Меню

Чем измерить температуру плазмы



ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАЗМЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

Целью данной работы является изучение спектроскопического метода измерения температуры плазмы по относительным интенсивностям спектральных линий одного элемента, измерение этим методом температуры дуговой плазмы, а также расчет некоторых дополнительных параметров дуговой плазмы.

Плазма это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных или отрицательных зарядов практически одинаковы.

Одна из основных задач экспериментальной физики плазмы состоит в определении ее отдельных параметров. Такими параметрами могут быть температура, концентрация электронов и других частиц, плотность тока или другие величины, которые представляют интерес для экспериментатора.

Методы, которые дают информацию о параметрах плазмы, называют диагностическими методами.

Спектроскопическим методам исследований плазмы часто отдается предпочтение перед многими другими известными методами. Для этого имеются три важные причины.

1) При таких измерениях отсутствует возмущающий эффект, который присутствует, например, при любых зондовых измерениях.

2) Возможность с большого расстояния провести исследование светящегося объекта (дистанционность).

3) В спектре содержится большое количество информации как о самом объекте, так и об окружающей его среде.

Рис.1. Информация, извлекаемая из спектра.

Поясним 3-й пункт на примере. Предположим, что измеряется спектральная интенсивность какой-нибудь одной линии и в ее окрестности (Рис. 1.).

1) Сам факт присутствия линии с данной длиной волны свидетельствует о том, что определенный элемент находится в плазме на определенной ступени ионизации.

2) Профиль (форма контура) линии дает сведения о кинетической температуре излучающего атома (доплеровское уширение) или о плотности возмущающих частиц (уширение из-за эффектов давления).

3) Интегральная интенсивность линии позволяет сделать заключение о температуре и плотности излучающих частиц данного сорта.

4) Из непрерывного фона (континуума) часто можно определить плотность электронов.

5) Тонкая и сверхтонкая структуры спектральной линии (на рисунке не показаны) содержит в себе богатую информацию об изотопном составе плазмы, о взаимодействии электронной оболочки с ядром и даже о квантоводинамических эффектах атомов и ионов.

Если принять во внимание, что в спектре обычно присутствует не одна линия, а, как правило, много линий разных элементов, то можно понять важность спектроскопических методов для исследований плазмы.

Трудности спектроскопической диагностики заключаются обычно в необходимости детальной интерпретации зарегистрированного спектра и связанных с этим проблемами, т.е. иногда не так просто, особенно в малоизученном спектре, сказать какая спектральная линия к какому атому или иону относится.

Спектроскопические исследования плазмы включают в большой набор методов измерения температуры плазмы, таких как

1) Определение температуры по доплеровским профилям спектральных линий.

2) Определение температуры по интенсивностям системы полос или одиночных полос двухатомных молекул.

3) Определение температуры по непрерывному излучению (континууму).

4) Определение температуры по интенсивностям спектральных линий атомов и ионов, в том числе

· а) определение температуры по наклону зависимости абсолютной интенсивности линии от температуры.

· б) определение температуры по относительным интенсивностям спектральных линий одного элемента

· в) определение температуры по относительным интенсивностям спектральных линий различных элементов.

Изучаемый в работе метод измерения температуры используется для диагностики плазмы, например, при разработке новых плазменных источников света, при разработке устройств термоядерного синтеза (ТОКАМАК), для определения температур космических светящихся объектов (Солнца и других звезд), для совершенствования методов сварки сплавов и плазменной обработки поверхности металлов и др.

Источник

Спектрометрические методы измерения температуры

Спектрометрические методы применяются для измере­ний сверхвысоких температур — выше 4000 К, при которых все вещества находятся в состоянии плазмы. Поэтому спектрометри­ческие методы тесно связаны с физикой и диагностикой плазмы.

Спектрометрические методы можно разделить на пассивные и активные. Пассивные методы основаны на определении раз­личных параметров спектра излучения плазмы, при котором про­цесс измерения не влияет на измеряемую величину.

При использовании активных методов плазма облучается внешним электромагнитным излучением, и ее температура опре­деляется по поглощению, рассеянию или скорости распростране­ния внешнего излучения в исследуемой среде. Влиянием внешнего излучения не всегда можно пренебречь.

Плазма, состоящая в основном из молекул, атомов, ионов и свободных электронов, характеризуется рядом температур: моле­кулярной, атомной, ионной, электронной, температурой возбуж­дения и др. Первые три температуры тесно связаны и характери­зуют температуру газа.

Излучение плазмы состоит преимущественно из линий, и лишь очень малую часть составляет непрерывный спектр; поэтому пря­мая пирометрия для измерения температуры плазмы неприме­нима. Решить, является ли измеренная температура газовой или электронной, можно только, если известен механизм излучения на данной длине волны λ и каким частицам — тяжелым или лег­ким — принадлежит излучение.

