DE1805656A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der elektronischen Dichte eines Plasmas - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Messung der elektronischen Dichte eines PlasmasInfo
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- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
Description
München 2, Rosantal?
Tel. 261989 ^
28. OKl
Compagnie Generale d'Blectricite, Paris (Prankreich)
Verfahren und Vorrichtung zur Messung der elektronischen
Djdite eines Plasmas,
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung eines Plasmas innerhalb einer
verhältnismässlg kurzen Zeit.
Es 1st bereits eine Vielzahl verschiedener Vorrichtungen zur Untersuchung eines Plasmas bekannt. Das
Verfahren, auf dem alle diese Vorrichtungen beruhen, besteht darin, daß Interferenzbänder gezählt werden.
Diese Verfahren können jedoch nur auf ein Interferenzband genau durchgeführt werden, so daß sie nicht zur
Untersuchung von Plasmen geringer Konzentration herangezogen werden können. .
Ferner ist es auch bekannt, auf einer Zelle eine Überlagerung von zwei Wellen herzustellen, deren Polarisationsebene
durch Farady-Effekt gedreht wird, wobei
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die scheinbare Länge des Hohlraumresonators bei/den bei-"
den Wellen nicht dieselbe ist.. Man erhält hierbei „zwei
sehr ähnliche Wellen optischer Frequenz., die zusammen auf,einer Zelle empfangen werden.
Alle diese Lösungen sind jedoch auf ein Plasma von
ziemlich hoher Dichte, beispielsweise von 10 -γcm·, be-"
■""· ■■■"■■" - - --'"----■:;,",. '■·..: ""-. ,-.- ---..?·-.j4.---"■
schränkt. Selten sind sie für Konzentrationen von 10 / cm7 anwendbar} keine dieser Lösungen eignet sich für
einen^weiten Dichtebereich. Außerdem treten bei all diesen. Lösungen in technologischer Hinsicht Schwierigkeiten
:auf j beispielsweise müssen, um "zu vermeiden,
daß die Wellen bevorzugte Poiarlsationsebenen haben,
die Brewsterfdfcter weggelassen werden, so daß nur ei- "
nige Lasertypen anwendbar sind. Ferner besteht die Gefahr, daß die Laseusni s si on nicht zwischen den beiden
Spiegeln des optischen_Hohlraumresonators, sondern an
den Seiten der das Rohr verschließenden Platten oder an den Seiten des Plasmabehälters erregt wird, wodurch
die Emission aufhört, wenn die Messung in Gang ist.
Ziel der Erfindung ist es, Nachteile der bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu beseitigen.
. Gegenstand der,Erfindung ist eine Vorrichtung zum
Messen der elektronischen Dichte eines Plasmas, beste-5
hend aus einem ersten Laser, in dessen optischem Hohlraumresonator
ein das Plasma enthaltendes Rohr angeordnet 1st,, einem zweiten Laser, der einen Bezugsstrahl
liefert, Mischeinrichtungen zur Kombinierung der Strahlen des ersten und des zweiten Lasers, einem Detektor ,
zum Abtasten der Frequenz der am,Ausgang dieser Mischeinrichtung erhaltenen Lichtinterferenz, und aus einer
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Elnrlchtung zur Messung dieser Frequenz, die ein Charakterlstlkum der Dichte des Plasmas 1st, dieaadurch gekennzeichnet 1st, daß die Länge des optischen Hohlraumresonators des ersten Lasers etKS3größer ist als —,
wobei C die Lichtgeschwindigkeit, Δ Ρ j_ die Breite des
Dopplerproflls des ersten Lasers ist, und daß die Meßeinrichtung ein Überlagerungsgerät besitzt, an dessen
Ausgang ein Filter angeordnet 1st, dessen Durchlaßbereich gleich ^TT 1st·
Sin weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin,
daß der erste Laser eine Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung mit großer Zeltkonstante besitzt, die durch
die der lutte des Dopplerprofils dieses Lasers entsprechenden Frequenz ipsteuert 1st«
Gesäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist mit
dem Ausgang des Filters eine Vorrichtung zur Umformung von Frequenz in Spannung verbunden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die bellle- * gende Zeichnung· In dieser Zeichnung zeigtt
Flg. 1 eine schematische Darstellung der erflndungsgemäßen Vorrichtung.
Flg. 2 einen Vergleich der Kurve (A) der Ausgangsleistung eines Lasers in Abhängigkeit von der Dopplerfrequenz oder dem Dopplerprofil mit den Frequenzen der
Signalanalyse und dem Durchlaßbereich (B) des Filters der elektronischen Kette.
