Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Методы обработки измерении плотности плазмы на выходе импульсного плазменного ускорителя 20
1.1. Интерферометрия плазмы с фоторегистрацией 20
1.2. Экспериментальная установка 23
1.3. Измерительная система для обработки фотоинтерферограмм 25
1.4. Программно-математическое обеспечение при обработке экспериментальных данных 38
1.4.1. Исследование цифровых и-аналоговых методов фильтрации изображения интерференционного поля. 38
1.4.2. Расчет радиальных параметров плотности плазмы в импульсном плазменном ускорителе 58
1.5. Выводы 70
ГЛАВА 2. Методы обработки ширен фотографий при вдсдвдовании плазмы разряда с полым катодом 72
2.1. Метод шлирен фотографии 72
2.2. Экспериментальная установка 79
2.3. Измерительная ситема для фотометрирования пширен фотографий 81
2.4. Прогршлшо-математическое обеспечение системы обработки 87
2.4.1. Ввод в ЭВМ градаций яркости полутонового объекта* 88
2.4.2. Определеьше пространственного распределения интегральных параметров градиентов плотности рлазмы 90
2.4.3. Определение пространственного спектра неоднород-ностей в плазме разряда 92
2.5. Выводы 97
ГЛАВА 3. Методы обработки СВЧ при измерении параметров плазм отрашешюго разряда 98
3.1. Интерферометрия плазмы с электрической регистрацией 98
3.2. Экспериментальная установка 100
3.3. Измерительная система для обработки СВЧ-интерферо-грамм 104
3.4. Программно-математическое обеспечение системы измерения и обработки СВЧ-интерферограмм 109
3.4.1. Определение базовых набегов и измерения плотности во времени 112
3.4.2. Определение фазовых набегов в интерферометрах с модуляцией 120
3.4.3. Определение пространственного распределения плотности плазмы при двухчастотном зондировании 125
3.4.4. Определение спектральных характеристик колебаний плотности плазмы Ї2С
3.4.и. доследование вшшшя градиентных неустойчквостей на увеличение потерь плазмы сильноточного отражательного разряда 134
3.5. Выводы 140
Литература
- Измерительная система для обработки фотоинтерферограмм
- Измерительная ситема для фотометрирования пширен фотографий
- Определеьше пространственного распределения интегральных параметров градиентов плотности рлазмы
- Программно-математическое обеспечение системы измерения и обработки СВЧ-интерферограмм
Введение к работе
Успешное изучение физических процессов в плазме во многом определяется освоением и развитием методов диагностики плазмы. Зрели различных методов диагностики важную роль играют методы, основанные на зондировании плазмы электромагнитными волнами. і ним относятся и активные методы: интерферометрия и пширен. Определяемая с их помощью плотность и градиенты плотности плазмы наря-оу с температурой являются основными характеристиками плазменного іроцесса. Интерферометры и в меньшей степени шлирен-приборы стали рабочим инструментом на плазменных установках. Развитие этих метопов диагностики идет по пути освоения новых диапазонов зондирующих излучений, создания новых источников, усовершенствования схем интерферометров и шлирен-приборов, разработки приемников, измери -тельных схем, методов обработки и интерпретации получаемых данных при исследовании плазменных объектов. Современный уровень разви -гия физического эксперимента требует и автоматизации измерений. Практически все вновь разрабатываемые крупные термоядерные уста -новки включают в себя автоматизированные диагностические комплексы. Это ставит исследования на новый качественный уровень, облегчает проведение измерений, обработки, ускоряет получение конечного результата. С другой стороны, требует нового, комплексного подхода к эксперименту, т.е. решения ряда задач как технического, так и системного характера.
Каждая диагностическая методика применительно к конкретному плазменному эксперименту имеет свои особенности. В качестве ос -новных можно отметить:
Способ измерения параметров плазмы (интерферометр, шли -рен-прибор, зонд и т.д.).
Способ регистрации (фотопленка, ФЭ7, СВЧ-детектор и т.д.).
Количество измерительных каналов и длительность плазмен-
зого процесса.
4. Необходимая математическая обработка с учетом изучаемых физических явлений (абелизация, стат.обработка и т.п.).
На рис. I показаны основные этапы и соответствующие задачи, выполнение которых необходимо при автоматической обработке шлирен и интерференционных измерений.
Интерферометрические и шлирен методы известны давно [1,2] и успешно применяются для исследования плазмы [3,4,5,6,7] . Этому способствует относительная простота экспериментальной реализации данных методов и ценность получаемой с их помощью информации о физических процессах в изучаемых плазменных установках. В первую очередь это пространственное и временное распределение плотности и ее градиентов, характерное распределение плазменных колебаний. Взаимно дополняя друг друга, эти методы отличаются большим разнообразием схемных решений, что обычно позволяет выбрать для конкретного объекта необходимую схему измерения. Широко используются для диагностики плазмы методы интерферометрии в СВЧ диапазоне [8,9,10].
Изучение более плотной плазмы потребовало развития для диагностики оптического диапазона [11,12,13], что стимулировалось созданием лазерных осветителей. Следует отметить, что СВЧ интер -ферометры и лазерные интерферометры с электрической регистрацией по принципу действия не отличаются друг от друга. При этом СВЧ интерферометры обладают большей чувствительностью к измеряемой плотности плазглы. Лазерные интерферометры благодаря своей высокой направленности излучения, обладают большим пространственным раз -решением и в случае регистрации с помощью сверхбыстрого фоторегистратора (СФР) применяются для изучения пространственно-временного распределения плотности плазмы. Чувствительность интерферометров прежде всего зависит от длины волны зондирующего излучения и
Интерферометр
с визуализац.
