JPH03156346A - Electron-density measuring apparatus - Google Patents
Electron-density measuring apparatusInfo
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Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は光ヘテロダイン干渉法を用いてプラズマ中の電
子密度を測定する電子密度測定装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to an electron density measuring device that measures electron density in plasma using optical heterodyne interference.
（従来の技術）
従来から、プラズマ中の電子密度を測定する電子密度測
定装置としては、微小な金属性探針（プローブ）をプラ
ズマ中に挿入して行う電気探針法、プラズマ中でのマイ
クロ波の減衰率と位相のずれとを測定して電子密度を測
定するマイクロ波法、光干渉計の一方の光路中にプラズ
マを設けて、プラズマの屈折率変化に基づく干渉縞の歪
を測定してプラズマの電子密度を測定する干渉法、２台
のレーザー発振器の干渉ビート信号を利用して電子密度
を測定する光ヘテロダイン干渉法が知られている。(Prior art) Conventionally, electron density measurement devices for measuring electron density in plasma include the electric probe method, which is performed by inserting a minute metal probe into the plasma, and the The microwave method measures the electron density by measuring the attenuation rate and phase shift of waves, and the method uses plasma in one optical path of an optical interferometer to measure the distortion of interference fringes based on changes in the refractive index of the plasma. The interferometry method that measures the electron density of plasma using a laser oscillator, and the optical heterodyne interferometry method that measures the electron density using interference beat signals from two laser oscillators are known.
ここで、電気深針法とは、第９図に示すように、プロー
ブ１０１をプラズマ１０２の中に挿入し、陽極又は陰極
からなる参照電極１０３に対して電圧Ｖｐを変化させた
ときのプローブ電流１ｐの変化（プローブ特性）を測定
することによって、電子密度ｎ、を測定するものである
。なお、その第９図において、１０４はプローブ電流Ｉ
ｐを測定するための電流計、１０５は電圧ＶＰを読み取
るための電圧計、１０６はプラズマ電源である。Here, as shown in FIG. 9, the electric deep needle method refers to the probe current when the probe 101 is inserted into the plasma 102 and the voltage Vp is varied with respect to the reference electrode 103 consisting of an anode or a cathode. By measuring the change in 1p (probe characteristics), the electron density n is measured. In addition, in FIG. 9, 104 is the probe current I
105 is a voltmeter for reading voltage VP; 106 is a plasma power source.
この電気探針法を用いて測定すると、第１０図に示すプ
ローブ特性が得られる。この第１０図において、領域Ｈ
の電子電流成分１．は、電子エネルギーがマックスウェ
ル分布ｆ（ε）であると仮定すると、
１、＝＾ｐ ・ｎｏ Ｈｅ ・（８ＫＴ、７ｇ ｍ）”
’ｅｘｐ（−ｅＶ／ＫＴｅ）／ ４によって与えられる
。When measured using this electric probe method, the probe characteristics shown in FIG. 10 are obtained. In this FIG. 10, the area H
Electron current component 1. Assuming that the electron energy has a Maxwellian distribution f(ε), then 1,=^p ・no He ・(8KT, 7g m)”
'exp(-eV/KTe)/4.
二二で、ＡＰはシースの表面積、ｍは電子の質量、■は
プラズマ電位（空間電位） Ｖｓを基準に測定したプロ
ーブ電位であり、Ｖ＝Ｖｓ Ｖｐである。また、εは
電子のエネルギーである。これにより、電子電流成分工
、の対数をプローブ電位■に対して取ると、傾きから電
子温度Ｔ、が得られる。領域■では電子に対して加速電
界となり、電子電流成分工、は飽和値工。。に達する。22, AP is the surface area of the sheath, m is the mass of the electron, and ■ is the probe potential measured with respect to the plasma potential (space potential) Vs, and V=Vs Vp. Moreover, ε is the energy of the electron. As a result, when the logarithm of the electron current component T is taken with respect to the probe potential (2), the electron temperature T can be obtained from the slope. In region ■, there is an accelerating electric field for electrons, and the electron current component is the saturation value. . reach.
その値工、。は、
Ｉ ａｏ＝Ａｐ−ｎｏ ・ｅ ・（８ＫＴ、／ｒｃ ｌ
）”２／ ４となり、電子温度Ｔ、が既知であれば、電
子密度ｎ、が求められる。Its value,. I ao=Ap-no ・e ・(8KT, /rc l
)"2/4, and if the electron temperature T is known, the electron density n can be found.
なお、複数のプローブをプラズマの中に挿入して電子密
度を測定するプローブ法もある。Note that there is also a probe method in which multiple probes are inserted into plasma to measure the electron density.
マイクロ波法は、プラズマの中を伝播する角周波数ωの
電磁波の波数をＫとすると、
Ｋ−β＋ｉαで定義される減衰定数αと位相定数βが、
（ν、／ω）２（１ならば、α、βが次式で与えられ
ることを利用するものである。In the microwave method, when the wave number of an electromagnetic wave with an angular frequency ω propagating in the plasma is K, the attenuation constant α and phase constant β defined by K-β+iα are as follows.
If (ν, /ω)2(1, then α and β are given by the following equations.
α−（ν、・ωｏ２／２・Ｃ・ω２）（１−ω、２／ω
２）−１／２β−（ω／ｃ）（ｌ−ω、２／ω２）Ｉ７
２二二で、Ｃは光の速度、ν、は電子の衝突周波数、ω
、はプラズマの角周波数であり、ω、はωｐ＝ （ｅ２
・ｎ＠／ｒｎ＠・ε１１）”’である。α-(ν,・ωo2/2・C・ω2)(1-ω,2/ω
2)-1/2β-(ω/c)(l-ω,2/ω2)I7
222, C is the speed of light, ν is the electron collision frequency, ω
, is the angular frequency of the plasma, and ω, is ωp= (e2
・n@/rn@・ε11)"'.
