Оптические методы диагностики плазмы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТАГАНРОГСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА Кафедра радиотехнической электроники РЕФЕРАТ Тема: «Оптические методы диагностики плазмы»

Выполнил студент гр. МГЭ 41

Смирнов И.Д.

Проверил Светличный А. М Таганрог 2011

• Введение
• 1. Методы излучения, поглощения и рассеяния для определения плотностей частиц в дискретных энергетических состояниях
• 1.1 Эмиссионные методы
• 1.1.1 Идентификация спектров
• 1.1.2 Абсолютные измерения
• 1.2 Методы поглощения с использованием классических излучателей
• 1.2.1 Поглощение на фоне сплошного спектра
• 1.2.2 Линейное поглощение
• 1.3 Спектроскопия поглощения с частотно-перестраиваемыми и широкополосными лазерами
• 1.3.1 О преимуществах лазерных источников перед классическими в прямых измерениях поглощения
• 1.3.2 Диодная лазерная спектроскопия в ИК диапазоне
• 1.3.3. Использование классических многопроходных кювет
• 1.3.4 Поглощение внутри лазерного резонатора
• 1.4 Непрямые методы регистрации поглощения лазерного спектра

Вывод Список используемой литературы

Введение

Плазма — это частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы, а линейные размеры области, занимаемой им, значительно превосходят расстояние (так называемый дебаевский радиус), на котором электрическое поле отдельной заряженной частицы исчезает вследствие экранирования другими частицами.

Описание неравновесной плазмы должно, вообще говоря, основываться на физической, уровневой кинетике, когда одинаковые, с точки зрения классической химии, частицы в разных квантовых состояниях следует различать по их свойствам. В достаточно полном объеме такой подход, однако, не удается реализовать даже для атомарной плазмы, что заставляет обращаться к упрощенным моделям; в отношении же молекулярной плазмы труд ности многократно возрастают. Естественно поэтому, что, как и в настоящее время, так и в ближайшей перспективе развитие физики и техники низкотемпературной плазмы будет в сильной мере определяться возможностями экспериментальных исследований с последующими теоретическим анализом, обобщениями и прогнозами. В этой ситуации на первый план выдвигается проблема диагностики. С другой стороны, разработка средств диагностики неизбежно сталкивается с изучением совокупностей элементарных процессов в плазме и выбором адекватных моделей, обосновывающих методы, т. е. развитие представлений о свойствах плазмы и методологии ее экспериментальных исследований неразрывно связаны. Как правило целью диагностики является проверка построение физической и математической моделей плазмообразующей среды. Понимание процессов, протекающих в технологическом объекте позволяет улучшать его рабочие параметры Важное положение в группе диагностических методов занимает спектроскопия. Развитие техники и физики плазмы шли бок о бок на протяжении XX столетия с созданием физических основ и техники спектроскопии. Спектроскопия плазмы уже давно сформировалась в самостоятельное научное направление, постоянно обновляющееся и развивающееся, и тем не менее требующее обобщение.

Далее мы постараемся рассмотреть и понять один из методов диагностики плазмы, опуская объяснения основных понятий и параметров поглощения и рассеивания света и в частности не углубляясь общие понятия плазмы.

1. Методы излучения, поглощения и рассеяния для определения плотностей частиц в дискретных энергетических состояниях

1.1 Эмиссионные методы Основой для развития оптической спектроскопии в том числе и спектроскопии плазмы являются эмиссионные методы. Эти методы просты в экспериментальной реализации и сводятся к измерениям интенсивности в спектрах спонтанно излучения. Приборы, использующиеся в данном виде спектроскопии, основаны на системах фильтров, призм, дифракционных решеток. Данные приборы и методика их применения давно описана во многих книгах.

