Media-security

ПОЛИХРОМАТИЧЕСКАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ С ГАЗОРАЗРЯДНЫМИ И ЛАЗЕРНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ СВЕТА

А.Г.Жиглинский, Н.Р.Измайлова, А.П.Лютиков, Г.Г.Кунд,

А.О.Морозов, С.Л.Носов, А.Н.Самохин

Осуществлена голографическая диагностика плотной многокомпонентной плазмы высокого давления в линейчатом спектре импульсного полихроматического лазера и плазмы низкого давления в линейчатом спектре газоразрядных источников света. Полихроматичность диагностики плазмы позволила увеличить число диагностируемых тяжелых компонентов плазмы, одновременно с пространственным распределением концентраций последних измерить и дисперсию плазмы, а также бесконтактно определить радиальное электрическое поле в полом катоде.

Достоинства голографических методов для диагностики плазмы широко известны /1/. Дополнительные преимущества привносит в такую диагностику резонансная голографическая интерферометрия плазмы /2/. В то же время до сих пор использование голографических методов при диагностике сложной многокомпонентной плазмы было весьма затруднительно, т.к. трудно записать одновременно много голограмм, соответствующих разным длинам волн. Для решения этой задачи был предложен метод полихроматической голографии /3/, позволяющий объединить возможности голографии и спектроскопии.

Напомним, что суть метода полихроматической голографии состоит в том, что плазму зондируют линейчатым спектром излучения, а каждая линия спектра, регистрируемого в фокальной плоскости спектрографа, является голограммой. Восстановленная с помощью спектра-голограммы волна несет информацию о спектральной зависимости амплитудных и фазовых изменений, вносимых плазмой. Это позволяет, в принципе, одновременно определять такие физические параметры плазмы, как пространственные распределения

- 153 -

концентраций различных атомов и ионов и газа-носителя разряда в плазме, газовой температуры, электронов, рефракции плазмы, а в отдельных случаях и формы контуров спектральных линий. Для раздельного определения вклада различных компонентов плазмы необходимо зондировать последнюю, как минимум, на стольких длинах волн, сколько компонентов содержит плазма. Причем должны быть выполнены условия резонансности (т.е. попадания зондирующего излучения вблизи линии поглощения соответствующего компонента) для всех компонентов плазмы одновременно. Эти обстоятельства ставят задачу целенаправленного формирования зондирующего спектра и соответствующего расширения арсенала источников света, пригодных для голографической диагностики плазмы.

С точки зрения осуществимости полихроматической голографической диагностики плазму можно разделить на 2 типа: плазму низкого давления при небольших силах разрядного тока и плазму высокого давления при больших силах разрядного тока.

Особенностью диагностики плазмы низкого давления является необходимость обеспечить очень высокую (близкую к физически предельной) чувствительность одновременного определения концентраций нескольких тяжелых компонентов. Для этого надо зондировать плазму узкими (шириной » 10^-3нм) линиями с точно известной и стабильной во времени длиной волны, расположенной вблизи максимума рефракции исследуемого компонента плазмы. Создать такие условия можно, используя в качестве зондирующего линейчатый спектр газоразрядных источников /4/.

Однако, для диагностики плотной нестационарной неоднородной многокомпонентной плазмы высокого давления с сильным собственным свечением газоразрядные источники света с достаточной для голографии когерентностью не годятся из-за их сравнительно малой яркости. Поэтому для голографической диагностики такой плазмы мы предлагаем использовать импульсный полихроматический лазер. Спектр генерации такого лазера формируется специальным образом из большого числа равноотстоящих узких линий. При этом расстояние между линиями генерации выбирается таким, чтобы в окрестность каждой линии поглощения плазмы всегда попадала хотя бы

- 154 -

одна (любая) из линий генерации лазера (см. рис.1).

Преимуществами такого способа диагностики являются автоматическое достижение высоких чувствительности и избирательности определения концентрации каждого компонента плазмы в сочетании с очень широким динамическим диапазоном измерении.

