У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ
Заказать диплом, курсовую, диссертацию


Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Понравилось
Не понравилось





Книга жалоб
и предложений

 





Название Лазерная спектроскопия, ее применение в физике плазмы и прикладных задачах
Количество страниц 244
ВУЗ МГИУ
Год сдачи 2010
Бесплатно Скачать 23291.doc 
Содержание Содержание
Введение...6

1. Применение методов лазерной спектроскопии в исследованиях плазмы и других объектов...15

1.1. Основные области использования рассматриваемой диагностики. 15

1.1.1. УТС-системы с магнитной термоизоляцией...15

1.1.2. Исследования в верхней атмосфере методом лазерной флуоресценции...21

1.1.3. Получение атомно-молекулярных данных...22

1.1.4. Плазменные технологии...26

1.2. Основные объекты исследования...27

1.3. Физические проблемы, связанные с использованием лазерной спектроскопией...28

1.3.1. Взаимодействие двухуровневого атома с лазерным излучением...28

1.3.2. Роль соударений с частицами окружающей среды...30

1.3.3. Диагностика атома водорода как пример проблем и методов их решения...31

2. Система диагностики диверторной плазмы ИТЭРа методом лазерной спектроскопии...36

2.1. Основные характеристики установки ИТЭР...36

2.2. Условия функционирования диагностик установки ИТЭР...38

2.3. Описание системы диагностики и проблемы предварительной оценки сигналов флуоресценции...42

2.4. Спектроскопические схемы и результаты расчетов...51

2.5. Значение теоретических 2Б-моделей для расчётов сигналов флуоресценции...58
2.6. Оценка локальных параметров электронной компоненты методом лазерной спектроскопии...64

3. Эксперименты на плазменных установках ИЯС РНЦ выполненные в рамках разработки методов лазерной спектроскопии для установки ИТЭР...71

3.1. Установка ГЕЛЛА - основные характеристики...71

3.2. Эксперименты, выполненные методами лазерной и эмиссионной спектроскопии...74

3.3. Анализ применимости метода ЛФ к измерению концентрации атомов гелия в диверторной плазме ИТЭРа...79

3.4. Программа измерений методами эмиссионной и лазерной спектроскопии на установке ПН-3...81

3.5. Описание плазменного нейтрализатора ПН-3...82

3.6. Спектроскопические измерения на установке ПН-3...89

3.6.1. Применение метода лазерной спектроскопии для диагностики иона Аг II...91

3.6.2. Метод обработки данных доплеровских лазерных измерений95

3.6.3. Эффект аномального нагрева ионов...99

3.6.4. Методика оценки электронной температуры...103

3.6.5. Степень ионизации аргона в центральной области плазменного шнура ПН-3...105

3.7. Состояние разработки вариантов метода лазерной спектроскопии для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа...110

4. Лидарное зондирование искусственных плазменных образований (ИПО) в верхней атмосфере и мониторинг газообразных загрязнителей в тропосфере 112

4.1. Типичные исследуемые объекты...112

4.2. Полевые измерения на космодроме "Капустин Яр"...115

4.2.1. Разработка ЛФ-методики и создание аппаратурного комплекса для орбитальных измерений ИПО...115

4.2.2. Лидарный комплекс для полевых измерений...123
4.3. Определение оптической плотности бариевых ИПО...128

4.3.1. Сценарий ночного эксперимента...129

4.3.2. Использование метода Монте-Карло для обработки результатов экспериментов...131

4.4. Результаты измерений в сумеречных условиях...133

4.5. Разработка мобильной лидарной системы (МЛС) для мониторинга газообразных загрязнителей в тропосфере...136

4.5.1. Метод дифференциального поглощения...136

4.5.2. Особенности конструкции и
технические характеристики МЛС...145

4.5.3. Дистанционное зондирование диоксида серы и атомарной ртути в атмосфере...154

4.5.4. Дополнительные возможности применения мобильной лидарной системы...168

5. Рэлеевское рассеяние лазерного излучения вблизи резонансной частоты и его диагностические приложения...170

5.1. Физические основы метода...170

5.2. Лабораторные эксперименты...172

5.3. Возможность создания рэлеевского лидара...181

6. Использование лазерной спектроскопии для решения ряда прикладных задач...184

6.1. Фотолюминесценция образцов предварительно облученных оптических материалов принятых в качестве кандидатов для изготовления оконИТЭРа...184

6.1.1. Состав и конфигурация используемого стенда...185

6.1.2. Результаты измерений спектров фотолюминесценции возбуждаемых УФ-излучением...190
6.2. Применение лазерного возбуждения фотолюминесценции тканей организма с целью индикации границ скрытых патологических изменений на ранней стадии развития некробиоза...199

