RU2082963C1 - Method for measurement of density of excited atoms in longitudinal nanosecond discharge - Google Patents

Abstract

FIELD: spectroscopy of plasma. SUBSTANCE: method consists in measurement of value of total absorption within allocated spectral range and length of absorbing layer by which concentration of excited atoms is determined. Length of absorbing layer is found by rate of propagation of ionizing wave of gradient of potential during wave breakdown in gaseous-discharge tube. EFFECT: improved authenticity. 2 dwg

Description

Изобретение относится к спектроскопии плазмы, а точнее к лазерным методам диагностики плазмы. Изобретение может быть использовано при измерении концентрации возбужденных атомов в процессе волнового пробоя в наносекундных разрядах продольной конфигурации. The invention relates to plasma spectroscopy, and more specifically to laser methods for plasma diagnostics. The invention can be used to measure the concentration of excited atoms in the process of wave breakdown in nanosecond discharges of a longitudinal configuration.

Известно, что концентрацию возбужденных атомов, в том числе и метастабильных атомов, можно измерить методом реабсорбции собственного излучения плазмы или полного поглощения излучения от вспомогательного источника [1] При этом можно установить связь между коэффициентом поглощения κ и плотностью возбужденных атомов N_i. В частности для случая доплеровского механизма уширения спектральных линий справедлива следующая формула

,
где f_ik сила осциллятора; e и m₀ заряд и масса электрона; c скорость света в вакууме.It is known that the concentration of excited atoms, including metastable atoms, can be measured by reabsorption of plasma intrinsic radiation or complete absorption of radiation from an auxiliary source [1] In this case, we can establish a relationship between the absorption coefficient κ and the density of excited atoms N _i . In particular, for the case of the Doppler mechanism of broadening of spectral lines, the following formula is valid

,
where f _{ik is} the oscillator strength; e and m _{0 are the} charge and mass of the electron; c is the speed of light in vacuum.

Для измерения коэффициента поглощения κ пользуются известным методом трубки с одним зеркалом или методом двух трубок [1]
Главным недостатком этих методов является малое временное разрешение, что составляет величину порядка нескольких мкс.To measure the absorption coefficient κ use the known method of a tube with one mirror or the method of two tubes [1]
The main disadvantage of these methods is the small time resolution, which is of the order of several microseconds.

Известно также, что плотность возбужденных атомов можно измерить по поглощению спектральной линии на фоне сплошного спектра. В этом способе вводят величину

,
которая называется полным поглощением. Здесь Φ_o и Φ_l световые потоки падающей и вышедшей из поглощающего слоя соответственно, Δν выделенный участок спектра вблизи линии поглощения. Для случая слабого поглощения, когда kl<1 справедливо следующее приближение

где l длина поглощающего слоя. При сильном поглощении, когда κl>1, выполняется другое предельное соотношение

где γ_ik константа столкновительного уширения данной спектральной линии. В промежуточных случаях связь между полным поглощением и плотностью поглощающих атомов можно установить численным расчетом и результаты такого расчета приведены в [1] Недостатком данного метода также является малое временное разрешение.It is also known that the density of excited atoms can be measured by the absorption of the spectral line against the background of a continuous spectrum. In this method, enter the value

,
which is called total absorption. Here Φ _o and Φ _{l are the} light fluxes of the incident and emerging from the absorbing layer, respectively, Δν is the selected part of the spectrum near the absorption line. For the case of weak absorption, when kl <1, the following approximation

where l is the length of the absorbing layer. For strong absorption, when κl> 1, another limit relation holds

where γ _{ik is} the collision broadening constant of a given spectral line. In intermediate cases, the relationship between total absorption and the density of absorbing atoms can be established by numerical calculation and the results of this calculation are given in [1]. The disadvantage of this method is also the small time resolution.