1.1.1 Идентификация спектров Процессы возбуждения собственного свечения плазмы не отличаются, как правило, высокой селективностью даже в неравновесных условиях, и ее эмиссионные спектры имеют сильно развитую структуру, обусловленную оптическими переходами, начинающимися с возбужденных состояний одновременно для нескольких сортов частиц. После регистрации спектра, калибровки шкалы длин волн и коррекции интенсивностей на спектральную чувствительность детекторов, пропускание спектрального прибора и материалов в составе оптической системы возникает задача идентификации линий и их групп по принадлежности к определенным частицам и их квантовым состояниям, ответственным за переходы. Для задач диагностики предпочтительны, по возможности, хорошо изученные и относительно простые по структуре спектры атомов и малых молекул. Поскольку энергетическая структура таких частиц известна, проблема идентификации носит скорее технический, чем принципиальный, характер, но на практике ее решение требует достаточно детальной информации об индивидуальных особенностях спектров. Как показывает опыт, весьма полезным в этом отношении оказывается соотнесение зарегистрированных спектров с индивидуальными спектрами или их фрагментами по внешнему виду. Это отражает врожденные человеческие способности к корреляции и распознаванию образов. Несмотря на то, что относительные интенсивности линий достаточно сильно зависят от условий в плазме группировки совокупностей линий и полос, тенденции поведения интенсивностей часто настолько характерны, что во многих случаях позволяют уверенное узнавание даже в окружении большого числа других линий. Выделение таких

индивидуальных обзорных спектров позволяет также уточнить калибровку шкалы длин волн и сужает проблему идентификации остальных фрагментов полного спектра, особенно при высоком спектральном разрешении.

1.1.2 Абсолютные измерения Говоря об абсолютных измерениях интенсивности, мы имеем в виду измерение мощности излучаемого объектом света. Если мы говорим о плазме, то простейший случай для таких измерений, когда выполняются слудующиеусловия:

— спектральный прибор выделяет целиком изолированную спектральную линию перехода u—l, вероятность соответствующего ей перехода известна;

— плазма оптически тонкая;

— по условиям освещения входной апертуры спектрального прибора исследуемая плазма (или ее часть) может считаться точечным источником, т. е. все ее элементы дают одинаковый вклад в регистрируемый сигнал.

Тогда количество частиц Nu на уровне и определяется по формуле (2.57), если световой сигнал измеряется в абсолютных энергетических единицах, для чего следует откалибровать всю систему, включая осветительную оптику, собственно спектральный прибор, детектор и регистрирующую схему для длины волны перехода. Это обычно делается сравнением величин сигналов от плазменного и эталонного источников. При измерениях следует контролировать, чтобы регистрируемый свет от эталонного и исследуемого излучался в одном и том же направлении и в одинаковый телесный угол, что обеспечивается, например, схемой, показанной на рис. 1.1

Рис. 1.1 Схема абсолютного измерения интенсивностей Здесь Е — эталонный источник, Р — плазменный объект. E и P расположены симметрично относительно оси системы (L₁ и L₂) освещения входной апертуры S_in спектрального прибора. С помощью поворотного зеркала М линза L₁ может быть равномерно освещена каждым из источников.

Линза L₂ перехватывает весь идущий от линзы L₁ свет и дает действительное изображение плоскости, в которой расположена линза L₁ в плоскости расположения S_in.

1.2 Методы поглощения с использованием классических излучателей Измерение поглощения света, прошедшего через однородный объект, дает, при известной вероятности перехода, абсолютную величину разности заселенностей уровней, связанных переходом u-l. Это привлекательное обстоятельство не cвязано с ограничениями по условиям равновесия в плазме и лежит в основе многочисленных версий метода поглощения.

1.2.1 Поглощение на фоне сплошного спектра В этом случае просвечивающий плазму Р источник Е (рис. 1.2, а) имеет

сплошной спектр. Спектральный прибор с входной щелью S_in выделяет из сплошного спектра интервал частот, которому принадлежит линия поглощения плазмы. В пределах интенсивность сплошного спектра меняется мало и и выделяется только одна линия, т. е. >, где — расстояние, а спектре до ближай шей соседней линии поглощения.

