Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Экспериментальная установка для исследования поляризационных спектров излучения стационарных электрических разрядов 14
1.1. Электрооптический фазовый поляриметр. Методика полного поляризационного анализа 14
1.2. Экспериментальная установка для исследования спектров излучения стационарных электрических разрядов 23
1.3. Система автоматизации экспериментальной установки. Методика поляризационной спектрометрии слабого флуктуирующего излучения 31
1.4. Оптимизация экспериментальных установок, использующих резонансное рассеяние света на атомах и ионах 42
1.5. Результаты испытаний и калибровок автоматизиро ванной экспериментальной установки 48
Выводы к Главе I 50
ГЛАВА II. Экспериментальные и расчетно-теоретические исследования проявлений анизотропного движения электронов в поляризации излучения дугового разряда атмосферного давления 55
2.1. Описание поляризации излучения частиц при электронном возбуждении в присутствии электромагнитных полей 55
2.2. Основные методы и результаты диагностики параметров плазмы аргоновой дуги 61
2.3. Измерения поляризации линейчатых спектров собственного излучения. Анализ возможных причин поляризации 64
2.4. Физическая модель явления выстраивания. Методика поляризационной спектрометрии анизотропного движения электронов в ионизованных газах 78
2.5. Экспериментальное исследование проявлений анизотропии движения электронов в лазерной резонансной флуоресценции. Методика поляризационной флуоресцентной спектрометрии анизотропии движения электронов 92
2.6. Экспериментальное доказательство сферической симметрии функции распределения тепловых и дотепловых электронов. Исследования столкновительной флуоресценции 103
Выводы к Главе II 106
ГЛАВА III. Исследование анизотропии движения вторичных электронов в канале транспортировки релятивистского электронного пучка микросекуццной длительности в разреженном аргоне 109
3.1. Объект исследований и диагностика основных параметров 109
3.2. Диагностическая аппаратура и результаты измерений поляризации излучения из канала транспортировки РЭП .117
3.3. Модель физических процессов формирования анизотропной функции распределения вторичных электронов и проявлений анизотропии в поляризации излучения ионов 122
3.4. Оценка пространственного распределения средней энергии радиального потока вторичных электронов по экспериментальным данным. Анализ путей повышения надежности результатов 127
Выводы к Главе III 133
Выводы и заключение 134
Литература 139
Приложение 149
- Экспериментальная установка для исследования спектров излучения стационарных электрических разрядов
- Измерения поляризации линейчатых спектров собственного излучения. Анализ возможных причин поляризации
- Экспериментальное доказательство сферической симметрии функции распределения тепловых и дотепловых электронов. Исследования столкновительной флуоресценции
- Диагностическая аппаратура и результаты измерений поляризации излучения из канала транспортировки РЭП
Введение к работе
Необходимость изучения кинетики электронов в ионизованных газах вызвана разработкой важных научных и технических направлений: созданием мощных электроразрядных источников света и лазеров, магнитогидродинамических и термоэмиссионных преобразователей, развитием электронных и плазменных технологий и, в особенности, усилиями по созданию электрокинетических линий передачи энергии.
В кинетике электронов важную роль играют свойства пространственной симметрии функции распределения по скоростям, в частности, процессы формирования анизотропных потоков электронов, которые могут оказывать заметное влияние на режим работы электрофизических установок: уносить значительную долю тока и энергии, приводить к аномальной проводимости, возбуждать различного рода неустойчивости и, наконец, непосредственно взаимодействовать с элементами конструкции.
В последние годы активно развивается новое направление прикладных физических исследований, целью которого является практическое осуществление способа передачи электрической энергии с помощью пучков релятивистских электронов. Реализация такого проекта сопряжена с преодолением целого ряда принципиальных и технических трудностей, среди которых особое место занимает проблема удержания и транспортировки релятивистского электронного пучка (РЭП) [1,2]. В результате взаимодействия РЭП с остаточным газом в канале транспортировки также возникают процессы, приводящие к потерям энергии, в частности, уход быстрых электронов на стенки трубопровода.