Читайте также:  Galaxy s20 как измерить пульс

Наиболее распространенный пассивный метод определения температуры плазмы основан на измерении интенсивности молекулярных, атомных или ионных спектральных линий, для которых известны теоретические зависимости между интенсивностью спектральных линий и температурой.

Измеряемая в результате опыта абсолютная интенсивность спектральных линий атомов и ионов IL связана с температурой возбужденного состояния или электронной температурой Тесо­отношением

, (1.23)

где nr — число кратно ионизированных частиц в единице объема;

l — протяженность гомогенного газового слоя;

Erm — энергия возбужденного квантового состояния m;

Zm — сумма состояний (суммирование производится по всем i-состояниям r-кратно ионизированной частицы);

Плотность частиц, излучающих одну определенную спектраль­ную линию при заданном давлении, зависит только от темпера­туры плазмы. Эту зависимость можно определять, пользуясь вы­ражением 1.23. Для каждой длины волны зависимость интен­сивности от температуры имеет максимум, что дает возможность применять рассматриваемый метод для градуировки спектро­метров, используя плазму с известными параметрами, например водородную или аргоновую.

Температуру плазмы можно также определять по ширине или профилю спектральных линий, если известны эффекты, приводя­щие к уширению. Часто используется эффект уширения линий вследствие действия микрополей положительных ионов. В част­ности, у водорода расщепление возрастает линейно с увеличе­нием напряженности поля. Напряженность поля растет с увели­чением плотности ионов и электронов, которая сильно зависит от температуры.

Путем добавки следов водорода к исследуемой плазме можно по спектральным линиям водорода определить электронную тем­пературу общей плазмы. При температуре выше 10 5 К уширение линий возникает главным образом вследствие эффекта Доплера. Температура пропорциональна квадрату половины доплеровской ширины линии.

В области длин волн 124 — 300 нм в качестве образцового источника излучения широко используется водородная плазма, для которой теоретически рассчитаны таблицы интенсивности из­лучения в диапазонах температур 15000 — 30000 К и давлений 81,06-121,59 кПа. Относительная погрешность расчетов при λ=124-148 нм составляет 1- 5%, а при λ=148-300 нм она равна 1-2%.

Для получения температурного поля плазмы разработаны ИИС. В одной из них излучение плазменного источника проходит через систему зеркал, которая позволяет сканировать источник по горизонтали и вертикали, развертывая изображение плазмен­ного источника по входной щели монохроматора с детектором, с выхода которого сигналы поступают в оперативную память мини-ЭВМ. Данные, накопленные в мини-ЭВМ, сравниваются с данными долговременной памяти, содержащей абсолютные ко­эффициенты излучения как функцию температуры. Данные о рас­пределении температуры, полученные в результате такого срав­нения, выводятся на графопостроитель.

К активным спектрометрическим методам измерений температуры плазмы относится метод прямого измерения плотноститяжелых частиц, основанный на поглощении плазмой рентгеновских, α- и β-излучений.

Поглощение таких излучений подчиняется закону

, (1.24)

где Jo и J — интенсивности излучения до и после прохождения поглощающего слоя толщиной d;

а — коэффициент поглощения, зависящий только от плотности частиц n.

По измеренному значе­нию плотности частиц и известным зависимостям T=F(n)опре­деляется температура плазмы.

Температуру в холодной (несветящейся) зоне плазмы можно найти путем измерения показателя преломления, который связан с плотностью частиц через температурно-зависимый коэффи­циент.

Показатель преломления определяется интерферометром, те­невым или голографическим методами.

Метод рассеянного излучения с использованием лазера в ка­честве источника излучения позволяет проводить динамические измерения температуры в ионосфере, в плазменных установках, в стационарных и пульсирующих электрических дугах и установ­ках типа «токамак». При этом методе плоская электромагнитная волна проходит сквозь плазму и рассеивается на свободных элек­тронах и ионах. Так как эффективное сечение рассеяния мало, то необходима высокая интенсивность лазерного излучения, но мощность лазера должна быть ограничена (P -10 Вт), чтобы не происходил нагрев плазмы.

Рисунок 1.14 – Схема ультразвукового метода измерения температуры

Ультразвуковой метод измерения температуры основан на за­висимости скорости распространения ультразвуковых колебаний от температуры среды. Метод обладает высокой чувствительно­стью и успешно применяется для измерения температуры в от­крытых и закрытых потоках плазмы с температурой 4000­-10000 К. Время задержки акустического импульса при прохож­дении расстояния l от излучателя 2 к приемнику 5 (рисунок 1.14), между которыми находится исследуемая плазма 3, измеряется при помощи старт-стопной измерительной цепи 7. В качестве из­лучателя и приемника используются охлаждаемые водой пьезо­электрические преобразователи из титаната бария, заканчиваю­щиеся кварцевыми стержнями (волноводами) 4, которые сопри­касаются с плазмой. Ультразвуковые колебания возбуждаются импульсным генератором 1 и принимаются детектором 6. Получаемая информация обрабатывается при помощи микро-ЭВМ 8 и подается на регистрирующее устройство 9.