Рис 1.2 Измерения поглощения, а — при использовании точечного источника сплошного спектра; б — в варианте двух трубок С другой стороны, чтобы измерялось интегральное поглощение должно выполняться условие >, где — полуширина поглощающей линии. Как правило, путем подбора подходящего участка спектра эти условия могут быть удовлетворены даже при использовании спектрального прибора с умеренной дисперсией.

Поскольку плазма испускает свет на том же переходе, на котором производится измерение поглощения, детектор Det освещается одновременно плазмой Р и источником Е. Чтобы не фиксировать свет от плазмы, может быть использован, например, прием, когда между плазмой и просвечивающим источником помещается прерыватель М (рис. 1.2, а) и применяется синхронное детектирование в системе регистрации. При этом, правда, необходимо убедиться, что в реально имеющем место диапазоне

суммарных интенсивностей характеристики детектора и регистрирующей системы линейны, поскольку наличие постоянной подсветки смещает рабочую точку системы.

1.2.2 Линейное поглощение В этом методе величина задается не спектральным прибором, а просвечивающим источником с линейчатым спектром, совпадающим, хотя бы частично, со спектром поглощения плазмы. Роль спектрального прибора ограничивается выделением отдельных компонент линейчатого спектра источника. Технически и методически такой подход может быть реализован несколькими способами, например, следующими.

— Просвечивающим источником служит плазма, по физическим условиям идентичная исследуемой плазме. Если это газоразрядные трубки, говорят о методе двух трубок (рис. 1.2, б).

— Дополнительного просвечивающего источника нет. Его роль играет сама плазма. Если плазма однородна, то распределенным источником являются части, более удаленные от детектора. Происходит самопоглощение света. Чтобы использовать количественные связи интенсивности при конечной оптической плотности с коэффициентом поглощения, следует провести измерения при различных протяженностях плазмы. Если это разрядная трубка, то один электрод делается подвижным, либо вводится

несколько электродов и разряд зажигается между различными парами электродов.

— Если вместо источника Е (рис. 1.2, а) поместить зеркало, то роль источника будет играть собственное мнимое изображение плазмы Р.

— Чувствительность к поглощению предыдущей схемы можно повысить, если трубку поместить между двумя зеркалами, одно из которых (со стороны детектора) полупрозрачное (многоходовая кювета). Измерения проводятся для случаев открытого и закрытого полностью отражающего зеркала.

Такой метод получил широкое применение в спектральном анализе (металлургия, химические производства, медицина, геология и т. д.), где он называется также методом атомной абсорбции. Атомно-абсорбциоыный спектральный комплекс ориентирован на массовый элементный анализ и включает спектральный прибор, наборы источников линейчатых спектров и атомизаторы вещества. Вещество в атомизаторах находится в состоянии термического равновесия и связь концентрации атомов с поглощением устанавливается калибровками. Современные комплексы автоматизированы и производятся в промышленных масштабах. Это специальная область, которой мы касаться не будем, поскольку для физических исследований неравновесной плазмы требуются, как правило, менее специализированные, более гибкие подходы. 1]

1.3 Спектроскопия поглощения с частотно-перестраиваемыми и широкополосными лазерами Спектроскопия плазмы существенно расширила свои возможности благодаря применению лазеров с управляемой частотой генерации. К настоящему времени разработано и реализовано большое число приемов и схем получения лазерной генерации в широкой спектральной области. Некоторое общее представление о возможностях спектральной перестройки генерации лазерного излучения на основе различных активных сред в сочетании с методами нелинейной оптики дает рис. 1.3. Приведенная схема не претендует на полноту, поскольку лазерная техника постоянно развивается.