Возможности экспериментальных исследований анизотропии движения электронов в настоящее время ограничены зондовыми ме - 5 тодами, основным недостатком которых является возмущение параметров объекта в области зондирования. Кроме того, их применение крайне ограничено при исследовании сильноточных электрофизических установок, например, анизотропной ионизованной среды, образующейся при транспортировке РЭП в разреженном газе [3] . Аналогичная ситуация имеет место при исследовании сильноточных электрических разрядов [4].
Из сказанного вытекает актуальность работ, направленных на создание бесконтактных методов исследования анизотропного движения электронов в ионизованных газах и необходимой для этого аппаратуры.
Бесконтактные оптические методы исследования [5-7] основаны на использовании энергетических и спектральных характеристик собственного и рассеянного излучений для определения параметров плазмы. С другой стороны, известно, что информация об анизотропии физических процессов содержится в поляризационных характеристиках излучения [8,9] .
Частичная поляризация линий излучения оптически тонкой не-замагниченной среды является результатом квадрупольной упорядоченности угловых моментов ансамбля возбужденных частиц. Такая упорядоченность возникает вследствие анизотропии оптического [8] или электронного возбуждения [9] состояний и характеризуется квадрупольным моментом атомной матрицы плотности - тензором выстраивания [10] . При прямом электронном ударе поляризация линий излучения несет информацию о квадрупольном моменте функции распределения электронов по скоростям - тензоре потока импульса [II].
В 1975-79 г. г. впервые был поставлен цикл работ [12-15] , в которых измерялась поляризация излучения сильноточного дуго - 6 вого разряда атмосферного давления. Аномально высокие значения поляризации флуоресценции, зарегистрированные в ходе экспериментов, не могли быть объяснены влиянием столкновений и ошибками измерений. Однако, поскольку работы были посвящены, в основном, другим вопросам, физическая природа эффекта так и не была выяснена.
История изучения выстраивания электронным ударом в разрядах низкого давления представляется следующей. В работе [16] впервые сообщается о наблюдении поляризации излучения ВЧ разряда, приписываемой анизотропии движения быстрых электронов . Отсутствие необходимой теории и данных о кинетике электронов не позволили доказать происхождение эффекта. В [17] наблюдалась значительная поляризация линий излучения цезиевого диода. Была построена модель физических процессов, однако неудачный выбор математического аппарата описания явления и ряд осложняющих обстоятельств (магнитное поле, реабсорбция) не позволили достичь согласия эксперимента с теорией. В работе [18] зарегистрирована поляризация линий излучения гелия в плазменно-пучковом разряде. Проведен лишь качественный анализ, показавший, что в происхождении эффекта решающую роль играет анизотропия движения электронов в ВЧ полях. Принимая во внимание все многообразие физических процессов, проявляющихся в поляризации линейчатого излучения, можно констатировать, что перечисленные работы дали их авторам в основном интуитивные представления о связи наблюдаемых явлений с анизотропией функции распределения электронов.
Экспериментальное доказательство электронной природы поляризации излучения получено в работе [19], где в положительном столбе постоянного тока обнаружено различие ориентации осей оптического и электронного выстраиваний.
Возникшие трудности с интерпретацией данных прямых поляризационных измерений связаны с несколькими причинами: отсутствием у экспериментаторов, занимающихся исследованиями в этой области, прецизионного инструмента и методики поляриметрии слабого флуктуирующего излучения, отсутствием стройной и доступной теории выстраивания угловых моментов частиц, а также недостаточным количеством данных о кинетике электронов и параметрах плазмы, с которыми можно было бы связать наблюдаемые явления.
Таким образом, целью работы являлось :
1. Создание экспериментальной установки для исследования поляризационных спектров собственного и рассеянного излучений стационарных электрических разрядов.
2. Экспериментальные исследования поляризационных спектров собственного и флуоресцентного излучений лабораторного источника
- сильноточного дугового разряда, и на их основе создание методик поляризационной спектрометрии анизотропного движения электронов.