Этот способ диагностики реализован с помощью установки, схема которой представлена на рис.2 (подробное описание установки см. в /5/). В качестве полихроматического лазера предложен и использован импульсный лазер на красителе с интерферометром Фабри-Перо в резонаторе. Спектр генерации лазера состоял из генерируемых одновременно нескольких десятков ярких узких линий, перекрывающих диапазон длин волн » 15 нм. Управление спектром лазера осуществляется изменением параметров интерферометра. Расстояние Δλ в спектре между линиями генерации можно менять, изменяя базу интерферометра t и угол наклона q его зеркал к оптической оси резонатора в соответствии с известной формулой:

Δλ = λ²/(2+cosq ).

При заданной величине Δλ, ширина каждой линии генерации лазера зависит от коэффициента отражения зеркал интерферометра r, формы и длительности лазерного импульса и может регулироваться согласно специально полученной нами приближенной формуле:

где- длительность лазерного импульса на половине его высоты, l_p - длина резонатора лазера.

Расстояние между линиями генерации в спектре регулировалась в диапазоне 0,1-2 нм. Излучение лазера расширялось телескопической системой Т и освещало голографический интерферометр ГИ, образованный делительным кубиком ДК и зеркалами З₁ – З₃. В одно из плеч ГИ помещался исследуемый объект 0. Предметный и опорный пучки совмещались на входной плоскости спектрографа СП. Входная щель СП имела профилированный вид, позволяющий получать голограммы в изображении ее центральной части в выходной

- 155 -

плоскости СП и обычный спектр от верхней ее части, который использовался для определения длин волн зондирующего источника. Ширина центральной части щели СП изменялась в диапазоне 1-10мм. Голограмма-спектр регистрировалась в выходной плоскости СП. Линзы Л₁ и Л₂ проектировали объект и соответствующую плоскость в опорном пучке на щель СП. Диафрагма Д (Æ = 1мм) диафрагмирует собственное излучение плазмы. Л₃ - антивиньетирующая линза. ЗА - зеркальные аналоги призмы Дове, поворачивающие изображение объекта и соответствующее сечение опорного пучка на 90°. Оптический клин К служил для получения двухэкспозиционных интерферограмм в полосах конечной ширины.

С помощью этой установки исследовались различные дуговые разряды при атмосферном давлении; сварочная дуга при токах до 300 А с w электродами и Аr поддувом, угольная дуга в воздухе с добавками na, а также sr и Ва вместе при токах до 15 А. На рис.3а показан вид части восстановленной с помощью спектра-голограммы интерферограммы угольной дуги с Ва и sr. Размер поля голографирования составлял 6х30 мм, расстояние по спектру между линиями » 0.65нм. На рис.3б показаны увеличенные интерферограммы на соседних с линиями поглощения sr (λ » 460.7нм) и ионов Ва (λ » 455.4нм) зондирующих длинах волн. На рис.3в представлен вид интерферограммы дуги на одной из длин волн, соответствующий размерам поля голографирования 20х30 мм при Δλ» 2нм. На рис.4 представлены трехмерные пространственные распределения атомов sr и ионов Ва в межэлектродном промежутке, полученные с помощью этих интерферограмм. Одновременно измерено и пространственное распределение концентрации воздуха в дуге и, соответственно, газовой температуры.

Таким образом, полихроматичность метода обеспечила одновременную диагностику трех тяжелых компонентов плазмы: молекул воздуха, атомов стронция и ионов бария, обеспечив для двух последних резонансные условия.

При полихроматической голографической диагностике угольной дуги с натрием одновременно с пространственным распределением концентраций воздуха и атомов натрия измерена дисперсия последних.