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PIg. 3 ein Blockschema des Meßkreises9 der zur Behandlung
der von der In Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gelieferten Information dient.
Fig. k eine Darstellung der verschiedenen Signale
bei der Behandlung der Information.
Flg. 5 ein Blockschema eines anderen Kreises zur Analyse der von der Vorrichtung von Fig. 1 gelieferten
Information»
Fig. 1 zeigt einen Plasmabehälter 1, der sich Im
Inneren des Hohlraumresonators 2 eines Lasers befindet. Dieser Hohlraumresonator wird von einem total reflektierenden
Spiegel b gebildet, der an einem Ende eines Laserrohrs 3 befestigt 1st, an dessen anderem Ende eine
Brewsterplatte 7 befestigt ist. Der Hohlraumresonator wird von einem auf einem Transduktor 6 montierten Spiegel
5 abgeschlossene Der Plasmabehälter befindet sich zwischen diesem Spiegel und der Brewsterplatte 7· Die
Ausbildung des Spiegels 5 hängt von dem Typ des verwendeten Lasers ab.
Der von dem Laser 2 ausgesandte Strahl 9 wird von einer total reflektierenden Platte 8 auf eine halbtrans
parente Platte Io abgelenkt. Der Laser ist bei Nlchtvdr
handensein eines Plasmas auf ein Mode der Frequenz VQ
durch Rückkopplung stabilisiert·
Durch eine Platte Io wird dem Strahl 9 ein Zusatzstrahl
11 optischer Frequenz \>Q ±&*y beigemischt. Die
Summe dieser beiden Strahlen wird von einer lichtempfindlichen
Zelle 12 aufgefangen. Der Ausgang des Detek-
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tors 12 ist mit einem der Eingänge eines Mischers 39
verbunden, dessen anderer Eingang mit einem Frecf-uenzgeneretpr
38, der eine Frequenz fQl liefert, verbunden
ist. Das Signal am Ausgang des Mischers 39 wird durch einen Mittelfrequenzbreitbandverstärker 13 verstärkt.
Der Ausgang des Verstärkers 13 ist mit einem steilen Bandfilter 1Λ verbunden. Am Ausgang dieses Filters erhält
man ein frequenzmoduliertes Signal, das einem Begrenzer und Diskriminator 15 eingegeben wird, der
eine zu der Frequenz dieses modulierten Signals proportionale Spannung liefert. Diese Spannung stellt eine
Information über die Dichte des Plasmas der Zelle 1 dar und wird am Jftgang des Diskriminators 15 abgenommen.
Ein Teil des von dieser Spannung gebildeten Signals wird über eine Rückkopplung mit einem Tiefpassfilter
und einer Vorrichtung 17 zur Steuerung des Transduktors 6 mit einer Ansprechzeit, die größer ist als die Zeit der
Analyse des in dem Behälter 1 enthaltenen Plasmas, zu dem Transduktor 6 geliefert, so daß der Laser auf eine
feststehende Frequenz eingestellt wlrd| dies wird zur Vermeidung von Störungen der Messung nur nach Beendigung
der Anatyse vorgenommen. Die Rückkoglung mit ihrem
Tiefpaßfilter dient lediglich zur Korrektur der langsamen Änderungen der Frequenz des von dem Laser 2 ausgesendeten
Strahls infolge einer Verschiebung der Spiegel, was Erscheinungen zur Folge hat, die sich während
der Zeit der Analyse wenig ändern. Die Rückkopplung kann eine VerzögerungszeIt von beispielsweise einigen
zehn Millisekunden besitzen.
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Der Besugsstrahl 11 kann, wie in Pig. I schematisch
dargestellt ist, von einem Zusatzlaser 19 geliefert werden, der einen Strahl mit feststehender Frequenz P aussendet. Zwischen diesen Spiegeln 2o und 21, die den Hohlraumresonator
des Lasers 11 bilden, ist eine Zelle mit einem Tellurkristall 22 vorgesehen*, auf welchem metallisierte
CdS-Schichten (Cadmiumsulfid) 23 und Zk aufgebracht
sind. Diese Zelle, auf welche ein Generator 25, der eine Frequenz ΔV liefert, einwirkt, lenkt bei 11
einen Teil des Strahls 26 derart ab, daß der Strahl 11 bei einer bestimmten Ausrichtung der Zelle 22 eine Frequenz
hat, die gleich VQ + Δί>
T oder gleich f Q -AP T
ist. Diese Vorrichtung dient zur Verschiebung der optischen Frequenz»
Der Laser 19 besitzt einen Regelkreis, der die Aufgabe
hat, diesen auf die optische Frequenz P festzusetzen, und der aus einer lichtempfindlichen Zelle 27, welche
einen Teil der Energie des Strahls 26 aufnimmt, und aus einer Vorrichtung 28, beispielsweise einem Operationsverstärker,
besteht, der auf einen Transduktor 29 einwirkt, auf welchem "der Spiegel 21 angebracht ist. Dieser
Transduktor 29 kann beispielsweise ein-e piezoelektrische Keramik sein.
Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der in Flg. 1 schematisch dargestellten Vorrichtung ist es erforderlich,
eine detaillierte Beschreibung des der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Messung dbr elektronischen
Dichte des in einem Behälter 1 enthaltenden Plasmas zugrundeliegenden Verfahrens zu geben» Dieses Plasma,
das man beispielsweise durch elektrische Entladung erhält, bewirkt eine Änderung der scheinbaren Länge des
Hohlraumresonators des Lasers 2, da der optlache Index
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SAO OfHGJNAL
des Plasmas Im allgemeinen von dem der umgebenden Atmosphäre
verschieden ist.
Wenn der Hohlraumresonator eine Länge L hat, so erhält
man die Resonanz bei einer Wellenlänge Λ, für die
die Gleichung L » q|r (Formel 1) gilt, wobei q eine ganze
Zahl ist.
Wenn η der Index des in einem Hohlraumresonator von
der Länge L befindlichen Plasmas ist, und wenn η * 1+Δη
(Formel 2), so entsteht die Resonanz bei einem anderen Mode derselben Wellenlänge, bei dem (mit einer Annäherung
von mehr als 0,1 % Genauigkeit) L+LAn =* q.1^ (Formel
3)» wobei q1 ebenfalls eine ganze Zahl istj £er
Übergang von dem Mode der Ordnung zum nächsthöheren Mode ist durch die Gleichung q1 « q+1 (Formel k) gegeben.
Fig. 2 zeigt die Kurve der Verstärkung E eines Lasers in Abhängigkeit von der Frequenz der ausgesendeten
Strahlung. Diese Verstärkungskurve, im allgemeinen Dopplerprofil genannt, bestimmt eine Breite Δv_| hierbei 1st
das Laserrohr 3 in einem Perot-Fabry-Resonator angeordnet,
dessen Schwingungsmoden durch die Gleichung Δν m ** "%-£
bestimmt sind.
Erfindungsgemäß wird die Breite des Hohlraumresonators
so eingestellt, daß ΔV etwas kleiner ist als die durch das DoöLerprofil bestimmte Breite Δ1* D# Auf
diese Weise erhält man mit Sicherheit mindestens ein Mode der Resonatorschwingung Innerhalb des Dopplerproflls
des Lasers.
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Wenn in dem Behälter 1 ein Plasma erzeugt wird oder
vorhanden ist, so ändert sich die scheinbare Länge des
Resonators. Es tritt eine Verschiebung der Schwingungsmoden des Lasers auf; dies äußert sich schematisch darin,
daß mehrere Moden das Dopplerprofil durchlaufen,wo->
bei ein Mode, der an einem Ende verschwindet, durch einen
anderen Mode am anderen Ende ersetzt wird und so fort, bis die scheinbare Länge des Laserresonators ihren maximalen
Wert oder Gleichgewichtswert erreicht, um anschließend wieder unter den oben erwähnten Bedingungen
auf die optische Frequenz zurückzukehren, auf die der Laser 2 stabilisiert ist. Diese Frequenz ist die des Lasers
19 und ist so gewählt, daß sie sich im Mittelpunkt des Dopplerprofils des Lasers 2 befindet.
Die das Dopplerprofil durchlaufenden Moden bewirken
eine Änderung der Frequenz des Strahls 9, der mit dem Be-.zugsetirahl
11 eine Interferenz erzeugt, die durch die Zelle 12 abgetastet wird. Das erhaltene Signal wird mit
einem Signal festgelegter Frequenz f , gemischt, die von dem Generator 38 geliefert wird.
Die Summe dieser beiden Signale wird anschließend durch die Kette 13» 1^t 15 verstärkt, gefiltert und
demoüullert.
