МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ТАГАНРОГСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Кафедра радиотехнической электроники
РЕФЕРАТ
Тема: «Оптические методы диагностики плазмы»
Выполнил студент гр. МГЭ 41
Смирнов И.Д.
Проверил Светличный А.М
Таганрог 2011
Оглавление
Введение
. Методы излучения, поглощения и рассеяния для определения плотностей частиц в дискретных энергетических состояниях
.1 Эмиссионные методы
.1.1 Идентификация спектров
.1.2 Абсолютные измерения
.2 Методы поглощения с использованием классических излучателей
.2.1 Поглощение на фоне сплошного спектра
.2.2 Линейное поглощение
.3 Спектроскопия поглощения с частотно-перестраиваемыми и широкополосными лазерами
.3.1 О преимуществах лазерных источников перед классическими в прямых измерениях поглощения
.3.2 Диодная лазерная спектроскопия в ИК диапазоне
.3.3. Использование классических многопроходных кювет
.3.4 Поглощение внутри лазерного резонатора
.4 Непрямые методы регистрации поглощения лазерного спектра
Вывод
Список используемой литературы
Введение
Плазма - это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, а линейные размеры области, занимаемой им, значительно превосходят расстояние (так называемый дебаевский радиус), на котором электрическое поле отдельной заряженной частицы исчезает вследствие экранирования другими частицами.
Описание неравновесной плазмы должно, вообще говоря, основываться на физической, уровневой кинетике, когда одинаковые, с точки зрения классической химии, частицы в разных квантовых состояниях следует различать по их свойствам. В достаточно полном объеме такой подход, однако, не удается реализовать даже для атомарной плазмы, что заставляет обращаться к упрощенным моделям; в отношении же молекулярной плазмы труд ности многократно возрастают. Естественно поэтому, что, как и в настоящее время, так и в ближайшей перспективе развитие физики и техники низкотемпературной плазмы будет в сильной мере определяться возможностями экспериментальных исследований с последующими теоретическим анализом, обобщениями и прогнозами. В этой ситуации на первый план выдвигается проблема диагностики. С другой стороны, разработка средств диагностики неизбежно сталкивается с изучением совокупностей элементарных процессов в плазме и выбором адекватных моделей, обосновывающих методы, т. е. развитие представлений о свойствах плазмы и методологии ее экспериментальных исследований неразрывно связаны. Как правило целью диагностики является проверка построение физической и математической моделей плазмообразующей среды. Понимание процессов, протекающих в технологическом объекте позволяет улучшать его рабочие параметры
Важное положение в группе диагностических методов занимает спектроскопия. Развитие техники и физики плазмы шли бок о бок на протяжении XX столетия с созданием физических основ и техники спектроскопии. Спектроскопия плазмы уже давно сформировалась в самостоятельное научное направление, постоянно обновляющееся и развивающееся, и тем не менее требующее обобщение.
Далее мы постараемся рассмотреть и понять один из методов диагностики плазмы, опуская объяснения основных понятий и параметров поглощения и рассеивания света и в частности не углубляясь общие понятия плазмы.
1. Методы излучения, поглощения и рассеяния для определения плотностей частиц в дискретных энергетических состояниях
.1 Эмиссионные методы
Основой для развития оптической спектроскопии в том числе и спектроскопии плазмы являются эмиссионные методы. Эти методы просты в экспериментальной реализации и сводятся к измерениям интенсивности в спектрах спонтанно излучения. Приборы, использующиеся в данном виде спектроскопии, основаны на системах фильтров, призм, дифракционных решеток. Данные приборы и методика их применения давно описана во многих книгах.
