Оборудование стендов, контрольная и исследовательская аппаратура стендов для проведения испытаний и отработки ЭРД, страница 8

4.10-11.6.2. Определение концентрации заряженных частиц в плазме по интенсивности спектральных линий.

Методы спектральной диагностики позволяют определить концентрации заряженных частиц в плазме по линейчатым спектрам, излучаемым плазмой.

В дуговых разрядах постоянного тока наблюдается появление запрещенных спектральных линий. Для ряда запрещенных спектральных линий лития, меди, цезия и т. п. справедливо следующее соотношение

                                  (4.10-11.12.)

где I_λЗ— интенсивность запрещенной спектральной линии; I_λР — интенсивность разрешенной спектральной линии. Таким образом, используя формулу (4.10-11.12.), можно по экспериментально определенному отношению I_λЗ /I_λР вычислить n_е.

Простой метод оценки концентрации электронов в водородной плазме основан на использовании формулы

                   (4.10-11.13.)

где n_m* — главное квантовое число последней различимой линии водорода вблизи границы спектральной серии Бальмера.

Эта формула учитывает эффект штарковского уширения спектральных линий водорода, что приводит к постепенному вырождению линейчатого спектра в сплошной, непрерывный спектр.

Диапазон концентраций электронов, определяемых формулой (4.10-11.13.), составляет 10¹⁵<n_е < 10¹⁹ см^-3.

4.10-11.6.3. Спектроскопия высокой разрешающей силы.

Спектроскопия высокой разрешающей силы (называемая также интерференционной спектроскопией) исследует контур спектральной линии, который характеризует распределение интенсивности в спектральной линии по длине волны. На рисунке 4.10-11.11. схематично показан контур спектральной линии и его характеристика — ширина спектральной линии Δλ.

Исследования показали, что на контур спектральной линии оказывают влияние многие факторы: температура, концентрация частиц, электрические поля ионов и электронов плазмы и т. д.

Естественная, дисперсионная ширина спектральной линии из-за затухания излучения составляет Δλ₀≈ 10^-8 мкм.

Если спектральная линия уширена из-за хаотического теплового движения излучающих атомов или ионов, подчиняющихся максвелловскому распределению (так называемое доплеровское уширение), то ширина контура спектральной линии

                 (4.10-11.14.)

где λ — длина волны спектральной линии; Т — температура исследуемой среды; А — атомная масса.

Из этой формулы определяют термодинамическую температуру Т. На излучающий атом, находящийся в плазме, непрерывно действуют созданные заряженными частицами электрические микрополя, что приводит к уширению спектральных линий (эффект Штарка). Ионы создают квазистатическое поле, которое вызывает штарковское уширение, а электроны вызывают ударное воздействие.

Ширина контура спектральной линии, уширенной вследствие эффекта Штарка,

                                  (4.10-11.15.)

где k — коэффициент, зависящий от элемента и конкретной спектральной линии; n_i - концентрация ионов (для квазинейтральной плазмы n_i≈ n_е).

Для регистрации контура спектральной линии необходима прецизионная спектральная аппаратура высокой разрешающей силы. Для этого, например, совместно со спектрографом применяют интерферометр Фабри-Перо, в основе действия которого лежит интерференция большого числа лучей, отраженных от плоских параллельных полупрозрачных поверхностей.

4.10-11.6.4. Высокоскоростная спектрография.

Высокоскоростные спектрографы применяют для регистрации спектров быстропротекающих процессов: электрических разрядов в газах, излучения плазмы, распространения ударных волн и т. п.

Высокоскоростные спектрографы можно разделить на два основных типа:

Ø приборы с покадровой съемкой спектров, так называемые киноспектрографы;

Ø приборы с непрерывной разверткой спектра, так называемые спектрохронографы.

Высокоскоростной киноспектрограф представляет собою устройство, состоящее из монохроматора и высокоскоростной кинокамеры, объектив которой может одновременно являться камерным объективом спектрографа. Однако такой прибор не может обеспечить больших частот съемки.