ここで、ｅは電子の電荷、ｍ、は電子の質量である。従
って、プラズマを透過してきたマイクロ波の減衰率αと
位相定数βとを測定すれば、電子の衝突周波数ν。と電
子密度ｎ、とが求められる。Here, e is the charge of the electron, and m is the mass of the electron. Therefore, if the attenuation rate α and phase constant β of the microwave transmitted through the plasma are measured, the collision frequency ν of the electrons can be determined. and the electron density n are determined.
光干渉法は、第１１図に示すような測定光学系を用い、
プラズマの屈折率ｎを利用し、電子密度を測定するもの
である。その第１１図において、１０７はパルス光源、
１０８は光路分割ミラー １０９．１１０は全反射鏡、
１１１はタイミング時間制御回路、１１２は光路合成ミ
ラー １１３はカメラである。プラズマ１０２とパルス
光源１０７はタイミング時間制御回路１１１に′よって
駆動制御される。Optical interferometry uses a measurement optical system as shown in Figure 11.
The electron density is measured using the refractive index n of plasma. In FIG. 11, 107 is a pulsed light source;
108 is an optical path splitting mirror, 109.110 is a total reflection mirror,
111 is a timing time control circuit, 112 is an optical path combining mirror, and 113 is a camera. The plasma 102 and the pulsed light source 107 are driven and controlled by a timing control circuit 111'.
パルス光源１０７から出射されたパルス光は光路分割ミ
ラー１０８により二分割され、一方のパルス光は全反射
［１１０によって反射され、プラズマ１０２の中を通っ
て光路合成ミラー１１２に導かれ、残りのパルス光はそ
のまま光路合成ミラー１１２に導かれる。その両方のパ
ルス光はその光路合成ミラー１１２で合成されて互いに
干渉し、干渉光としてカメラ１１３に入射する。ここで
、一方のパルス光は、プラズマ１０２を通過する際にプ
ラズマの電子密度に基づく光学距離の変化によって、カ
メラ１１３により写真撮影された干渉縞１１４（第１２
図参照）に歪が生じることになる。The pulsed light emitted from the pulsed light source 107 is split into two by the optical path splitting mirror 108, and one of the pulsed lights is reflected by total reflection [110], passes through the plasma 102, is guided to the optical path combining mirror 112, and the remaining pulsed light is The light is directly guided to the optical path combining mirror 112. Both pulse lights are combined by the optical path combining mirror 112, interfere with each other, and enter the camera 113 as interference light. Here, when one of the pulsed lights passes through the plasma 102, the interference fringes 114 (the 12th
(see figure) will result in distortion.
ここで、プラズマの屈折率ｎは、
ｎ＝（１−ω、２／ω２） Ｉ／２
によって与えられる。ω、はプラズマの角周波数、ωは
光の角周波数である。Here, the refractive index n of the plasma is given by n=(1-ω, 2/ω2) I/2. ω is the angular frequency of plasma, and ω is the angular frequency of light.
ω ω、（光を用いる場合この条件を満足する）の場合
、上記の式は近似的に
ｎ＝１−（ω、２／ω２）／２
と表現できる。In the case of ω ω, (this condition is satisfied when using light), the above equation can be approximately expressed as n=1−(ω, 2/ω2)/2.
一方、干渉縞１１４の歪ΔＳは
Δ５＝（ｎ−１）Ｄ／ω
によって与えられる。ここで、Ｄはプラズマの長さであ
る。このΔＳを測定すれば、プラズマの角周波数ωｐが
求められ、ωｐから電子密度ｎ、が求められる。なお、
このΔＳは干渉縞の間隔を９、歪量をｄとすると、
ΔＳ＝ｄ／９
として求められる。On the other hand, the distortion ΔS of the interference fringes 114 is given by Δ5=(n-1)D/ω. Here, D is the length of the plasma. By measuring this ΔS, the angular frequency ωp of the plasma can be determined, and from ωp, the electron density n can be determined. In addition,
This ΔS is obtained as ΔS=d/9, where the interval between interference fringes is 9 and the amount of distortion is d.
複数個のレーザー共振器を用いる光ヘテロダイン干渉法
としては、第１３図に示すような測定光学系が知られて
いる。この第１３図において、１１５．１１６はレーザ
ー発振器、１１７はプラズマ、１１８．１１９は反射鏡
、１２０．１２１は出力鏡、１２２は全反射鏡、１２３
はハーフミラ−１２４は受光器としての光検出器、１２
５は復ＩＩ４器、１２６は解析回路、１２７はレーザー
発振器１１５．１１６の出力制御部である。出力制御部
１２７はレーザー発振器１１５．１１６のバックレーザ
ー光の出力をモニターしてレーザー発振器１１５．１１
６の出力を安定化させる機能を有する。As an optical heterodyne interference method using a plurality of laser resonators, a measurement optical system as shown in FIG. 13 is known. In this FIG. 13, 115.116 is a laser oscillator, 117 is a plasma, 118.119 is a reflecting mirror, 120.121 is an output mirror, 122 is a total reflection mirror, 123
is a half mirror 124 is a photodetector as a light receiver, 12
Reference numeral 5 designates a converter II4, 126 an analysis circuit, and 127 an output control section for the laser oscillators 115 and 116. The output control unit 127 monitors the output of the back laser light of the laser oscillators 115 and 116 and controls the output of the laser oscillators 115 and 111.
It has the function of stabilizing the output of 6.
プラズマ１１７の中を通りハーフミラ−１２２により反
射されてハーフミラ−１２３に導かれるレーザー光とそ
のままハーフミラ−１２３に導かれるレーザー光とはハ
ーフミラ−１２３により光路合成され、光検出器１２４
に干渉光として検出される。そして、その光検出器１２
４からは干渉ビート信号としての検出信号Ｉ （ｔ）が
出力される。検出信号Ｉ （ｔ）は復調器１２５により
復調され、解析回路１２６に久方される。The laser beam that passes through the plasma 117, is reflected by the half mirror 122, and is guided to the half mirror 123, and the laser beam that is directly guided to the half mirror 123 is optically combined by the half mirror 123, and then the laser beam is reflected by the half mirror 122 and sent to the photodetector 124.
is detected as interference light. And the photodetector 12
4 outputs a detection signal I (t) as an interference beat signal. The detection signal I (t) is demodulated by a demodulator 125 and sent to an analysis circuit 126.
