и программных средств, входящих в его состав.

Разработанный программно-аппаратный комплекс представляет собой новое поколение автоматизированных спектроскопических систем на основе рациональных алгоритмов сбора и обработки информации о спектрах пространственно-неоднородных и нестационарных объектов.

Отличительная черта данного комплекса состоит в том, что он выполнен по модульному принципу, на основе стандартных, промышленно выпускаемых технических средств. Каждый из модулей удовлетворяет требованиям унификации, стандартизации и переносимости. При этом спектральное оборудование, модули фотоэлектрического преобразования и модули пространственного сканирования могут быть заменены, а программы сбора, протоколирования, отображения и обработки информации останутся практически неизменными и будут функционировать в среде различных

операционных систем, при минимальных усилиях по их адаптации к конкретному оборудованию и операционной системе.

Программно-аппаратный комплекс разработан на базе дифракционного спектрометра ДФС-12, модульного интерфейса сбора и обработки информации - КАМАК и персонального компьютера. Включает в себя фотоэлектронный умножитель ФЭУ, систему пространственного сканирования, модули КАМАК: АЦП - ФК71-2 (оцифровывает сигнал с усилителя ФЭУ - У5-10), АЦП-14 (оцифровывает сигнал от датчика фазы), модуль управления реле (коммутация шаговых двигателей), модули управления шаговыми двигателями - МУШД (спектрометра и блока пространственного сканирования, смены фильтров) и плату АПЭКС (для связи IBM -КАМАК).

Технические характеристики программно-аппаратного комплекса:

Рабочий диапазон - 360-800нм

Линейная дисперсия на выходной щели - 0.5нм/мм

Минимальный шаг по спектру - 0.015нм

Минимальный шаг по пространству - 0.004мм

Постоянная времени регистрирующей системы - 0.28мс

Программное обеспечение построено на базе графической объектно-ориентированной среды разработки Lab VIEW [3]. В связи с тем, что сама система Lab VIEW изначально была ориентирована на разработку приложений для проведения экспериментов - программные модули в ней представляются в виде панелей виртуальных приборов, посредством которых ведется управление реальной аппаратурой. Именно поэтому, данная система была выбрана базовой для создания программного обеспечения данного комплекса.

Программа работает под управлением IBM-совместимого компьютера с ОС Windows-95/98/NT/2000.

Управляющие модули программы построены таким образом, что позволяют, написав несколько специфических модулей, для конкретной установки перенастроить программу на работу с другим экспериментальным оборудованием. В программе уже предусмотрена работа через следующие интерфейсы: плату АПЭКС, платы LabPC-1200AI, PCI-1802L, PCI-1202L, а также через сетевой интерфейс (для удаленного управления экспериментальным оборудованием по сети). Наличие файлов конфигурации позволяет производить небольшие изменения в аппаратной части, даже без изменения программной части

комплекса (есть возможность переставлять модули КАМАК в пределах крейта, указав в конфигурационном файле номер станции).

Такая структура позволяет использовать данный комплекс для решения широкого круга задач. Основные возможности комплекса:

- регистрация спектров пространственно-неоднородных излучающих объектов как стационарных, так и питаемых сетевым переменным током;

- возможность, в автоматизированном режиме, выполнять градуировку спектрального прибора по длинам волн и системы в целом по чувствительности, что позволяет определять абсолютные значения спектральной энергетической яркости в заданных спектральных, временных и пространственных точках;

- исключение аппаратных искажений и радиальные преобразования двумерных массивов отсчетов, характеризующие пространственно-спектральные распределения коэффициентов излучения в определенной фазе тока, питающего источник;

- наглядное представление и сохранение результатов с автоматическим протоколированием подробной информации о параметрах эксперимента.

Программный комплекс, включает в себя следующие основные функциональные модули:

- модуль сканирования спектра по длинам волн (Spectrum scanning);

- модуль пространственного сканирования (Spatial scanning);

- модуль сканирования по заданной программе (Program experiment);

- модуль отображения одновременно нескольких спектров из файлов (Spectrums load);

- модуль загрузки спектра из файла и его анализа (Spectrum load/Analysis);

- модуль градуировки спектрометра по длинам волн (Wave calibration);

- модуль градуировки чувствительности фотоприемной системы (Intensity calibration).

- модуль сервера удаленного доступа (Start server).

Каждый модуль оформлен в виде "виртуального прибора", на панели которого имеются поля для ввода необходимой информации, отражается результат работы модуля, имеются кнопки управления

(запуск модуля, сохранение результата). Пример такой панели, и вид панели разработки программы, приведен на рисунке 1:

Рис. 1. Передняя панель и панель разработки программы.

В модулях Spectrum scanning и Spatial scanning предусмотрена возможность, в случае исследования источников, работающих на переменном токе, регистрировать излучение в одной определенной фазе тока, а в модуле Program experiment - одновременно в двух выбранных фазах. Модули Spectrums load и Spectrum load/Analysis позволяют, автоматически перевести отсчеты регистрирующей системы в абсолютные значения яркости поверхности источника, если ранее была выполнена градуировка модулем Intensity calibration, а также извлечь различаю информацию из спектра (например, измерить положение максимумов и ширины линий) непосредственно используя средства LabVIEW для работы с графиками (масштабирование и позиционирование курсоров). Модуль Start server - обеспечивает возможность удаленного управления экспериментом.

