1.2. Conceptul generalizat al unui laser ....... .... 18
1.3. Metode pentru crearea de inversiuni în mediile active. 19
1.4. Rezonatoare optice ...... .. ....... ......... .. .... 24
1.5. Eficiența laserelor
acțiune) ............................... .......... .... 28
Capitolul 2. Principalele tipuri de lasere în diagnoza plasmei. 30
2.1. Lasere de gaz ............... .. ....... .... .......... ....... 31
2.2. Lăzile cu coloranți lichizi ...... .. ... .......... 42
2.3. Lasere de stare solidă ......................... .......... 45
2.4. Semiconductori de injecție lasere .......... 48
Capitolul 3. Propagarea undelor electromagnetice într-o plasmă. ................................................. ....... 50
3.1. Bazele electrodinamicii plasmatice ...................... 50
3.2. Undele electromagnetice într-o plasmă izotropă. Frecvența efectivă de coliziune ...................... 51
3.3. Undele electromagnetice într-o plasmă activă magnetic. 56
Capitolul 4. Tehnici de diagnostic bazate pe absorbția, reflexia și deformarea radiației de sondare într-o plasmă ......................... ....... 58
4.1. Absorbția radiației electromagnetice în
4.2. Refracția undelor electromagnetice în plasmă .... 60
4.3. Metoda de fotografiere a umbrelor 61
Capitolul 5. Interferometria plasmei ......................... 70
5.1. Schemele optice principale ale interferometrelor utilizate în diagnosticul plasmei ................... 73
5.2. Metode pentru înregistrarea schimbărilor de fază în măsurătorile interferometrice. 82
5.3. Interferometrie cu transfer de semnal heterodyne la frecvența intermediară .......... .... 98
5.4. Interferometrie cu fotoregistrare diferențială .............................................. 99
5.5. Interferometria cu fotografie de tip quadrature
5.6. Interferometrie activă cu laser. ..................... 107
5.7. Interferometre cu stabilizare pasivă și activă a brațului de măsurare ............................ 116
5.8. Interferometre cu două valuri cu compensare
vibrosurgie într-un experiment cu plasmă. .......... ... 122
5.9. Interferometru de dispersie ............. ............. 128
5.10. Diagnosticarea a două plasme cu plasmă parțial ionizată .......................................................... 130
Capitolul 6. Metode holografice de cercetare în plasmă. 136
Capitolul 7. Măsurarea câmpului magnetic într-o plasmă. Polarimetrie laser ........................................... 145
7.1. Efectul Faraday și rotația polarizării-
7.2. Baza fizică a polarimetriei luminii ...............
7.3. Metode laser pentru studierea câmpurilor magnetice într-o plasmă pulsată
7.4. Măsurători ale câmpurilor magnetice în instalațiile tip tokamak .................. 163
Capitolul 8. Restaurarea parametrilor plasmei locale din datele măsurătorilor integrale ................ 167
Capitolul 9. Determinarea parametrilor plasmei de la dispersia radiației laser
Anexa 1. Caracteristicile metrologice ale sistemelor electro-
Apendicele 2. Detectarea radiațiilor optice ....... 189
Referințe ...................... .................................. 200
Citirea ulterioară .............................................. 201
Logica și ordinea prezentării materialului definit ca curriculum-ul existent pentru studenții de la Moscova Inginerie Fizică Institutul, și dorința de a ajunge la mai mulți cititori cu diferite grade de formare. Prin urmare, în primele două capitole ale principiilor și conceptelor fizicii laser și adresa tipuri specifice de lasere de bază care au găsit cea mai mare cerere în diagnosticare plasmă. În capitolul al treilea, sunt luate în considerare efectele principale ale propagării undelor electromagnetice în plasmă. Cea mai mare parte a cărții este dedicată prezentării materialelor pe anumite metode de diagnosticare.