ここで、レーザー共振器１１５，１１６の出力強度を、
工１、Ｉ２、その発振周波数をν１、ν２とすると、検
出信号Ｉ （ｔ）は
Ｉ （ｔ ） ＝ Ｉ ＋ ＋ Ｉ ２ ＋ ２ （Ｉ
ビＪ、）Ｉ／２・ＣＯ３［２π （シ１−シ２）ｔ＋２
πｔδνｐ（ｔ）］として与えられる。Here, the output intensity of the laser resonators 115 and 116 is
Assuming that the oscillation frequencies are ν1 and ν2, the detection signal I (t) is I (t ) = I + + I 2 + 2 (I
BiJ,)I/2・CO3[2π (Si1-Si2)t+2
πtδνp(t)].
従って、この検出信号の交流成分の周波数変化によりプ
ラズマ周波数の変化２πδνｐ （ｔ）が求められ、
ωｐ＝２πνｐ＝ （ｅ ２− ｎｏ／ｍｅ −ｔ”）
”２という式を用いて、電子密度ｎ、が算出される。Therefore, the change in plasma frequency 2πδνp (t) is determined by the frequency change of the AC component of this detection signal, and ωp=2πνp= (e 2− no/me −t”)
The electron density n is calculated using the formula ``2.
（考案が解決しようとする課題）
しかしながら、プローブ法は、プローブの挿入によって
プラズマが影響を受け、プローブの形状、プラズマの条
件を考慮して適切な理論に基づきデータを解析して電子
密度を決定しなければならないという不都合がある。(Problem that the invention aims to solve) However, in the probe method, the plasma is affected by the insertion of the probe, and the electron density is determined by analyzing data based on an appropriate theory, taking into account the shape of the probe and the plasma conditions. There is an inconvenience in having to do so.
マイクロ波法は、電子密度の増加に伴ってマイクロ波の
周波数を高くする必要があり、高密度プラズマの測定が
困難であるという不具合がある。The microwave method has the disadvantage that it is difficult to measure high-density plasma because it is necessary to increase the frequency of the microwave as the electron density increases.
光干渉法では、プラズマを干渉計の中に置く必要があり
、プラズマの形状或は大きさが限定され、また、干渉縞
を写真撮影して測定する方法であるので、リアルタイム
で測定を行うことができないという不具合がある。更に
、電子密度の時間変化を測定するには、パルス光源を遅
延時間を持たせて光らせる必要があり、装置が複雑で大
をとなる不都合がある。In optical interferometry, it is necessary to place the plasma in an interferometer, which limits the shape and size of the plasma.Also, since the method measures interference fringes by photographing them, measurements cannot be performed in real time. There is a problem that it cannot be done. Furthermore, in order to measure changes in electron density over time, it is necessary to emit light from a pulsed light source with a delay time, resulting in a complicated apparatus and a large disadvantage.
複数個のレーザー装置を用いるヘテロダイン干渉法では
、上記の課題のうちのいくつかを解決することが可能で
あるが、装置が複雑で、大型となり、また、ビート信号
を取り出すために波長の極近いレーザー光を用いる必要
からレーザー装置に限りがあり、汎用性に欠けるという
不都合がある。Heterodyne interferometry, which uses multiple laser devices, can solve some of the above problems, but the device is complicated and large, and in order to extract the beat signal, it is necessary to use devices with very close wavelengths. Since it is necessary to use laser light, the number of laser devices available is limited and there is a disadvantage that it lacks versatility.
そこで、本発明の目的は、装置が簡単かつ小型で汎用性
を有し、しかも、簡単に電子密度を測定することのでき
る電子密度測定装置を提供するところにある。SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide an electron density measuring device that is simple, compact, and versatile, and that can easily measure electron density.
帽１を解決するための手段）
（発明の原理）
第１図は本発明の詳細な説明するための光学系を示す図
であって、この第１図において、ｌはレーザー光源、２
はハーフミラ−３は全反射ミラ４は変調器、５は全反射
ミラー ６はハーフミラ−７はプラズマ装置、８は全反
射ミラー８はプラズマ電極、１０は受光器としての光検
出器である。(Means for Solving Problem 1) (Principle of the Invention) FIG. 1 is a diagram showing an optical system for explaining the present invention in detail, and in FIG. 1, l is a laser light source, 2
The half mirror 3 is a total reflection mirror 4 is a modulator, 5 is a total reflection mirror, 6 is a half mirror 7 is a plasma device, 8 is a total reflection mirror 8 is a plasma electrode, and 10 is a photodetector as a light receiver.
レーザー光源１から出射されたレーザー光の一部はハー
フミラ−２により反射されて参照光として変調器４に導
かれて一定周波数ｆ、で変調され、全反射鏡５に導かれ
る。残りのレーザー光はハーフミラ−２を透過して全反
射鏡３に導かれる。全反射Ｒ５によって反射された分割
レーザー光はハーフミラ−６に導かれる。全反射鏡３に
よって反射された分割レーザー光はハーフミラ−６を透
過してプラズマ装置７に導かれ、プラズマ電子密度によ
る屈折率の変化に基づき変調を受ける。そのプラズマ装
置７を透過したレーザー光は全反射鏡８により反射され
て再びプラズマ装置７を透過してハーフミラ−６に導か
れる。全反射［５によって反射されたレーザー光は、ハ
ーフミラ−６を透過し、プラズマ装置７を通過してきた
レーザー光はハーフミラ−６により反射され、これらは
干渉光として光検出器１０に導かれる。A portion of the laser light emitted from the laser light source 1 is reflected by the half mirror 2 and guided as reference light to the modulator 4, where it is modulated at a constant frequency f, and guided to the total reflection mirror 5. The remaining laser light passes through the half mirror 2 and is guided to the total reflection mirror 3. The divided laser beams reflected by total reflection R5 are guided to a half mirror 6. The divided laser beams reflected by the total reflection mirror 3 pass through the half mirror 6 and are guided to the plasma device 7, where they are modulated based on the change in refractive index due to the plasma electron density. The laser beam that has passed through the plasma device 7 is reflected by the total reflection mirror 8, passes through the plasma device 7 again, and is guided to the half mirror 6. The laser light reflected by total reflection [5 passes through the half mirror 6, and the laser light that has passed through the plasma device 7 is reflected by the half mirror 6, and these are guided to the photodetector 10 as interference light.