Из известных методов измерения концентрации возбужденных атомов наиболее близким по технической сущности является метод лазерной абсорбционной спектроскопии [2] В основе этого метода лежит метод полного поглощения, где в качестве источника зондирующего излучения использован перестраиваемый по частоте широкополосный лазер на красителе с накачкой азотным лазером. Выбор такого источника излучения позволяет повысить временное разрешение измерений до нескольких нс. Of the known methods for measuring the concentration of excited atoms, the closest in technical essence is the method of laser absorption spectroscopy [2]. The method is based on the method of complete absorption, where a frequency-tunable dye-pumped laser with a nitrogen laser is used as a probe source. The choice of such a radiation source allows one to increase the temporal resolution of measurements to several ns.

Недостатком метода лазерной абсорбционной спектроскопии является то, что он не позволяет учитывать пространственную неоднородность ионизации в длинных трубках в процессе волнового пробоя. The disadvantage of the method of laser absorption spectroscopy is that it does not allow taking into account the spatial inhomogeneity of ionization in long tubes in the process of wave breakdown.

Известно, что при наносекундном пробое в длинных трубках ионизация газа происходит ионизирующей волной градиента потенциала (ИВГП), распространяющейся от высоковольтного электрода к заземленному со скоростью 10⁸ - 10¹⁰ см/с [3] Если такой разряд зондировать лазерным излучением вдоль трубки, то в начальные моменты времени длина поглощающегося слоя растет со временем со скоростью волны ионизации. Так, например, если длина разрядной трубки 40 см, то вдоль всей трубки ионизация газа происходит в течение 4 400 нс в зависимости от скорости ИВГП. Неучет этого обстоятельства может привести к занижению результатов измерений концентрации возбужденных атомов в несколько раз для начальных стадий пробоя.It is known that during nanosecond breakdown in long tubes, gas ionization occurs by an ionizing wave of a potential gradient (IVHP) propagating from a high-voltage electrode to a grounded one at a speed of 10 ⁸ - 10 ¹⁰ cm / s [3] If such a discharge is probed by laser radiation along the tube, then At the initial time, the length of the absorbed layer increases with time with the speed of the ionization wave. So, for example, if the length of the discharge tube is 40 cm, then along the entire tube gas ionization occurs within 4,400 ns, depending on the speed of the IVHP. Failure to take this circumstance into account can lead to an underestimation of the results of measurements of the concentration of excited atoms by several times for the initial stages of breakdown.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что разработан способ определения концентрации возбужденных атомов в процессе волнового пробоя, позволяющий учитывать неодновременность ионизации газа вдоль трубки, путем измерения геометрической длины поглощающего слоя одновременно с измерением полного поглощения лазерного излучения. При этом согласно изобретению становится возможным учет роста длины поглощающего слоя в процессе пробоя. С этой целью вдоль разрядной трубки на определенных расстояниях друг от друга устанавливаются емкостные и оптические (в виде отрезков световодов) датчики. С помощью емкостных датчиков измеряется скорость ИВГП и определяется скорость роста длины поглощающего слоя. С помощью световых датчиков, регистрирующих излучение разряда поперек трубки, контролируется степень однородности разряда вдоль трубки. По результатам этих измерений при расчете концентрации возбужденных атомов по формулам (1) и (2) вместо длины трубки используется длина поглощающего слоя l'=vt

где v скорость ИВГП, t текущее время. Расчеты по формулам (1а) и (2а) ведутся до полного заполнения трубки разрядом.The essence of the invention lies in the fact that a method has been developed for determining the concentration of excited atoms in the process of wave breakdown, allowing to take into account the non-simultaneity of gas ionization along the tube by measuring the geometric length of the absorbing layer simultaneously with measuring the total absorption of laser radiation. Moreover, according to the invention, it becomes possible to take into account the increase in the length of the absorbing layer during the breakdown. For this purpose, capacitive and optical (in the form of segments of optical fibers) sensors are installed along the discharge tube at certain distances from each other. Capacitive sensors measure the velocity of the IVHP and determine the growth rate of the length of the absorbing layer. Using light sensors detecting the radiation of the discharge across the tube, the degree of uniformity of the discharge along the tube is monitored. According to the results of these measurements, when calculating the concentration of excited atoms by formulas (1) and (2), instead of the length of the tube, the length of the absorbing layer l '= vt

where v is the IVGP speed, t is the current time. Calculations according to formulas (1a) and (2a) are carried out until the tube is completely filled with a discharge.