Un factor important care a determinat necesitatea publicării acestui ghid, a fost lipsa completă de manuale, publicate în editurile centrale ale Rusiei privind diagnosticele de plasmă cu laser în limba rusă. De la lansare
în lumina monografii cunoscute (nu manuale!) [16, 23, 27] a fost mai mult de 30 de ani. Nu mai puțin bine cunoscute, dar și mai solide, cărți despre diagnosticarea plasmei [28 ± 30] au inclus secțiuni privind diagnosticarea cu laser. În prezent, în cadrul secțiunii de diagnosticare pe care o analizăm, acestea sunt de interes istoric. Printre cele mai recente ediții ale perioadei sovietice, în care nu a pierdut relevanța Rusă până în prezent, pot fi identificate [11, 31-33], dar în fiecare dintre aceste metode prezintă diagnostic de plasmă cu laser cu o gamă limitată de parametri. Cu lucrările originale ale ultimilor zece ani, inclusiv în domeniul diagnosticului de plasmă cu laser pot fi găsite în Proceedings reuniunilor pentru diagnosticul de plasma de temperatură ridicată și seminarul rus „instrumente de diagnosticare cu plasmă moderne și utilizarea lor pentru controlul substanțelor și a mediului“, dar la categoria de predare literatură și nu pot fi atribuite, de asemenea.
Studiul plasmei a fost inițiat de M.V. Lomonosov și asociația și adversarul său G.V. Richmann. Ei au studiat fenomenele de furtună în prima jumătate a secolului al XVIII-lea. Datorită echipamentelor de diagnostic imperfect, aceste studii s-au încheiat tragic. În 1753 William G. Gheorghiu Richman a murit, una dintre ipotezele din sfera de foc în studiul cu ajutorul „indicatorul electric“ (proobrazaelektroskopa), care nu a fost întemeiată. După aceea, cercetarea electricității în Rusia a fost interzisă pentru o vreme.
La începutul fizicianului rus din secolul al XIX-lea Vasili Vladimirovici Petrov a investigat a creat un arc electric în atmosferă. Rezultatele acestor lucrări au fost publicate în 1803 în cartea "Izvestia despre experimentele galvani-volta". În limba modernă, putem spune că acestea au fost primele experimente cu plasmă de laborator. Dar aparența diagnosticării plasmei ca secțiune a fizicii plasmei poate fi spusă, după cea din anii 30 ai secolului XX. Irving Langmuir a introdus chiar termenul "plasmă" pentru a descrie starea materiei într-o coloană pozitivă de descărcare de gestiune.
Cu toate acestea, două decenii mai târziu, atunci când cele mai mari națiuni ale lumii au început să investească masiv în soluție la problema fuziunii termonucleare controlate (CTF), fizica plasmei a început să se dezvolte rapid. Firește, mijloacele necesare măsurării parametrilor obiectelor plasmatice au fost necesare imediat. Baza primelor metode de diagnosticare de plasmă au devenit dispozitive experimentale create în domeniile științei și tehnologiei, ca optica, astrofizică, dinamica hidro și gaz, echipamente cu microunde, echipamente de înaltă tensiune, electronice și altele. De-a lungul timpului, diagnosticare plasma a devenit o ramură importantă a fizicii plasmei.
Plasma este deseori numită "a patra" stare de materie. În starea de plasmă sunt principalele obiecte ale universului - stelele. Cel mai apropiat dintre ele este Soarele, radiația căruia este principala sursă de energie pe Pământ. În natură, o substanță în starea de plasmă este rară. Plasma este, de obicei, formată la o concentrație de densitate mare de energie în volume mici, de exemplu, sub forma unui fulger sferic (figura B1) sau liniar
Fig. B1. Fulgere Ball (de la gravura de la sfârșitul secolului al XIX-lea.)