その光検出器１０から出力される検出信号はバイパスフ
ィルター１１を介して復調器１２に導かれ、復調信号Ｓ
が得られる。The detection signal output from the photodetector 10 is guided to the demodulator 12 via the bypass filter 11, and the demodulated signal S
is obtained.
ところで、プラズマ等の光学的性質を表現するものに複
素屈折率＊ｎがある。By the way, there is a complex refractive index *n that expresses the optical properties of plasma and the like.
この複素屈折率＊ｎは、一般に、 ＊ｎ＝ｎ （ω）＋ｉｋ（ω） と表現される。This complex refractive index *n is generally *n=n (ω)+ik(ω) It is expressed as
上記式において、ｎ （ω）の項は電子密度による屈折
率を意味し、ｋ（ω）の項は原子、分子による吸収を意
味している。ここでは、電子密度の屈折率ｎ（ω）を測
定するのであるから、ｋ（ω）＝０であることが前提で
ある。In the above formula, the term n(ω) means the refractive index due to electron density, and the term k(ω) means absorption by atoms and molecules. Here, since the refractive index n(ω) of the electron density is measured, it is assumed that k(ω)=0.
この条件は、原子、分子の吸収スペクトル線から離れた
波長の光を用いれば達成される。This condition can be achieved by using light with a wavelength far away from the absorption spectrum lines of atoms and molecules.
いま、プラズマの自由電子の角周波数をω０、電子の電
荷をｅｌ 電子の質量をｍｏ、誘電率をεの、電子密
度をＮ、とすると、
（ｔｌｓ：ｌ： （ｅ ２・Ｎ＠／ ｍｓ Ｈεｓ）
”２によって与えられる。Now, if the angular frequency of free electrons in the plasma is ω0, the charge of the electron is el, the mass of the electron is mo, the permittivity is ε, and the electron density is N, then (tls:l: (e 2・N@/ms Hεs)
“Given by 2.
一方、屈折率ｎは、 ｎ＝ （１−（ω、／ω）すＩ７２ である。On the other hand, the refractive index n is n= (1-(ω,/ω)suI72 It is.
ここで、ωは光の角周波数である。光の角周波数は電子
の角周波数よりも非常に大きいので、ω〉〉ω、であり
、上記の式は、
ｎ＝１−（ω、／ω）２／２
に変形できる。Here, ω is the angular frequency of light. Since the angular frequency of light is much larger than that of electrons, ω>>ω, and the above equation can be transformed into n=1−(ω,/ω)2/2.
プラズマの長さをＬとすれば、その光学的距離はｎ−Ｌ
であり、電子密度による光学距離の変化ΔＸは、
ΔＸ＝Ｌ （ｎ−１） −Ｌ （−ωｔ２／ω２） ／
２である。If the length of the plasma is L, its optical distance is n-L
The change in optical distance ΔX due to electron density is ΔX=L (n-1) −L (-ωt2/ω2) /
It is 2.
ここで、変調器４により参照先の周波数をｆ、だけ変調
させたとし、レーザー光の周波数をｆｅｌ 光学距離
の変化を時間ｔの関数として２ΔＸ （ｔ）と表現する
ことにすると、
測定光の振幅Ｅ電は、
Ｅ ＋＝ Ｅｓ −ｅｘｐｉ（２πｆ ＠ｔ ＋４π・
２ΔＸ（ｔ）／λ）と表現できる。Here, suppose that the frequency of the reference destination is modulated by f by the modulator 4, and the frequency of the laser beam is expressed as fel, and the change in optical distance is expressed as 2ΔX (t) as a function of time t. The amplitude E electric is E + = Es − expi (2πf @t +4π・
2ΔX(t)/λ).
ここで、λはレーザー光の波長、Ｅｓは定数である。Here, λ is the wavelength of the laser beam, and Es is a constant.
一方、参照先の振幅Ｅ２は、
Ｅ２＝Ｅｒ・ｅｘｐｉ （２π（ｆｓ＋ｆａ）を十〇）
と表現できる。On the other hand, the reference amplitude E2 is E2=Er・expi (2π(fs+fa) is 10)
It can be expressed as
ここで、Ｅ７、θは定数である。Here, E7 and θ are constants.
測定光と参照光とによる干渉ビート信号の強さＩ は
、
Ｉ −＝Ｋ Ｉ Ｅｌ＋Ｅ２１２
＝Ｋ（ｌ Ｅｓ１２＋ ｌ Ｅ、１２＋２ＥｓＥｒｃｏ
ｓ［２πｆ、ｔ−４π・２ΔＸ （ｔ）／λ−θ］）と
表現される。The intensity I of the interference beat signal caused by the measurement light and the reference light is I −=K I El+E212 =K(l Es12+ l E, 12+2EsErco
s[2πf, t-4π·2ΔX (t)/λ-θ]).
二二で、Ｋは光電変換効率である。22, K is the photoelectric conversion efficiency.