- 156 -

При диагностике плазмы низкого давления и небольших силах разрядного тока исследовалась плазма разряда в полом катоде. Разряды такого типа широко распространены в спектроскопии и лазерной технике. На стенки катода был нанесен металлический кальций естественного изотопного состава. Разряд горел в атмосфере инертных газов (he,ne,ar) при давлении 1-6 top при токах 10-450 мА. Для обеспечения резонансных условий диагностики одновременно и атомов кальция и ионов кальция использовался изотопический сдвиг линий ⁴⁰Са и ⁴⁸Са, составляющий » 0.001 нм для резонансных линий атомов и ионов кальция. Расширение диапазона измеряемых концентраций и регулировка чувствительности осуществлялись также подбором линий других элементов. Так, в этой работе для диагностики атомов Са использовалась также линия gе λ = 422.657 нм, смещенная на 0.0158 нм относительно резонансной линии поглощения ⁴⁰Са. В качестве зондирующих источников в этих экспериментах использовались одновременно импульсный охлаждаемый полый катод и (впервые в голографической интерферометрии) свободно горящая в воздухе дуга. Зондирующие линии изотопа ⁴⁸Са испускались охлаждаемым полым катодом, а зондирующая линия gе - дуговым разрядом. В остальном установка аналогична представленной на рис.2.

С помощью этой установки впервые измерены одновременно радиальные распределения атомов и ионов Са в полом катоде. Причем для ионов измерения проведены с рекордной для интерферометрии чувствительностью:= 7·10¹⁰ см^-3. Значительно расширен (по сравнению с работой /4/) и диапазон измерений концентрации атомов Са, который составил n_ca = 3·10¹⁰ – 10¹³ см^-3. Результаты некоторых измерений представлены на рис.5а. На основе этих измерений развита теория массопереноса металла в полом катоде. Получены соотношения, связывающие радиальные распределения атомов и ионов металла в полом катоде с радиальным электрическим полем. На рис.5б представлены результаты бесконтактного определения радиального электрического поля в полом катоде на основе проведенных интерферометрических измерений концентраций атомов и ионов Са одновременно (кривая 1 - поле в масштабе левой оси координат, кривая 2 – то же поле в масштабе правой оси

- 157 -

Рис.1. Расположение спектра генерации лазера относительно линий поглощения и рефракции плазмы

Рис.2. Схема установки для полихроматической голографической диагностики плазмы с лазером на красителе

- 158 -

Рис.3. Восстановленные двухэкспозиционные интерферограммы дуги

- 159 -

- 160 -

Рис.5а.

- 161 -

ординат, пунктир - теоретические расчеты).

Кроме этого, в работе голография продвинула свою область применения в коротковолновый диапазон спектра излучения. С использованием ртутной лампы получены голограммы на длине волны 254 ни, построена установка для получения голограмм в ВУФ области спектра.

Таким образом, полихроматичность голографии в линейчатом спектре лазерных и газоразрядных источников света значительно расширяет диагностические возможности метода при изучении как плотной многокомпонентной плазмы высокого давления при больших силах разрядного тока, так и плазмы низкого давления при малых токах.

Рис.56.

Рис.5. Радиальные распределения в полом катоде: а) ионов caii (1) и атомов Са (2) при токе 340 мА и давлении неона 4 top, б) электрическое поле в тех же условиях-.

- 162 -

Л и т е р а т у р а

1. А.Н.Зайдель. УФН. 1986. Т.149. c.105-138.

2. Г.В.Дрейден, А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский, Н.А.Победоносцева, Л.В.Танин, Б.И.Филлипов, Е.Н.Щедрова. Физ. плазмы. 1975. t.1. С.462-482.

3. А.Г.Жиглинский, Г.Г.Кунд, А.О.Морозов. Оптика и спектр.1979 Т.46. c.1196-1200.

4. А.Г.Жиглинский, Г.Г.Кунд, А.О.Морозов. Ю.А.Корзинин, А.Н.Са-мохин. // "Физические принципы голографии". Ленинград. ЛИЯФ 1981.С.74-83.

5. А.Г.Жиглинский, Г.Г.Кунд, А.О.Морозов, А.Н.Самохин ПТЭ 1988.