Поляризационная спектроскопия плазмы и диагностика функции распределения электронов в электрическом поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГб од

Министерство высшего и профессионального образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Мелышчук Сергей Васильевич

Поляризационная спектроскопия плазмы и диагностика функции распределения электронов в электрическом поле

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени . кандидата физико-математических наук

Томск-1997

Работа выполнена в Томском государственном университете

Научный руководитель: - доктор физико-математических наук, профессо Демкин Владимир Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, професс Горчаков Леонид Всеволодович кандидат физико-математических наук, Юдин Николай Александрович

Ведушая организация - Институт оптики атмосферы СО РАН

Зашита состоится 997 г. в Ш ^ . час. на заседании I

сертационного совета К 063.53.03 по защите диссертации на соиска ученой степени кандидата физико-математических наук в Томском гс дарственном университете по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 корп №2, ауд. 115.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского 1 университета.

Автореферат разослан "/г " П М/^ШЩ! г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета кандидат физико-математических наук доцент

Г.М.Дейкова.

. Общая характеристика работы

Актуальность темы

Одна из важнейших зада'1 физики плазмы связана с изучением распределения электронов по скоростям, их энергетических и угловых-характеристик. Как известно, это связано с тем, что электронная компонента является наиболее подвижной в штме. Именно она задает а оказывает существенное влияние на основные термодинамические и электрофизические характеристики ионизованного газа.

В настоящее время разработан ряд теоретических и экспериментальных методоз определения функции распределения электронов.-

Основными теоретическими методами являются: метод основанный на решении уравнения Больцмана и метод статистического моделирования.

Первый метод развивается уже более 100 лет н на данный момент является достаточно хорошо изученным. Этот метод применяется практически во всех случаях - от оценок простых моделей до сложных количественных расчетов функции распределения электронов и тяжелых частиц.

С появлением мощных вычислительных машин бурное развитие получи.! метод статистического. моделирования. Данный метод использует законы статистической физики для моделирования плазмы. Он требует-знания сечений, происходящих элементарных процессов и констант плаз-мохимнческнх реакций, в которых участвуют нейтральные и заряженные частицы, а также условий в которых они протекают. Это дает возможность определить вероятности различных событии происходящих в плазме.

Среди экспериментальных методов определения ФРЭ наиболее распространенным является зоидовый методднагностнкп.

Характерными чертами зондового метода являются: относительная простота аппаратуры, локальность измеряемых параметров и достаточно высокая точность результатов. К сожалению, применение зондов для диагностики плазмы сталкивается с рядом трудностей, которые ограничивают преимущества метода. Зонд и плазма должны удовлетворять ряду достаточно жестких требований, и только тогда результаты простых электрических измерений могут бь1ть связаны с параметрами плазмы. Основной недостаток метода состоит в том, что он не применим в условиях, когда контакт зонда с плазмой осуществить невозможно;

Другой метод диагностики (метод томсоновского рассеяния), также позволяющий экспериментально находить ФРЭ, основан на изучении характеристик рассеянного электромагнитного излучения на заряженных частицах плазмы.

К преимуществам этого метода относятся: локальность измеряемых характеристик, простота схемы опыта и математических моделей, применяемых на практике. Основными недостатками являются: применение дорогостоящего оборудования, слабая величина полезного сип-ала, который

приходится выделять на фоне паразитных шумов, применение метода только в лабораторных условиях к объектам допускающим ввод лазерного излучения и наблюдение рассеяния под заданными углами.

В отличии от выше изложенных методов, метод поляризационной диагностики начал развиваться сравнительно недавно и еще не получил широкого распространения. По методике проведения эксперимента он относится к спектроскопическим методам, а по возможностям во многих случаях не уступает зондовым методам диагностики. Сочетание положительных качеств этих двух направлений открывает широкие возможности применения поляризационной диагностики для исследования плазмы. .

Основанием для создания метода поляризационной диагностики послужило изучение коллективных процессов в плазме, которые обладают темп или иными анизотропными свойствами, выделенными направлениями. Под влиянием анизотропных процессов, происходит селективное заселение или релаксация атомных состояний с определенным магнитным квантовым числом, что в дальнейшем находит свое отражение в поляризации излучения атомов.

Применение поляризационной спектроскопии к решению обратных задач привело к созданию методов поляризационной диагностики плазмы. В настоящее время поляризационная диагностика представлена рядом Методов определения анизотропных параметров плазмы: функции распределения электронов и ионов, дрейфовой скорости ионной компоненты плазмы, распределения электрических полей.

Параллельно с развитием теоретических принципов поляризационной спектроскопии также шло развитие экспериментальной техники и разработка методик измерений поляризационных характеристик излучения атомов.

Накопленный практический опыт по изучению поляризованных систем позволил сформулировать общие принципы и требования, которые необходимо учитывать при разработке и создании экспериментальных установок данного назначения. Все они направлены на увеличение точности измерений интенсивности излучения выделенной поляризации, а также на повышение чувствительности экспериментальной схемы. Это объясняется тем, что методы поляризационной спектроскопии, где рассматриваются дифференциальные сечения процессов, оказывается очень чувствительными к изменению угловых и поляризационных характеристик этих сечений. С одной стороны, высокая чувствительность метода позволяет изучать тонкие эффекты происходящие в плазме, с другой стороны, она накладывает жесткие требования на точность измеряемых характеристик.