поля
Фильтрация: аналоговая, цифровая, с помощью дисплея
I. Сбор, накопление, хранение и визуализация информаціш.
и см/
Расчет интегральных значений ного распределений.
Расчет радиальных параметров */**' и vw(t<),
Расчет оптических неоднородностей плазмы.
Расчет характерных плазменных колебаний и их идентификация.
Рис. I. Структурная схема этапов при автоматической обработке шлирен и интерференционных измерений
Шлирен-прибор (метод абсолют, йотометриров.)
Фоторегистрация (Фотопленка)
Фотометрирование
Оптико-механические, электронные
Пространственное:
растровое сканирование;
программно-управляемое с режимом микросканирования
\
W
Шлирен-метод с гоотоэлектр. регистрацией
Авт оматич е ские интерферометры
Электрическая регистрация , СВЧ-детекторы и т.д.)
Амплитудно-временной анализ электрических сигналов
±
Аналого-цифровые преобразователи, счетно-логические устройства
Временное квантование
±
их пространствен, и времен-
от конкретной схемы, по которой собран интерферометр (одноходо -вой, многоходовой и т.д.). Точность определения плотности плазмы при соответствующей длине зондирующего излучения зависит от минимальной величины отсчета набега фазы. При этом важно знать и направление изменения фазы. В случае фоторегистрации интерферограмм определение направления знака фазы не представляет трудности, а изменение фазового набега (смещение интерференционной полосы) находится при фотометрировании. Минимальное измеряемое значение величины фазы в этом случае ограничивается разрешающей способностью фотоносителя, шумовыми эффектами от собственного свечения плазмы, а также разрешающей способностью фотометрирующих устройств [14,15,16].
В случае электрической регистрации набеги фаз кратные 5Г сравнительно легко определяются на СВЧ интерферограммах [17]. Значительно труднее определяются они в лазерных интерферометрах, где,как правило, имеет место полное прохождение сигнала. В этом случае применяются дополнительные способы определения направления изменения фазы. Один из них - использование двух детекторов в зоне интерференции, сдвинутых пространственно относительно интерференционной полосы на 4Г/2. Применение счетно-логических систем отсчета фазы позволяет получить точность ее отсчета до 1/4 полосы [18]. Точность и чувствительность интерферометров с электри -ческой регистрацией может быть выше, чем при фоторегистрации [19]. Это объясняется возможностью реализации многоходовости, большей чувствительностью и линейностью приемников. В рассматриваемых СВЧ интерферометрах с электрической регистрацией существует не -точность при определении фазовых набегов меньших 7Г и исследова -нии стационарной плазмы, поэтому иногда целесообразно применять интерферометры, где фазовый сдвиг определяется по временной за -
держке фазовых биений 2-х интерферометров - опорного и измери -
тельного. Такие интерферометры широко применяются как в оптическом, так и в СВЧ диапазонах. Это дает возможность более точного определения долей фазы при малых фазовых набегах и требует электронных методов отсчета [20]. Сложности, возникающие при созда -нии таких отсчетных систем к СВЧ интерферометрам, связаны с по -лучением сильных флуктуации СВЧ сигналов, а также с затуханием сигналов, проходящих через плазму.
Представляет интерес для диагностики плазмы и интерферометрия на нескольких частотах, что расширяет диапазон измеряемых плотностей плазмы и позволяет сделать заключение о ее простран -ственном распределении. Приняв за основу два способа регистрации - фотографический и электрический - они же являются основными и для шлирен, зондовых и других, рассмотрим вопросы дальнейшей обработки. В настоящее время самым распространенным способом регистрации сигналов при диагностике плазмы является фотопленка (осциллограф, фоторегистратор). Обработка изображений на негативах производится либо вручную или с привлечением полуавтоматических просмотровых устройств [21,22,23]. Такая обработка является трудоемкой и малоэффективной, что особенно проявляется при больших объемах получаемой информации. Поэтому в последнее время наблюдается тенденция к повышению внимания к вопросам автоматизации диагностических измерений на плазменных установках, в частности, к вопросам автоматического съема, измерения и обработки данных. Этому способствует и бурное развитие вычислительной техники. Выпуск мини и микро-ЭВМ с развитой периферией дает основание считать, что практически все задачи по автоматизации диагности -ческих измерений будут решены. Однако в настоящее время общее состояние дел по автоматизации диагностических измерений на плазменных установках во многих научных центрах нашей страны следует признать неудовлетворительным. Это объясняется, в первую очередь,
недостаточной номенклатурой устройств связи с объектом (отсутствие быстродействующих АЩІ, фотометрирующих приставок и др.), учитывающих специфику плазменного эксперимента. Поэтому сопряжение с ЭШ диагностических систем требует разработки и создания дополнительных устройств, развязок, нормализаторов, интерфейсов и т.д. Данная ситуация, очевидная для интерференционных и шлирен измерений, характерна и для других плазменных измерений.