Рис 1.3 Спектральные области перестройки лазерного излучения

1.3.1 О преимуществах лазерных источников перед классическими в прямых измерениях поглощения Замена классических источников лазерными дает наиболее очевидные параллели для сравнения в схемах с прямой регистрацией изменения интенсивности излучения, пропущенного через объект, когда эти изменения происходят по закону ББЛ. По сравнению с классическими лазерные источники дают заметные преимущества в ряде, часто совокупных, отношений. Среди них:

ѕ в лазерах сравнительно легко достигаются спектральные шириныполос излучения 10^-4 см^-1, что для комбинаций классических источников и монохроматоров представляет определенную проблему В одних случаях применение перестраиваемых лазеров вообще позволяет отказаться от классических спектральных приборов. В ряде других (как правило, из-за модовой структуры лазерного излучения) достаточно использовать простейшие монохроматоры для грубой фильтрации даже в измерениях с высоким спектральным разрешением;

ѕ по сравнению с классическими методами линейчатого поглощения, применение лазеров с контролируемой перестройкой частоты позволяет унифицировать и автоматизировать измерения, снимая проблему подбора источника излучения со спектром, согласованным со спектром поглощающего объекта. Снимается проблема учета самопоглощения в источнике. Как уже отмечалось выше, применение узкополосного источника само по себе не обеспечивает радикального повышения чувствительности. В лазере, однако, малая спектральная ширина сочетается с узкой направленностью излучения (или, как, например, в ряде полупроводниковых лазеров с малой апертурой, излучение с заметной, но дифракционной расходимостью может быть легко сколлимировано). Это допускает многопроходные измерения, увеличивающие оптическую толщину;

ѕ большая мощность и узкая диаграмма направленности лазерного излучения позволяют во многих случаях избавиться от необходимости учета собственного свечения просвечиваемого плазменного объекта;

ѕ высокие яркость и мощность излучения лазеров важны при исследованиях нестационарных объектов, когда спектр должен быть зарегистрирован за короткое время при быстром сканировании частоты. Поглощение за малый временной интервал можно зарегистрировать с помощью фотопленки или матричных фотоприемников, детекторов с зарядовой связью и т. п. при приемлемом отношении сигнал/шум. 4]

1.3.2 Диодная лазерная спектроскопия в ИК диапазоне В этом получившем широкое распространение частном случае в качестве просвечивающего источника используются полупроводниковые диодные лазеры с накачкой электрическим током. Область спектра варьируется от видимой до дальней ИК подбором лазерных диодов различного компонентного состава. Рисунок 1.4 иллюстрирует типичные спектральные диапазоны и области характеристик молекулярных спектров, перекрываемые различными диодами.

Рис. 1.4 Спектральные диапазоны диодных лазеров и области поглощения ряда молекул Режим работы лазерных диодов может быть как непрерывным, так и импульсным. Лазеры на основе соединений А²В⁶ и А³В⁵ работают в ближней ИК области при комнатной температуре. Для работы более длинноволновых лазеров на основе соединений А4В6 требуется более глубокое охлаждение. На рис. 1.5 показана характерная блок-схема импульсно-периодического диодного лазерного спектрометра (ДЛС).

Рис 1.5 Блок-схема диодного лазерного спектрометра[2]

Частота перестраивается изменением тока накачки диода и контролируется также их температурой. В случае лазерного спектрометра используются А⁴В⁶ диоды, и температура поддерживается в диапазоне 60−90 К. Для разделения лазерных мод и грубого частотного контроля используется классический дифракционный монохроматор. Типичные возможности активной долговременной термостабилизации диода ~ 10^-2 К, а чувствительность частоты к температуре ~ 1 см^-1 * К^-1, что в комбинации обеспечивает спектральное разрешение ~ 10^-2 см^-1. Для повышения разрешения до ~ 10^-4 см^—1 используется либо дополнительная оптическая схема синхронного запуска электроники, либо быстродействующий цифровой осциллограф с последующей программной обработкой данных. Необходимо отметить, что для данного типа спектрометра в силу переменности модового состава излучения лазерных диодов частотная перестройка является не непрерывной, а кусочно-непрерывной. Изменением тока один лазерный диод заданного компонентного состава перекрывает область 200−300 см^-1, при этом близко примыкающие зоны истинно непрерывной перестройки составляют 1−10 см^-1 Полное перекрытие спектрального диапазона достигается комбинированным изменением как тока накачки, так и температуры охлаждения диода. Такая особенность создает определенные сложности в работе со спектрометром, которые, однако, компенсируются высоким спектральным разрешением, что особенно важно для спектроскопии возбужденных молекул.