На фиг. 1 показана схема установки для предлагаемого способа. В качестве источника зондирующего излучения использован широкополосный лазер на кристалле 2 с накачкой от азотного лазера 1. Спектр поглощения лазерного излучения в разрядной трубке 3 выделяется монохроматором 6 и регистрируется с помощью ФЭУ 7 и системы регистрации 8 10. Питание ФЭУ осуществлялось высоковольтным стабилизированным источником питания 17. Регистрация излучения выполнялась в цифровом виде с помощью системы регистрации, включающей транзисторный усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9 и счетчик импульсов 10. Для измерения временной зависимости концентрации возбужденных атомов лазер 1 и ГИН 12, возбуждающий разряд, запускаются с регулируемой задержкой относительно друг друга при помощи ГИС 14. Для улучшения точности запуска лазера 1 использовался дополнительный блок запуска 15, выбрасывающий короткие (около 5 мкс) импульсы напряжения амплитудой до 1 кВ, поскольку промышленные ГИС 14, как правило, имеют амплитуду выходных импульсов напряжения до 100 В. Ввиду того что между моментом запуска лазера и его излучением существует определенная задержка, зависящая от конструкции лазера, точная временная привязка зондирующего лазерного импульса с разрядом осуществлялась с помощью сигнала с фотокатода 13 с временем срабатывания менее 0,1 нс, регистрирующего момент появления лазерного импульса, снимаемого с полупрозрачного зеркала 16. С целью уменьшения расходимости лазерного пучка использовалась оптическая система 18, состоящая из двух собирающихся линз с общим фокусным расстоянием около 3 м. Степень продольной однородности разряда контролируется по осциллограммам излучения поперек трубки, снимаемым разными оптическими датчиками. Измерения проводились в условиях, когда продольные неоднородности разряда были невелики. Это наблюдалось при малых коэффициентах затухания ионизующей волны градиента потенциала. Следует отметить, что на данной установке можно определить концентрацию возбужденных атомов и при наличии продольных неоднородностей путем их контроля оптическими датчиками, однако это выходит за рамки задачи, поставленной в изобретении и поэтому здесь не обслуживается. Окончательный расчет концентраций возбужденных атомов выполняется по формулам (1а) и (2а) с использованием результатов измерений величин полного поглощения и скорости волны ионизации. In FIG. 1 shows a setup diagram for the proposed method. A broadband laser on a crystal 2 pumped by a nitrogen laser 1 was used as a probe radiation source. The absorption spectrum of laser radiation in a discharge tube 3 is extracted by a monochromator 6 and recorded using a PMT 7 and a recording system 8 10. The PMT was powered by a high-voltage stabilized power source 17. The radiation was recorded in digital form using a registration system including a transistor amplifier 8, an analog-to-digital converter 9, and a pulse counter 10. For measurement The time dependence of the concentration of excited atoms, laser 1 and GIN 12, the exciting discharge, are started with an adjustable delay relative to each other using GIS 14. To improve the accuracy of starting laser 1, an additional trigger unit 15 was used, emitting short (about 5 μs) voltage pulses with an amplitude up to 1 kV, since industrial GIS 14, as a rule, have an amplitude of output voltage pulses of up to 100 V. Due to the fact that there is a certain delay between the time the laser starts up and its radiation, it depends on laser instructions, the exact temporal reference of the probe laser pulse with the discharge was carried out using a signal from the photocathode 13 with a response time of less than 0.1 ns, recording the instant of appearance of the laser pulse taken from the translucent mirror 16. In order to reduce the divergence of the laser beam, an optical system 18 was used, consisting of two collecting lenses with a total focal length of about 3 m. The degree of longitudinal uniformity of the discharge is controlled by the oscillograms of radiation across the tube, taken by knowing optical sensors. The measurements were carried out under conditions when the longitudinal discontinuities of the discharge were small. This was observed at low attenuation coefficients of the ionizing wave of the potential gradient. It should be noted that in this installation it is possible to determine the concentration of excited atoms even in the presence of longitudinal inhomogeneities by monitoring them with optical sensors, but this is beyond the scope of the task set in the invention and therefore is not serviced here. The final calculation of the concentrations of excited atoms is performed according to formulas (1a) and (2a) using the results of measurements of the total absorption and ionization wave velocity.