При сохранении пользователем результатов работы любого модуля, они автоматически протоколируются: одновременно с файлом данных создается информационный файл, в который автоматически вводится дата эксперимента, вся информация об условиях измерений, которая была на панелях виртуальных приборов (диапазон, шаг, ширины щелей спектрометра, апертура рисующей системы, выбранная фаза тока), а также вспомогательная информация, которую пользователь введет в процессе эксперимента (например, тип источника, ток разряда и т.п.).

Встроенная в программное обеспечение обработка данных с помощью алгоритмов, основанных на внутренней корреляции обрабатываемых массивов, обеспечивает устойчивость результата, к шумам эксперимента. Модуль, реализующий этот алгоритм, может быть использован независимо для обработки данных, полученных в других системах сбора информации, в частности в работе приведен пример

обработки профилей яркости различных спектральных линий, зарегистрированных матрицей светочувствительных элементов.

Четвертая глава содержит методику и результаты градуировки систем пространственного и спектрального сканирования и фотоприемного блока, а также описание способа проверки его линейности. Здесь же описаны методика и результаты определения метрологических характеристик программно-аппаратного комплекса: аппаратной функции спектрального прибора, временного разрешения регистрирующей системы, погрешностей определения длины волны и спектральной энергетической яркости поверхности источника.

Пятая и шестая главы посвящены описанию объектов исследования и полученных результатов. В качестве примера для испытания работы программно-аппаратного комплекса в данной работе, были выбраны разряд в металлогалоидной лампе (МГЛ) специального назначения. Этому источнику посвящена пятая глава работы. Дуговой разряд высокого давления (несколько атмосфер) в парах ртути чистой или с добавками иодидов металлов давно привлекает внимание исследователей, т.к. это, с одной стороны - эффективный источник света, а с другой стороны - классический образец аксиально симметричной пространственно-неоднородной изменяющейся во времени плазмы сложного состава, на которой удобно отрабатывать методы спектроскопической диагностики и которая, как показывают результаты прежних работ, не может быть описана простыми теоретическими моделями. В кратком обзоре результатов работ, посвященных подобным источникам, показано, что несмотря на большую историю этих работ, интерес к исследованию таких объектов не ослабевает [4-6] и по-прежнему нет удовлетворительной модели, описывающей такие источники. Поэтому лампу МГЛ приходится рассматривать не только как объект для тестирования и отладки новых средств и методов сбора и обработки спектроскопической информации, но и как объект исследования, сохраняющего актуальность.

В данном случае использована лампа, которая представляет собой кварцевую горелку (с электродами) внутренним диаметром 1.6см и высотой 10см, заключенную в стеклянный баллон, установленную вертикально и смонтированную на цоколе, позволяющем ввинчивать ее в стандартный патрон. Цепь питания лампы содержит дроссель, поджигающее устройство и подсоединяется к сети переменного тока с напряжением 220В.

Разряд происходит в парах ртути с добавками иодида таллия. Интенсивное свечение наблюдается в области, простирающейся от

центра до половины радиуса трубки и именно к этой части разряда и центральному сечению горелки по высоте относятся все полученные результаты. Некоторые параметры этого разряда были определены ранее путем использования самообращенных контуров спектральных линий таллия [7], подобные источники исследовались также интерференционными и спектральными методами [8], но на совершенно другой технической и методической основе, что позволяет оценить достоверность полученных в данной работе результатов.

В работе определялись абсолютные интенсивности спектральных линий синглетных и триплетных переходов, для ртути и таллия, однако, определение заселенностей соответствующих уровней из-за большого разброса значений вероятностей переходов по литературным данным [9,10], проблематично.

Для этих линий, зарегистрированы контура при наблюдении по центру лампы и в 9 точках со сдвигом к стенке лампы, через одинаковые расстояния (0.04см). Для заведомо не реабсорбированных линий (с высоким потенциалом возбуждения нижнего уровня), проведена обработка массивов отсчетов, по описанному в главе 2, алгоритму, реализованному в специальном программном модуле, и построены контура коэффициентов излучения в различных точках сечения разряда, для двух фаз тока, соответствующих максимуму и минимуму интенсивности излучения в линии.

Эффективность коллективной обработки иллюстрируется на рисунке 2, на котором представлены контура коэффициентов излучения в центре разряда для наиболее слабой и, соответственно, зашумленной из исследованных линий ртути, полученные из одного массива отсчетов путем традиционной "индивидуальной" обработки (кривые 2) и путем обработки методом, описанным в главе 2 с учетом v=2 собственных векторов матрицы А.

Рис. 2. Нормированные на максимум контура линии 434.7нм для центра разряда, полученные при обработке исходного массива различными способами в двух фазах тока: а) максимальная, Ь) минимальная интенсивность излучения.

Построенные этим способом контура нереабсорбированных линий для 10 точек сечения разряда и двух фаз тока, используются для определения параметров плазмы, в зависимости от основных

механизмов уширения линий. В частности, линии ртути 577 и 579нм, оканчивающиеся на резонансном уровне, уширяются в основном из-за взаимодействия с нормальными атомами ртути. Оказалось, что форма контуров этих линий и положение максимумов интенсивностей практически не зависят ни от фазы тока, ни от расстояния от оси разряда (в пределах интенсивно излучающей области) (рис.3).