Таким образом, к началу 90-х гг. поляризационная диагностика была представлена рядом эффективных экспериментальных методов позволяющих определять, наряду с другими параметрами плазмы, моменты ФРЭ. .

Дальнейшее развитие поляризационная диагностика ФРЭ получила в работах связанных с изучением влияния электрического поля на анизотропные столкновительиые и излучательные процессы.

Как известно, электрическое поле, в той или иной мере, всегда присутствует в плазме. Оно создается внешними источниками и распределением объемного заряда самой плазмы. Наличие электрических полей в плазме, по порядку величины достигающих внутриатомных полей, существенно изменяет угловые и поляризационные характеристики излучения атомов (а это является признаком поляризации атомных состояний) даже в отсутствии других анизотропных процессов.

В электрическом поле изменяются сечения процессов, длины волн спектральных линий и их интенсивности. Появляются переходы, запрещенные правшами отбор» для изолированных атомов, а также снимается вырождение по магнитному квантовому числу и происходит расщепление спектральных линий.

Учет влияния электрического поля на поляризацию атомных состояний не только приводит к уточнению уже имеющихся методов поляризационной диагностики, но также открывает новые ее возможности, обусловленные получением более детальной'спектроскопической информации из измерений характеристик излучения штарковских состояний.

Таким образом, спектроскопия штарковских состояний позволяет развить совершенно новые методы диагностики анизотропных параметров плазмы, отличающихся от'известных как теоретической базой так и экспериментальным воплощением.

В связи с этим целью данной работы являлось:

• разработка и экспериментальное обоснование метода поляризационной спектроскопии излучения атомов в электрическом поле. Применение его для диагностики ФРЭ.

• разработка и создание экспериментальной установки для поляризационной диагностики плазмы;

• разработка методики эксперимента и ее проверка; .

• спектрополяриметрическая диагностика анизотропии плазмы.

Научные положения выносимые на защиту:

1.Влияние поля на поляризацию и анизотропию излучения заключается;

- в изменении электронных состояний атомов в поле, приводящего к перераспределению амплитуд компонент мультипольных моментов радиационных переходов,

- в изменении амплитуд столкновительного возбуждения и релаксации штарковских состояний, приводящего к их дополнительной поляризации.

2.Поляризационная диагностика ФРЭ в-электрическом поле основана на зависимости поляризационных и угловых характеристик излучения штарковских состояний, резонансно возбужденных прямым электронным ударом, от кинетических характеристик электронов с учетом влияния электрического поля.

3.Поляризационная спектроскопия штарковских состояний дает более детальную информацию о процессах поляризации состояний, что обусловлено спектральным разделением компонент излучающего диполя, а также появлением дипольно-запрещенных переходов, отсутствующих в спектре изолированных атомов. Это позволяет одновременно определять как четные, так и нечетные параметры функции распределения электронов.

4.Энергетическая и угловая зависимость функции распределения электронов высоковольтного плазменно-пучкового разряда при средних давлениях в инертных газах определяется наличием в плазме только двух групп электронов: медленных - с анизотропным распределением и быстрых - с выраженными пучковыми свойствами.

Научная новизна работы характеризуется рядом впервые выполненных теоретических и экспериментальных работ н впервые полученных на их основе результатов, наиболее существенные из которых заключаются в следующем:

Разработан и создан автоматизированный спектрополяриметр, с уникальными параметрами, для измерения поляризационных характеристик излучения плазмы импульсных разрядов, работающий в режиме реального времени.

Проведено экспериментальное обоснование метода поляризационной диагностики ФРЭ по излучению атомов в электрическом поле и разработана методика проведения эксперимента.

Используя разработанный метод определения параметров ФРЭ в электрическом поле проведена:

-диагностика ФРЭ вдоль ускоряющего промежутка высоковольтного импульсного плазменно-пучкового разряда.

-диагностика временной динамики ФРЭ в прикатодной области высоковольтного импульсного плазменно-пучкового разряда.

Достоверность результатов работы подтверждается следующим: При создании оптического канала спектрополяриметра использовалось стандартное, отечественное оборудование. При создании и наладке нестандартных элементов схемы регистрации, проводились калибровочные измерения с использованием эталонных источников импульсного напряжения и оптических сигналов. Также проводилась калибровка всей установки по эталонным источникам импульсного излучения.

Измерения поляризационных характеристик спектральных линий проводилось в режиме счета фотонов. Для повышения точности измерений применялось статистическое накопление сигнала по 200 - 600 тысячам вспышек импульсного разряда. Обработка экспериментальных результатов проводилась численными методами корреляционного и регрессионного анализа на ЭВМ. Таким образом, экспериментальные данные по степени линейной поляризации имели погрешность не более.1%.

Результаты вычисления параметров ФРЭ газоразрядной плазмы пучкового типа, в гелии методом поляризационной спектроскопии сравнива--

лись с данными статистического моделирования, что дало хорошее согласие полученных результатов.

Научная значимость результатов работы заключается в следующем:

Созданный спектрополяриметрический комплекс и разработанный метод диагностики, дают возможность проводить оперативную диагностику нестационарной плазмы по излучению атомов в электрическом поле, изучать протекающие процессы с большим временным разрешением.