Следует отметить, что работа в этом направлении интенсивно ведется. Так, при обработке фильмовой информации накоплен значительный опыт создания автоматических фотометрирущих систем: в ОИЯИ [24], ИАЭ СО АН СССР [25], в институте физики земли АН СССР [26]. Как правило, это специализированные сложные автоматические устройства, позволяющие решать задачи обработки негати -вов с большой производительностью и точностью. В случае интер -ферометрических и шлирен измерений, когда круг пользователей значителен, создание простых и надежных измерительных систем, выполненных в виде внешних устройств к управляющим или универ -сальным ЭШ, является необходимым в условиях реального физического эксперимента. Аналогичная ситуация возникает и при измерениях параметров плазмы с электрической регистрацией. Традиционная регистрация с помощью запоминающих осциллографов в случае изучения длительных процессов или при многоканальных измерениях крайне неэффективная. Проведение же эксперимента в реальном масштабе времени требует быстрых аналого-цифровых преобразова -телей и их сопряжения с датчиками и быстродействующими ЭВМ. Например, наиболее распространенное и обеспеченное широким набором устройств сопряжения с объектом серия ЭШ CMI * СМ4 имеет АТТГТ с максимальным быстродействием порядка 20/икс, что явно недостаточно при изучении кратковременных плазменных процессов,
особенно при одновременном многоканальном приеме аналоговых сигналов [27]. Кроме того, учитывая особенности плазменного эксперимента, а именно, сложные условия, вызванные электрическими и магнитными наводками, требуются измерение, промежуточ -ная буферизация и предварительная оценка диагностических сиг -налов с целью передачи их в ЭВМ в паузе между рабочими импульсами установок [28]. Поэтому непосредственное использование ЭШ для интерферометрических и шлирен измерений в реальном масштабе времени не получило должного развития в физическом эксперименте. Известные автоматические интерферометры создаются на базе различного рода приставок и являются автономными устройствами, как правило, не связанными с ЭВМ [29]. Реализация только технической стороны при создании измерительных систем для автоматической обработки интерферограь-м и шлирен юотографий, а именно, сопряжение с датчиком, регистрация инфорлации, ее преобразование и ввод в ЭШ, не исчерпывает всех проблем при автоматизации этих диагностик. Измерительная система - это комплекс взаимосвязанных звеньев, задача которого - обеспечить достоверность результата измерения в конце измерительных преобразований, т.е. после математической обработки. Обычно этапу математической обработки предшествует этап фильтрации. Получаемая в условиях плазменного эксперимента информация содержит большое количество помех, нередко достигающих "экстремальных" значений. К ним относятся собственное свечение плазмы, наводки от электрических и магнитных полей, неоднородность структуры зондирующей электромагнитной волны и т.п. Все это с учетом импульсного характера плазменного процесса дает очень зашумленную информацию. Поэтому возникают вопросы ее фильтрации. Ряд отрицательно влияющих факторов можно исключить на этапе приема и ввода информации в ЭВМ (оптронные развязки, усилители, нормали-
заторы, оптические и аналоговые электрические фильтры) [30]. Применительно к анализу изображений интерферограмм и шлирен снимков - это учет и исключение факторов, ухудшающих их качество уже после проведения физического эксперимента, т.е. после регистрапии сигналов.
Вопросам фильтрации изображений уделяется большое внимание [31,32]. Существует установившееся мнение [33], что вряд ли возможен общий метод фильтрации для всего многообразия существующих объектов, так как необходимое условие фильтрации - знание и учет конкретных "шумовых" факторов. Среди методов фильтрации применительно к интерференционным измерениям можно отметить: оптические: аналоговые и цифровые. Интересно и перспективно применение оптических фильтров [34]. Они позволяют фильтровать одновременно все изображение, не подвергая его поточечной дискретизации. При этом однако остается проблема введения в ЭВМ "улучшенного изображе -ния".
В настоящей работе рассматриваются вопросы использования аналоговых и цифровых методов фильтрации. Что касается аналого -вой фильтрации изображений фотоинтерферограмм, то она связана с применением для обработки последних телевизионной техники [35]. Осуществляется это изменением апертуры сканирующего луча либо применением электрических фильтров в канале видеосигнала [36,37]. Ценность таких методов фильтрации заключается в их проведении до ввода изображения в ЭВМ, что уменьшает избыточность вводимой информации, и в совмещении процесса фильтрации с процессом представления изображения его цифровым эквивалентом. Более распространены методы цифровой фильтрации, что объясняется их гибкостью, возможностью одномерной и двумерной фильтрации. Цифровые фильтры, в том числе и программно управляемые, легко реализуются [38,39]. Фактически, ни одна обработка интерферограмм не обходится без
того или иного метода фильтрации. Вопросы цифровой фильтрации требуют дальнейшего развития в плане создания библиотеки программ стандартных методов фильтрации, их сравнения и оценки применительно к обработке изображении различных интерферограмм.
Численные методы расчета параметров плазмы по результатам диагностических измерений уже получили достаточно высокое развитие [40,41,42,43]. Благодаря расчетам такого рода удается определить радиальные распределения параметров плазмы в плазмен -ных установках и в случае осевой симметрии и когда осевая сим -меірия отсутствует. Обычно это осуществляется при помощи реше -ния уравнения Абеля при измеренном интегральном распределении плотности. Известная некорректность этого уравнения приводит к значительной погрешности при получении конечного результата, зависящей как от метода решения уравнения, так и от количества и точности исходных данных. Определенный интерес представляет определение радиальных параметров интерференционными методами в случае априорно известного распределения плотности, например, по результатам других диагностик или теоретическим представле -ниям. Пространственное (радиальное) распределение плотности плазмы удается оценить и в случае многочастотной СВЧ интерферометрии, опять же с привлечением сведений о распределении плазмы [44,45].
