Спектрометрические методы измерения температуры

Спектрометрические методы применяются для измере­ний сверхвысоких температур - выше 4000 К, при которых все вещества находятся в состоянии плазмы. Поэтому спектрометри­ческие методы тесно связаны с физикой и диагностикой плазмы.

Спектрометрические методы можно разделить на пассивные и активные. Пассивные методы основаны на определении раз­личных параметров спектра излучения плазмы, при котором про­цесс измерения не влияет на измеряемую величину.

При использовании активных методов плазма облучается внешним электромагнитным излучением, и ее температура опре­деляется по поглощению, рассеянию или скорости распростране­ния внешнего излучения в исследуемой среде. Влиянием внешнего излучения не всегда можно пренебречь.

Плазма, состоящая в основном из молекул, атомов, ионов и свободных электронов, характеризуется рядом температур: моле­кулярной, атомной, ионной, электронной, температурой возбуж­дения и др. Первые три температуры тесно связаны и характери­зуют температуру газа.

Излучение плазмы состоит преимущественно из линий, и лишь очень малую часть составляет непрерывный спектр; поэтому пря­мая пирометрия для измерения температуры плазмы неприме­нима. Решить, является ли измеренная температура газовой или электронной, можно только, если известен механизм излучения на данной длине волны λ и каким частицам - тяжелым или лег­ким - принадлежит излучение.

Наиболее распространенный пассивный метод определения температуры плазмы основан на измерении интенсивности молекулярных, атомных или ионных спектральных линий, для которых известны теоретические зависимости между интенсивностью спектральных линий и температурой.

Измеряемая в результате опыта абсолютная интенсивность спектральных линий атомов и ионов I_L связана с температурой возбужденного состояния или электронной температурой Т_есо­отношением

, (1.23)

где n_r - число кратно ионизированных частиц в единице объема;

l - протяженность гомогенного газового слоя;

g_rm - статистиче­ский вес;

E_rm - энергия возбужденного квантового состояния m;

Z_m - сумма состояний (суммирование производится по всем i-состояниям r-кратно ионизированной частицы);

f - частота линий (f=λ/c).

Плотность частиц, излучающих одну определенную спектраль­ную линию при заданном давлении, зависит только от темпера­туры плазмы. Эту зависимость можно определять, пользуясь вы­ражением 1.23. Для каждой длины волны зависимость интен­сивности от температуры имеет максимум, что дает возможность применять рассматриваемый метод для градуировки спектро­метров, используя плазму с известными параметрами, например водородную или аргоновую.

Температуру плазмы можно также определять по ширине или профилю спектральных линий, если известны эффекты, приводя­щие к уширению. Часто используется эффект уширения линий вследствие действия микрополей положительных ионов. В част­ности, у водорода расщепление возрастает линейно с увеличе­нием напряженности поля. Напряженность поля растет с увели­чением плотности ионов и электронов, которая сильно зависит от температуры.

Путем добавки следов водорода к исследуемой плазме можно по спектральным линиям водорода определить электронную тем­пературу общей плазмы. При температуре выше 10⁵ К уширение линий возникает главным образом вследствие эффекта Доплера. Температура пропорциональна квадрату половины доплеровской ширины линии.

В области длин волн 124 - 300 нм в качестве образцового источника излучения широко используется водородная плазма, для которой теоретически рассчитаны таблицы интенсивности из­лучения в диапазонах температур 15000 - 30000 К и давлений 81,06-121,59 кПа. Относительная погрешность расчетов при λ=124-148 нм составляет 1- 5%, а при λ=148-300 нм она равна 1-2%.

Для получения температурного поля плазмы разработаны ИИС. В одной из них излучение плазменного источника проходит через систему зеркал, которая позволяет сканировать источник по горизонтали и вертикали, развертывая изображение плазмен­ного источника по входной щели монохроматора с детектором, с выхода которого сигналы поступают в оперативную память мини-ЭВМ. Данные, накопленные в мини-ЭВМ, сравниваются с данными долговременной памяти, содержащей абсолютные ко­эффициенты излучения как функцию температуры. Данные о рас­пределении температуры, полученные в результате такого срав­нения, выводятся на графопостроитель.

К активным спектрометрическим методам измерений температуры плазмы относится метод прямого измерения плотноститяжелых частиц, основанный на поглощении плазмой рентгеновских, α- и β-излучений.

Поглощение таких излучений подчиняется закону

, (1.24)

где J_o и J - интенсивности излучения до и после прохождения поглощающего слоя толщиной d;

а - коэффициент поглощения, зависящий только от плотности частиц n.

По измеренному значе­нию плотности частиц и известным зависимостям T=F(n)опре­деляется температура плазмы.

Температуру в холодной (несветящейся) зоне плазмы можно найти путем измерения показателя преломления, который связан с плотностью частиц через температурно-зависимый коэффи­циент.

Показатель преломления определяется интерферометром, те­невым или голографическим методами.

Метод рассеянного излучения с использованием лазера в ка­честве источника излучения позволяет проводить динамические измерения температуры в ионосфере, в плазменных установках, в стационарных и пульсирующих электрических дугах и установ­ках типа «токамак». При этом методе плоская электромагнитная волна проходит сквозь плазму и рассеивается на свободных элек­тронах и ионах. Так как эффективное сечение рассеяния мало, то необходима высокая интенсивность лазерного излучения, но мощность лазера должна быть ограничена (P<10^-10 Вт), чтобы не происходил нагрев плазмы.

Рисунок 1.14 – Схема ультразвукового метода измерения температуры

Ультразвуковой метод измерения температуры основан на за­висимости скорости распространения ультразвуковых колебаний от температуры среды. Метод обладает высокой чувствительно­стью и успешно применяется для измерения температуры в от­крытых и закрытых потоках плазмы с температурой 4000­-10000 К. Время задержки акустического импульса при прохож­дении расстояния l от излучателя 2 к приемнику 5 (рисунок 1.14), между которыми находится исследуемая плазма 3, измеряется при помощи старт-стопной измерительной цепи 7. В качестве из­лучателя и приемника используются охлаждаемые водой пьезо­электрические преобразователи из титаната бария, заканчиваю­щиеся кварцевыми стержнями (волноводами) 4, которые сопри­касаются с плазмой. Ультразвуковые колебания возбуждаются импульсным генератором 1 и принимаются детектором 6. Получаемая информация обрабатывается при помощи микро-ЭВМ 8 и подается на регистрирующее устройство 9.

Скорость звука в плазме определяется из выражения

, (1.25)

где - разность времени прохождения сигналом рас­стояния l в воздухе и плазме;

v’- скорость звука в воздухе при комнатной температуре T₀ определяемая по формуле v’=331,5+0,067T₀.

Для определения температуры плазмы по скорости T=kv² не­обходимо знать химический состав, степень диссоциации и иони­зации плазмы, от которых зависит коэффициент k. Для воздуш­ной плазмы погрешность алгоритма определения температуры по измеренной скорости составляет доли процента. Разработаны ИИС для определения температурного поля в плазме, которые снабжены координатно-перемещающим устройством для уста­новки зонда с приемным и передающим волноводами в задан­ную точку плазменного потока и мини-ЭВМ для управления ИИС и обработки получаемой информации. Быстродействие таких ИИС ограничено временем реверберации сигнала в электроаку­стическом тракте и составляет 1000-1500 изм/с. ИИС дает возможность определить среднюю температуру и ее дисперсию в любой точке плазменного потока с погрешностью 5-10%. Верхний предел измерения температур ограничен жаропроч­ностью волноводов и при кратковременном квазиконтактном ре­жиме достигает (10-15)·10³ К./1/