Таблица 1.1

Частицы, присутствующие в малых количествах в плазме и регистрируемые с помощью ДЛС

1.3.3 Использование классических многопроходных кювет В закон ББЛ входит произведение. Для измерения малых выгодно использовать большие пути просвечивания L. Эти приемы в классической спектроскопии хорошо известны и используют оптические схемы с многократными проходами света через объект навстречу друг другу под малыми углами. Приемлемая схема была разработана и получила название ячейки Уайта.

Развитие применений лазеров с хорошо коллимированными пучками в абсорбционной спектроскопии стимулировало дальнейшие разработки таких схем. В типичной современной конструкции длиной 50 см, ориентированной на использование лазеров в качестве просвечивающих источников в ближней ИК области (коэффициент отражения медных зеркал 0,987 для длинны волны 1,65 мкм) реализуется эффективный оптический путь около 100 м (200 проходов).

1.3.4 Поглощение внутри лазерного резонатора Метод внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (ВРЛС) является развитием описанного выше метода. Его высокая чувствительность также основана на многократном прохождении света через поглощающее вещество, но теперь исследуемая среда помещается внутрь резонатора лазера с полосой усиления, спектральная ширина которой превышает исследуемый фрагмент спектра (рис. 1.6). Ширина полосы определяется однородным уширением лазерного перехода и наличием большого числа резонаторных мод. Поглощение света исследуемой средой вносит в резонатор лазера дополнительные частотно-селективные потери.

Рис 1.6 Блок-схема внутрирезонаторного лазерного спектрометра: 1-объект; 2-активный элемент лазера; 3-зеркала резонатора; 4-монохроматор; 5-приемник излучения; 6-регистрирующая схема Принципиальное отличие такой схемы от классической многоходовой кюветы состоит в том, что потери света на зеркалах в этом случае компенсируются усилением в активной среде (в пределах полосы усиления), тогда как именно такие потери ограничивают светосилу многоходовой кюветы с внешним источником света. При этом, однако, в активной лазерной среде ВРЛС-спектрометра не должно искажаться распределение интенсивностей по модам из-за поглощения в исследуемом объекте. Это накладывает ограничение на ширину исследуемых линий поглощения, которая должна быть малой по сравнению с однородным уширением контура усиления активной среды.

Для ВРЛС используют лазеры различного типа. Первые эксперименты с лазерами на стекле с Nd⁺ c генерацией в области 1,055−1,067 мкм и длительностью импульсов ~ 1−10 мкс, что соответствовало эффективной длине поглощения L_eff ~ 300 — 3000 км. Различные варианты лазеров на центрах окраски (CCL) перекрывают участки ближнего и среднего ИК диапазонов — LiF: (0,86−0,99) мкм; LiF: (1−1,28) мкм; NaF: F₂ (0,98−1,4) мкм; NaCl: (0,48−1,56) мкм; KCl: LiF (0,6−2,7) мкм. Лазеры на титан-сапфире перекрывают область (0,67−1,0) мкм; YAG Сг³⁺ (0,38−1,55) мкм. Из недавно опробованных интерес представляет среда Со: MgF₂ (0,6−2,5) мкм. Наибольшее распространение, однако, в ВРЛС имеют лазеры на красителях, перекрывающих всю видимую область спектра и обеспечивающие чувствительность на уровне указанного выше теоретического предела. 3]

1.4 Непрямые методы регистрации поглощения лазерного спектра Рассмотренные в разделах 1.1 и 3.2 методы поглощения основаны на регистрации изменений интенсивности света при пропускании его через объект. Эти прямые методы называют также трансмиссионными или абсорбционно-транемиссионными. Их большое достоинство связано с возможностью прямых измерений абсолютных плотностей поглощающих состояний частиц без привлечения дополнительных измерений, если свет не вызывает насыщения перехода. Знание механизмов заселения и распада уровней, связанных переходом, не требуется.