Проведенные экспериментальные исследования показали широкие возможности данного метода. Метод поляризационной диагностики позволяет изучать механизмы влияний электрического поля на поляризацию атомных состояний, а также их структуру, измерять анизотропные параметры плазмы, что является важ'ным для понимания природы элементарных процессов происходящих в ионизованном газе во внешних полях.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

Метод поляризационной диагностики по излучению штарковских со- стояний атомов может быть использован для диагностики технологической и космической плазмы. В частности, данный метод использовался для определения ФРЭ плазмы плазмохимического электронно-пучкового реак-: тора по плану проекта в научно-технической программе "Конверсия".

Практическая значимость работы подтверждается включением ее на - конкурсной основеи научные программы Тоскомитета по высшей школе "Фундаментальные проблемы физической оптики", Российского центра лазерной физики "Физика лазеров и лазерные системы" и присуждение ей гранта Всероссийского Конкурсного центра при Санкт-Петербургском университете. ' .

I

Публикация и апробация работы.

По теме диссертации опубликовано 11 научных работ. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:

Всесоюзный семинар по атомной спектроскопии (Черноголовка,

1993 г.). .......' *

Всероссийская конференция по лазерной физике (Санкт Петербург,

1994 г.).

Всероссийская конференция по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1995 г.).

Международная конференция "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1995 г.).

Всероссийская конференция "Сибконверс" (Томск, 1995 г.).

Структура объем работы. Диссертация состоит из пяти глав общим-объемом 160 сгр. и содержит 53 рисунка, 15 таблиц и 131 наименований в списке литературы.

Содержание диссертации

Во введении обсуждается современное состояние решаемой проблемы, ее актуальность. Определяется роль, место и значимость данной работы в рассматриваемой проблеме. Формулируются цели работы и защищаемые положения. Дается краткий обзор структуры диссертации.

„ В первой главе рассматриваются механизм поляризации атомных систем возникающий при накачке электронным ударом и эффекты влияния электрического поля на радиационные и столкновительные процессы.

Как известно, анизотропные процессы накачки и релаксации, а так же внешние поля являются причиной поляризации атомных состояний в плазме. Эффективным методом исследования поляризованных систем является поляризационная спектроскопия, которая основана на измерении поляризационных и угловых характеристик излучения атомов.

Один из механизмов возникновения поляризации атомных состояний является возбуждение электронами имеющими анизотропную ФР. В этом случае приходиться иметь дело с ансамблем атомов, который представляет собой статистическую смесь состояний. Наиболее удобно описывать такие системы через матрицу плотности, которая является обобщением функции распределения в квантовой механике и содержит всю существенную информацию об атомном ансамбле.

В терминах матрицы плотности интенсивность излучения ансамбля атомов в направлении п с поляризацией е^ при переходе атома между состояниями | Ж) и | .ЬМо) определяется формулой:

где рмм - матрица плотности состояний для уровня 3; 10 - безразмерная константа; I? - оператор радиационного перехода. Матрица р„м - в нашем случае определяется процессами заселения уровня I электронным ударом.

Когда желательно использовать угловую п(Э,<р) симметрию рассматриваемого ансамбля, целесообразно записать интенсивность излучения в представлении поляризационных моментов. Тогда, в дипольном приближении интенсивность излучения выражается следующей формулой:

I

,.(-п(е,Ф))=1„1(2-к+1^ \ ^Н^ГрГ(2)

где 10~|</||Ь|р)|2 квадрат модуля приведенного матричного элемента оператора дипольного перехода. Ф'.кДй(8,<р)) - тензор наблюдения и имеет вид:

Ч.Ч| \Ч Ч; Ч|/

где еч - круговые компоненты вектора поляризации.

Формула (2) дает количественное описание поляризационных и угловых характеристик излучения ансамбля атомов и послужила основой создания методов поляризационной спектроскопии.

Анизотропный характер столкновительных процессов в плазме газовых разрядов является следствием наличия электрического поля, обуславливающего дрейф заряженных частиц. В той или иной мере электрическое поле в плазме присутствует всегда. Его наличие определяется внешними источниками и неравномерным пространственным распределением зарйда. Величина поля может достигать сотен киловольт на сантиметр и поэтому необходимо учитывать его влияние на радиационные и столкновительные процессы и следовательно на поляризационные явления.

Описание поляризационных эффектов в излучении штарковских компонент спектральных линий удобно проводить также в формализме поляризационных моментов. Отличие заключается в том, что в данном случае учитываются как диагональные, так и недиагональные по квантовому числу } поляризационные моменты р^1.

Согласно определению, поляризационный момент в электрическом поле в общем случае выражается следующей формулой:

р(чМ-ЕНГ;^;2.-к+1.сдм').с;(м){_1м, * ¿].Рмм №

Здесь С,(М) - коэффициенты разложения волновых функций штарковского состояния по состояниям изолированного атома.

Если в (2) произвести замену волновых функций и поляризационных моментов изолированных атомов, соответственно, на волновые функции штарковских состояний и поляризационные моменты в электрическом поле, то интенсивность излучения фотона в направлении п с поляризацией е^, соответствующая переходу атома Ы„ в данном приближении имеет вид:

1,(Й)=1« Е Рм.мкм0(ё-о)ш' ж(ё-б)Чч +

+ 1с,(м')-с;(м)- л,мв(ё-5)1,м'; 11м(ё-£>)^0м0)) (5)

В (5) первое слагаемое соответствует разрешенным дипольным переходам, а второе-запрещенным дипольным переходам.