3. Применение разработанной аппаратуры и методик к исследованию условий распространения релятивистского электронного пучка микросекундной длительности в разреженном нейтральном газе.
Первая задача, которую необходимо было разрешить, состояла в создании экспериментальной установки. Поскольку в арсенале современных средств поляриметрии не оказалось прибора для полного анализа слабого флуктуирующего излучения, был предложен новый электрооптический поляриметр, совместимый со спектральным прибором высокого разрешения. На основе поляриметра была создана автоматизированная установка для исследования поляризационных спектров излучения стационарных электрических разрядов. Автоматизация установки осуществлена на базе микро-ЭВМ "Электроника-60" и системы сопряжения "КАМАК". С целью изучения возможностей оптимизации экспериментальных установок, использующих резонансное рассеяние света на атомах и ионах, был проведен теоретический анализ эффективности возбуждения флуоресценции в зависимости от параметров исследуемого объекта и зондирующего излучения. Результаты анализа, в частности, показали, что параметры созданной экспериментальной установки близки к оптимальным.
Вторая задача состояла в экспериментальном исследовании проявлений анизотропии движения электронов в поляризационных спектрах излучения, разработке методик и практическом осуществлении поляризационной спектрометрии анизотропного движения электронов в объекте с предельно слабой анизотропией -дуге атмосферного давления (Т -1 эВ, Ne I0 см ).
Впервые были зарегистрированы и детально исследованы поляризационные спектры собственного излучения, резонансной и столкновительной флуоресценции в неоне, аргоне и неоне с добавками аргона. На основании экспериментальных данных была построена модель физических процессов, объясняющая явление поляризации излучения как результат возбуждения спектральных линий быстрыми электронами с анизотропной функцией распределения по скоростям. По результатам экспериментальных и расчетно-теоре-тических исследований предложены новые методики изучения кинетики электронов: методика поляризационной спектрометрии анизотропного движения электронов в ионизованных газах и методика поляризационной флуоресцентной спектрометрии локальной анизотропии движения электронов с пространственным разрешением из-мерений до 10" см.
С применением разработанных методик впервые экспериментально исследованы радиальные распределения потока импульса быстрых электронов в диапазоне энергий 13-20 эВ в аргоновой дуге атмосферного давления. Получено также прямое экспериментальное доказательство сферической симметрии функции распределения тепловых и дотепловых электронов.
В ходе исследований получены новые данные об элементарных столкновительных процессах: оценены сечения деполяризации трех 4р состояний иона АгП атомами аргона и электронами, а также измерены сечения перемешивания этих состояний.
И, наконец, третья задача состояла в исследовании условий распространения релятивистского электронного пучка микросекундной длительности в разреженном нейтральном газе.
С этой целью был создан комплект диагностической аппаратуры и впервые проведены комплексные исследования условий транспортировки РЭП с параметрами 350 кэВ,15 А, 40мкс в аргоне при начальном давлении 25 Па, включавшие: многократную электронно-оптическую визуализацию пространственно-временных характеристик свечения канала транспортировки, многократную спектроскопию в диапазоне длин волн 570-600 нм, поляризационную спектрометрию линии 488,0 нм иона АгП.
Впервые обнаружена частичная линейная поляризация излучения линий иона АгП в спектре свечения канала транспортировки РЭП и измерено радиальное распределение степени поляризации линии 488,0 нм. Выявлена решающая роль вторичных электронов с энергией до I кэВ в возбуждении оптических спектров и с использованием предложенных методик в рамках модельных представлений получена оценка пространственного распределения средней энергии радиально движущихся потоков вторичных электронов.