Весьма перспективен для численных расчетов в интерференционных и шлирен измерениях спектральный анализ. Он открывает возможность определения как оптических характерных плазменных неоднородностей (шлирен-сншлки), так и характерных плазменных колебаний (СВЧ интерферограммы). Например, в последнее время плазменные неустойчивости дрейфового типа [46] стали объектом пристального внимания исследователей, занимающихся проблемой
управляемого термоядерного синтеза. Это обусловлено тем, что
акого рода неустойчивости могут значительно увеличивать потери лазмы поперек удернивающего магнитного поля. Рассматриваемые в анной диссертации бесконтактные методы диагностики позволяют про-ести идентификацию наблюдаемых колебаний путем сравнения их с ассчитанными на основе теоретических представлений.
Резюмируя, можно отметить, что интерферометрические и шлирен змерения представляют большую ценность, возрастающую при наличии змерительнои системы, позволяющей непосредственно в ходе экспери-ента или после него оперативно получить данные об измеряемых па-аметрах плазмы. Только подходя к данным диагностикам как к коми-ексу взаимосвязанных проблем и совместно решая их, можно качест-енно повысить уровень физического эксперимента и решать сложные азические задачи.
Вышеизложенный анализ измерения плотности плазмы с помощью зтерферометров и шлирен-приборов и методов их математической об-аботки позволяет сформулировать цель данной диссертационной ра-оты:
Создание аппаратуры и методов для интерференционных и пирен измерений и с их помощью экспериментально исследовать вре-знное и пространственное распределение плотности и градиентов ютности в импульсных плазменных установках.
Изучение характера плазменных колебаний в сильноточном от-ажательном разряде и их влияния на время жизни частиц.
Научная новизна диссертационной работы:
Разработаны ряд систем для автоматического ввода диагнос-гаеской информации в ЭВМ.
Впервые обоснована и проведена аналоговая фильтрация изо-ражений интерферограмм на выходе импульсного плазменного ускори-зля методами анизотропной пространственной фильтрации с использо-шием дифференциальных операторов.
Разработан и применен метод автоматической регистрации фа->вых сдвигов с применением двух СВЧ-интерферометров с модуляцией, ?о позволило повысить точность при измерении фазовых набегов шыпих 2JI и проводить измерение плотности стационарной плазмы.
Проведена идентификация плазменных колебаний сильноточного шульсного разряда как колебаний дрейфового типа и показано их шяние на увеличение потерь плазмы.
Научная и практическая значимость работы.
Работы, составляющие основу диссертации, выполнены согласно зматическому плану отделения физики плазмы ХФТИ АН УССР.
Разработана аппаратура, методики, включающие математическую 5работку, и проведены экспериментальные исследования на ряде им-ульсных плазменных установок, что послужило основой для разработ-а системы сбора и обработки информации на крупном стеллараторе ^раган-З".
Разработанные автором измерительные системы применялись и ши-око применяются на крупных термоядерных установках:
- в зондовых измерениях для изучения МГД неустойчивостей на
становках "Ураган-2", "С-4" (ХФТИ АН УССР);
.* - в магнитных измерениях для изучения крайней магнитной по-ерхности на установке "Туман-3" (ЛФТИ АН СССР);
- для тензометрических и спектроскопических измерений на ус-
ановке "Ураган-3" (ХФТИ АН УССР);
. - для корпускулярных измерений на установке "Ш-4" (ИАЭ им. лВ. Курчатова).
.Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В первой главе диссертации рассматриваются вопросы определе-:ия плотности плазмы при фоторегистрации интерференционного поля, /роведен поэтапный анализ измерительной системы для данного мето-;а диагностики плазмы.
1.1. посвящен краткому описанию метода интерферометрии с (юторегистрацией и структурных схем измерительных систем для автоматизации интерференционных измерений.
В 1.2. дано описание плазменной установки и оптической схе-ш применяемого интерферометра. Интерферометр Рождественского с 1е-лГе лазерным осветителем и регистрацией интерференционного по-ш с помощью СФР применялся для исследования плотности плазмы на шходе плазменного эрозионного ускорителя.
В 1.3. обсуждаются метрологические вопросы при технической реализации фотометрирующих устройств. Описана разработанная авто-)ом механическая сканирующая фотометрирующая система с проециро-іанием анализируемого изображения фотоинтерферограммы в плоскость жанирования.
В 1.4, анализируется этап программно-математического обес-гечения при обработке фотоинтерферограмм. Основные задачи, решаете на этом этапе, это программное обеспечение устройств ввода-швода для измеряемой информации и краткий анализ задач математи-[еского плана, решаемых при обработке результатов интерференцион-шх измерений. Проведен сравнительный анализ решения уравнения ^беля, используя метод наименьших квадратов. Это позволило полупіть среднеквадратичные ошибки вычисления А/ (Я ), как функции от ;исперсии экспериментальной погрешности (#) и числа отсчетов^) юдинтегральной функции для различных методов решения уравнения ібеля.
В І.4.І. исследуются методы аналоговой и цифровой фильтрации изображений фотоинтерферограмм. В основу метода аналоговой іильтрации положен принцип анизотропной пространственной фильтра-;ии с использованием дифференциальных операторов. Исследовано :рименение линейных одномерных цифровых фильтров.
Проведенные интерференционные измерения плотности плазмы,
их автоматическая обработка, включая фильтрацию, позволили опре -делить временное, пространственное и радиальное распределение плотности плазмы на выходе эрозионного ускорителя ( 1.4.2).
Во второй главе рассматриваются вопросы обработки шлирен фотографий при исследовании плазменного разряда с полым катодом.
В 2.1. рассматривается шлирен метод с фоторегистрацией, его точность, чувствительность и область применения для диагнос -тики плазмы.
В 2.2. описывается плазменная установка, оптическая схема шлирен прибора с лазерным источником света типа ЛІИ-38 и лазерным инт ерфероме тр ом.