Рис. 3. Контура линии ртути для различных расстояний от центра разряда: (•) 1- центр разряда, 2- г=0.8мм, 3- г=0.6мм, 4- г=1.бмм, 5- г=2.4мм, 6- г=3.2мм. □- контур для г=3.2мм, нормированный на 1 по максимуму для иллюстрации отсутствия уширения и отсутствия сдвига линии при движении от центра к краю разряда.

Оцененная по ширине линий концентрация нормальных атомов ртути составляет что согласуется с результатом,

полученным в работе [7], а постоянство концентрации при изменении тока и "столообразный" ход атомной температуры в подобных источниках отмечены в результате интерферометрических измерений в работе [8].

В формирование контуров линий таллия 552.7нм и 654.9нм существенный вклад вносит штарковкое уширение, что сразу проявляется в заметной вариации ширин линий и положений максимумов контуров, как для различных точек пространства, так и для разных фаз тока (рис.4). Об этом же свидетельствует несимметрия контуров, имеющих типичное статическое крыло.

Рис. 4. а) Нормированные на максимум контура линии таллия 552.7нм в различных фазах тока для центра разряда (1- фаза максимальной интенсивности излучения, 2- минимальная

интенсивность);

Ь) Нормированные на максимальное значение в центре разряда профили коэффициентов излучения этой линии в различных точках радиуса при максимальном токе (1- практически совпадающие конура в центре разряда и при г=0.04см, далее по мере удаления от центра, интенсивность линий уменьшается, 9- соответствует

С использованием штарковских констант W из справочника [9], по этим линиям традиционно оценивается концентрация электронов в разряде согласно соотношению:

ДА^итЫе-КГ17,

(7)

где АХ5 штарковская ширина. Т.о. можно получить распределение концентрации электронов по сечению разряда (рис. 5).

N. М "см'

геи

0 1 02 03 <М

Рис. 5. Распределение электронной концентрации по сечению разряда (ток максимален).

Результаты усреднены по двум линиям и экспериментам, выполненным в различное время. Наблюдается эффект незначительного увеличения концентрации в точке наиболее удаленной от центра разряда по сравнению с более близкими к оси областями. Формально этот рост лежит в границах погрешности определения концентрации, однако, замечено, что во всех экспериментах на контурах обеих линий в максимальной фазе тока наблюдается уширение и сдвиг линий на границе разряда, по сравнению с соседней, со стороны центра точкой радиуса.

Интегрирование по контурам линий коэффициентов излучения с учетом коэффициентов чувствительности q позволило найти интегральные интенсивности линий.

Самообращенные линии таллия 377 и 535нм зарегистрированы только с целью сравнения условий в лампе, исследованной в данной работе, с условиями, в которых проводилась диагностика плазмы по самообращенным линиям в работе [7].

Линии ртути, оканчивающиеся на триплете 63Ро,1,2 (кроме соответствующей интеркомбинационному переходу линии 407.8нм), по крайней мере, в максимальной фазе, сильно реабсорбированы (об этом свидетельствует уширение линий, намного превосходящее возможные оценки штарковского и ван-дер-ваальсовского уширения) и их контура, поэтому не могут быть обработаны описанным алгоритмом. К ним применена методика моделирования контура [7]. В работе [6] высказано

предположение, что распределение заселенностей внутри триплета и отношение заселенностей уровней триплета к плотности атомов в основном состоянии определяется электронной температурой. Сравнение зарегистрированных профилей яркости этих линий с рассчитанными, при определенных предположениях, не выявило в нашем случае противоречий с такой моделью. В расчет закладывалась ранее определенная концентрация нормальных атомов, ван-дер-ваальсовское уширение контура спонтанного излучения с константой, оцененной в соответствии с работой [11]. Получена оценка электронной температуры в максимальной фазе в центре разряда: То=(5300±50)К, в минимальной фазе и радиальный ход температуры,

близкий к:

Т(г)=Т0-(Т0-Т„)(г/Я)3, (8)

где Я и Т„- радиус и температура стенки горелки.

Шестая глава посвящена исследованию лампы с индуктивно-связанной плазмой, разработанной в Институте термодинамики СО РАН [12]. Зарегистрирован обзорный спектр яркости поверхности лампы. Спектр расшифрован. Исследовалось пространственное распределение интегральной интенсивности линий. Обнаружено, что пространственное распределения яркости поверхности источника в направлении диаметра тора не зависит от напряжения питания генератора в диапазоне питающих напряжений 130-200В. При напряжении питания генератора 200В более подробно исследовалось радиальное распределение интенсивности линий, в зависимости от потенциала возбуждения (Ев). Зарегистрированы поперечные профили яркости для следующих линий: бОЗнм (Ев=18.72 ЭВ), 594.5нм (Ев= 18.70 ЭВ), 621.7нм (Е„= 18.61 ЭВ), 582.0нм (Ев=20.70 ЭВ), 576.4нм

Эти линии могут быть разбиты на 2 группы, с существенно различными потенциалами возбуждения. Однако, зависимости формы поперечного профиля от высоты верхнего уровня линий, в пределах погрешности определенной по многократным измерениям для одной линии, не обнаружено.