Формулы (5) являются основой для построения метода поляризационной диагностики плазмы в присутствии внешнего электрического поля.

В этом формализме ддя определения степени линейной поляризации необходимо провести измерения интегральной по контуру интенсивности излучения переходов с одного верхнего уровня, соответствующей поляризации, под которой понимается интегральная величина, соответствующая совокупности переходов со штарковских состояний, принадлежащих определенному уровню }.,

Количество независимых переходов, необходимые для проведения диагностики, определяется количеством неизвестных параметров входящих в уравнения (5).

Из (5) следует, что диагностику можно проводить, используя как разрешенные, так и запрещенные переходы начинающиеся с одного верхнего уровня.

Для проведения диагностики данным методом необходимо иметь ряд изолированных переходов, т.е их контур не должен перекрываться с контурами других спектральных линий или должна иметься возможность их разделить. В противном случае это приведет к ошибкам измерения степени линейной поляризации излучения изучаемого перехода.

Погрешности при измерении степени линейной поляризации должны быть не хуже 1%, что следует из требований на точность диагностируемых параметров плазмы.

Требование, накладываемое на временное разрешение, следует из величины характерного масштаба времени для радиационных и столкнови-тельных процессов, приводящих к деполяризации возбужденных состояний. Например, в газоразрядной плазме при средних давлениях эффективное время жизни возбужденных состояний атомов т составляет 1-100 не. Для того, чтобы проследить временную динамику элементарных процессов, а следовательно и параметров плазмы, регистрирующая аппаратура, соответственно, должна иметь временное разрешение не хуже т.

Во второй главе рассматривается метод поляризационной диагностики электронов в электрическом поле.

Данные методы относятся к классу обратных задач поляризационной спектроскопии и основаны на установлении связи между параметрами, описывающими поляризационные явления в излучении плазмы и параметрами ФЮ, которые вызывают эффекты поляризации при анизотропной накачке.

Вся информация о поляризации атомных состояний содержится в определяемых поляризационных моментах матрицы плотности. Вид поляризационных моментов определяется процессами накачки изучаемых состояний. В случае возбуждения электронным ударом:

= (6)

Поскольку в данной задаче важна угловая симметрия процесса, принято разлагать ФРЭ по полному базису ортогональных сферических функций.

В этом случае поляризационные моменты р^1 в излучении спектральных линий связанны с процессами возбуждения состояний атомов и пропорциональны моментам ФРЭ при возбуждении электронами.

;р',")=(- 0' •~ • МЖ!»-^ -л> (7)

где (р^'} - поляризационный тензор в лабораторной системе координат, определяемый из измерений поляризационных характеристик излучения; р^'- поляризационный тензор вычисленный в столкновительной системе координат, так называемый динамический тензор; Г!'1- моменты функции распределения.

Формула (6) служит основой применения методов поляризационной-диагностики для определения моментов функции распределения электронов. "

В электрическом поле из-за эффекта смешивания состояний различной четности в интенсивности излучения линий наряду с диагональными по Д тензорами р^-М) и р'Чи) появляются недиагональные тензоры ранг которых изменяется в пределах |1-Г|<к<р+.)'|. Эти тензоры зависят от напряженности электрического поля И и исчезают при Р стремящимся к нулю.

Отсюда следует, что поляризационная диагностика излучения штарковских состояний на разрешенных и запрещенных переходах дает возможность определять поляризационные тензоры в более широком интервале значении рангов. Наличие же недиагональных тензоров нечетных рангов в формуле для интенсивности излучения (5) позволяет в случае электронной накачки штарковских состояний определять моменты ФРЭ, включая и нечетные. ' 4

Эти закономерности в излучении штарковских состояний послужили основой создания метода поляризационной диагностики ФРЭ в электрическом поле.

Дальнейшие вычисления в (7) зависят от вида матричных элементов амплитуды электронного возбуждения от-скорости, налетающих электронов.

Для корректного решения задачи в виде системы уравнений (7) относительно моментов ФРЭ, необходимо проводить предварительное изучение общего вида ФРЭ, зависящего от условий в плазме.

Наиболее общим подходом является построение теоретической модели процессов протекающих в плазме и выяснения отсюда общих закономерностей в поведении ФРЭ. Это позволяет задавать ФРЭ в параметрическом виде, где параметры описывают характеристики электронного газа, такие как: температура, дрейфовая скорость, доля быстрых электронов, параметры анизотропии описывающие угловые характеристики ФРЭ и.т.д.

Поскольку поляризационная диагностика ФРЭ по штарковским состояниям возможна только при наличии в плазме электрических полей, величина которых достаточна для появления заметного эффекта Штарка,

при построении теоретической модели необходимо учитывать влияние электрического поля на вид ФРЭ, -

В зависимости от условий в плазме и величины электрического поля, ФРЭ может переходить от максвелловской со слабой анизотропией в ФРЭ со значительной долей быстрых электронов имеющих существенно анизотропное распределение по углам. В соответствии с этим имеется различие в задании параметрического вида ФРЭ.