В 2.3. рассматривается разработанная для целей фотометри -рования шлирен снимков автоматичесішя фотометрируїацая система на базе механической радиальночцелевой развертки, типа "бегущий луч'.'
В 2.4. рассмотрено программно-математическое обеспечение системы обработки, включающее комплекс программ для приема, на -копления и анализа введенного изображения шлирен снимка.
В результате обработки определено пространственное и временное распределение интегральных параметров градиентов плотности плазмы в межэлектродном зазоре водородного разряда с полым като -дом. Используя зависимость корреляционной функции для поля коэф -фициента преломления и корреляционной функции измеренного сигнала (освещенность шлирен снимка), получена связь между одномерным пространственным спектром пульсаций коэффициента преломления и спектром регистрируемого сигнала.
Третья глава посвящена вопросам определения параметров плазмы в импульсном отражательном разряде с помощью СВЧ-инт ерфероме т-ров.
В 3.1. проведен анализ методов обработки интерферограмм с
электрической регистрацией для двух типов интерферометров, что позволило выработать требования к техническим параметрам устройств измерения и ввода информации в ЭВМ, Применялись двухплечные ин -терферометры и интерферометры с частотно-фазовой модуляцией.
В 3.2. рассмотрена экспериментальная установка и схемы интерферометров.
В 3.3. описывается измерительная система, разработанная для автоматического ввода сигналов с интерферометра в ЭНЛ. Она представляет собой трехканальнуїо быстродействующую аналого-цифровую систему с буферной памятью. Наличие буферной памяти позволяет после окончания рабочего импульса на установке просматривать из -меренные и ддскретизированные сигналы с интерферометров на мони -торе с помощью цифро-аналогового преобразователя либо графического дисплея.
В 3.4. рассмотрено программно-математическое обеспечение, включающее программы и алгоритмы, обеспечивающие:
прием дискретных сигналов из буферной памяти в 037 ЭВМ,
вывод принятых сигналов на внешние устройства ЭВМ,
хранение принятой информации на магнитных дисках,
обработку принятых реализаций в зависимости от применяемого интерферометра.
Создана диалоговая система с использованием дисковой опера -ционной системы, позволяющая облегчить работу экспериментатора при обработке информации.
Разработанные методы автоматизации физических измерений и обработки зондовых и СВЧ сигналов позволили провести измерения пространственного и временного распределения плотности плазмы, температуры, спектров пульсаций плотности и электрического поля ( 3.4.1).
В 3.4.2. проведена идентификация наблюдаемых колебаний плотности плазмы путем сравнения экспериментально исследуемых величин с рассчитанными на основе теоретических представлении. Экспериментально показано, что изучаемые неустойчивости развиваются в максимуме тока разряда, плотности и температуры, носят дрейфовый характер; с распадом плазмы и увеличением столкновений переходят в ветвь дрейфово-диссипативных колебании и приводят к повышенному выносу частиц и энергии на стенки разрядной камеры.
Основные результаты диссертации, выносимые автором на защиту:
1. Разработаны и внедрены в практику физического экспери
мента ряд систем для автоматического ввода диагностической ин
формации в ЭВМ, в том числе:
система ввода фотоинтерферограмм на базе двухкоординат-ного фотометра, предусматривающая режим микросканирования;
система ввода шлирен снимков на базе фотометрирующего устройства типа "бегущий луч" с радиальной щелевой разверткой;
многоканальная аналоговая система, работающая на линии с ЭВМ, включающая аналого-цифровые преобразователи с буферной памятью.
Получено пространственное и временное распределение плотности плазмы на выходе плазменного эрозионного ускорителя. Показано, что максимальная плотность 2.1Сг' см достигается на оси разряда на расстоянии 3 мм от выхода ускорителя, при этом разряд имеет симметричную форму.
Получено пространственное распределение и временное изменение плотности и градиентов плотности в межэлектродном зазоре водородного разряда с полым катодом. Установлено отсутствие диффузного распределения разряда и увеличение градиентов плотности в местах стыка разрядника, а также преобладание в разря-
;е пульсаций плотности плазмы низкой частоты, обусловленных боль-[им размером оптических неоднородноеей.
Получены спектры колебаний плотности плазмы в сильноточ-[ом отражательном разряде. Установлено, что изучаемые неустойчи-юсти развиваются в максимуме тока разряда, плотности и температуры, носят дрейфовый характер, с распадом плазмы и увеличением ;толкновений переходят в ветвь дрейфово-диссипативных колебаний и фиводят к повышенному выносу частиц и энергии на стенки камеры.
Предложен и внедрен метод для автоматической регистрации [азовых сдвигов с применением двух интерферометров с модуляцией, юзволяющий повысить точность при измерении фазовых набегов мень-аих 2 ^Я и проводить измерения стационарной плазмы.