Альтернативной может быть регистрация изменения того или иного параметра объекта, вызванного проходящим через него светом. В противоположность прямым методам линейной абсорбции используются явления, определяемые поведением возбужденного состояния. Это может быть, например, нагрев объекта при Безызлучательном тушении. В этом случае тем или иным способом могут измеряться изменение температуры (оптико-калориметрические, оптико-термические и рефракционные методы) или связанные с этим колебания плотности (оптико-акустические методы). Проходящий свет может возбуждать люминесценцию объекта (флуоресцентные методы), производить прямую ионизацию частиц (фотоионизационные методы) или косвенным образом менять ионизационный баланс в плазме (оптико-гальванические методы). Более подробный перечень и обсуждение физических основ таких методов можно найти в книге.

Эти приемы наиболее эффективны, если они используют эффект, не присущий объекту в отсутствие облучения — бесфоновые методы. Такое условие часто весьма трудно выполнить для плазмы с ее многочисленными собственными процессами и явлениями — нагревом, свечением, колебаниями, проводимостью и пр. Тем не менее, некоторые из названных приемов нашли успешное применение и в спектроскопии плазмы. Это, в первую очередь, лазерно-индуцированная флуоресценция и оптико-гальванический эффект с использованием частотно-перестраиваемых лазеров.

плазма спектроскопия лазер

Вывод Итак мы вывели, что Целью диагностики, как правило, является проверка и построение физической и математической моделей плазмообразующей среды. Такие модели имеют как фундаментальное научное значение, т.к. плазма — это уникальная лаборатория элементарных процессов взаимодействия атомов, молекул и заряженных частиц, так и прикладное, поскольку понимание процессов, протекающих в технологическом объекте (источнике света, разряднике, сварочной дуге и т. п.) позволяет направленно совершенствовать его рабочие характеристики и новые приборы измерения этих характеристик. Очевидно, что в области технологий осаждения пленок на подложки, травления и т. д. в используется низкотемпературная плазма, наиболее важная задача следить за допустимым уровнем рабочих параметров плазмы. Эти задачи реализуются путем создания наиболее эффективных приборов диагностики плазмы. Это актуально, на сегодняшний день создаются новые методы диагностики плазмы, к примеру можно привести работу сотрудников «Центра научного приборостроения Института электрофизики и электроэнергетики РАН» Железнова и Хомича с разработанным ими «Комплексом аппаратуры, реализующий метод одновременной регистрации спектров излучения и изображений плазмы. 5]

Список используемой литературы

1.Очкин В. Н. «Спектроскопия низкотемпературной плазмы» М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 472 с. — ISBN 5−9221−0701−1.

2. Демьяненко А. В., Очкин В. Н. «Исследовние распределений молекул СО2 по колебательно-вращательным уровням в тлеющем разряде методом импульсной диодной лазерной спектроскопии» // Квант, электрон. 1987. Т. 14, № 4. С. 851−859.

3. Справочник по лазерам. Т. 1, 2 / Под ред. А. М. Прохорова. — М.:

Сов. Радио., 1978.

4. Л. А. Луизова; «Оптические методы диагностики плазмы» Учеб. пособие ПетрГУ, — Петрозаводск, 2003 — 148

5. Ю. А. Жедезнов, В. Ю. Хомич «Реализация нового метода оптической диагностики плазмы в электрофизических установках» Интернет ресурс http://journals.ioffe.ru