Автор выносит на защиту:
-результаты экспериментальных исследований поляризационных спектров собственного излучения, резонансной и столкновитель-ной флуоресценции в дуговом разряде атмосферного давления, а также созданную на их основе модель физических процессов проявлений анизотропного движения быстрых электронов в поляризации излучения ;
-методики поляризационной спектрометрии анизотропного движения электронов и результаты их применения к исследованию дугового разряда атмосферного давления;
-результаты измерения пространственного распределения средней энергии радиально движущихся потоков вторичных электронов в канале транспортировки релятивистского электронного пучка (350 кэВ, 15 А, 40 мкс) в аргоне с начальным давлением 25 Па, методом поляризационной спектрометрии.
Экспериментальная установка для исследования спектров излучения стационарных электрических разрядов
Как можно видеть из соотношений (1.10), для однозначного определения всех параметров Стокса достаточно использовать лишь два из четырех каналов поляриметра-2(1) и 3(4). При этом параметры 30 и S измеряются в постоянной составляющей тока фотодетекторов, 52 -на частоте 2сОр, а 33 -на частоте СОр . Использование четырех каналов обеспечивает следующие преимущества: -повышает чувствительность, поскольку при обработке сигналов согласно схеме на рис.1.1 , складываемые и вычитаемые полезные сигналы коррелированы (в отличие от шумов), отношение сигнал/шум возрастает (см.,например,[27] ); -уменьшает потери света до минимально возможных - равных потерям в поляризационных призмах (4 10% в лучших образцах [28]) и электрооптическом модуляторе ( 10-15%) ; -снижает чувствительность к небольшой разъюстировке по азимутальным углам фазового модулятора и анализатора. Алгоритм обработки сигналов с выходов фотодетекторов может быть получен из уравнений (1.10): Заметим, что нечувствительность к разъюстировке непосредственно следует из соотношений (1.10) и (I.II). Функциональная схема простейшего аналогового устройства, выделяющего измеряемые параметры Стокса согласно (I.II), приведена на рис.1.1 справа: УІ-суммируюший усилитель, У2 и УЗ -дифференциальные усилители, ИНІ и ИН2-интеграторы, ФІ и Ш -полосовые фильтры на частоты 2(л)р и U)p , соответственно. Эта схема реализует матрицу [ТІ , т.е. преобразует сигналы с выходов фотодетекторов в параметры Стокса излучения. Проанализируем влияние на точность измерений амплитуды модулирующего напряжения и ее нестабильности AUm, Дифференцируя уравнения (I.II), получим для малых относительных ошибок в параметрах Стокса: откуда следует, что минимальная ошибка в определении 52 достигается при Цэ=5,14, а в определении 53 -при Up3,84. При этом соответствующие производные в (I.I3) равны нулю. Однако самый удобный режим работы поляриметра достигается при Up =2,405, что соответствует J0(Up)=0. В этом случае уравнения (1.10) резко упрощаются, а точность в определении S4 максимальна. Реальная матрица передачи [Т] может несколько отличаться от расчетной вследствие неидеальности оптических элементов, неточности юстировки и дрейфа коэффициентов усиления фотоприемников. Элементы этой матрицы могут быть определены путем калибровки в свете с последовательно меняющимся состоянием поляризации, например: [1,1,0,0] - [1,0,1,0] - [1,0,0,1] - [1,0, 0,0]. Этого сочетания входных векторов Стокса достаточно для полной калибровки поляриметра. Результаты испытаний и калибровки представлены на рис Л. 2. Как видно из осциллограмм, работа схемы полностью соответствует полученному алгоритму (1.10).
Идентичность оптических каналов обеспечивает их одинаковые спектральные характеристики пропускания. Поэтому поляри» метр может быть совмещен со спектральным прибором, имеющим несколько оптических каналов, который должен располагаться между поляризационными призмами и фотоприемниками. В этом случае необходимо учесть поляризационную характеристику пропускания спектрометра в уравнениях(1.5) и (1.6).