光学距離の変化成分は第３項に含まれているので、バイ
パスフィルターによって交流成分のみを取出し、交流成
分を工とすると、■は、１＝２ＫＥｓＥｒｃｏｓ［２π
ｆａｔ−４π・２ΔＸ（ｔ）／λ−θ］
と表現できる。Since the change component of the optical distance is included in the third term, if we extract only the AC component using a bypass filter and use the AC component as an equation, ■ becomes 1=2KEsErcos[2π
fat-4π·2ΔX(t)/λ-θ].
従って、この干渉ビート信号を復調すると、復調信号Ｓ
が
Ｓ＝４π・２ΔＸ（ｔ）／λ
として得られる。Therefore, when this interference beat signal is demodulated, the demodulated signal S
is obtained as S=4π·2ΔX(t)/λ.
従って、
５＝ｅ２λＬＮ＊ （ｔ）／ｙｃｃ２ｍｓεｍが得られ
、Ｓを測定すると、電子密度Ｎ、が得られる。Therefore, 5=e2λLN*(t)/ycc2msεm is obtained, and when S is measured, the electron density N is obtained.
従って、本発明に係わる電子密度測定装置は、１台のレ
ーザー発振器から出射されたレーザー光を二分割して一
方の分割レーザー光を光変調器を用いて一定周波数で変
調し、他方の分割レーザー光をプラズマの中に導き、そ
の他方の分割レーザ一部をプラズマ電子密度による屈折
率の変化に基づき変調させ、そのプラズマの中を通って
きた他方の分割レーザー光とその一方の分割レーザー光
とを干渉させて受光器に導き、その受光器から出力され
る干渉ビート信号を復調して、プラズマ中の電子密度を
測定することを特徴とする。Therefore, the electron density measuring device according to the present invention splits the laser beam emitted from one laser oscillator into two, modulates one divided laser beam at a constant frequency using an optical modulator, and modulates the other divided laser beam with a constant frequency. Light is guided into the plasma, and part of the other split laser beam is modulated based on the change in refractive index due to the plasma electron density, and the other split laser beam that has passed through the plasma is separated from the other split laser beam. The method is characterized in that the electron density in the plasma is measured by interfering with the plasma and guiding it to a photoreceiver, and demodulating the interference beat signal output from the photoreceiver.
（実施例）
以下に本発明に係わる電子密度測定装置の実施例を図面
を参照しつつ説明する。(Example) Examples of the electron density measuring device according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
第２図において、２０はレーザー発振器である。In FIG. 2, 20 is a laser oscillator.
ここでは、レーザー発振器２０としてはＨｅ−Ｎ。Here, the laser oscillator 20 is He-N.
レーザーを用い、直線偏光のレーザー光を出力する。こ
のレーーー光の偏光面は紙面に対して平行（Ｐ偏光）で
ある、レーザー発振器２０から出射されたレーザー光は
光軸調整用ミラー２１．２２により反射されて、ビーム
スプリッタ２３に導かれる。A laser is used to output linearly polarized laser light. The polarization plane of this laser light is parallel to the plane of the paper (P polarization). The laser light emitted from the laser oscillator 20 is reflected by the optical axis adjustment mirrors 21 and 22 and guided to the beam splitter 23.
光軸調整用ミラー２１．２２は光干渉＠２３’に対する
光軸の高さ、方向、水平位置を調整する機能を果たす、
レーザー光の一部はそのビームスプリッタ２３により反
射されて、直角プリズム２４に導かれ、二の直角プリズ
ム２４によって音響光学効果を用いた変調器２５に導か
れる。変調器２５はレーザー光の周波数を一定周波数で
変調する。ビームスプリッタ２３を透過したレーザー光
は偏光ビームスプリッタ２６に導かれる。そして、この
偏光ビームスプリッタ２６を透過して１／４波長板２７
に導かれる。そして、この１７４波長板２７によって位
相がπ／４（直線偏光が円偏光に変換）だけずらされて
、外部のプラズマ装置２８に導かれ、プラズマにより光
学的変調を受け、全反射ミラー２９に導かれる。そして
、その全反射ミラー２９により反射されて、プラズマ装
置２８を通過して１／４波長板２７に導かれる。そして
、再び位相がπ／４だけずらされてビームスプリッタ２
６に戻る。従って、円偏光のレーザー光は初期に対して
π／２だけ位相がずれたＳ偏光となり、このビームスプ
リッタ２６により反射されて偏光板３０に導かれ、この
偏光板３０を通過して光軸調整用ミラー３１に導かれる
。変調器２５により変調されたレーザー光は直角プリズ
ム３２により反射され、偏光ビームスプリッタ２６に導
かれ、この偏光ビームスプリッタ２６を透過して、偏光
板３０に導かれる。偏光ビームスプリッタ２６を透過し
たレーザー光と偏光ビームスプリッタ２６により反射さ
れたレーザー光とは合成されて干渉し、その干渉光はア
イリス３３を通過してレンズ３４により光検出１１３５
に結像される。これにより、光検出器３５は干渉ビート
信号を出力し、その干渉ビート信号はプリアンプリファ
イア−３６で増幅され、復調１！３７により復調され、
復調信号５Ｉｌｌが出力され、電子密度が求められる。The optical axis adjustment mirrors 21 and 22 function to adjust the height, direction, and horizontal position of the optical axis with respect to optical interference @23'.