Пример. Предлагаемым способом исследован наносекундный разряд в неоне и гелии в диапазоне давлений газа 1 30 торр. На разрядную трубку с диаметром 4 мм и длиной 30 см подавались импульсы напряжения регулируемой амплитуды до 60 кВ с передним фронтом около 10 нс. Исследования показали, что в указанных условиях скорость распространения ИВГП линейно возрастала от 2•10⁸ до 2•10⁹ см/с с повышением амплитуды импульсов напряжения от 20 до 60 кВ. При этом время заполнения трубки разрядом менялось от 15 нс при максимальной скорости до 150 нс при минимальной скорости распространения ИВГП. При скоростях волн ионизации, близких к 10⁸ см/с, учет неодновременности ионизации вдоль трубки при измерениях плотности возбужденных атомов становится существенным в течение 150 нс с момента старта волны ионизации у высоковольтного электрода.Example. The proposed method investigated the nanosecond discharge in neon and helium in the range of gas pressures of 1 30 torr. Voltage pulses of adjustable amplitude up to 60 kV with a leading edge of about 10 ns were applied to the discharge tube with a diameter of 4 mm and a length of 30 cm. Studies have shown that under the indicated conditions, the propagation velocity of IHVG linearly increased from 2 • 10 ⁸ to 2 • 10 ⁹ cm / s with increasing amplitude of voltage pulses from 20 to 60 kV. In this case, the tube filling time with a discharge varied from 15 ns at a maximum speed of up to 150 ns at a minimum velocity of propagation of IVHP. At ionization wave velocities close to 10 ⁸ cm / s, taking into account the non-simultaneous ionization along the tube when measuring the density of excited atoms becomes significant for 150 ns from the start of the ionization wave at the high-voltage electrode.

Порядок выполнения измерений. Устанавливается определенная задержка t между запуском разряда и лазера. Для этого момента времени с помощью емкостных датчиков измеряется скорость распространения ИВГП. При всех последующих измерениях, если не меняется давление газа и амплитуда напряжений на разрядной трубке, величина скорости ИВГП остается постоянной. Затем измеряется с помощью системы регистрации световой поток, прошедший через разрядную трубку. При этом монохроматор 6 настраивается на излучаемую спектральную линию поглощения так, чтобы она находилась примерно посередине выделенного участка спектра Δν. Сама величина Dn определяется по ширине выходной щели и дисперсии монохроматора. Эта процедура классическая и она изложена, например, в [1] Таким образом, измеряется величина F₁ в относительных единицах. Для измерения Φ_o делается тоже самое, только при выключенном разряде. По этим данным вычисляется величина полного поглощения А, а по формулам (1) или (2) концентрация возбужденных атомов для момента времени t. Выполняя аналогичные измерения и вычисления для других задержек запуска лазера относительно разряда, можно получить зависимость концентрации возбужденных атомов от времени. В качестве иллюстрации на фиг. 2 приведена зависимость плотности возбужденных атомов He(2³S) от времени, полученная с учетом переменной длины поглощающего слоя. Полное поглощение измерялось на длине волны 338,9 нм.The procedure for taking measurements. A certain delay t is established between the start of the discharge and the laser. For this point in time, the capacitance sensors measure the velocity of propagation of IVHP. In all subsequent measurements, if the gas pressure and the amplitude of the voltages on the discharge tube do not change, the value of the IVHP velocity remains constant. Then, the luminous flux transmitted through the discharge tube is measured using a registration system. In this case, the monochromator 6 is tuned to the radiated absorption spectral line so that it is located approximately in the middle of the selected portion of the spectrum Δν. The value of Dn itself is determined by the width of the exit slit and the dispersion of the monochromator. This procedure is classical and it is described, for example, in [1] Thus, the value of F ₁ is measured in relative units. The same thing is done for measuring Φ _o , only when the discharge is off. Based on these data, the total absorption A is calculated, and according to formulas (1) or (2), the concentration of excited atoms for time t. Carrying out similar measurements and calculations for other delays in starting the laser relative to the discharge, we can obtain the dependence of the concentration of excited atoms on time. By way of illustration in FIG. Figure 2 shows the time dependence of the density of excited He (2 ³ S) atoms, obtained taking into account the variable length of the absorbing layer. Total absorption was measured at a wavelength of 338.9 nm.