Поскольку поляриметр не имеет подвижных частей, его быстродействие определяется временными характеристиками фазового модулятора и системы регистрации. Последнее не является ограничением, поскольку современные автоматизированные системы регистрации, выполненные в стандарте "КАМАК", располагают аналого-цифровыми преобразователями с быстродействием I не - 10 мке [29] . Что касается фазовых модуляторов, то, например, для ис - 23 пользуемых кристаллов ДКДР верхняя частотная граница простирается до СВЧ диапазона [24] . Следовательно, в создании импульсного варианта поляриметра основной трудностью остается разработка высокочастотного высоковольтного генератора для питания электрооптического модулятора.
Были разработаны и построены два трехкаскадных ламповых генератора с кварцевой стабилизацией на частоты 4 и II МГц. Выходные каскады генераторов собраны на пентодах ГУ-50, повышение амплитуды выходного напряжения до 10-15 кВ осуществлено резонансными П-фильтрами с емкостной нагрузкой 15 пФ, которой являлся модулятор. Испытание импульсного варианта поляриметра показало, что в полностью поляризованном свете глубина модуляции достигает значений Ю0%(4 МГц) и &)%(!! МГц). Такая модуляция способна обеспечить нормальную работу поляриметра. С повышением временного разрешения как правило ухудшается отношение сигнал/шум в каналах регистрации. Для его улучшения целесообразно применять фильтрацию полезного сигнала, например, частотную. С этой целью были построены широкополосные усилители с пассивными полосовыми LC -фильтрами. Амплитудно-частотные характеристики такого усилителя и четырехзвенного фильтра приведены на рис.1.3(а,б). Испытания разработанных устройств в реальном эксперименте проведены при изучении условий транспортировки РЭП микросекундной длительности в разреженном нейтральном газе (см. Главу Ш).
Измерения поляризации линейчатых спектров собственного излучения. Анализ возможных причин поляризации
Вторая особенность схемы установки заключается в том, что спектрометром анализируются два оптических спектра из двух каналов поляриметра одновременно. Для этого изображение исследуемого участка разряда фокусировалось комбинированной линзой (10) в двух точках вдоль входной щели спектрометра, как показано на рис.1.4-(щель расположена вертикально). При такой фокусировке изображение из верхнего канала оказывалось снизу на щели, а изображение из нижнего канала - сверху. Расстояние между ними составляло 5-6 мм. Это дало возможность достичь развязки между каналами лучше 50 дБ. На выходной щели спектрометра были установлены два волоконных световода (12) , соединенные с фотоприемниками (13). Использовались фотоэлектронные умножители типа 38У-79 и EMI-9658B с мультищелочными фотокатодами. Экземпляры были подобраны по максимальному квантовому выходу в области длин волн 500 нм ( 15%) и минимального му темновому току ( 10 А). Схемы питания и параметры фотоприемников обеспечивали линейность вольтамперных характеристик до значений тока 100 мкА и I мА, соответственно. Для расширения динамического диапазона измерений контейнеры фотоприемников во время работы охлаждались до 10-15 градусов мороза двумя микрохолодильниками типа ПУЗ.390 .
Для выделения полезных сигналов на фоне шумов разряда и паразитных засветок применялась техника синхронного детектирования [32J на соответствующих частотах модуляции света. Исполь зовались аналоговые синхронные детекторы (15,16) типа "К-840" и "PAR". В соответствии с выражениями (1.10) и (I.II), на их входах формировались суммарные или разностные напряжения. Модуляция светового излучения осуществлялась стабилизированным механическим прерывателем (6), работавшим на частотах й)с=Ю- 900 Гц, который при исследовании собственного излучения разряда помещался на позиции (б), а при регистрации сигналов флуорес ценции - на позиции (б ). Источником зондирующего излучения (24) служил ион-аргоновый лазер типа "CR-2", генерировавший вертикально поляризованное излучение в сине-зеленой части спектра. Лазерный луч фокусировался в исследуемый объем разряда линзой (26) (F=I55 мм), исправленной на сферические абберации. Стабилизация его интенсивности осуществлялась цепью обратной связи через фотоприемник (27). Шла предусмотрена возможность ввода излучения под углами 45и 90 к направлению наблюдения. Для изменения угла служило поворотное зеркало (25).