Это свидетельствует об отсутствии заметной зависимости функции распределения электронов по скоростям (в части ее ответственной за возбуждение линий), от расстояния от центра разряда. Такое свойство характерно для положительного столба тлеющего разряда низкого давления [13].

Поперечные профили яркости в относительных единицах (нормированные на максимальный отсчет, соответствующий центру разряда) были усреднены по всем линиям, а радиальное распределение интенсивности линий было построено после радиального преобразования этого профиля.

Для положительного столба тлеющего разряда, в предположении ступенчатого механизма ионизации и возбуждения атомов, и гибели электронов и метастабилей, в основном, на стенках трубки в работе [15] приведены теоретически рассчитанные радиальные распределения концентрации электронов и метастабильных и атомов

Не=С,[ехр(-512)-ехр(-5К2)], С2[ехр(У)-ехр(-уК2)] (9)

Здесь Я-радиус разрядной трубки, г-расстояние от центра трубки, теоретически определенные константы.

На рисунке 6 показаны усредненное радиальное распределение интенсивности линий неона 1(г) и рассчитанный радиальный ход произведения Ие И,,,:

Рис. 6. Экспериментальные радиальные распределения

интенсивности линий в

индукционной лампе: 1-расчет по модели (10), 2-усредненное по всем линиям распределение, 3- "коридор" погрешностей, построенный по повторным измерениям для одной линии, в который укладываются распределения для всех измеренных

Для иллюстрации экспериментального разброса приведены индивидуальные распределения, для двух линий. Совпадение распределений наблюдаемых на опыте и предсказанных моделью (10) более строго подтверждено статистическим анализом. Оценка дисперсии воспроизводимости 82[ получена по 6 линиям в п=555 точках радиального распределения. Проверена гипотеза об однородности дисперсии и за оценку принято среднеарифметическое значение

82,=6-10Л

Адекватность описания радиального хода моделью:

1р=С^т (10)

проверена по критерию Фишера [1].

Совпадение экспериментального распределения интенсивности с моделью (10) позволяет впервые сделать вывод о физических условиях в индуктивно связанной плазме низкого давления - эти условия близки к условиям в положительном столбе тлеющего разряда, электронная температура практически постоянна по сечению разряда, возбуждение излучающих уровней в основном ступенчатое, а разрушение, путем спонтанного излучения.

В приложении содержится техническое описание программно-аппаратного комплекса и инструкция по его эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На базе дифракционного спектрометра и прецизионной системы пространственного сканирования создан автоматизированный спектрометрический комплекс для спектроскопической диагностики неоднородной плазмы.

Разработано программное обеспечение комплекса для автоматизированного сбора спектрометрической информации, и ее обработки, на основе рациональных алгоритмов, обеспечивающих повышение устойчивости результатов к погрешностям измерений, путем учета внутренней корреляции в исходных массивах. Программное обеспечение построено по модульному принципу, модули удовлетворяют условиям унификации и переносимости.

Определены метрологические характеристики комплекса: аппаратная функция и постоянная времени, проверена линейность регистрации сигнала, произведена градуировка систем пространственного и спектрального сканирования.

С использованием разработанного комплекса и реализованных в нем алгоритмов сбора и обработки данных определены пространственные распределения концентраций атомов в различных состояниях и электронов, для двух фаз тока, в дуговом разряде в парах ртути с добавкой иодида таллия. Сопоставление некоторых результатов (например, радиального хода концентрации нормальных атомов ртути, распределения заселенностей в ртутном триплете) с известными из литературы подтверждает достоверность получаемых на комплексе

данных. Обнаруженные эффекты уширения и сдвига некоторых линий, не описываемые известными моделями, создают основу для дальнейшего развития теории сложной дуговой плазмы.

Впервые получено радиальное распределение спектральных характеристик индукционной лампы, позволившие сделать вывод о состоянии плазмы в такой лампе.

Программно-аппаратный комплекс прошел успешную проверку в ходе исследования дугового разряда, в лабораторных работах студентов, по курсам: «Проектирование информационно-измерительных комплексов», «Оптические методы диагностики плазмы», «Физические основы получения информации», «Метрология и измерительная техника» и при выполнении студентами курсовых и дипломных работ.

Все экспериментальные исследования проведены в период с 2001 по 2003 г. при непосредственном участии автора.

Работа выполнена по тематическому плану Н0Ц-013 "Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы" (грант PZ-013-02 АФГИР, МО РФ и Правительства Карелии).

Публикации по материалам диссертации:

1. Екимов К.А., Луизова Л.А., Хахаев А.Д. Программный комплекс управления спектрометрическими измерениями с возможностью удаленного доступа к автоматизированной установке на базе системы графического программирования LabVIEW // Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001 (в 2-ух томах). Т. 2. / Петр ГУ. Петрозаводск, 2001. С. 40-43.

2. Екимов К.А., Луизова Л.А., Приходченко Р.В., Соловьев А.В., Хахаев А.Д. Лабораторные работы по спектроскопии // Учебное издание. ПетрГУ. - Петрозаводск, 2003.

3. Ekimov К., Luizova L., Prihodchenko R. Laboratory programs on physics with usage of modern information technologies // International Conference on Engineering and Computer Education (ICECE'2003), Brazil, in Santos.