6.2.1. Краткое описание методики, схемы измерений и полученных результатов...200

6.2.2. Анализ полученных результатов и объяснение эффекта усиления вторичной люминесценции образцов биологических тканей и сред при различных формах их деградации...204

6.3. Проблема детектирования и идентификации биологических материалов (бактерии, вирусы, токсины)...212

6.3.1. Возбуждение спектров флуоресценции микроорганизмов-имитаторов токсичных биологических материалов...212

6.3.2. Создание компактного детектора основанного на применении ультрафиолетового лазера и его испытания...221

6.3.3. Создание базы данных спектров флуоресценции биологических объектов и программного обеспечения...235

Заключение...242

Литература...244



Введение

Применение лазерной спектроскопии к изучению характеристик сред представляет несомненный интерес как при проведении фундаментальных, так и прикладных исследований. Лазерная спектроскопия это раздел оптической спектроскопии, методы которого основаны на применении монохроматического излучения лазеров для стимулирования квантовых переходов между вполне определёнными уровнями. Эти методы позволяют получать локальную информацию о параметрах исследуемых объектов с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Преимущество лазеров над некогерентными источниками света заключается в возможности достижения большой спектральной плотности мощности, что значительно уменьшает проблемы шумов, вызванных фоновым излучением или шумами приемников.

Лазерная спектроскопия по сравнению с другими бесконтактными оптическими методами диагностики позволяет проводить измерения на значительном расстоянии от исследуемого объекта и получать информацию об его составе (например, лидарное зондирование атмосферы). Принципиально новые возможности лазерная спектроскопия приобрела с появлением лазеров с плавно перестраиваемой частотой, которые являются комбинацией источника света и спектрометра ультравысокого разрешения, что даёт возможность измерять профили спектральных линий. Одними из наиболее перспективных аппаратурных комплексов представляются диагностические системы, состоящие из лазеров на красителях с оптической накачкой эксимерными лазерами. Кроме того, эксимерные лазеры могут применяться как самостоятельные системы, например, для диагностики в биологии и медицине. Это позволяет создавать многофункциональные диагностические системы для фундаментальных и прикладных исследований.

По мере роста масштабов исследований на установках с магнитной термоизоляцией в рамках программ УТС и перехода к созданию прототипа

термоядерного реактора, возрастает роль методов диагностики, позволяющих проводить измерения параметров высокотемпературной плазмы в условиях затрудненного доступа к плазме и при наличии целого ряда неблагоприятных факторов. Диагностическая аппаратура и методики, основанные на использовании лазерной спектроскопии, позволяют удовлетворять этим достаточно жестким требованиям, и их разработка является актуальной задачей.

Еще одно актуальное направление диссертационной работы состоит в возможности использования специализированных лазерных систем для геофизических и космических лидаров и лидарных систем для экологического мониторинга окружающей среды. Важными приложениями также представляют исследования предварительно облученных оптических материалов для ИТЭРа, применение лазерно-индуцированной фотолюминесценции для диагностики биологических объектов в интересах медицины и микробиологии.

Цели и задачи работы. Целью представленной диссертационной работы являлось создание новых эффективных диагностических систем, основанных на использовании методов лазерной спектроскопии; их применение для исследований в физике плазмы и для решения ряда других наукоёмких прикладных проблем. Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи.

1. Разработка концепции диагностических систем, основанных на использовании методов лазерной спектроскопии, способных работать в неблагоприятных внешних условиях и обладающих однотипной конфигурацией основной подсистемы - источника зондирующего лазерного излучения.
2. Физическое обоснование применения лазерной спектроскопии для диагностики гелия и аргона в диверторной плазмы ИТЭРа и создание прототипа лазерной системы.

3. Моделирование процесса переноса резонансного излучения при импульсном зондировании пространственно ограниченных плазменных объектов в верхней атмосфере.

4. Проведение модельных экспериментов с использованием лазерной спектроскопии на плазменных установках ГЕЛЛА и ПН-3.

5. Создание "космического лидара" для зондирования искусственных плазменных образований на высотах до ~ 250 км и проведение полевых экспериментов на космодромах.

6. Разработка и изготовление мобильной лидарной системы для мониторинга газообразных токсичных загрязнителей атмосферы, проведение полевых испытаний.

7. Проведение экспериментов с использованием рэлеевского рассеяния лазерного излучения вблизи частоты атомного перехода и определение диагностического потенциала этой методики.