Der Laser 2 liefert einen Strahl 9 von der optischen Frequenz V^■ ~ ^0 + &1* » wenn ein Medium vorhanden ist,das
die scheinbare Länge des Hohlraumresonai-tors ändert und
eine Verschiebung Δ ν einführt. Der Laser 19 liefert seinerseits einen Bezugsstrahl, beispielsweise ^19 » V Q~ Α^τ
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DIe lichtempfindliche Zelle 12 liefert eine Interferenz
der Frequenz V B » V0
Wenn der stabilisierte Überlagerungsgenerator 38 eine Frequenz f - liefert, die mit dem Signal V B =
/\V m± ZV?!** einem Mischer 39 gemischt wird, so erhält
man an dessen Ausgang eine Mischung von vier Frequenzen und zwar» f e ■ f ol+A^^±A^t f oli^ ^+AV | f e =»
Diese Signale werden durch den auf f e » *Όι~
abgestimmten Verstärker 13 mit einem Durchlaßbereich verstärkt, der größer alsA^m 1st. Am Ausgang dieses
Verstärkers werden die modulierten Signale durch einen Filter I^ gefiltert, dessen steiler Durchlaßbereloh
ungefähr Λ.Ϋ _ beträgt und auf fQ zentriert 1st.
Da die maximale, von dem Filter durchgelassene Frequenz fol-(A^ T- %*) ist, muß fol-(/W ^
Eliminierung von fA, kleiner als f -' sein,
e Zur Eliminierung νοηΛ-^ T+ ^Vf muß die niedrigste
von dem Filter durchgelassene Frequenz fQl-(A.v5 ^
größer als die FrequenzA^τ sein, d.h. muß fQl>
2A\J Τ+Δ^ m sein. All dies ist in Fig. 2 (B) dargestellt.
Der Begrenzer und Diskriminator 15 liefert eine Ausgangsspannung, die zur Differenz zwischen der
Frequenz fo und der Frequenz f proportional ist, die
zu einem bestimmten Zeitpunkt am Ausgang des Filters
auftritt.
fe » fol^ o
ν ist diese Spannung! ν ■ k (to-*e)» <1·η· ν * kAtfC5101"11181 5).
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Dieses am Ausgang l8 des Discriminators 15 erhaltene
Signal ist sägezahnförmigj seine senkrechten Teile entsprechen
dem Übergang von einem Mode zu einem anderen in dem Dopplerprofil gemäß der Formel b und zwar für mehrere aufeinanderfolgende
Werte von qj die Formel 5 stellt die Amplitude dieses Signals dar.
Das oben beschriebene Signal kann auf verschiedene Weisen behandelt werden, es kann durch Addition der sägezahnförmigen
Impulse mit den Spannungen eines Treppengenerators in Spannung umgeformt werden· Fig. 3 zeigt eine
derartige Vorrichtung, die aus einem Treppengenerator 30
und einem Addierer 31 besteht.
Je nach der elektronischen Dichte des Plasmas kann es zweckmäßig sein, in die beiden parallelgeschalteten
Stromkreise beispielsweise vor dem Addierer 31 gekoppelte Dämpfer 32 einzusetzen.
Fig. H- zeigt die sägezahnförmigen Impulse (Kurve A) am
Ausgang des Diskriminator, die treppenförmige Spannung (Kurve B) am Ausgang des Generators 30 und die Ausgangsspannung
des Stromkreises 33 (Kurve C). Diese Kurven sind von den Änderungen der Länge des Hohlraumresonators
oder damit von der Änderung des Index (Formel 4) abhängig! diese beiden Größen ändern sich proportional.
Die Stufen des Generators 30 werden in Abhängigkeit von den sägezahnförmigen Signalen hergestellt, d.h. die
Amplituden sind dieselben wie die dieser sägezmhnförmigen Signale und der Übergang von einem sägezahnförmigen Impuls
auf einen anderen entspricht dem übergang von einer Treppenstufe auf eine andere mit dem entsprechenden Vor-
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zeichenj das in 33 erhaltene Signal kann beispielsweise
auf dem Bildschirm eines Oszilloskops wiedergegeben werden.