Измерительная система для обработки фотоинтерферограмм
Исследования плазмы с помощью оптического интерферометра были проведены на импульсном плазменном ускорителе. Существует большое количество различных плазменных ускорителей. Они различаются как геометрией разрядного устройства, которая определяет механизм ускорения плазмы, состоянием рабочего вещества и способом его подачи в разрядный промежуток, так и своим назначением. Среди ИЛУ особое место занимают ускорители эрозионного типа, т.е. ускорители, в которых разряд сам производит среду, в которой горит. Представляет интерес исследование процессов, происходящих при образовании эрозионной плазмы, в частности, определение интегральных и радиальных параметров плотности плазмы. В данном случае исследовался ШІУ с плазмообразующимся телом из фторопласта с цилиндрической геометрией, описанной в [50]. Для получения разряда применялась батарея конденсаторов емкостью 75 мкФ, которую можно было заряжать до 10 кВ. ИЛУ помещался- в металлическую вакуумную камеру, при этом диагности -ческие окна позволяли вести наблюдения за плазмой в пределах 60 мм от выхода торца ускорителя. Использовался интерферометр Маха-Цендера с фоторегистратором СФР-М (рис. 2) [51,52]. Источником света в интерферометре служил Не- Уе лазер ЛГ-36А. Формирование светового пучка осуществлялось телескопической системой линз. Так, цилиндрическая линза 2 расширяет пучок плоскости yZ до размера 8 см. Линза 3 формирует параллельный пучок в плоскости С/Н и одновременно фокусирует его в плоскости Ху, до размера & = 5 10 см. Фокусное расстояние линзы 3 составляет 70 см, что позволяет совместить минимальную ширину пучка с областью исследуемого объекта, оставляя линзу вне вакуумной камеры II. Временная развертка интерференционной картины осуществляется СФР-М [д]. Изображение исследуемого объекта и интерференционных полос проектировалось с помощью объективов 10 и 12. Перед телескопической системой линз уста -навливался специальный механический затвор с временем открывания 0,5 мс, синхронизированный с началом фоторегистрации на СФР. Объектив 8 фокусирует лазерный пучок на фотопленку в виде узкой световой полоски, ширина которой достигает величины а = 10 см. Временное разрешение интерферометра определялось как АІ = и/(Х t где (X _ скорость вращения зеркала СФР. При С 6 10 об/мин, ЛІ = 3 10 с. Пространственное разрешение интерферометра определяется шириной интерференционной полосы, отнесенной в область зондирования плазмы и составляет величину порядка 2 мм. Благодаря малой угловой расходимости лазерного пучка свечение из плазмы легко устраняется диафрагмами маски 7, устанавливаемыми по ходу пучка, а также удале -ниєм СФР на расстояние до 3,5 м от источника плазмы. Изуча -лось распределение плотности плазмы на различных расстояниях от торца ускорителя. Характерная фотоинтерферограмма, полу -ченная в эксперименте на расстоянии 2 мм от торца ускорителя, показана на рис. 3. Хорошо просматривается периодическая структура фазовых набегов, коррелируемая с временным измене -нием тока разряда. Ввод фотоинтерферограмм в ЭВМ для дальнейшей обработки с учетом их полутонового характера требует ав -томатического фотометрирования, рассматриваемого в следующем параграфе.
Измерительная система для обработки фотоинтерферо-грамм [53,54]. Тип применяемого интерферометра обуславливал способ ре -гистрации, что в свою очередь определяло структурную схему измерительной системы для автоматизации обработки интерферо -грамм (рис. 4). В случае фильмовой регистрации, имеющей место в данном случае, одна из основных задач при обработке это ввод регистрируемой на фотопленке информации в ЭВМ, т.е. анализируемое изображение подвергается пространственному разбиению с помощью сканирующих устройств. Независимо от метода
Оптическая схема эксперимента при исследовании ИПУ Не-Ле лазер ЛГ-ЗбА; 2 - цилиндрическая линза; 3 - линза; 4,5,6 - зеркала интерферометра; 7 - диафрагма; 8 - объектив; 9 - СФР-М; 10 - импульсный эрозионный ускоритель; II - вакуумная камера; 12 - кварцевые окна
Характерная интерферограмма, полученная на СФР, U. = 10 кВ. Расстояние от торца ИПУ 2 мм регистрации общий подход при создании таких систем требует решения вопросов пространственного (временного) квантования ин -формации и квантования по уровню дискретизированного участка. Предъявляемое на вход устройств изображение интерферограмм или шлирен-фотографий разбивается на элементы, и величину оптической плотности, характеризующую элемент, требуется представить двоичным числом - набором битов. При цифровой обработке данных эта операция обычно производится через равные интервалы времени (или через одинаковые расстояния). Задача заключается в правильном выборе величины дискретности и числе уровней квантования.
Измерительная ситема для фотометрирования пширен фотографий
Описанные выше фотометрические системы позволяют осуществить ввод в ЭШ изображений анализируемых фотоинтерферограмм. Идеология обмена информацией между устройствами фотометрирования и ЭШ также понятна из описания этих систем. Дальнейшая программно-математическая обработка направлена на получение по результатам интерферометрических измерений интегральных и радиальных пара -метров плотности плазмы. При этом специфика интерферометрических изображений требует решения вопросов фильтрации изображений, т.е. выделение интерференционных полос на фоне различного рода шумов. С этой целью рассмотрим подробнее применяемые при обра -ботке методы цифровой и аналоговой фильтрации. 4.1. Исследование цифровых и аналоговых методов фильтрации изображения интерференционного поля [68,69,70] Цифровая фильтрация. Для обработки фотоинтерферограмм в ЭШ необходим цифровой эквивалент, представляющий матрицу отсчетов изображения. Задача сводится к определению середин интерференционных полос (метод экстремальных точек), В случае двухграда-ционных устройств решение - координата середины полосы определяется как: где - координата середины полосы;
UncDi УЗСРІ " К00Рлинаты переднего и заднего фронта полосы на уровне отсечки, определяемом электронной схемой. В случае многоуровневого фотометрирования (рассматриваем сканирование перпендикулярно направлению интерференционных полос) задача нахождения экстремальных точек усложняется в программном отношении и может быть сведена к задачам распознавания, т.е. распознавания истинных значений сигнала на фоне шумов . Ви -зуалышй анализ профотометрированной интерферограммы показывает (рис. 7 а,б), что совокупность шумов носит случайный характер и состоит из высокочастотных составляющих - шум фотоэлектрического тракта, шума, обусловленного зернистостью фотоэмульсии, модовой структурой лазерного пучка, нелинейностью системы дискретизации и т.д. и низкочастотной (как правило) засветки собственного излучения плазмы. Необходимо на фоне этих шумов различить синусоидальную составляющую, периоды которой и будут определять фазовые сдвиги в изображении интерференционной картины.