8. Проведение прикладных исследований с использованием возбуждения флуоресценции изучаемых веществ. К числу таких объектов относятся: а) оптические материалы для окон ИТЭРа; б) биологические объекты.

Новизна работы

1. Создан прототип источника лазерного излучения для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа, работающий в широком диапазоне длин волн; при работе в импульсно-периодическом режиме возможна генерация попеременно двух различных длин волн.

2. Проведена серия модельных измерений в гелиевой плазме с использованием спектроскопических схем со столкновительным
переносом возбуждения. Некоторые спектроскопические схемы были применены впервые.

3. Впервые в нашей стране методом лазерной спектроскопии получены (в измерениях на установке ПН-3) детальные пространственно-временные характеристики функции распределения по скоростям ионов Аг II; в ряде режимов обнаружены эффекты, указывающие на "аномальный характер" нагрева ионов.

4. Показано, что в определенных условиях интенсивность сигналов флуоресценции может быть использована для оценок пространственного распределения электронной температуры. Обоснована возможность измерения локальных значений электронной плотности по отношению интенсивностей двух линий флуоресценции атома гелия.

5. Впервые в мире произведено зондирование искусственных плазменных образований в верхней атмосфере с помощью лазерного флуоресцентного лидара.

6. При зондировании искусственного плазменного образования измерена оптическая толщина на длине волны резонансного перехода атома бария А,=554 нм

7. Создана мобильная лидарная система для экологического мониторинга газообразных техногенных примесей в тропосфере. Впервые был использован новый подход, основанный на создании автономного лидарного модуля, смонтированного в виде моноблока, отдельные узлы и элементы которого были изготовлены с использованием космических технологий.

8. При изучении лазерного рассеяния вблизи резонансной частоты перехода атома гелия (А,=1.0830мкм) было впервые предложено использовать одну из линий лазера AlYO3:Nd3+ (Яь = 1.0794 мкм). Соответствующие эксперименты были выполнены на установке ГЕЛЛА.
9. Продемонстрирована возможность возбуждения резонансной линии А=307.16нм атома бария при переходах с виртуального уровня, соответствующего энергии фотона эксимерного лазера (^.L » 308 нм) при соударениях с атомами буферного газа (аргона).

10. Проведены измерения фотолюминесценции предварительно облученных оптических материалов предназначенных для использования на ИТЭРе.

11. Впервые были измерены спектры фотолюминесценции различных биологических объектов при лазерном облучении в УФ-области. Определена граница скрытых патологических изменений тканей организма и развитие раннего некробиоза в режиме реального времени. Проведена идентификация биологических объектов по спектрам их фотолюминесценции.

Научная и практическая ценность работы

1. На основе разработанной концепции созданы лазерные системы (лазеры на красителях с оптической накачкой излучением эксимерного лазера), которые, отличаются высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Созданная лазерная аппаратура успешно прошла стендовые испытания по жестким программам, соответствующим отечественным стандартам, предъявляемым к аппаратуре, устанавливаемой на космических летательных аппаратах (КЛА).

2. Созданный прототип источника лазерного излучения для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа был применён на плазменных установках при проведении модельных экспериментов в интересах программы ИТЭР.

3. Разработанные методы оценок сигналов лазерной флуоресценции (подтвержденные проведенными модельными экспериментами) демонстрируют возможность получения количественных оценок концентрации и температуры атомов (ионов). Показано, что ЛФ-методика обладает значительным дополнительным диагностическим потенциалом, в
частности, возможностью проведения локальных оценок параметров электронной компоненты.

4. Созданные лидары были использованы в измерениях на космодроме "Капустин Яр" и во время экспедиционных измерений в Атлантике, что продемонстрировало возможность проведения научных и прикладных измерений с помощью таких систем в полевых условиях.

5. Учитывая неблагоприятную экологическую ситуацию в СНГ, созданная мобильная лидарная система может найти широкое применение для оценки экологического состояния окружающей среды, в том числе и для работы в зонах чрезвычайных ситуаций.

6. Лазерная диагностическая аппаратура была использована для изучения спектров люминесценции предварительно облученных оптических материалов для оптических окон ИТЭРа.

7. По спектрам люминесценции (возбуждаемых эксимерным лазером) создана методика обнаружения границы пораженного участка ткани организма, имеющая большое значение, в частности, для полевой хирургии.

8. Создана аппаратура и методика, позволяющая проводить идентификацию биологических объектов, включая патогенные бактерии, с вероятностью 90%.

Положения, выносимые на защиту.