4. Ekimov K., Luizova L., Khakhaev A. and Soloviev A. Rational tools for data obtaining and processing in local plasma spectroscopy // 16th International Symposium on Plasma Chemistry, Taormina, Italy - June 22-27, 2003.

5. Luizova L., Khakhaev A., Ekimov K. and Soloviev A. The set up and software for local plasma spectroscopy // 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St Petersburg, Russia, July 7-11,2003.

6. Екимов К.А., Луизова Л.А. Диагностика неоднородной плазмы по многомерным спектральным распределениям // Актуальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы. Школа молодых ученых (2-9 сентября 2003г.). / Петрозаводск, 2003г.

7. Екимов К.А., Луизова Л.А., Соловьев А.В., Хахаев А.Д. Автоматизированный комплекс для спектроскопической диагностики неоднородной плазмы // Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды. Материалы IV Российского семинара (12-14 ноября 2003г.) / Москва, МИФИ. С.49-51.

Литература:

[1]. Edward Jackson J. A User's Guide To Principal Component. John Willey &Sons, New York, 1991. 567pp.

[2]. Luizova L.A., Soloviev A.V. Computer training program for elimination of instrument distortion // Proc. SPIE.V.4588,2002, P.440-447.

[3]. Жарков Ф.П., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф., Панов B.C. Использование виртуальных инструментов LabView.-M: Радио и связь, 1999,268с.

[4]. Hashiguchi S., Hatase К., Mort S., Tachibana K. Numerical simulation of metal-halid lamp using a time-dependent two-dimensional model // Journal ofApplied Physics.-2002.-V.92, -P. 45-54.

[5]. Karabourmiotis D. Determination of radial density distribution of ground and low-lying levels of mercury in a nonequilibrium plasma using emission spectroscopy // Journal ofApplied Physics. -2001. -V.91, -P. 10901101.

[6]. Karabourmiotis D. Nonequilibrium excited-state distribution of atoms of in dense mercury plasmas // Journal of Applied Physics.-2002.-V.92,-P.25-31.

[7]. Луизова Л.А., Патроев А.В., Хахаев А.Д. Формирование самообращенных контуров спектральных линий в закрытой ртутной дуге с добавкой йодида таллия // Известия Академии наук, Сер. физ.

1999, Т.63,С2291-2295.

[8]. Бородин В.И., Луизова Л.А., Хахаев А.Д. Объемные перераспределения компонент плазмы в дугах переменного тока с добавками галогеиидов металлов // Физика плазмы. 1986. Т. 12. №7. С.887.

[9]. Касабов Г.А., Елисеев В.В. Спектроскопические таблицы для низкотемпературной плазмы: Справочник. М.: Атомиздат.-1973.- 160с.

[10]. http://physics.nist.gov/cgi-bin/AtData/main_asd

[11]. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. -М: Физматгиз, 1979.320с.

[12] Ulanov I.M., Kolmakov K.N., Isupov M.V., Litvintsev AYu Study of the transformer-coupled induction toroidal discharge for the development of plasma chemical reactions and new light sources. IV International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology", Minsk, Sept.15-19,2003. Contributed Papers, VI, P.3-6.

[13]. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. - М: Наука, 1971 с.240

[ 14]. Смирнов Б.М. Физика слабо ионизованного газа в задачах и решениях. - М: Наука, 1978 с.ЗЗЗ.

Подписано в печать 18.02.04. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,3. Усл. кр.-отг. 7. Тираж 75 экз. Изд. №27.

Петрозаводский государственный университет Типография Издательства Петрозаводского государственного университета 185640, Петрозаводск, пр. Ленина, 33

.434 9

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Екимов, Константин Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ.

1.1 Цель и методы диагностики.

1.2 Современные технические средства для эмиссионной спектроскопии неоднородной плазмы.

1.3 Радиальные преобразования.

1.4 Исключение аппаратных искажений.

2. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

2.1 Метод главных компонент.

2.2 "Коллективная" обработка массивов отсчетов в локальной спектроскопии плазмы.

3. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ - АРМ «СВЕТ».

3.1 Структура программно-аппаратного комплекса.

3.2 Спектрометр ДФС-12.

3.3 Фотоприемник и регистрирующая система.

3.4 Модули КАМАК.

3.5 Управление и программное обеспечение. Основные возможности программы Spectrum.

3.6 Общие сведения об основных модулях программы Spectrum.

3.6.1 Модуль сканирования спектра по длинам волн.

3.6.2 Модуль пространственного сканирования.

3.6.3 Модуль сканирования по заданной программе.

3.6.4 Модуль отображения одновременно нескольких спектров из файлов.

3.6.5 Модуль загрузки спектра.

3.6.6 Модуль градуировки спектрометра по длинам волн.

3.6.7 Модуль градуировки чувствительности.

3.6.8 Модуль сервера удаленного доступа и управление через программу Spectrum.

3.7 Вспомогательные модули программы.

3.7.1 Модуль фазовой регистрации.

3.7.2 Модуль радиального преобразования.

3.7.3 Модуль исключения аппаратных искажений.

3.7.4 Модуль пересчета данных из относительных единиц, в единицы спектральной энергетической яркости.

4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА.