A portion of the laser light is reflected by the beam splitter 23 and guided to a right angle prism 24, and then guided by the second right angle prism 24 to a modulator 25 using an acousto-optic effect. The modulator 25 modulates the frequency of the laser beam at a constant frequency. The laser light transmitted through the beam splitter 23 is guided to a polarizing beam splitter 26. Then, it passes through this polarizing beam splitter 26 and passes through the 1/4 wavelength plate 27.
guided by. Then, the phase is shifted by π/4 (linearly polarized light is converted to circularly polarized light) by this 174 wavelength plate 27, and the light is guided to an external plasma device 28, optically modulated by the plasma, and guided to a total reflection mirror 29. It will be destroyed. Then, the light is reflected by the total reflection mirror 29, passes through the plasma device 28, and is guided to the quarter-wave plate 27. Then, the phase is shifted by π/4 again and the beam splitter 2
Return to 6. Therefore, the circularly polarized laser beam becomes S-polarized light whose phase is shifted by π/2 from the initial stage, is reflected by this beam splitter 26, guided to the polarizing plate 30, and passes through this polarizing plate 30 to adjust the optical axis. mirror 31 for use. The laser beam modulated by the modulator 25 is reflected by a right-angle prism 32 and guided to a polarizing beam splitter 26, transmitted through this polarizing beam splitter 26, and guided to a polarizing plate 30. The laser beam transmitted through the polarizing beam splitter 26 and the laser beam reflected by the polarizing beam splitter 26 are combined and interfered, and the interference light passes through the iris 33 and is optically detected by the lens 34 1135
is imaged. As a result, the photodetector 35 outputs an interference beat signal, which is amplified by the preamplifier 36 and demodulated by the demodulator 1!37.
A demodulated signal 5Ill is output, and the electron density is determined.
なお、偏光板３０は干渉されるレーザー光の偏光面が直
交しているので参照光と測定光との光量比が１： １に
なるように調整する機能を有し、光検出＠３５から出力
される干渉ビート信号が最大となるように調整する。光
軸調整用ミラー３１は光検出１１３５に対する光軸調整
に用いる。また、ビームスプリッタ詔、直角プリズム２
４．３２、光変調器２５の入射面にはＨｅ−Ｎｅレーザ
ー光の反射防止膜が蒸着されている。さらに、プリアン
プリファイア−３６、復調ｌｌ３７． 電源回路（図
示を略す）は光学台３８の下部に設けられている。In addition, since the polarization planes of the laser beams to be interfered with are perpendicular to each other, the polarizing plate 30 has a function of adjusting the light intensity ratio of the reference beam and the measuring beam to 1:1, and outputs from the photodetector@35. Adjust so that the interference beat signal is maximized. The optical axis adjustment mirror 31 is used for optical axis adjustment for the photodetector 1135. Also, beam splitter rule, right angle prism 2
4.32. An antireflection film for He--Ne laser light is deposited on the incident surface of the optical modulator 25. Furthermore, a preamplifier 36, a demodulator ll37. A power supply circuit (not shown) is provided at the bottom of the optical bench 38.
復調信号Ｓ、。の電圧から直接電子密度に変換するには
以下に説明する公知の手段を用いる。Demodulated signal S. To convert the voltage directly into electron density, a known means described below is used.
復調信号Ｓｉｎは第４図に示す回路に入力される。The demodulated signal Sin is input to the circuit shown in FIG.
その第４図において、４０は中心周波数ｆｓのバンドパ
スフィルター ４１は増幅器、４２は遅延回路で、Ｓ
＋ｎ＝ｃｏｓ （２πｆａｔ＋φ（ｔ））を第４図に示
す回路を通すと、増幅器４１からｃｏｓ２πｆ＠ｔの信
号が出力さ、れ、遅延回路４２によってπ／２だけ遅延
されて、加算＠４３からは、加算出力５ｏｕｔが出力さ
れ、加算出力Ｓ ｏｕｔは以下の式によって表現される
。In FIG. 4, 40 is a bandpass filter with a center frequency fs, 41 is an amplifier, 42 is a delay circuit, and S
When +n=cos (2πfat+φ(t)) is passed through the circuit shown in FIG. , an addition output 5out is output, and the addition output S out is expressed by the following equation.
５ｏｕｔ＝ｃｏｓ（２πｆｓｔ＋φ（ｔ））ｃｏｓ（２
πｆｓｔ＋π／２）＝ｃｏｓ（４πｆａｔ＋φ（ｔ）＋
ｘ ／ ２）／ ２十ｃｏｓ（φ（１）−π／２）
ここで、第１項はＦＭ信号、第２項はＡＭ信号を意味す
る。5out=cos(2πfst+φ(t))cos(2
πfst+π/2)=cos(4πfat+φ(t)+
x/2)/20 cos(φ(1)−π/2) Here, the first term means the FM signal, and the second term means the AM signal.
もし、屈折率による光学距離の変化が、２Δ）（＝ｄｓ
ｉｎωｔ
であるとすると、
Ｓ Ｉａ＝ＣＯ！ｌ （２πｆ＠ｔ＋４πｄ ｓｉｎω
ｔ／λ）観測信号は実数であるので、出力電圧Ｖ ＜ｔ
＞は、ベッセル関数を用いて、
Ｖ （ｔ） ＝Ｒｅ ［ｅ１ωｔ （Ｊ＠（４πｄ／λ
）＋２ｉＪ＋（４ｍｄ／λ） ｓｉｎωし＋２Ｊ２（４
ｚｄ／λ） ５ｉｎ２ωｔ＋・・・）］
として表わされる。If the change in optical distance due to refractive index is 2Δ)(=ds
If inωt, S Ia=CO! l (2πf@t+4πd sinω
t/λ) Since the observed signal is a real number, the output voltage V < t
> using the Bessel function, V (t) = Re [e1ωt (J@(4πd/λ
)+2iJ+(4md/λ) sinω+2J2(4
zd/λ) 5in2ωt+...)]
この観測信号をスベグトル分布で見ると、第５図に示す
ようなものとなる。If we look at this observed signal in terms of a Svegtle distribution, we get something like the one shown in Figure 5.
ここで、
Ｊ＋（４πｄ／λ）／ Ｊ ａｃ４ ｘ ｄ ／λ）＝
２ｘｄ／λであるので、Ｊ ＋ ＝ Ｊ ＠を求めると
、ｄが求められる。Here, J+(4πd/λ)/J ac4 x d/λ)=
Since 2xd/λ, d can be found by finding J + = J@.