Объектом исследований являлся сильноточный (jя I кА/см ) высокостабильный дуговой разряд в атмосфере инертных газов (2). Цилиндрический канал дуги длиной 6-15 мм располагался вертикально и стабилизировался двумя водоохлаждаемыми диафрагмами конусной формы с диаметром отверстий 2,5 мм. Расстояние между диафрагмами составляло 1-3 мм. Разряд был организован в герметичном цилиндрическом корпусе, снабженном штуцерами для подвода и вывода рабочего газа. Поток газа особой чистоты был направлен во внутренний объем и далее, через отверстия в диафрагмах, к электродам, чем препятствовал попаданию гетерогенных частиц в исследуемую часть канала дуги. Расход рабочего газа регулировался в пределах 0,1-0,6 л/мин. Питание разряда осуществлялось от стабилизированного генератора (I), обеспечивавшего ступенчатую регулировку электрического тока в диапазоне 12-42 А. На боковой поверхности корпуса с четырех сторон были установлены оптические окна диаметром 25 мм, предназначенные для вывода излучения и ввода зондирующего лазерного луча. Подробное описание конструкции дугового плазматрона и результатов его испытаний содержится в работах [15,33,34] . Плазматрон располагался на юстировочных столиках, обеспечивавших его тонкое перемещение вдоль и поперек главной оптической оси установки (линии наблюдения). Поперечным перемещением достигалась возможность регистрации радиальных распределений измеряемых спектральных характеристик излучения разряда.
Установка была рассчитана на несколько режимов работы: исследования поляризационных спектров собственного излучения или флуоресценции, в том числе с одновременной модуляцией тока разряда и синхронным детектированием сигналов на комбинационных частотах. Эта модуляция была обусловлена неотфильтрован -: ным остатком переменной составляющей разрядного тока. Регистрация спектров излучения осуществлялась путем многократного прецизионного сканирования длины волны спектрометра. Как и установка в целом, эта операция была полностью автоматизирована (см.1.3).
Опорные частоты для синхронного детектирования формиро -вались синтезатором (17), в котором соответственно режиму работы комбинировались частоты модуляции: света прерывателем С0С , тока разряда U) , фазы поляриметра сОр . Значения частот выбирались таким образом, чтобы их паразитные комбинации и гармоники вплоть до десятого порядка не могли попасть в полосы пропускания каналов системы регистрации [35J. Синтезатор опорных частот (17) был построен на основе пассивных кольцевых баллан-сных смесителей [36], фильтрация комбинационных частот осуществлялась узкополосными усилителями типа У2-8, снабженными цепями фазовой автоподстройки частоты.
Экспериментальное доказательство сферической симметрии функции распределения тепловых и дотепловых электронов. Исследования столкновительной флуоресценции
После осуществления этих операций регистрировались исследуемые поляризационные спектры. В режиме резонансной флуоресценции - после промежуточной операции из -мерения величины паразитного рассеяния лазерного излучения на деталях конструкции установки. Одновременно измерялись два поляризационных спектра и аппроксимировались известным эталонным профилем по методу наименьших квадратов [40]. При этом вычислялись интенсивность линии, ее ширина, интенсивность континуума, а также 90% доверительные интервалы для этих величин. Аппроксимация экспериментальных данных эталонным профилем позволяла уверенно выделять спектральные линии на фоне интенсивного излучения континуума с непрерывным спектром, в условиях значительных шумов разряда. Кроме того, результаты измерений усреднялись по серии опытов, что способствовало резкому повышению достоверности получаемой информации.