Применение цифровой фильтрации, реализуемой программно, позволяет успешно решить эту задачу. Цифровые фильтры обладают рядом достоинств, к ним прежде всего относятся высокая стабильность и точность, не зависящая от внешних условий, простота изменения характеристик, не возникают задачи согласования нагрузок, ограничения по частотному диапазону, обладают линейными фазовыми характеристиками, необязательно выполнение условия "физической осуществимости", т.е. цифровые фильтры могут использовать как прошлые, так и будущие значения изучаемого процесса.
При использовании нерекурсивных фильтров существенно важно то, что для реализации низкочастотного фильтра требуется зада -вать много весов, что неэффективно с точки зрения затрат машинного времени, к тому же в результате усеченной последовательности весов получаются усеченные последовательности по краям реализации. С другой стороны, рекурсивные фильтры позволяют произвести удовлетворительную фильтрацию при малом числе весов [38].
После фотометрирования интерференционного изображения и сформирования матрицы изображения для нахождения экстремальных точек применяется как низкочастотная, так и высокочастотная фильтрация [72,73]. Низкочастотная нужна для исключения тренда, обусловленного, как правило, фоновой засветкой собственного излучения плазмы, а высокочастотная - для исключения шумовых эффектов, вносимых в изображение интерферограммы на всех участках обработки и получения фотоинтерферограммы. В принципе, любое улучшение должно базироваться на каких-то критериях и априорных данных о факторах, влияющих на качество фотоинтерферограмм. В нашем случае это прежде всего наличие синусоидальной составляющей в процессе и возможное количество интерференционных линий на I мм в плоскости фотонегатива. Эти данные служат основой для программной реализации полосового фильтра, используемого для восстановления истинных значений выходного процесса по входной реализации.
Определеьше пространственного распределения интегральных параметров градиентов плотности рлазмы
Данный вопрос рассмотрим на примере работы программы "РАСТР" [gj], написанной в кодах ЭВМ М-220А. В данном случае кодировка информации в памяти ЭВМ производится по формату алфавитно-цифровой печати на АЦПУ, т.е. по шесть семиразрядных элементов в одном машинном слове. Шифровка уровней легко заменяется путем замены специальной таблицы в памяти ЭЕМ. Начальная кодировка, принятая нами, отвечает визуальному восприятию символов АЦПУ, а именно, уровень 0 вольт шифруется пробелом (/—О, уровень I вольт - точкой (.), 2 вольта - двоеточием (:), 3 вольта - косой чертой (/),4 вольта - буквой X, 5 вольт - латинской (/V), б вольт буквой Ш. Массив информации, полученный в результате сканирова ния, может быть распечатан на АЦПУ в упомянутой кодировке и от перфарирован. Блок-схема программы приведена на рис. 27. Основ ная часть программы - сканирование объекта. Сканирование произ водилось сканами по 128 элементов в строке (в поле АПГ, строка вертикальная). Шаг между элементами, между строками и число строк вводится с перфокарт. Чтобы распечатка на АЦПУ не искажала пропорций растра, желательно иметь определенное соотношение меж ду поэлементным шагом Д и шагом по строкам ДХ , близким к 1,72 (например, Да= 2 мм, ДХ = 3,5 мм). Количество строк растра N определяется размером изображения. Для полного сканирования стандартного кадра с фотопленки необходимо принять вышеуказанные шаги и N = НО. Сканирование ведется в двух направлениях - вверх и вниз, без холостых пробегов. Направление движения определя -ется "мигающим" признаком Пр, который принимает значение 0 и I. На каждом элементе производится опрос аналого-дискретного преобразователя на ФЭУ и шифровка его уровня в виде целого двоичного числа в 2 адреса. Принцип шифровки заключается в постепенном сдвиге принятого с ФЭУ кода с одновременным подсчетом количества сдвигов. Сдвиги продолжаются до тех пор, пока не будет получен ноль в очередном разряде принятого кода. Таким образом, число сдвигов оказывается равным числу единиц в коде, далее программа посылается на регистр РА, получено количество сдвигов и заменяет его по таблице согласно описанной выше кодировке. Упаковка информации в соответствии с форматом МЩУ осуществляется двумя подпрограммами. По исчерпании всех строк ШТ возвращается в начальную точку и машина останавливается. Выдача на печать и на перфорацию ввиду их аналогичности выполнена в виде одной программы, в которой заменяются лишь две константы: ус -ловный код в команде 50 и безусловный переход. Отдельным бло -ком оформлена программа перекодировки информации, которая позволяет производить любое преобразование информации - преобра -зование негатива в позитив, увеличение контраста и др. Сущность программы заключается в просмотре всего массива информации и замене каждого кода по специальной таблице. Таблица состоит из двух частей - старая кодировка уровней и новая, ей соответст -вующая. Так, если надо заменить позитив негативом, таблицы должны выглядеть следующим образом:
Если в массиве обнаружен код, отсутствующий в таблице, он сохраняется неизменным. Сканирование НО строк занимает около 5 минут и должно осуществляться в затемненном помещении. Результат обмера ширен фотографии приведен на рис. 29. Определение пространственного распределения интегральных параметров градиентов плотности плазмы [86]
Введенный и хранящийся в ЭВМ цифровой эквивалент шлирен фотографии позволяет построить распределения интегральных параметров градиентов плотности плазмы в изучаемом источнике и анализировать развитие разряда. Б начальной стадии развития разряда происходит пробой в одном из мест отверстия диафрагмы (рис.30 а). В этом месте обычно возникает максимальный градиент плотности, и роль катода выполняет плазма вспомогательного разряда. Затем разряд распространяется между электродами, при этом пробой разрядного промежутка происходит не в направлении кратчайшего расстояния, а имеет закругленную канальную структуру (рис. 30 б). С увеличением тока разряда наступает момент, когда происходит максимальное заполнение плазмой разрядного промежутка ( max. тока) (рис. 30 в). В этом случае уже работают два катода и плазменный и металлический. Тем не менее полное заполнение плазмой рабочего промежутка не наблюдалось.