В тех случаях когда электроны на длине свободного пробега приобретают энергию от электрического поля существенно меньшую, чем теряют при рассеянии на частицах плазмы, ФРЭ можно считать мало отличающейся от изотропной. Здесь применим метод разложения ФРЭ по моментам, которая задается в виде:

. 18>

где ш - масса электрона, Те - температура электронного газа, - дрейфовая

скорость электронов, _

«^2-к-Х/т

Другим предельным случаем является плазма с условиями, когда формируются две группы электронов. Первая группа - медленные электроны, с незначительной анизотропией, описываются ФРЭ (8). Вторая, группа быстрых электронов с энергиями намного превышающими тепловую. В этом случае у них можно пренебречь как энергетическим так и угловым распределением и задать ФРЭ этой части электронов в виде дельта-функции. Тогда полный вид ФРЭ представляется как:

Г(9) = N ■ [ехр{(у - V,)7у03) + у • 5{у - уь)] (9)

где у4иу,- дрейфовая и наиболее вероятная скорость электрона, причем у, - соответственно доля и скорость пучка убегающих электронов. Полагается, что V,, « у0 и уь » у0. Величины у^ ,у0 у и >ь в формуле (9) являются параметрами, которые необходимо определить.

Наиболее сложным является промежуточный случай, когда быстрые электроны не описываются в монокинетическом приближении, т.е. энергия и число быстрых электронов соизмеримы соответственно с аналогичными параметрами медленных электронов. По этой причине нельзя пренебрегать угловой и энергетической структурой пучковых электронов.

В данном случае пучковые свойства быстрых электронов хорошо описываются функцией вида:

Г(у) = С-ехр(-(е-е0)7уг}-ехр{(со5е-1)/р} (10)

где е0- средняя энергия электронов, у- характерная полуширина пучка в пространстве энергий. степень анизотропии пучка.

Определяя поляризационные тензоры из измерений степени линейной поляризации излучения штарковских состояний, используя описанный выше метод, можно восстановить и параметры рассмотренных функции распределения электронов.

В третьей главе описан разработанный и созданный нами спектропо-ляриметрический комплекс для исследования поляризационных характеристик излучения. /

Основой методов поляризационной спектроскопии являются спек-трополяриметрические измерения излучения плазмы. Основными требованиями к измерениям поляризационных характеристик излучения нестационарной плазмы являются высокая точность измерений относительных ин-тснснвностей излучения диагностических линий при высоком временном разрешении оптического сигнала.

В данной работе предложен спектрополяряметрический комплекс, характеристики которого позволяют его широко использовать для спектроскопии различного типа плазмы. Комплекс обеспечивает:

• программное управление сканированием спектрального прибора;

• программное управление плоскостью поляризации измеряемого светового потока; . . -

• регистрацию непрерывных оптических сигналов методом счета фотонов;

• регистрацию импульсных оптических сигналов методом счета фотонов с временной локализацией фотоотсчетов;

• высокую скорость первичной обработки и накопления данных;

• обработку экспериментальных данных с помощью пакета программ корреляционного и регрессионного анализа;

• вычисление параметров плазмы с помощью пакета проблемно-ориентированных программ.

Комплекс имеет следующие параметры:

• точность программной установки длины волны спектрометра -0.01 им;

• точность программной установки плоскости поляризации входного излучения - 0.5 град. .

• диапазон изменения величины оптических сигналов от 10 фотонов/с до 2000 фотонов/с без переключения масштаба;

• временное разрешение импульсного оптического сигнала - 5 - 20 не;

• временная длительность регистрируемого импульсного оптического сигнала от 50 не до 6 мкс.

• скорость накопления статистики -1 - 10 000 вспышек плазмы/с;

Блок-схема комплекса приведена на рис. 1.

Излучение от исследуемого источника плазмы (1) фокусируется с помощью линзы (2) на входной щели монохроматора МДР-23У (4), перед которой установлен поляроид (3), вращение которого осуществляется программно-управляемым шаговым двигателем (5). Фотоумножитель (6), ус-

2 • 3

—

Рис.-Л. Блок схема спектрополяриметрического комплекса.

Элементы схемы: 1. Источник излучения. 2. Фокусирующая лита (конденсор). 3. Поляризующее устройство. 4. Монохроматор МДР -23у. 5. Двигатель поляризатора. 6. Фотоэлектронный умножитель. 7. Крейт КАМАК. 8. Модуль управления двигателем поляризатора. 9. Модуль управления шаговым двигателем ыонохроматора. 10. Модуль счета фотонов для регистрации непрерывных потоков излучения. 11. Модуль счета фотонов для регистрации импульсных световых сигналов. 12. ЭВМ.

тановленный на выходной щели монохроматора работает в режиме счета фотонов. Для уменьшения влияния помех от газового разряда формирователь фотоэлектрических импульсов ФЭУ с амплитудным дискриминатором установлен в его корпусе. Управление комплексом реализовано в стандарте КАМАК.

Крейт КАМАК (7) содержит следующие модули:

• модуль управления плоскостью поляроида (8);

• модуль управления сканированием монохроматора (9); -« модуль непрерывного счета фотонов (10);

• два модуля регистрации импульсных сигналов (11) с тактовыми частотами 40 и 100 мГц;

Управление оборудованием выполняет макро-ЭВМ ДВК-З.в режиме -"on-line", а последующую обработку данных и вычисление параметров плазмы - микро-ЭВМ "Электроника" МС 0109, связанная с ДВК-3 каналом передачи данных.