Эффективность работы автоматизированных эксперименталь -ных установок во многом определяется программным обеспечением и в первую очередь возможностями используемой операционной системы. Работу систем автоматизации на основе "КАМАК" программируют на нескольких уровнях, обеспечивающих различные степени детализации операций, быстродействие и оперативность: микропрограммном, программном и высоком. Наиболее детальное описание осуществляется на микропрограммном уровне с помощью языка микропрограммирования. При этом выбирают систему микроко -манд и создают микропрограммы, необходимые для выполнения более крупных операций. Этот уровень удобен на стадии проектирования ЭВМ и систем автоматизации. Следующим уровнем являются машинные языки, команды которых обычно соответствуют арифметическим или логическим операциям. При этом программа строится из машинных команд. С усовершенствованием машинных языков появились ассемблерные языки с символическим обозначением машинных команд. Они наиболее экономичны по использованию памяти ЭВМ и времени исполнения команд. Неудобство их использования заключается в большой трудоемкости написания программ, что не-приемлимо в условиях часто меняющихся потребностей физического эксперимента.
Языки высокого уровня (ФОРТРАН, БЭЙСИК, и др.) обеспечивают независимость программирования от ЭВМ. Эти языки имеют хороший вычислительный аппарат описания данных, но для их использования в системе "КАМАК" необходим набор специальных подпрограмм. При этом остаются их главные.недостатки: требование большого объема памяти для размещения транслятора и низкое быстродействие. Применение языков интерпретирующего типа (БЭЙСИК, ДС-СМ) в некотором смысле решает проблему написания вычисли -тельных алгоритмов, но их малое быстродействие (порядка 100 операций в секунду) и ограниченность средств машинного уровня резко сужает круг решаемых задач. Расширение существующих языков (ФОРТРАН, БЭЙСИК, ДС-СМ) для работы с аппаратурой в стандарте "КАМАК" связано с расширением функций соответствующего транслятора или интерпретатора [38]. Такая работа проводится во многих лабораториях и ее окончание - дело ближайших лет.
Значительные возможности в этих условиях предоставляют компиляторные системы, имеющие максимальное быстродействие , например, "QUASI0" [41] . Она предназначена для написания, отладки и выполнения программ на мини- и микро-ЭВМ в малых конфигурациях. Система содержит компилятор языка, близкого к языку БЭЙСИК, и оснащенного средствами машинного уровня. Язык имеет полную библиотеку для работы с аппаратурой в стандарте "КАМАК". Быстродействие достигает Ю4 операций в секунду. Существуют три версии системы: A ,F,N. Первые две не имеют вещественных переменных, но в них включен набор подпрограмм для работы с плавающей запятой. Последняя версия лишена этого недостатка и поэтому имеет более широкую область применения.
В процессе разработки системы автоматизации были последовательно пройдены следующие этапы: макроассемблер, ДС-СМ+макроассемблер, "QUASIC-P" и, наконец,"QUASIC-1T". Испытания показали, что скорость выполнения операций обращения к модулям "КА-МАК" в ДС-СМ+макроассемблер не превышает 10 оп/с , а обработка результатов лишь одного измерения, длящегося менее минуты, занимает более 25 минут. Это оказалось неприемлимо, поскольку кроме низкой производительности, резко снижало достоверность результатов из-за долговременных нестабильностей разряда. Использование языка "QUASIC-F"позволило сократить время обработки одного измерения до 10 с , однако оперативной памяти ЭВМ не хватило для размещения программ из-за частого обращения к подпрограмме преобразования переменных. Лишь переход к последней версии - "QUASIC-N", позволил разместить полную программу управления установкой и обработки экспериментальных данных. Компилятор языка занимал в памяти ЭВМ объем 7,3 К слов. Остаток составлял 16,7 К , и был полностью занят рабочими программами, распечатки которых вынесены в Приложение I. В процессе разработки предусмотрена возможность использования системы автоматизации в составе разветвленной сети диагностических установок, подключенных к большой ЭВМ [42].