.1.1 Идентификация спектров
Процессы возбуждения собственного свечения плазмы не отличаются, как правило, высокой селективностью даже в неравновесных условиях, и ее эмиссионные спектры имеют сильно развитую структуру, обусловленную оптическими переходами, начинающимися с возбужденных состояний одновременно для нескольких сортов частиц. После регистрации спектра, калибровки шкалы длин волн и коррекции интенсивностей на спектральную чувствительность детекторов, пропускание спектрального прибора и материалов в составе оптической системы возникает задача идентификации линий и их групп по принадлежности к определенным частицам и их квантовым состояниям, ответственным за переходы. Для задач диагностики предпочтительны, по возможности, хорошо изученные и относительно простые по структуре спектры атомов и малых молекул. Поскольку энергетическая структура таких частиц известна, проблема идентификации носит скорее технический, чем принципиальный, характер, но на практике ее решение требует достаточно детальной информации об индивидуальных особенностях спектров. Как показывает опыт, весьма полезным в этом отношении оказывается соотнесение зарегистрированных спектров с индивидуальными спектрами или их фрагментами по внешнему виду. Это отражает врожденные человеческие способности к корреляции и распознаванию образов. Несмотря на то, что относительные интенсивности линий достаточно сильно зависят от условий в плазме группировки совокупностей линий и полос, тенденции поведения интенсивностей часто настолько характерны, что во многих случаях позволяют уверенное узнавание даже в окружении большого числа других линий. Выделение таких
индивидуальных обзорных спектров позволяет также уточнить калибровку шкалы длин волн и сужает проблему идентификации остальных фрагментов полного спектра, особенно при высоком спектральном разрешении.
.1.2 Абсолютные измерения
Говоря об абсолютных измерениях интенсивности, мы имеем в виду измерение мощности излучаемого объектом света. Если мы говорим о плазме, то простейший случай для таких измерений, когда выполняются слудующиеусловия:
спектральный прибор выделяет целиком изолированную спектральную линию перехода u-l, вероятность соответствующего ей перехода известна;
плазма оптически тонкая;
по условиям освещения входной апертуры спектрального прибора исследуемая плазма (или ее часть) может считаться точечным источником, т. е. все ее элементы дают одинаковый вклад в регистрируемый сигнал.
Тогда количество частиц Nu на уровне и определяется по формуле (2.57), если световой сигнал измеряется в абсолютных энергетических единицах, для чего следует откалибровать всю систему, включая осветительную оптику, собственно спектральный прибор, детектор и регистрирующую схему для длины волны перехода. Это обычно делается сравнением величин сигналов от плазменного и эталонного источников. При измерениях следует контролировать, чтобы регистрируемый свет от эталонного и исследуемого излучался в одном и том же направлении и в одинаковый телесный угол, что обеспечивается, например, схемой, показанной на рис.1.1
Рис.1.1 Схема абсолютного измерения интенсивностей
Здесь Е - эталонный источник, Р - плазменный объект. E и P расположены симметрично относительно оси системы(L1 и L2) освещения входной апертуры Sin спектрального прибора. С помощью поворотного зеркала М линза L1 может быть равномерно освещена каждым из источников.
Линза L2 перехватывает весь идущий от линзы L1 свет и дает действительное изображение плоскости, в которой расположена линза L1 в плоскости расположения Sin.
.2 Методы поглощения с использованием классических излучателей
Измерение поглощения света, прошедшего через однородный объект, дает, при известной вероятности перехода, абсолютную величину разности заселенностей уровней, связанных переходом u-l. Это привлекательное обстоятельство не cвязано с ограничениями по условиям равновесия в плазме и лежит в основе многочисленных версий метода поглощения.
1.2.1 Поглощение на фоне сплошного спектра
В этом случае просвечивающий плазму Р источник Е (рис. 1.2, а) имеет
сплошной спектр. Спектральный прибор с входной щелью Sin выделяет из сплошного спектра интервал частот , которому принадлежит линия поглощения плазмы. В пределах интенсивность сплошного спектра меняется мало и и выделяется только одна линия, т.е. >, где - расстояние а спектре до ближай шей соседней линии поглощения.
Рис 1.2 Измерения поглощения а - при использовании точечного источника сплошного спектра; б - в варианте двух трубок
С другой стороны, чтобы измерялось интегральное поглощение должно выполняться условие >, где - полуширина поглощающей линии. Как правило, путем подбора подходящего участка спектра эти условия могут быть удовлетворены даже при использовании спектрального прибора с умеренной дисперсией.
Поскольку плазма испускает свет на том же переходе, на котором производится измерение поглощения, детектор Det освещается одновременно плазмой Р и источником Е. Чтобы не фиксировать свет от плазмы, может быть использован, например, прием, когда между плазмой и просвечивающим источником помещается прерыватель М (рис. 1.2, а) и примен