4.1 Проверка линейности регистрирующей системы.

4.2 Временные параметры регистрирующей системы.

4.3 Градуировка спектрометра по длинам волн.

4.4 Градуировка шага блока пространственного сканирования.

4.5 Градуировка чувствительности регистрирующей системы.

4.6 Регистрация аппаратного контура.

4.7 Реализация системы относительного позиционирования по длинам волн.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОГАЛОИДНОЙ ЛАМПЫ (МГЛ).

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННОЙ ЛАМПЫ.

Введение диссертация по физике, на тему "Локальная диагностика неоднородной плазмы с помощью автоматизированного спектрометрического комплекса"

Актуальность работы:

Развитие физики плазмы и ее приложений тесным образом связаны с успехами в разработке методик, средств диагностики и контроля физических условий в составе компонентов плазмообразующих сред. Особое значение имеют бесконтактные, не вносящие искажений оптические и спектрометрические методы. Использование этих методов актуально для астрофизики, плазмохимии, плазменной металлургии, физики и техники газоразрядных источников света, включая газовые лазеры, приложений плазмы в микроэлектронике, биологии, и других областях науки и техники, круг которых постоянно расширяется.

Для решения задач фундаментальной и прикладной физики также требуются объективные, высокоэффективные методы спектроскопического анализа характеристик неоднородных гетерогенных сред.

Все это делает создание и модификацию спектрометрических методов и аппаратуры, актуальной проблемой диагностики неоднородной плазмы.

Цель работы:

Целью данной работы была разработка и создание программно-аппаратного комплекса для автоматизированного сбора и обработки спектроскопической информации, необходимой для определения параметров неоднородной плазмы, с использованием унифицированных модулей управления экспериментом и рациональных алгоритмов обработки данных, уменьшающих влияние шумов эксперимента на конечный результат, и применение комплекса для диагностики конкретных плазменных объектов.

Локальные значения параметров плазмы: концентрации электронов, атомов в основном и возбужденных состояниях, атомной и электронной температуры, могут быть определены на основе известных теоретических моделей, если известны интенсивности и формы контуров спектральных линий, излучаемых различными элементарными объемами плазмы.

Для получения этой спектроскопической информации необходимо: собрать массив экспериментальных данных, связанных с пространственным распределением спектральной энергетической яркости поверхности источника; определить, на основе этих данных, пространственное распределение спектральной энергетической яркости поверхности источника, с учетом кривой спектральной чувствительности использованных фотоприемников и возможных искажений, полученных распределений, из-за конечного разрешения спектральной аппаратуры; перейти от массива яркости поверхности источника к массиву локальных значений коэффициентов излучения, на основе принятой модели источника.

Это очень трудоемкий и времязатратный процесс с большим объемом рутинных действий и огромным объемом, записей протоколов исследования, являющихся тормозом в использовании эффективных методов диагностики, если не решена проблема автоматизации процесса сбора и обработки данных. С решением этой задачи и связана, в частности, цель настоящей работы. Дополнительной целыо является демонстрация эффективности решения задач диагностики с использованием методических и программно-аппаратных средств на основе результатов предпринятой разработки.

Результаты исследования индукционной лампы получены впервые.

Научная новизна работы: впервые к реальному объекту применен метод коллективной обработки больших массивов спектроскопической информации, сокращающий затраты времени на обработку данных и повышающий устойчивость результатов к шумам эксперимента. Ме~од реализован в программных модулях разработанного комплекса и использован для определения параметров дуговой плазмы по контурам спектральных линий. Продемонстрирована эффективность метода по сравнению с традиционными алгоритмами; получены данные о локальных значениях плотности нормальных и возбужденных атомов и концентрации электронов в ртутно-таллиевой дуговой лампе высокого давления; впервые исследовано пространственное распределение плотности возбужденных состояний в неоновой лампе трансформаторного типа, что позволило сделать вывод о механизме возбуждения уровней и физических условиях в таком разряде; разработано и создано оригинальное программное обеспечения для автоматизированного информационно-измерительного спектрометрического комплекса сбора и обработки спектрометрической информации, построенное на основе стандартизированных технических и программных средств по модульному принципу, что позволяет легко адаптировать его к конкретным диагностическим задачам, а также использовать в режиме удаленного доступа к: оборудованию.

Научно-практическая значимость работы:

Для нужд локальной количественной диагностики неоднородной плазмы создан действующий программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий высокую эффективность сбора спектроскопической информации, ее сохранения, отображения и обработки с использованием рациональных, устойчивых к шумам алгоритмов.

Разработанный комплекс, снабженный подробной технической документацией, а также описание методов сбора и рациональной обработки спектроскопической информации о неоднородной плазме могут быть использованы и уже используются в научно-образовательном процессе при подготовке специалистов по физической электронике и информационно-измерительной технике.

Основные положения, выносимые на защиту:

2. Пространственные и временные распределения электронной плотности и концентраций нормальных и возбужденных атомов в дуговом разряде высокого давления, в парах ртути, с добавками йодида таллия.

4. Программно-аппаратный комплекс для спектрометрических измерений, построенный по модульному принципу, на базе современных унифицированных технических и программных средств, что обеспечивает его переносимость и адаптацию к решению различных спектрометрических задач. Состав методических и программных средств, входящих в комплекс, создает для пользователя комфортные условия эффективной работы.

