Квадратурные методы лазерной интерферометрии в исследованиях параметров импульсной плазмы

• Автор: Бялковский, Олег Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21, 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 129 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА
1.1 Оптические свойства плазмы
1.2. Классификация интерферометров, применяемых в диагностике плазмы
1.2.1. Двулучевые интерферометры
1.2.2. Дисперсионный интерферометр
1.2.3. Многолучевые интерферометры
1.2.4. Внутрирезонаторные интерферометры
1.2.5 Интерферометры с внешним зеркалом
1.3. Методы фоторегистрации интерференционных сигналов в диагностике плазмы
1.3.1. Визуализация интерференционного поля
1.3.2. Фотоэлектрическое смешение
Выводы к Г лаве
ГЛАВА
2.1. Методы формирования квадратурных каналов
2.2. Анализ погрешности измерений двухканальными и четырехканальными квадратурными методами
2.3. Влияние различных источников ошибок на точность измерения в двухканальной квадратурной методике
2.4. Выводы к Главе
ГЛАВА
3.1. Интерферометрические исследования динамики электронной плотности плазмы в периферийной области микропинчевого разряда
3.1.1. Лазерный квадратурный интерферометр для исследования электронной плотности в периферийной области микропинчевой плазмы
3.1.2. Исследование динамики линейной электронной плотности на периферии микропинчевого разряда
3.2. Применение лазерного квадратурного интерферометра для исследований режимов работы системы инициирования разряда НВИ
3.3. Разработка лазерного квадратурного интерферометра для измерения газокинетического давления потоков плазмы внутри разрядной камеры НВИ
3.3.1 Методика измерений импульсного газокинетического давления плазмы методом квадратурной интерферометрии
3.3.2. Описание экспериментальной установки

3.3.3 Измерение давления плазмы микропинчевого разряда на установке «Зона-2»
3.4. Выводы к Г лаве
ГЛАВА
4.1. Кулоновское торможение тяжёлых ионов в ионизованном веществе
4.2 Плазменная водородная мишень для экспериментов по торможению пучков тяжелых ионов в ионизованном веществе
4.3. Лабораторный стенд для исследований параметров плазмы водородной мишени
4.4. Экспериментальные исследования плазмы водородной мишени методами эмиссионной спектроскопии
4.5.Измерение пространственного распределения электронной плотности плазмы по сечению капилляра разрядной камеры
4.6 Разработка двухволнового квадратурного интерферометра для измерения электронной плотности и степени ионизации плазмы водородной мишени
4.6.1. Двухволновый интерферометр на длинах волн 3,39 мкм и 0,63 мкм
4.6.2. Интерферометрия эрозионного капиллярного разряда атмосферного давления в воздухе
4.6.3. Измерения линейной электронной плотности плазмы водородной мишени
4.6.4. Результаты измерения энергетических потерь ионов меди с энергией 100 кэВ/а.е.м. на установке ТИПР ИТЭФ
4.6.5. Двухволновый интерферометр на длинах волн 633 нм и 532 нм
4.6.6. Измерения электронной плотности и степени ионизации плазмы водородной мишени
4.7. Выводы к Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Подавляющее число экспериментальных исследований плазмы, в настоящее время, проводится в лабораторных условиях. На многочисленных установках получено необычайное разнообразие параметров плазмы. Так, диапазон изменения электронных плотностей превышает пятнадцать порядков (от 109 см-3 в газовом разряде до 1024 см-3 в лазерной плазме). Температура увеличивается на четыре порядка при переходе от долей электронвольт в низкотемпературной плазме газового разряда к десяткам килоэлектронвольт в горячей плазме разрядов типа г-пинч. Линейные размеры плазмы изменяются от 1(Г3см в установках инерциального синтеза до 103см в установках с магнитным удержанием (токамаки и стеллараторы). Время существования короткоживущей плазмы может составлять всего нескольких пико- или даже десятков фемтосекунд (лазерная плазма), а в электрическом разряде постоянного тока плазма может существовать стационарно. Величина магнитного поля также охватывает широкий диапазон: от нуля до нескольких мегаэрстед (плазменный фокус).
Необходимость в получении информации о параметрах столь различающихся плазменных объектов закономерно привела к разработке и внедрению в плазменный эксперимент большого количества диагностических методик. При этом важным является отсутствие контакта диагностического инструмента с плазмой, в противном случае возможно изменение ее параметров. В этой связи большое значение имеют оптические методы диагностики как пассивные - основанные на регистрации собственной светимости плазмы, так и активные - на основе лазерного зондирования. Оптические методы позволяют определять химический состав плазмы, измерять температуру и концентрации электронов, ионов и нейтральных атомов. В отличие от пассивных оптических методик лазерное зондирование позволяет получить наиболее достоверную и полную информацию о параметрах плазмы. Причина этого - прямая связь между измеренной величиной и исследуемым параметром плазмы.
Обычно при разработке диагностической методики ее метрологические характеристики определяются особенностями конструкции конкретной плазменной установки, требованиями к динамическому диапазону, пространственному и временному разрешению измерений. Кроме того, часто для понимания физических явлений, которые происходят, например, при нагреве плазмы до высоких температур, возникает необходимость в исследовании начальной и завершающей стадий всего процесса плазмообразования. Вместе с тем, даже на стадии существования высокотемпературной, плотной плазмы важно учитывать роль менее горячей периферийной плазмы с относительно низкой плотностью. В связи с этим возникает необходимость в разработке и использовании лазерных диагностических методов, обеспечивающих возможность измерения различных параметров плазмы в широком диапазоне их значений. Одним из наиболее информативных параметров при описании состояния плазмы, является ее

Одна из возможных схем интерферометра с дифференциальной фоторегистрацией, практически не требующая специальной юстировки, показана на рис. 1.13. Интерферометр настроен в режим бесконечно широкой полосы. За счет скачка фазы на л, при отражении от делительного зеркала, фотоприемники регистрируют изменение интенсивности по разные стороны от максимума аппаратной функции интерферометра.

Рис. 1.13. Принципиальная схема дифференциального интерферометра Маха-Цендера: Мм -зеркала, ПК - плазменная камера, Дц Д> - детекторы, У - дифференциальный усилитель
Изменение интенсивности, вызванное фазовым сдвигом интерференционной полосы, преобразуются в токовые сигналы противоположного знака, и поступают на вход дифференциального усилителя. Напряжение на выходе такого усилителя пропорционально разности входных напряжений, поэтому полезный сигнал оказывается вдвое больше, чем у одиночного фотоприемника. В то же время одинаковое для обоих детекторов изменение интенсивности, вызванное излучением плазмы, флуктуациями мощности лазера, ослаблением лазерного излучения или изменением ширины интерференционной полосы из-за отклонения световых лучей, а также возможные электромагнитные помехи, вычитаются. В этом случае при работе на линейном участке аппаратной функции, имеющей постоянную дифференциальную чувствительность ШМЬ, в окрестности максимальной крутизны, измеренный электрический сигнал практически пропорционален фазовому сдвигу 8. Применение подобной схемы в работе [121] при использовании Не-№ лазера (X = 0,63 мкм) позволило проводить измерения линейной электронной плотности в импульсной аргоновой струе с пороговой чувствительностью ~ 2-1013см_3.
Интерферометрия с квадратурной фоторегистрацией
В случае, когда плазма вносит в электромагнитную волну фазовый сдвиг, существенно превосходящий длину волны, для восстановления динамики электронной плотности во времени обычно достаточно проводить измерения в режиме счета минимумов и максимумов интерференционных полос. При этом, неоднозначность