Программно-математическое обеспечение системы измерения и обработки СВЧ-интерферограмм
Абсцисса в точке соответствует времени, где фазовый набег равен JV . двигаясь влево от точки fa = А/М и применяя критерий равенства производной нулю, находим все экстремальные значения функции у ft) . Все экстремальные точки, начиная от точки IVМ до "отсечки", пропорциональны увеличению фазовых набегов с дискретностью JC . В случае отсутствия "отсечки", т.е. полного прохождения волны через плазму, на протяжении всего времени существования дополни -тельной информацией для определения направления изменения фазовых набегов может служить амплитудная модуляция сигналов с ин -терферометра. Построенное временное распределение изменения фазы позволяет получить и временное распределение плотности плазмы [з] где Aty7 - сдвиг фазы; А/кр - критическая шготность; L - размер плазмы; Л - длина волны зондирующего излучения. Для участка от точки NM до конца интерферограммы расчет плотности осуществлялся по формуле (75). На рис. 46 показаны зависимости средней плотности во времени при изменении давления в камере и напряжения на зарядной батарее. При электрической реги -страции интерферограмм определение направления изменения знака фазы затруднительно. Объясняется это тем, что под влиянием немонотонного изменения плотности плазмы интерференционные полосы мм рт.ст, могут колебаться относительно приемника. Возникшую неоднозначность можно устранить, если в любой момент времени знать не только величину набега фазы (сдвиг фазы), но и знак ее, т.е. направление движения линии интерферометра относительно диафрагмы приемного фотоэлемента. Обычно поступают следующим образом. В поле изображения интерференционной картины устанавливаются два фотоэлемента, сдвинутые друг относительно друга на 0,25 ширины интерференционной полосы. Наличие двух сигналов, сдвинутых друг относительно друга на К/2, необходимо для реверсирования интерференционной полосы, т.е. определения знака фазы. Если сдвиги в интерферометре идут на целое число полос, то задача определения знака изменения фазы и подсчета числа полос упрощается. В случае же неполного числа полос техническая реализация такого устройства усложняется. Для определения знака фазы применялась теория определения направления сдвига полос, хорошо разработанная для подсчета муаровых полос при создании датчи -ков угловых перемещения [97]. Сигналы с двух фотоэлементов ФІ и Ф2, поступающие с интерферометра, сдвинуты на К/2 (рис.47). Поэтому при движении полосы в одном направлении изменение первого сигнала Hi , создаваемого фотоприемником ФІ, отстает от изменения второго сигнала Иц , создаваемого фотоприемником Ф2. При перемещении в противоположном направлении второй сигнал отстает от первого на ту же четверть периода. Поэтому знак фазового сдвига между этими сигналами характеризует на -правление измеряемого перемещения. Технически это реализуется применением логических элементов для выполнения операций ИЛИ-НЕ, И, а также применением формирователей (типа триггера Шмидта), диффузионных цепочек. В простейшем случае можно отсчитать изменение фазы с точностью до 1/2 полосы. Можно получить и отсчет l/іб полосы, но это ведет к увеличению элемен 117 тов. В настоящей работе предложен программный метод определе -ния направления изменения фазы после аналого-цифрового преоб -разования интерференционных сигналов и ввода их в ЭВМ. На рис. 48 построены условные графики, иллюстрирующие сигналы с двух детекторов в случае произвольного движения интерферен -ционной полосы (увеличение и уменьшение плотности). В табл. 2. сведены результаты изменения сигналов с датчиков за период на отрезках, кратных Jt/2. Анализ этих сигналов позволяет сделать заключение, что при движении полосы в одном направлении (+) наблюдается последовательность состояний I- Ш - -П - 1У, в другом направлении (-) - І - ІУ — П —Ш. Эти последовательности сохраняются независимо от начального положения датчиков на интерференционных полосах. Таким образом, понятна идея опреде -ления направления изменения фазы при изменении полосы на вели -чину, кратную Г/2. При сдвигах интерференционных полос на величину, меньшую -7Г/2, и их реверсировании возникает ситуация, нарушающая последовательность изменения сигналов согласно табл. I. Происходит переход от условных состояний и возникает ситуация ПАЇ и Ш Л ІУ. Это и является исходными данными для сложения или вычитания изменяющейся величины фазового набега. В случае изменения фазы на JT/2 анализ ее продолжается согласно таблицы. Точность отсчета долей интерференционной полосы при данном программном ее определении равна -д- , где Т - период интерференционной полосы, а А - частота дискретизации сигналов (частота, с которой запускается АПД).