Апробация работы:

Содержание работы докладывалось на всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001 (Петрозаводск, 2001), международной конференции по инженерному и компьютерному образованию ICECE'2003 (Brazil in Santos, 2003), 16ом международном симпозиуме по плазмохимии 16th International Symposium on Plasma Chemistry, (Taormina, Italy, 2003), 30ой конференции европейского физического общества по физике плазмы, 30th EPS Conference, (Санкт-Петербург, 2003), на школе молодых ученых, по проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 2003г), IV Российском семинаре, по современным средствам диагностики плазмы и их применению (Москва, 2003) и опубликованы в работах:

1. Екимов К.А., Луизова JI.A., Хахаев А.Д. Программный комплекс управления спектрометрическими измерениями с возможностью удаленного доступа к автоматизированной установке на базе системы графического программирования LabVIEW // Материалы

Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001 (в 2 томах). Т.2. / ПетрГУ. Петрозаводск, 2001. С. 40-43.

2. Екимов К.А., Луизова JI.A., Приходченко Р.В., Соловьев A.B., Хахаев А.Д. Лабораторные работы по спектроскопии. // Учебное издание. ПетрГУ. - Петрозаводск, 2003.

3. Ekimov К., Luizova L., and Prihodchenko R. Laboratory programs on physics with usage of modern information technologies // International Conference on Engineering and Computer Education (ICECE'2003), Brazil, in Santos.

6. Гостев В.А., Екимов K.A., Луизова Л.А., Хахаев А.Д. Спектр излучения гелиевого микроплазмотропа // Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды. Материалы IV Российского семинара (12-14 ноября 2003г.) / Москва, МИФИ. С.66-68.

7. Екимов К.А., Луизова Л.А., Соловьев A.B., Хахаев А.Д. Автоматизированный комплекс для спектроскопической диагностики неоднородной плазмы // Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды. Материалы IV Российского семинара (12-14 ноября 2003г.) / Москва, МИФИ. С.49-51.

Программно-аппаратный комплекс прошел успешную проверку в ходе экспериментальных исследований дугового разряда, в лабораторных работах студентов, по курсам: «Проектирование информационно-измерительных комплексов», «Оптические методы диагностики плазмы», «Физические основы получения информации», «Метрология и измерительная техника» и при выполнении студентами курсовых и дипломных работ.

Вклад автора:

Впервые практически реализована локальная диагностика неоднородной плазмы закрытого дугового разряда в парах ртути с добавками иодидов с помощью метода коллективной обработки больших массивов спектроскопической информации о пространственно-временных распределениях излучения аксиально-симметричной плазмы.

Модифицирована, па основе использования среды LabVIEW и магистрально-модульной системы КАМАК, система управления устройством пространственного, спектрального и временного стробирования, при регистрации излучения источников, питаемых переменным током.

На основе стандартизированных, унифицированных и переносимых модулей создан программно-аппаратный комплекс для автоматизированного сбора и коллективной обработки данных, для задач диагностики неоднородной плазмы.

С помощью этого комплекса получены данные о пространственно-временных распределениях электронной плотности и концентраций нормальных и возбужденных атомов в дуговом разряде высокого давления в парах ртути с добавками йодида таллия и исследовано пространственное распределение заселенностей возбужденных атомов в индукционно связанной плазме в неоне.

Продемонстрирована возможность использования отдельных модулей комплекса для обработки данных, полученных на другом оборудовании, а также возможность использования комплекса в режиме удаленного доступа к оборудованию.

Создано методическое пособие по использованию программно-аппаратного комплекса для широкого круга спектроскопических работ, в том числе, для диагностики аксиально-симметричной квазистационарной или периодически изменяющейся, неоднородной плазмы.

Проведено и проводится систематическое тестирование качества работы и надежности автоматизированного программно-аппаратного комплекса при выполнении научно-исследовательских и учебных лабораторных работ на кафедре "Информационно-измерительных систем и физической электроники" и в Научно-образовательном Центре "Фундаментальные проблемы физики низкотемпературной плазмы" Петрозаводского Университета.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 112 страниц, 32 рисунка, 4 таблицы и 41 наименование библиографических ссылок.

Заключение диссертации по теме "Физическая электроника"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С использованием разработанного комплекса и реализованных в нем алгоритмов сбора и обработки данных определены пространственные распределения концентраций атомов в различных состояниях и электронов, для двух фаз тока, в дуговом разряде в парах ртути с добавкой йодида таллия. Сопоставление некоторых результатов (например, радиального хода концентрации нормальных атомов ртути, распределения заселенностей в ртутном триплете) с известными из литературы подтверждает достоверность получаемых на комплексе данных. Обнаруженные эффекты уширения некоторых линий, не описываемые известными моделями, создают основу для дальнейшего развития теории сложной дуговой плазмы.

Программно-аппаратный комплекс прошел успешную проверку в ходе научных исследований и при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ студентами физико - технического факультета ПетрГУ специальностей: "Физическая электроника", "Автоматизированные системы обработки информации и управления", "Информационно-измерительная техника и технология".

Все экспериментальные исследования проведены в период с 2001 по 2003г. при непосредственном участии автора.