Предложенный способ измерения концентрации возбужденных атомов по сравнению с другими способами позволяет корректно измерять длину поглощающего слоя разряда в условиях волнового пробоя. The proposed method for measuring the concentration of excited atoms in comparison with other methods allows one to correctly measure the length of the absorbing layer of a discharge under conditions of wave breakdown.

Определение концентрации возбужденных атомов описанным выше способом обеспечивает измерение заселенностей возбужденных состояний атомов в процессе пробоя до полного заполнения зарядной трубки плазмой. Вследствие этого становится возможным построение адекватных моделей начальных стадий пробоя в наносекундных разрядах. Determination of the concentration of excited atoms by the method described above provides a measurement of the populations of the excited states of atoms in the process of breakdown until the charge tube is completely filled with plasma. As a result of this, it becomes possible to construct adequate models of the initial stages of breakdown in nanosecond discharges.

Испытания предложенного способа показали, что неучет неодновременности ионизации вдоль трубки может привести к ошибкам измерения заселенностей возбужденных состояний атомов более чем на порядок. Tests of the proposed method showed that neglecting the non-simultaneity of ionization along the tube can lead to errors of more than an order of magnitude in measuring populations of excited states of atoms.

Источники информации
1. Фриш С.Э. Определение концентрации нормальных и возбужденных атомов и сил осцилляторов методом испускания и поглощения света. Сб. Спектроскопия плазмы. Л. Наука, 1970, с. 7 62.Sources of information
1. Frisch S.E. Determination of the concentration of normal and excited atoms and oscillator strengths by the method of emission and absorption of light. Sat Spectroscopy of plasma. L. Science, 1970, p. 7 62.

2. Ашурбеков Н. А. Кинетика заселения возбужденных состояний атомов в послесвечении мощного импульсного разряда наносекундной длительности в неоне и гелии. Канд. диссертация. Л. ЛГУ, 1985, 184 с. 2. Ashurbekov N. A. Kinetics of the population of excited states of atoms in the afterglow of a powerful pulsed discharge of nanosecond duration in neon and helium. Cand. thesis. L. Leningrad State University, 1985, 184 p.

3. Асиновский Э.И. и др. ТВТ, 1983, т. 21, N 3, с. 577. 3. Asinovsky E.I. and other TVT, 1983, v. 21, No. 3, p. 577.

Claims (1)

Способ определения концентрации возбужденных атомов в продольном наносекундном разряде, заключающийся в вычислении концентрации возбужденных атомов по измеренным величинам полного поглощения в выделенном спектральном диапазоне на фоне широкополосного спектра зондирующего лазера на красителе и длины поглощающего слоя, отличающийся тем, что в течение времени волнового пробоя длину поглощающего слоя определяют по скорости распространения ионизующей волны градиента потенциала. A method for determining the concentration of excited atoms in a longitudinal nanosecond discharge, which consists in calculating the concentration of excited atoms from the measured total absorption in the selected spectral range against the background of the broadband spectrum of the probe dye laser and the length of the absorbing layer, characterized in that the length of the absorbing layer during the wave breakdown time determined by the propagation velocity of the ionizing wave of the gradient of the potential.

Images