Читайте также:  Лига единица измерения расстояния чему равна

Скорость звука в плазме определяется из выражения

, (1.25)

где — разность времени прохождения сигналом рас­стояния l в воздухе и плазме;

v’- скорость звука в воздухе при комнатной температуре T определяемая по формуле v’=331,5+0,067T.

Для определения температуры плазмы по скорости T=kv 2 не­обходимо знать химический состав, степень диссоциации и иони­зации плазмы, от которых зависит коэффициент k. Для воздуш­ной плазмы погрешность алгоритма определения температуры по измеренной скорости составляет доли процента. Разработаны ИИС для определения температурного поля в плазме, которые снабжены координатно-перемещающим устройством для уста­новки зонда с приемным и передающим волноводами в задан­ную точку плазменного потока и мини-ЭВМ для управления ИИС и обработки получаемой информации. Быстродействие таких ИИС ограничено временем реверберации сигнала в электроаку­стическом тракте и составляет 1000-1500 изм/с. ИИС дает возможность определить среднюю температуру и ее дисперсию в любой точке плазменного потока с погрешностью 5-10%. Верхний предел измерения температур ограничен жаропроч­ностью волноводов и при кратковременном квазиконтактном ре­жиме достигает (10-15)·10 3 К./1/

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Источник

Новый спектроскопический метод измерения температуры плазмы тяжелых элементов Текст научной статьи по специальности « Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Шевелько Александр Петрович

Разработан новый спектроскопический метод определения электронной температуры плазмы тяжелых элементов, который основан на сравнении исследуемых спектров со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы . Этот метод успешно использовался для диагностики плазмы железа, образующейся в конечном анодкатодном промежутке сильноточного импульсного генератора «Z-Machine» (SNL).

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Шевелько Александр Петрович

NEW SPECTROSCOPIC METHOD FOR MEASURING TEMPERATURE IN PLASMAS OF HEAVY ELEMENTS

New spectroscopic method for measuring the electron temperature in plasmas of heavy elements is developed. The method is based on the comparison of the investigated spectra with the spectra in the welldiagnosed laser-produced plasmas. The method was successfully used for diagnostics of Fe plasmas created in the final Anode-Cathode gap of the «Z-Machine» high-current pulsed generator (SNL).

Текст научной работы на тему «Новый спектроскопический метод измерения температуры плазмы тяжелых элементов»

УДК 539.124.18, 5535-34

ШЕВЕЛЬКО Александр Петрович, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отделения оптики Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук. Автор 70 научных публикаций, в т.ч. одной монографии

НОВЫЙ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД

ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАЗМЫ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Разработан новый спектроскопический метод определения электронной температуры плазмы тяжелых элементов, который основан на сравнении исследуемых спектров со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы. Этот метод успешно использовался для диагностики плазмы железа, образующейся в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора «2-МасЫпе» (БМЪ).

ВУФ и рентгеновская спектроскопия плазмы, 2-пинч, лазерная плазма

Вакуумно-ультрафиолетовые (ВУФ) спектры плазмы элементов с большим атомным номером Аг имеют сложную структуру и содержат много спектральных линий, принадлежащих ионам различной кратности ионизации. Это значительно затрудняет проведение спектроскопической диагностики такой плазмы. Однако именно эти спектры представляют огромный интерес для научных исследований, например спектры Мо и¥в плазме токамаков (материал диверто-ров [1, 2]), спектры W в плазме мощных Z-пин-чей (материал проволочных сборок [3]), спектры Бп в плазменных источниках, предназначенных для проекционной ВУФ литографии [4].

В новом методе определения электронной температуры Те плазмы тяжелых элементов Аг токах наносекундных импульсов на мишени

предлагается сравнивать исследуемые спект- электронная температура горячего ядра плаз-

ры со спектрами хорошо диагностируемой ла- мы зависит только от лазерного потока и слабо

зерной плазмы (рис. 1). зависит от атомного номера Аг мишени [5].

При этом используется важное свойство Диагностика лазерной плазмы проводится по

лазерной плазмы: при умеренных лазерных по- спектрам легких элементов, имеющих структу-

New Method of Те Determination

Рис. 1. Схема метода измерения Те

ру [Н]- и [Не]-подобных ионов, для которых методы измерения электронной температуры хорошо разработаны (см., например, [6, 7]). Спектры тяжелых элементов исследуются при тех же лазерных потоках на мишени, что и для легких элементов. Это позволяет приписать определенную температуру каждому спектру.