Работа выполнена по тематическому плану Н01Д-013 "Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы" (грант Р7-013-02 АФГИР, МО РФ и Правительства Карелии).

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Екимов, Константин Анатольевич, Петрозаводск

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под. ред В.Е.Фортова. Вводный том 1., М: Наука, 2000, 655с.

2. Murphy A. B. Why Thomson Scattering Measurements of Thermal Plasma Electron Temperatures are Unreliable // 16th International Symposium on Plasma Chemistry Taormina, Italy -June 22-27, 2003. Abstracts and full papers on CD, P65

3. Вайнштейн Jl.A., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. -М: Физматгиз, 1979. 320с.

4. Кюльмясу И.И., Попов Э.Т., Хахаев А.Д. Устройство для автоматической регистрации коэффициентов излучения и поглощения пространственно-неоднородных изменяющихся во времени источников излучения: А.с. № 399738; опубл. 03.10.73. Бюлл. № 39.

5. Кюльмясу И.И., Хахаев А.Д., Щербина А.И. Оптико-механическое линейпоскапирующее устройство: А.с. № 545954; опубл. 05.02.1977. Бюлл. № 5.

6. Босенко А.Г., Луизова J1.A., Хахаев А.Д., Штивельман Я.Е. Автоматизированный комплекс для спектральных исследований // Иэв. АН СССР. 1984. Т. 48, № 4. С. 796-801.

7. Луизова Л.А., Кошкин В.Ф., Хахаев А.Д., Чугин В.П. Автоматизированный спектроколориметр //Журн. прикл. спектроск. 1989. Т. 50, № 3. С. 511-518.9. http://www.okb-spectr.ru/ispectr.php310. http://www.oceanoptics.com/products/

8. Баженова М.Е., Луизова JI.A., Чугин В.П. Многоканальный Фурье-колориметр (( Опт. и спектроск. 1996. Т. 80, вып. 1. С. 173-176.

9. Buie М. J., Brake М. L et al Abel's inversion applied to experimental spectroscopic data with off axis peak//JQRST. 1996. V. 55, № 2. P. 231.-24

10. Худсон Д. Статистика для физиков, М: Мир, 1970, С. 157

11. Luizova L.A. Abel's inversion applied to array of spectral line profiles // JQRST.-2000.-V.66.-P. 277-283.19.

12. Luizova L., Soloviev A. A Computer Training Program for Elimination of Instrument Distortion // 7th International Conference on Education and Training in Optics and Photonics 2001. Singapore, 2001. SPIE V 4588 (2002) P.440-447.

13. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ. М.-Л.: Физматгиз, 1963. 500 с.

14. Edward Jackson J. A User's Guide To Principal Component. John Willey &Sons, New York, 1991. 567 pp.

15. Фаддеев Д.К., Фадеева B.H. Вычислительные методы линейной алгебры. М.-Л.: Физматгиз, 1963. 734 с.

16. Жарков Ф.П., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф., Панов B.C. Использование виртуальных инструментов LabVIEW.-M: Радио и связь, 1999, 268 с.

17. Луизова Л.А. Оптические методы диагностики плазмы // Учебное пособие. Петрозаводск: Изд. ПетрГУ. 2003. С.6-116

18. Hashiguchi S., Hatase К., Mort S., Tachibana К. Numerical simulation of metal-halid lamp using a time-dependent two-dimensional model // Journal of Applied Physics.-2002.-V.92, -P. 45-54.

19. Karabourmiotis D. Determination of radial density distribution of ground and low-lying levels of mercury in a nonequilibrium plasma using emission spectroscopy // Journal of Applied Physics.-2001 .-V.91, -P. 1090-1101.

20. Karabourmiotis D. Nonequilibrium excited-state distribution of atoms of in dense mercury plasmas // Journal of Applied Physics.-2002.-V.92, -P. 25-31.

21. Луизова Л.А., Патроев A.B., Хахаев А.Д. Формирование самообращенных контуров спектральных линий в закрытой ртутной дуге с добавкой йодида таллия // Известия Академии наук, Сер. физ. 1999, Т.63, С2291-2295.

22. Бородин В.И., Луизова Л.А., Хахаев А.Д. Объемные перераспределения компонент плазмы в дугах переменного тока с добавками галогенидов металлов // Физика плазмы. 1986. Т. 12. № 7. С. 887.

23. Касабов Г.А., Елисеев В.В. Спектроскопические таблицы для низкотемпературной плазмы: Справочник. М.: Атомиздат,- 1973,- 160 с.35. http://physics.nist.gov/cgi-bin/AtData/mainasd

24. Пенкин Н.П, Шабанова Л.Н. Резонансное уширение линий европия, возникающих при переходах a8S°7/2-y8P 9/2,7/2,5/2 // Опт. и спектроск. 1973. Т. 34. вып.4. С. 639.

25. Vdovin V.G., Hahaev A.D. Experimenral study on plasma nonequilibrum of high pressure metal-halid discharge // Journal de Physique, Tome 40, Juillet 1979, P. C7-177-178.

26. Смирнов Б.М. Возбужденные атомы, M: Наука, 1982, С. 151

27. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М: Наука, 1971с.240

28. Смирнов Б.М. Физика слабо ионизованного газа в задачах и решениях. М: Наука, 1978 с.333.