Схемное и конструктивное решение модулей КАМАК, за исключением модулей регистрации импульсных сигналов, практически мало отличается от аналогичных устройств. Однако при разработке модулей регистрации импульсных сигналов использовались нестандартные решения, представляющие интерес при создании методов оперативной диагностики плазмы. Это прежде всего связано с малым временем дискретизации сигнала (5-25 не) и первичной обработкой больших потоков данных.

Управление работой всего комплекса осуществляется компьютерной программой. Программа поддерживает диалог с оператором в режиме меню, что позволяет в начале эксперимента установить все характеристики эксперимента: начальную и конечную длину волны, шаг сканирования, количество диагностируемых импульсов разряда, время накопления данных, и т.д. По окончании эксперимента данные по интенсивности излучения определенной поляризации, представленные в виде двумерного массива I(A.,t), где Я- длина волны, t - время от начала импульса синхронизации, пересылаются в микро-ЭВМ МС 0109 для хранения и обработки. -

В четвертой главе описывается обоснование метода поляризационной диагностики плазмы по излучению атомов в электрическом поле, методика эксперимента, приводятся результаты экспериментальных-исследований анизотропных свойств плазмы гелия высоковольтного импульсного разряда.

Разработанный метод использовался для диагностики ФРЭ плазмы, . образованной пучком электронов, формирующимся в разрядном объеме, ограниченном двумя плоскими электродами, где анод выполнен в виде сетки. а периферийные части катода и его токоподводящий электрод остеклованы.

Для выяснения пучковых свойств электронной компоненты мы использовали метод поляризационной диагностики излучения со штарков-

ских состояний атомов плазмы. В качестве диагностических нами выбирались спектральные переходы верхнее состояние, которых заселяется прямым электронным ударом и испытывающими в электрическом поле заметный эффектом Штарка. В атоме гелия таким требованиям удовлетворяют переходы 1 'Я - п'Р, где п > 4. Наиболее интенсивной из них является линия А,—396.4 нм (1 'Б - 4'Р).

В электрическом поле с уровня 4'Р появляется запрещенный переход 1'Р - 4'Р (>,.=491.0 нм), интенсивность которого для Р~40 кВ/см сравнима с интенсивностью линии А.=396.4 нм. В соответствии с этим приходиться ожидать заметных эффектов влияния электрического поля на степень линейной поляризации изучаемого перехода.

Сравнение экспериментальных данных по степени линейной поляризации излучения из областей плазмы с наличием и без электрического поля, а также с теоретическими оценками послужит хорошей проверкой целесообразности применения изложенного метода к данным условиям разряда.

По результатам измерений интенсивностей излучения с поляризациями параллельно и перпендикулярно направлению поля в разряде нами были определены степени линейной поляризации для спектральных линий Х= 396.4 нм и А=468.5 нм атома и иона гелия. Измерения проводились в импульсном разряде (для следующих условий: амплитуда импульса напряжения на ускоряющем промежутке 3.5 кВ, межэлектродный зазор с!= 1.8 мм, давление Р=15 торр) в максимуме интенсивности линий, в зависимости от ъ - расстояния до катода.

Результаты приведены в таблице 1.

Как видно из таблицы, степень поляризации для обеих линий внутри ускоряющего промежутка, больше чем в факеле, что указывает на изменение вида ФРЭ при переходе из области межэлектродного промежутка в факел. По отличию в поведении степени линейной поляризации у атомной и ионной спектральных линий (последняя не изменяет своих характеристик в электрическом поле) можно судить о величине влияния электрического поля на степень линейной поляризации атомной линии испытывающей заметный эффект.. ......--

Таблица 1.

Значения степени линейной поляризации Р вдоль оси разряда атомной иц} и ионной (Х=468.5 нм) линий гелия._

„л.— . л, нм Р, %

2 = 0.7 мм г = 4 мм г - 10.2 мм г = 14.2 мм

396.4 нм 12 ± 5 9 ± 3 8 ± 3 8 + 5

468.5 нм 12 ± 5 7 ± 3 7 + 3 7 ± 5

Штарка. Теоретические оценки дают, что Р,/Р0 =0.08 (где Ро - степень поляризации из-за наличия анизотропии столкновительных процессов, а Рг -вклад поля), что.подтверждается экспериментальными данными.

В факеле степень поляризации для обеих линий остается практически постоянной на расстоянии вплоть до г=14 мм и далее начинает убывать. Это указывает на существовании пучка в этом интервале. Для данных условий разряда проникающая способность пучка составляет несколько сантиметров, что подтверждается результатами измерений.

Проведенные измерения величины электрического поля вдоль межэлектродного зазора указывают на наличие экранирующих свойств сетки-анода, влияющих на процессы формирования катодного падения потенциала. Отсюда следует, что в данном типе разряда пространственное распределение электрического поля может существенным образом отличается от распределения в тлеющем разряде.

В пятой главе излагается применение метода поляризационной диагностики по излучению атомов в электрическом поле для определения функции распределения электронов высоковольтного импульсного разряда в гелии и неоне. .

Диагностика ФРЭ по излучению штарковских состояний нами проводилась в газоразрядной плазме гелия.

В качестве диагностических, нами изучались спектральные линии соответствующие переходам п! - 21, где п = 4, 5,1 = б, р, й, ^ % и 1 = в, р . В электрических полях, в нашем случае соответствующих, по порядку величины, десяткам кВ/см, верхнее состояние данных переходов испытывает заметный эффект Штарка, а сами переходы являются достаточно интенсивными для проведения диагностики.