Читайте также:  Измерить температуру вагинально это как

Этот метод успешно использовался для диагностики плазмы Fe, образующейся в конечном анод-катодном (A-К) промежутке сильноточного импульсного генератора «Z-Machine» в Национальной лаборатории Сандиа (Sandia National Laboratories (SNL), Albuquerque, New Mexico, USA) [8]. Установка «Z-Machine» в Национальной лаборатории Сандиа представляет собой один из самых мощных импульсных источников рентгеновского излучения на основе плазмы Z-пинча [9].

При пропускании тока -20 МА (длительность импульса 100 не) через вольфрамовые многопроволочные нагрузки генерируется импульс рентгеновского излучения мощностью свыше 200 ТВт и суммарным выходом вплоть до 1,8 МДж. В настоящее время такие источники излучения используются в самых различных экспериментах, в т.ч. для исследований по программе управляемого термоядерного синтеза, для изучения теплофизики экстремальных состояний вещества с помощью мощных ударных волн, для проверки сложных гидродинамических моделей и т.д. (см., например, [9, 10] и ссылки в них).

В будущем при оптимизации установок следующего поколения генераторов основная проблема состоит в том, что дальнейшее повышение мощности может приводить к короткому замыканию (short circuit) A-К промежутка на конечном участке транспортирующей линии. Это препятствует эффективному поступлению энергии в плазму Z-пинча. При этом образующиеся во время разряда Z-пинча интенсивное рентгеновское излучение, ударная волна и разлетающиеся продукты взрыва значительно затрудняют исследование A-К промежутка и происходящих в нем процессов, поэтому любая информация о коротком замыкании в A-К про-

межутке представляет огромный интерес. Для исследования этого эффекта проведена диагностика плазмы Fe (основного элемента электродов) [8], создаваемой в А-К промежутоке установки «Z-Machine».

Специфика экспериментов в SNL предъявляла серьезные требования к спектральной аппаратуре. Используемые приборы должны быть очень компактными и иметь широкий спектральный диапазон регистрации. Дополнительными требованиями являлись: защита от разрушения ударной волной и продуктами взрыва, разработка простой и надежной процедуры юстировки в вакуумной камере, защита от рентгеновского излучения основной нагрузки и от радиационного фона. Кроме ограниченного числа выстрелов, факторами, затрудняющими проведение экспериментов, также являлись малый пространственный угол наблюдения и большое расстояние между объектом и спектрометром.

Для проведения экспериментов в SNL были разработаны различные модификации компактных ВУФ спектрографов скользящего падения, которые удовлетворяли перечисленным выше требованиям. Конструктивно спектрографы состояли из металлического корпуса, в котором установлены входная щель, дифракционная решетка скользящего падения (радиус ^=1 м, угол скольжения 4°, 300 штр/мм, покрытие W/Re) и кассета для фотопленки. Данная геометрия позволяла регистрировать спектр в диапазоне Я=20-800 Ä с максимальным разрешением Ä/ÖÄ-100. В качестве детектора излучения использовалась фотопленка УФ-4. Благодаря использованию внероуландовской схемы регистрации удалось значительно упростить процедуру юстировки прибора. Ранее этот тип спектрографа успешно использовался для ВУФ диагностики лазерной плазмы [11] и плазмы капиллярного разряда [12].

Параллельно в Физическом институте имени П.Н. Лебедева РАН велась работа по исследованию спектров хорошо диагностируемой лазерной плазмы железа при различных условиях фокусировки лазерного излучения, и, соответственно, при различных параметрах плазмы.

Целью этих экспериментов являлась разработка методов диагностики плазмы по ВУФ спектрам Бе и сравнение этих спектров со спектрами плазмы в А-К промежутке установки «X-МасЫпе». При этом были приняты во внимание следующие обстоятельства и начальные условия. ВУФ спектры плазмы элементов с большим атомным номером Аг (для Бе А2=26) имеют сложную структуру и содержат много спектральных линий, принадлежащих ионам с различной кратностью ионизации. По этой причине методы определения электронной температуры по этим спектрам не были разработаны ранее. С другой стороны, спектры ионов с простейшей водородо- и гелиеподобной структурой ([Н]- и [Не]-подобные ионы) для элементов с низкими атомными номерами (Аг=6-15) хорошо исследованы и широко используются для измерения температуры плазмы в диапазоне значений Ге

100-1000 эВ (см., например, [6, 7]). И последнее, для разработки метода определения Те было использовано важное свойство лазерной плазмы: при умеренных лазерных потоках на-носекундных импульсов на мишени (д

1011-1014 Вт/см2) электронная температура горячего ядра плазмы зависит только от лазерного потока д <Ге(эВ)=6-10"4-д4/9>и слабо зависит от атомного номера Аг мишени (для 1 Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Источник