Mit der Vorrichtung gemäß Pig. 3 erhält man im Fall
von hohen Dichten eine ziemlich geringe Genauigkeit am Ende der Messungi deshalb kann auch anstelle dieser
Schaltung zweckmäßigerweise die in FIg, 5 schematisch
dargestellte Schaltung verwendet werden. Dieser Kreis besteht aus einer mit einem Impulszähler Jk parallelgeschalteten
Meßvorrichtung 35» die zu einem bestimmten
Zeitpunkt den Wert der Spannung liefert und diesen speichert. Auf diese Weise erhält man am Ausgang 36 die
gesamte Anzahl der Impulse, die den Zähler durchlaufen haben, und am Ausgang 37 den Wert der Spannung. Auf diese
Weise kann man sich ein gutes Bild von der gesamten Messung verschaffen.
Bei einer derartigen Vorrichtung können beispielsweise Kohlensäuregaslaser, die auf 10,6,u aussenden,verwendet
werden. Bei einem derartigen Laser, dessen Bandbreite ungefähr 6o MHz beträgt, kann eine Resonatorlänge
C
L = MHz genommen werden, was eine Länge von mehr als 3 m ergibt. Der Bezugsstrahl 1st um 50 MHz versetzt und der stabilisierte Oszillator ist unter den oben angegebenen Bedingungen auf 210 MHz abgestimmt. Die Abstimmungsfreq.uenz der verschiedenen Vorrichtungen ist damit fo = f oi-AVT ■ 210-50 * l6o MHz. Dies ergibt für die lichtempfindliche Zelle 12 einen Durchlaßbereich von 75 MHz.
L = MHz genommen werden, was eine Länge von mehr als 3 m ergibt. Der Bezugsstrahl 1st um 50 MHz versetzt und der stabilisierte Oszillator ist unter den oben angegebenen Bedingungen auf 210 MHz abgestimmt. Die Abstimmungsfreq.uenz der verschiedenen Vorrichtungen ist damit fo = f oi-AVT ■ 210-50 * l6o MHz. Dies ergibt für die lichtempfindliche Zelle 12 einen Durchlaßbereich von 75 MHz.
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Dtee Zahlen sind, von dem Dopplerprofil des verwendeten
Lasers, der in diesem Fall ein Köhlensäuregaslaser 1st, abhängig« Die Vorrichtung kann Jedoch selbstverständlich
auch mit anderen Lasertypen ausgeführt sein.
Der Generator 25 liefert unter den oben beschriebenen
Bedingungen eine Frequenz von 50 MHz,,
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern läßt alle Arten
von Änderungen von Einzelheiten sowie in manchen Fällen
die Verwendung anderer gleichwertiger Mittel zu. Beispielsweise kann es aus technologischen Erwägungen
zweckmäßig sein, beispielsweise im Fall von CO2-Lasern von 10,6/U, diese Welle mit einem Tellurkristall lh*
5,3/u. umzuformen. Dadurch können lichtempfindliche Zelen
mit Durchlaßbereiehen von 200 MHz ohne zu große Dämpfung verwendet werden. Ferner kann auch ein Bezugsstrahl
verwendet werden, der direkt gleichV,,o ist.
Zur korrekten Hübkkopplung ist hierbei lediglich die
elektronische Kette zu ändern.
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Claims (3)
1. Vorrichtung zum Messen der elektronischen Dichte eines Plasmas, bestehend aus einem ersten Laser, in
dessen optischen Hohlraumresonator ein das Plasma enthaltendes Rohr angeordnet ist, einem/zweiten Laser,der
einen Bezugsstrahl liefert, Mischeinrichtungen zur Kombinierung der Strahlen des ersten und des zweiten Lasers,
einem Detektor zum Abtasten der Frequenz der am Ausgang dieser Mischeinrichtungen erhaltenen Lichtinterferenz
und aus einer Einrichtung zur Messung dieser Frequenz, die ein Charakteristikum der Dichte des
Plasmas 1st, dadurch gekennze 1 ohnet, daß die Länge L des optischen Hohlraumresonators (2) des
ersten Lasers etwas größer ist als , wobei C die Lichtgeschwindigkeit,Av D die Breite äMa Dopplerprofils
des ersten Lasers ist, und daß die Meßeinrichtung ein Überlagerungsgerät (38) besitzt, an dessen Ausgang
ein Filter (1Λ) angeordnet ist, dessen Durchlaßbereich
gleich Tjjr ist.
2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Laser (2) eine Vorrichtung
(16, 17, 6, 5) zur Frequenzstabilisierung mit großer Zeitkonstante besitzt, die durch die der Mitte des Dopplerprofils
dieses Lasers entsprechenden Frequenzen gesteuert iSt O
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ausgang des Filters (1*0 eine
Vorrichtung (15) zur Umformung von Frequenz in Spannung verbunden ist«
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