Изучение выше перечисленных спектральных переходов проводилось вдоль разрядного промежутка в газоразрядной плазме с межэлектродным зазором ¿=0-9 мм, к которому прикладывалось напряжение и =3.5 кВ и длительностью 4 мкс. Давление газа составляло 24 торр. Частота следования вспышек газоразрядной трубки 5 кГц. Излучение регистрировалось в трех точках ускоряющего зазора на расстояниях х1=0.2 мм, х2=0.4 мм, хЗ=0.6 мм от катода в направлении, перпендикулярном оси разряда.

Анализ энергетических и угловых характеристик ФРЭ приводит к выводу, что в данном случае, для аналитического описания поведения ФРЭ, можно использовать ее параметрический вид представленный формулой (9), Она содержит четыре неизвестных параметра, величина которых зависит от конкретных условий в изучаемой газоразрядной плазме и может быть определена методом поляризационной диагностики штарковских состояний атомов гелия.

В таблице 2 приведены диагональные р^'^Л) и недиагональные р^-М') поляризационные тензоры для 4'р - уровня, рассчитанные на основании проведенных измерений степени линейной поляризации.

Таблица 2,

Значения поляризационных тензоров р^'р,.!') для уровня 4'Р.

4'Р XI х2 хЗ

•р^О'О 0.559 0.571 0.576

р(.ч(1.0 0.008 0.006 0.026

-0.100 -0.063 -0.031

Р(Ди>) 0.006 0,003 0.002

При определении связи параметров ФРЭ с поляризационными тензорами необходимо провести интегрирование в (7). Для этого мы использовали аналитический вид зависимости сечения электронного возбуждения от скорости налетающего электрона:

„(„,.[,(11)

где (2(Го,Г) - квадрат интеграла по угловым переменным; Го, Г - совокупность квантовых чисел начального и конечного электронных состояний; Де = ео-е|;и=(е/Де)-1.

Результаты вычислений параметров ФРЭ приведены в таблице 4.

" Здесьр, =у<1/у|);рг =у,/у0 , где V, = ,/2-Д -е/т- скорость электрона, соответствующая порогу возбуждения.

Анализ полученных данных показывает, что с увеличением расстояния от катода дрейфовая скорость ядра медленных электронов уменьшается при одновременном росте относительной величины их концентрации. Изменение температуры медленных электронов незначительно, как и возрастание энергии пучка.

Таблица 3.

Значения параметров функции распределения электронов полученные методом поляризационной диагностики излучения штарковских состояний_

Параметры XI х2 . хЗ

Р| 0.30 0.29 0.09

Р2 0.90 0.92 0.85

У 174 71 20

"ь 105 116 123

Полученные результаты указывают на то, что в области катодного падения потенциала идет формирование электронного пучка. По мере его продвижения вдоль межэлектродного зазора уменьшается дрейфовая скорость медленных электронов из-за упругих и неупругих столкновений происходящих в уменьшающемся с расстоянием от катода электрическом поле. Неупругие столкновения пучковых электронов с атомами приводят к росту числа электронов в медленной части ФР.

Предлагаемым нами-методом, так же было проведено экспериментальное исследование временной динамики ФРЭ в гелий-неоновой пучковой плазме.

Диагностика ФРЭ проводилась по спектральным переходам атома неона. Плазма создавалась газоразрядном источнике с межэлектродным расстоянием <1=1 мм, в гелий-неоновой смеси при давлениями 6 и 2 торр, соответственно. Максимальная амплитуда импульса напряжения на электродах составляла 2 кВ. Измерения поляризационных характеристик излучения атомов неона проводились с 25 не временным разрешением.

Измерения временного поведения поляризационных характеристик излучения проводились в прикатодной области пучкового разряда спектральных переходов с уровня 4<1[3/2], С этого уровня имеется одиннадцать спектральных переходов на состояния Зр, Зр' и 4р- конфигураций. Для наших условий разряда, наиболее интенсивными из них являются четыре спектральных перехода: 4(1[3/2],-Зр[1/2)0 (Х=620.4 ■ нм), 4с1[3/2],-Зр[1/2], (Х=532.5 нм), 4(1[3/2],-Зр[3/2]| (Х=591.3 нм), 4<р/2]гЗр'[3/2], (Я=615.1 нм).

Для проведения диагностики ФРЭ мы воспользовались ее параметрическим видом представленным формулой (7). ,

Определение параметров Бо, р и у проводились методом минимизации функционала, составленного, из суммы квадратов разностей поляризаци-. онных моментов полученных из измерений степени линейной поляризаций " излучения и теоретического расчета. По"иск минимума проводился на ЭВМ методом координатного спуска.

Временная динамика полученных параметров ФРЭ представлена в таблице 4, где также указываются значения величины напряженности электрического поля в исследуемом временном интервале.

Таблица 4

Значения величины напряженности электрического поля и параметров ФРЭ со, Р и у в зависимости от времени. _.___

и не. Р, кВ/см ео, эв. у, эв. Р. едн.

500 34.0 270 ± 30 . 14 ±-3 0.24

550 31.6" . 168 ±20 14 ±3 0.27

600 29.2 ' 168 ±20 14 ±2 0.27

650 26.8 168 ±20 14 ± 2 - 0.27

700 .... 24.4 192 ±20 14 ±2 0.26

750 22.0 222 ± 20 14 ±2 0.25

800 19.6 222 ± 30 14 + 3 0.25

850 17.2 373 ± 30 14 ± 3 0.23

! Как' видно из таблицы энергетические характеристики пучковых электронов достигают своего максимального значения на краях рассматриваемого временного промежутка и минимального в его средней части.