Диагностическая аппаратура и результаты измерений поляризации излучения из канала транспортировки РЭП
Испытания проводились с целью изучения реальных характеристик и надежности работы установки. 1. При юстировке особое внимание уделялось уменьшению поляризационных искажений исследуемого излучения оптическими элементами: выходным окном камеры и объективами (3),(5)-см.рис. 1.4. Теоретический анализ таких искажений, проведенный в работах [8,52] , позволяет их рассчитать, а также дает критерии для подбора оптимальных оптических элементов. Расчет поляризационных искажений, когда элементы уже подобраны и установка съюстирована, не обеспечивает необходимой точности, поскольку требует знания конструктивных особенностей используемых элементов, а также точного контроля юстировки. Нами эти искажения исследованы экспериментально. Измерялась деполяризация полностью поляризованного света, поворот плоскости линейной поляризации (вертикальной), а также поляризация неполяризованного излучения. В спектральном интервале 420-750 нм величины искажений, усредненные по трем сериям измерений, составили соответственно: 0,989(0,008) ; 0,12(0,08) ; 0,0015(0,0005). В скобках даны ошибки, характеризующие изменения данных величин в пределах указанного спектрального интервала. Деполяризация полностью поляризованного излучения не влияла на результаты измерений, поскольку устранялась путем поляризационной калибровки. Остальные величины учитывались как систематические ошибки измерений. 2. Эффективность исправления поляризационной характеристики пропускания спектрометра корректором (9)(см.рис.1.4) контролировалась в процессе юстировки. На рис.1.II для сравнения показаны спектральные зависимости коэффициента X с применением коррекции (2) и без нее (I). Как видно из рисунка, при использовании коррекции сигнал на выходе ФЭУ слабо зависит от состояния линейной поляризации анализируемого излучения. При более тщательной юстировке эффективность может быть еще выше . 3. Контролировалось влияние постоянной времени системы ре-ристрации на форму измеряемых спектров излучения. На рис. I.I2 приведены спектры, соответствующие различным постоянным времени, при неизменной скорости сканирования длины волны спектрометра. Для измерений выбирался такой режим, когда постоянная времени не сглаживала изучаемые профили. 4. Исследовались шумовые характеристики экспериментальной установки и отдельно системы автоматизации. На рисі.13 представлены записи этих шумов при максимальной чувствительности каналов. Записи сделаны на графопостроителе системы автоматизации: шумы всей установки обозначены штрихом. Как видно из рисунка, ос новной вклад в них дает шум квантования - единица последнего разряда АЦП (0,4%) и ЦАП в приводе графопостроителя (0,1%). Остальные флуктуации обусловлены темновым током ФЭУ и электромагнитными наводками. 5. Испытывалось предельное быстродействие системы автоматизации. При использовании генератора импульсов в системе "КА-МАК" вместо таймера ЭВМ минимальное время между двумя соседними отсчетами составляло около 100 мкс. Эта величина, по-видимому, определяется суммарным временем реакции контроллера крейта, АЦП и компилятора языка. 6. Поляризационная и абсолютная калибровки проводились непосредственно перед каждой серией измерений. На рис.1.14 пока- заныга) эталонный и лазерный спектры, б) поляризационные калибровочные спектры параметров 5І (I) и 50(2), в) и г) поляризационные спектры релеевского рассеяния на длинах волн 488,0 и 514,5 нм (обозначения см. п. б). 7. Примеры записей реальных спектров собственного излучения дугового разряда атмосферного давления в аргоне, полученные на экране графического дисплея, представлены на рис.I.15. Таким образом, испытания показали работоспособность экспериментальной установки, ее надежность и полное соответствие предъявляемым требованиям. Выводы к Главе I 1. Разработан, создан и испытан новый электрооптический фазовый поляриметр, позволяющий проводить полный анализ излучения за одно измерение. 2. На основе поляриметра разработана, создана и испытана автоматизированная экспериментальная установка для исследования электрических разрядов и предложена методика измерения поляризационных спектров собственного и флуоресцентного излучений. 3. Автоматизация экспериментальной установки проведена на основе микро-ЭВМ "Электроника-60" и устройства сопряжения "КА-МАК". Разработано программное математическое обеспечение экспериментальных исследований. 4. Проведен теоретический анализ эффективности возбуждения флуоресценции, на основании которого получены критерии оптимизации экспериментальных установок, использующих резонансное рассеяние света на атомах и ионах.
