Рефракция на атомах и ионах
В низкотемпературной плазме требуется учитывать наличие нейтральных атомов
на электронах
на атомах
вдали от линий, при низких температурах
полярзуемость атома 
для видимой области спектра
[см]
газ |
А |
В |
H2 |
5·10-24 |
8·10-11 |
He |
1.3·10-24 |
2·10-11 |
воздух |
1.1·10-23 |
6·10-10 |
Ar |
1.04·10-23 |
6·10-11 |
Суммарная разность хода в интерференционных полосах |
|
2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вклад возбуждённых атомов
Для длины волны 694.3 нм (рубиновый лазер) вклад атомов и ионов сравнивается ( =0 !!!)
при =2.2% для водорода и =0.56% для гелия ( – степень ионизации)
В слабоионизированной плазме нельзя пользоваться оптическими константами для газов из справочников, поскольку в такой среде, в отличии от газа при нормальных условиях, велика доля атомов в возбуждённых состояниях!
главное поляризуемость квантовое водорода
число
1 
4.6
2 165
3 
1640
4 ~104
Определение как ne, так и na возможно при одновременном измерении сдвига фаз для двух длин волн (интерферометрия)
Интерферометрия плазмы
Классическая интерферометрия: n << nc, без магнитного поля или поперёк поля при E || H
[радиан, см, см-3]
Характерные плотности, для набега фазы в полосах: |
2 |
||||
<nl>, см-2 |
1 |
10-1 |
10-2 |
10-3 |
|
СВЧ |
8 мм |
3·1013 |
3·1012 |
3·1011 |
3·1010 |
HCN |
0.337 мм |
6.5·1014 |
6.5·1013 |
6.5·1012 |
6.5·1011 |
He-Ne |
3.39 мкм |
6.5·1016 |
6.5·1015 |
6.5·1014 |
6.5·1013 |
He-Ne |
1.15 мкм |
1.9·1017 |
1.9·1016 |
1.9·1015 |
1.9·1014 |
СВЧ диагностики плазмы
• Отсечка
сигнал пропадает при
n> nc
•Рефлектометрия
сигнал появляется при
n≈ nc
флуктуации плотности
• СВЧ интерферометр
измеряется сдвиг фазы при n < nc
плазма антенна 
излучателя
СВЧ |
детектор |
|
генератор |
||
|
||
детектор |
приёмная |
|
антенна |
||
|
||
приёмная |
|
|
антенна |
n = nc |
СВЧ волны передаются по волноводам
плазма
СВЧ |
детектор |
|
генератор |
||
|
||
разветвитель |
смеситель |
аттенюатор фазовращатель
Пример СВЧ диагностики
Плазма в токамаке.
Система на двух частотах одновременно (90 и 70 ГГц), совмещены интерферометр и отсечка.
отсечка (два сигнала)
интерферометр 90 ГГц
интерферометр 70 ГГц
время
время, недоступное для этой методики
Интерферометрия с визуализацией поля
лазер
>
плазма
>
> |
> |
широкий луч
плазмы нет (юстировка)
приёмник
плазма есть
Если угол между лучами , то расстояние между максимумами d равно: Методика позволяет однозначно интерпретировать большие сдвиги фаз. Требуется, чтобы вся плазма захватывалась на изображение.
1
d 2sin( 
2)
Для реальной точности фотометрирования ~0.1 полосы чувствительность составляет: для плазмы <neL>min = 3·1016 см-2, для водорода <naL>min = 1.3·1018 см-2 ( = 694.3 нм)
Режимы съёмки: |
• кадровый (импульсное освещение или ЭОП в качестве затвора) |
|
• щелевая развёртка изображения (динамика плотности во времени) |
Резонансная интерферометрия:
• большое увеличение чувствительности вблизи выбранного перехода
Визуализация поля - пример
мишень |
плазменный факел |
лазер
Облучение мишени лазером
длина волны: 1.054 мкм длительность: 1 пс мощность: 1 ТВт фокальное пятно: 5 мкм
удельная мощность: 3·1018 Вт/см2
В разлетающейся плазме образуется канал, в котором происходит нелинейная самофокусировка луча!
O.Willi, Phil.Trans.R.Soc.Lond.A (1999) 357, 555-574
Схемы лучевых интерферометров
Маха – Цандера |
Майкельсона |
зеркало |
детектор |
плазма
лазер
делительная
пластина
Легче сделать изображающую схему |
Выше чувствительность |
|
Меньше точных элементов |
|
|
Лучевая интерферометрия |
|
|||||
|
|
|
|
схема устройства весьма условна и неправильна |
||||
|
|
|
|
Измерение <nl> = ∫ndl вдоль заданной хорды |
||||
I I0 |
cos2 ( 2) |
плохо! |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
B |
|
|
0 |
. 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
плохо! |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
0 |
0 . 5 |
1 |
1 . 5 |
2 |
2 . 5 |
3 |
|
|
|
Выбор рабочей точки для малых сдвигов фазы: |
|
|
||||
•почти линейная зависимость сигнала от сдвига фазы
•для случая B линейный интервал в два раза больше, чем для случая A
•при приближении к точкам экстремума ошибки восстановления увеличиваются, появляется неоднозначность в восстановлении сигнала (плохо!)
•выбор спадающего или растущего участка синусоиды неважен, если знак известен
Модуляция фазы – большая плотность
При больших сдвигах фазы возникают проблемы востановления сигнала:
• необходимость учитывать нелинейность A~A0cosφ
•неопределённость направления изменение фазы в точках экстремумов
•для длительных квазистационарных процессов: вариации A или φ
•решение: ввести быструю модуляцию фазы опорного луча
9-канальный HCN интерферометр-поляриметр токамака TEXTOR
|
rotating grating |
|
Laser |
|
|
|
|
Detector 1
Plasma
Detector 2