Построенное нами угловое распределение электронов на рис.2 указывает на то, что практически у всех электронов составляющая вектора скорости направленная вдоль оси разряда является преобладающей.

Уменьшение величины электрического поля и возрастание средней энергии электронов, происходящие во второй половине рассматриваемого временного интервала указывают на то, что для данной стадии разряда характерно сжатие катодного падения потенциала в сторону отрицательно ¿заряженного электрода. Динамика сжатия такова, что при уменьшении величины электрического поля в точке х происходит увеличение разности потенциалов между катодом и этой точкой.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния электрического поля на радиационные и столкновительные процессы в электрическом поле. Показано, что электрическое поле может приводить.к . существенным изменениям угловых и поляризационных характеристик излучения атомов.

Выявлены особенности формирования функции распределения электронов в электрическом поле. Для адекватного описания поведения электронов в электрическом поле, исследован ряд важных случаев параметрического представления их функции распределения, в . зависимости от свойств плазмы.

Разработан метод поляризационной диагностики функции распределения электронов по излучению атомов в электрическом поле. Проведены теоретические исследования зависимости степени линейной поляризации от энергетических и угловых параметров электронной компоненты плазмы.

Разработан и создан автоматизированный спектрополяриметриче-скнй комплекс для измерения поляризационных, угловых и спектральных характеристик излучения импульсной плазмы, обладающий характеристиками, отличающими его от уже существующих. Показано, что высокая чувствительность регистрирующего модуля, обусловленная режимом счета фотонов и возможностью проводить статистическое накопление данных, позволяет оперативно измерять поляризационные характеристики излучения оптических сигналов в большом динамическом диапазоне с точностью не хуже 1%. Проведенные измерения поляризационных характеристик излучения импульсных световых потоков методом счета фотонов показали, что при обработке полученных экспериментальных данных необходимо учитывать искажения поляризации излучения вносимые оптическим трактом. а так же искажения сигнала вносимые при фотоэлектрической регистрации.

4 Проведены экспериментальные исследования влияния внешнего электрического поля на поляризационные характеристики излучения атомов гс..ия. Выявлены основные требования к спектральным переходам

Рис.2. Угловая зависимость функции распределения электронов ^0) в момент времени I = 500 не

атомов, которые необходимы для проведения поляризационной диагностики параметров плазмы по излучению штарковских состояний. Разработана методика измерений поляризационных характеристик- излучения атомов импульсной плазмы в электрическом поле.

Проведены измерения поляризационных характеристик излучения штарковских состояний атомов гелия и определены параметры функции распределения электронов высоковольтного газоразрядного источника плазмы гелия в трех пространственных точках катодного падения потенциала. Полученные результаты хорошо согласуются с расчета функции распределения электронов методом статистического моделирования.

Проведены измерения поляризационных характеристик излучения штарковских состояний атома неона и исследована временная динамика функции распределения электронов в прикатодной области гелий-неоновой плазмы. На основании полученных результатов выявлены важные особенности в ходе развития разряда, которые связаны с формированием катодного падения потенциала и временной эволюцией происходящих там элементарных процессов.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Демкин В.П., Мельничук C.B., Муравьев И.И. Поляризационная диагностика излучения плазмы гелия в разряде пучкового типа.// Оптика атмосферы и океана. -1993. -Т.б. -№ 3. -С.253-25.

2. Демкин В.П., Королев Б.В. Мельничук C.B. Поляризационная диагностика плазмы в электрическом поле.//Известия ВУЗов. Физика. -1995. -№1. -С.26-33.

3. Демкин В.П., Королев Б.В., Мельничук C.B. Расчет функции распределения электронов в Сильных электрических полях.// Физика плазмы. -1995. -Т.21.-№1.-С.81-84.

4. Демкин В.П., Мельничук C.B. Определение анизотропных параметров функции распределения электронов в катодном слое плазменно-пучкового разряда в гелии.//Оптика и спектроскопия. -1995. -Т.79. -№4. -С.547-555.

5. Демкин В.П., Королев Б.В., Мельничук C.B. Спектрополяриметри-ческие измерения излучения импульсной плазмы.// Известия ВУЗов. Физика. .1996. №10. С.23-29.

6. Демкин В.П., Мельничук C.B. Определение функции распределения электронов в плазме методом поляризационной спектроскопии.// Известия ВУЗов. Физика. -1997.-№№6-7.-(в печати).

7. Демкин В.П., Мельничук C.B. Поляризационная диагностика функции распределения электронов в разряде пучкового типа. // Физика низкотемпературной плазмы. Петрозаводск. -1995. -Т;3. -С.327-329.

8. V.P. Demkin, B.V. Korolev, S.V. Melnichuk, A.A. Pecheritsyn. Possibilities oí plasma polarization spectposcopy in electric field. In "Atomic and Molecular Pulsed Lasers". V.F. Tarasenko, G.V. Mayer, G.G Petrash, Editors, Proc. SPIE.. -2619. -p.206-210^995). •

SatUJ га Тираж m экз.

УОИ ТГУ, Томск, 29, Никитина,4.