そこで、第６図に示すようにオートゲインコントロール
回路４４と増幅回路４５とを第４図に示す回路に付加し
、キャリア信号を一定にすると、Ｊ ｓ ＝ ｃｏｎｓ
ｔ＝ Ａ
故に。Therefore, as shown in FIG. 6, if an auto gain control circuit 44 and an amplifier circuit 45 are added to the circuit shown in FIG. 4 and the carrier signal is kept constant, J s = cons.
t=A Therefore.
Ｊ ＋ ／ Ａ ＝ ２πｄ／λ
よって、ｄ ” Ｊ ＋λ／２πＡ
従って、このｄを求めれば、△Ｘが求められ、光学距離
の時間変化が得られる。この光学距離の時間変化が求め
られれば、プラズマの角周波数ωρが求められ、プラズ
マの角周波数ωρと電子密度Ｎ、どの間には一定の関係
があるので、電子密度Ｎ、が求められる。これらは復調
して得られた復調信号をオシロスコープに表示するだけ
で電子密度の時間変化を直接読み取ることができ、リア
ルタイム測定が可能である。J + / A = 2πd/λ Therefore, d ” J +λ/2πA Therefore, if this d is found, △X is found, and the time change of the optical distance is obtained. If the time change of this optical distance is found, The angular frequency ωρ of the plasma is determined, and since there is a certain relationship between the angular frequency ωρ of the plasma and the electron density N, the electron density N is determined. It is possible to directly read the change in electron density over time simply by displaying it on the screen, making real-time measurement possible.
なお、Ｊｌはω８＋ω、ωＢ−ωにおける電圧である。Note that Jl is the voltage at ω8+ω and ωB−ω.
第３図は本発明に係わる電子密度測定装置によって測定
した放電プラズマ中の電子密度のグラフを示しており、
実線はヘリウムガスが２ＴＯｒｒの場合、点線はヘリウ
ムガスが２０ＴＯｒｒの場合を示している。なお、プラ
ズマ放電はＩＯＫ Ｖの電圧で充電した２８００ＰＦの
コンデンサーによってヘリウム中に放電を起こさせるこ
とによって得た。FIG. 3 shows a graph of electron density in discharge plasma measured by the electron density measuring device according to the present invention.
The solid line shows the case where the helium gas is 2 TOrr, and the dotted line shows the case where the helium gas is 20 TOrr. The plasma discharge was obtained by causing a discharge in helium using a 2800PF capacitor charged with a voltage of IOK V.
第７図、第８図は干渉ビート信号を光学的手段を用いて
安定させるための実施例を示し、光学距離調整手段とし
てのプリズム５０．５１を用いて、ハーフミラ−５５か
ら反射ミラー２９までの２倍の距離とそのハーフミラ−
５５から光検出器３５までの距離との和がレーザー発振
器の長さ１１（第８図参照）の１／２の整数倍となるよ
うに光学距離を調整することにしたものであり、その第
７図において、５２はハーフミラ−５３，５４は全反射
ミラー ５５はハーフミラ−である。7 and 8 show an embodiment for stabilizing the interference beat signal using optical means, and using prisms 50 and 51 as optical distance adjusting means, the distance from the half mirror 55 to the reflecting mirror 29 is Double distance and its half mirror
The optical distance was adjusted so that the sum of the distance from 55 to the photodetector 35 was an integral multiple of 1/2 of the length 11 of the laser oscillator (see Figure 8). In FIG. 7, 52 is a half mirror, 53 and 54 are total reflection mirrors, and 55 is a half mirror.
つまり、第８図に示すように、ハーフミラ−５５から反
射ミラー２９までの２倍の距離とそのハーフミラ−５５
から光検出器３５までの距離との和を横軸として干渉計
からの距離とし、縦軸に干渉ビート信号の出力をとると
、実線で示すように干渉ビート信号の出力が変化し、レ
ーザー発振器の距離９の１／２の整数倍の箇所でその出
力が最大となるため、反射ミラー２９を矢印方向に動か
して干渉ビート信号を安定化させることもできるが、レ
ーザー光がプラズマ装置２８の中を２回通過することに
なることに基づく時間的なずれを極力なくすために、反
射ミラー２９を極力プラズマ装置２８に近付けて配置す
ることが望ましいことと、プラズマ装置２８の大きさに
よって反射ミラー２９の位置が制約されることとから、
プリズム５１を矢印方向に移動させて、干渉ビート信号
の安定化を図ることにしたものであり、プリズム５１を
矢印方向に調整すると第８図に破線ａで示すように安定
した干渉ビート信号の復調出力が得られる。In other words, as shown in FIG.
If the horizontal axis is the distance from the interferometer and the vertical axis is the output of the interference beat signal, the output of the interference beat signal changes as shown by the solid line, and the laser oscillator Since the output reaches its maximum at a point that is an integral multiple of 1/2 of the distance 9, the interference beat signal can be stabilized by moving the reflection mirror 29 in the direction of the arrow. In order to minimize the time lag caused by passing through the plasma device twice, it is desirable to place the reflecting mirror 29 as close to the plasma device 28 as possible, and depending on the size of the plasma device 28, the reflecting mirror 29 Since the position of is restricted,
It was decided to stabilize the interference beat signal by moving the prism 51 in the direction of the arrow. When the prism 51 is adjusted in the direction of the arrow, the stable interference beat signal is demodulated as shown by the broken line a in FIG. I get the output.
なお、ハーフミラ−５２とハーフミラ−５３との間にプ
リズム５０．５１に相当する機能を有する光学部材を設
けてもよい。Note that an optical member having a function corresponding to the prism 50, 51 may be provided between the half mirror 52 and the half mirror 53.
（効果）
本発明に係わる電子密度測定装置は、以上説明したよう
に構成したので、取り扱いが容易であり、プラズマと電
子密度測定装置との離間距離も任意に設定でき、電子密
度の遠隔操作が可能である。(Effects) Since the electron density measuring device according to the present invention is constructed as described above, it is easy to handle, the distance between the plasma and the electron density measuring device can be set arbitrarily, and the electron density can be controlled remotely. It is possible.