Un număr covârșitor de studii cu plasmă se efectuează în condiții de laborator. Până acum, o varietate neobișnuită de parametri ai laboratorului
plasmă. Astfel, intervalul de variație a concentrației de electroni N e este cincisprezece ordine de mărime (de la 10 9 cm-3 într-o descărcare de gaz la 10 24 cm-3 în
plasmă laser). Temperatura T este schimbat cu patru ordine de mărime din acțiuni și unități de electron-volți (plasmatron) la zeci de keV (plante puls termonucleare). obiecte cu plasmă au dimensiuni caracteristice l de 10 cm -3 în plante inerțiale de fuziune confinare (Fig. B3), până la 10 3 cm într-o instalație de câmp magnetic toroidal "Tokamak" (Fig. B4). Timpul este
o plasmă cu durată scurtă de viață poate fi doar câteva picoil sau chiar zeci de femtosecunde (plasmă laser). Într-o descărcare electrică de curent continuu, pe de altă parte, plasma există în staționare. Valorile posibile ale câmpului magnetic H acoperă, de asemenea, o gamă largă: de la zero la mai multe megahertte (focalizare cu plasmă).
Nevoia de a obține informații despre parametrii unor astfel de obiecte de plasmă diferite a dus în mod natural la dezvoltarea și introducerea unui număr mare de tehnici de diagnosticare în experimentul cu plasmă. În acest caz, este foarte important ca instrumentul de diagnosticare să nu vină în contact cu plasma, altfel parametrii săi pot fi modificați. Metodele fără contact sunt cele mai preferate în studiile din plasmă.
Informațiile despre plasmă pot fi obținute prin investigarea emisiei din plasmă a diferitelor tipuri de radiații (diagnostic pasiv) sau
Fig. B3. Un nod pentru experimente pe fuziunea termonucleară inerțială
(National Ignition Facility (NIF), Los Alamos)
Fig. B2. Lumină liniară în atmosferă
sondarea obiectului cu o sursă externă,
raze (diagnostice active).
La rândul său, metodele sunt alocate între cele active, în care interacțiunea radiații electromagnetice cu plasma nu duce la o perturbare a stării sale. Cu toate acestea, plasma sine contribuie la care se extinde prin ea electromagnetice de amplitudine undă, fază și de polarizare distorsiuni, deoarece și-a exprimat puternic proprietățile de dispersie și anizotropia
într-un câmp magnetic. Măsurarea distorsiunilor introduse ne permite să determinăm principalele caracteristici ale plasmei. Mai întâi de toate, le vom raporta la temperatura și concentrația particulelor care alcătuiesc plasma.
Printre efectele interacțiunii dintre radiația electromagnetică și plasmă, care au găsit aplicații în diagnosticare, vom evidenția principalele.
Această absorbție, reflexie, devierea gradienți de concentrație, refracție (adică, modifica lungimea căii optice în comparație cu vacuum sau aer) și rotația Faraday a planului de polarizare, care apare în prezența câmpului magnetic componentă paralelă cu direcția de propagare
valuri Nia. Efectele de mai sus sunt folosite pentru a determina caracteristicile integrale de-a lungul direcției de analiză a formării plasmei. Procesul de risipire de fotoni cu electroni liberi sau fluctuații de densitate, deși are o secțiune transversală foarte mică, este utilizat pe scară largă în diagnosticarea plasmă, deoarece permite de a obține informații cu privire la valorile locale ale parametrilor de plasmă.
60 de ani ai secolului trecut au fost marcate de o descoperire majoră în fizică - crearea de lasere. Rolul acestui eveniment pentru știință și practică nu poate fi supraestimat. Astăzi este dificil să se numească zona activității umane, oriunde s-ar folosi. Teodor Meiman, creatorul celui mai mare laser din lume, a declarat la începutul erei laser că "utilizarea laserelor va fi limitată, în esență, doar de imaginația și ingeniozitatea inginerilor". Foarte repede, laserul sa transformat dintr-un obiect de cercetare într-un instrument universal, care a găsit aplicații în aproape toate domeniile activității umane în știință, industrie, medicină. Utilizarea unui laser ca mijloc de
măsurarea fizică