また、電子密度測定装置の構成も簡単であり、汎用性が
あり、プラズマ内の電子密度の時間的変化も直接読み取
ることができ、リアルタイムの測定が可能である。Furthermore, the configuration of the electron density measuring device is simple and versatile, and it is possible to directly read temporal changes in electron density in plasma, making real-time measurement possible.
第１図は本発明に係わる電子密度測定装置に用いる測定
光学系の原理を説明するための図、第２図は本発明に係
わる電子密度測定装置の実施例を示す測定光学系図、
第３図は第２図に示す電子密度測定装置によっての測定
結果の一例を示すグラフ、
第４図はその測定回路の一例を示す図、第５図はスペク
トル分布を示す図、
第６図はその測定回路の詳細例を示す図、第７図は本発
明に係わる電子密度測定装置の他の例を示す測定光学系
図、
第８図は第７図に示す電子密度測定装置の効用を説明す
るためのグラフ、
第９図はプローブ法の測定装置の説明図、第１０図はプ
ローブ法により得られたプローブ特性図、
第１１図は光干渉法の測定装置の説明図、第１２図はそ
の光干渉法により得られる干渉縞の説明図、
第１３図は光ヘテロダイン法による測定装置の説明図、
である。
１・・・レーザー光源
２・・・ハーフミラ−
３・・・全反射ミラー
４・・・変調器
５・・・全反射ミラー
６・・・ハーフミラ−
７・・・プラズマ装置
１０・・・光検出器
１２・・・復調回路
第７図
第８図FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the measurement optical system used in the electron density measuring device according to the present invention, FIG. 2 is a diagram of the measuring optical system showing an embodiment of the electron density measuring device according to the present invention, and FIG. is a graph showing an example of the measurement result by the electron density measuring device shown in Fig. 2, Fig. 4 is a diagram showing an example of the measurement circuit, Fig. 5 is a diagram showing the spectral distribution, and Fig. 6 is the measurement circuit. 7 is a measurement optical system diagram showing another example of the electron density measuring device according to the present invention, and FIG. 8 is a graph for explaining the effectiveness of the electron density measuring device shown in FIG. 7. , Fig. 9 is an explanatory diagram of the measuring device of the probe method, Fig. 10 is a diagram of probe characteristics obtained by the probe method, Fig. 11 is an explanatory diagram of the measuring device of the optical interferometry, and Fig. 12 is the optical interferometry. Fig. 13 is an explanatory diagram of interference fringes obtained by the method, and Fig. 13 is an explanatory diagram of a measuring device using the optical heterodyne method. 1... Laser light source 2... Half mirror 3... Total reflection mirror 4... Modulator 5... Total reflection mirror 6... Half mirror 7... Plasma device 10... Light detection Device 12... Demodulation circuit Fig. 7 Fig. 8
Claims (4)
を二分割して一方の分割レーザー光を光変調器を用いて
一定周波数で変調し、他方の分割レーザー光をプラズマ
の中に導き、その他方の分割レーザー光をプラズマ電子
密度による屈折率の変化に基づき変調させ、そのプラズ
マの中を通ってきた他方の分割レーザー光とその一方の
分割レーザー光とを干渉させて受光器に導き、その受光
器から出力される干渉ビート信号を復調して、プラズマ
中の電子密度を測定することを特徴とする電子密度測定
装置。(1) Split the laser beam emitted from one laser oscillator into two, modulate one divided laser beam at a constant frequency using an optical modulator, guide the other divided laser beam into the plasma, etc. One split laser beam is modulated based on the change in refractive index due to the plasma electron density, and the other split laser beam that has passed through the plasma is caused to interfere with the one split laser beam and guided to the receiver. An electron density measurement device that measures electron density in plasma by demodulating an interference beat signal output from a photoreceiver.
離の変化を検出して電子密度を測定することを特徴とす
る請求項１に記載の電子密度測定装置。(2) The electron density measuring device according to claim 1, wherein the electron density is measured by detecting a change in optical distance caused by a change in the refractive index of the plasma.
て生じる光学距離の時間的変化を検出してリアルタイム
で電子密度変化を利用することを特徴とする請求項１に
記載の電子密度測定装置。(3) The electron density according to claim 1, characterized in that a temporal change in optical distance caused by a change in refractive index accompanying a temporal change in electron density is detected and the change in electron density is utilized in real time. measuring device.
ラズマの背後に平面反射鏡が配置されていることを特徴
とする請求項１に記載の電子密度測定装置。(4) The electron density measuring device according to claim 1, wherein the plasma to be measured is placed outside, and a flat reflecting mirror is placed behind the plasma.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1296336A JPH0625736B2 (en) | 1989-11-14 | 1989-11-14 | Electron density measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1296336A JPH0625736B2 (en) | 1989-11-14 | 1989-11-14 | Electron density measuring device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03156346A true JPH03156346A (en) | 1991-07-04 |
| JPH0625736B2 JPH0625736B2 (en) | 1994-04-06 |
Family
ID=17832224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1296336A Expired - Lifetime JPH0625736B2 (en) | 1989-11-14 | 1989-11-14 | Electron density measuring device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0625736B2 (en) |
Cited By (5)
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| JP2008047501A (en) * | 2006-08-21 | 2008-02-28 | Univ Nagoya | Plasma electronic state measuring device and method |
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| KR101357883B1 (en) * | 2011-12-30 | 2014-02-04 | 한국원자력연구원 | Multiple interference device using time resolution |
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-
1989
- 1989-11-14 JP JP1296336A patent/JPH0625736B2/en not_active Expired - Lifetime
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| RU2812336C1 (en) * | 2023-06-02 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) | Method for forming optical discharge |
Also Published As
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|---|---|
| JPH0625736B2 (en) | 1994-04-06 |
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