1. Физическое обоснование и концепция диагностической системы для измерений параметров диверторной плазмы ИТЭРа методами лазерной спектроскопии. Обоснование "нетрадиционных" применений лазерной спектроскопии, таких как локальные оценки температуры и концентрации электронов.
2. Результаты модельных экспериментов по измерению параметров плазмы (с использованием прототипов лазерного излучателя для ИТЭРа) на установках ГЕЛЛА и ПН-3.

3. Физическое обоснование и создание флуоресцентных лидаров для исследований искусственных плазменных облаков в верхней атмосфере; результаты лидарного зондирования; методы интерпретации полученных данных.

4. Мобильная лидарная система для мониторинга техногенных примесей в атмосфере и результаты применения ее к измерениям концентрации атомарной ртути и диоксида серы.

5. Результаты экспериментального изучения лазерного рэлеевского рассеяния вблизи резонансной частоты атома в столкновительной среде.

6. Результаты измерений спектров фотолюминесценции предварительно облученных оптических материалов, предназначенных для использования на ИТЭРе.

7. Результаты приложения лазерной спектроскопии к диагностике биологических тканей с целью определения скрытых патологических изменений организма и методика идентификации биологических объектов.

"Исследование лабораторной и космической плазмы методами лазерной спектроскопии с помощью многофункциональных диагностических систем, а также применение разработанных методов и аппаратуры для решения ряда практически важных экологических, физико-технических и биологических проблем" можно классифицировать как новое научное направление, работа в рамках которого вносит значительный вклад в развитие исследований по физике плазмы и в решение ряда прикладных задач.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы

докладывались и обсуждались на семинарах ИЯС РНЦ "Курчатовский

институт"; Конференциях и тематических совещаниях по диагностике

высокотемпературной плазмы; Международных симпозиумах по лазерной

диагностике плазмы; Международных симпозиумах по экологическим аспектам

и вопросам безопасности; Пленарном совещании Комитета по космическим

исследованиям.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав

и заключения. Содержание работы изложено на 260 страницах текста, включает

124 рисунков и 16 таблиц, библиография 167 наименования.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 37 печатных

работах общим объёмом 202 страницы.

Во Введении приведено обоснование применения методов лазерной

спектроскопии к исследованию характеристик сред. Подчеркивается

актуальность и эффективность применения разработанных комплексов

аппаратуры не только для решения научных задач, но и для проведения

«наукоемких» прикладных исследований.

Глава 1 является кратким обзором литературы по изучаемым вопросам;

рассматриваются физические основы применяемых диагностических методов.

Во второй главе приведено описание системы диагностики диверторной

плазмы ИТЕРа методом лазерной спектроскопии и методы интерпретации

сигналов. Содержится краткое описание термоядерной установки ИТЭР, роль и

условия функционирования диагностических систем.

В главе 3 описаны эксперименты, выполненные с применением методов

лазерной спектроскопии на плазменных установках ИЯС РНЦ в рамках

программы разработки и испытания диагностических систем для исследования

диверторной плазмы ИТЭРа и других крупных термоядерных установок.

В четвёртой главе рассматривается применение методов лазерной

спектроскопии для исследований искусственных плазменных образований на
высотах свыше 100 км с помощью флуоресцентных лидаров и мобильная

лидарная система для исследования примесей в тропосфере.

Глава 5 посвящена диагностическим приложениям рэлеевского рассеяния

лазерного излучения вблизи резонансной частоты.

В главе 6 дано описание работ, связанных с использованием лазерных

диагностических систем, основой которых является ультрафиолетовый

эксимерный лазер, использующийся для возбуждения группы переходов в

таких объектах как: облучённые оптические материалы, ткани человека и

животных, а также различные биологические объекты (вакцины, микробы,
вирусы).

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

В конце приведён список литературы
1. Применение методов лазерной спектроскопии в исследованиях плазмы и других объектов

Приведён краткий обзор литературы по изучаемым вопросам; рассматриваются основные объекты исследований и физические основы применяемых диагностических методов. Публикации, в которых описаны измерения параметров плазмы и характеристики, протекающих в плазме процессов методами лазерной флуоресценции, весьма многочисленны. В настоящий обзор включены работы, имеющие прямое отношение к тематике представленной диссертации, а также представляющие методический интерес (объекты исследования, диагностическая аппаратура, схемы экспериментов, подход к проблеме интерпретации данных).

1.1. Основные области использования рассматриваемой

диагностики

Рассмотрены основные области применения бесконтактного измерения параметров среды методами лазерного зондирования, из которых основное внимание уделено исследованиям параметров высокотемпературной плазмы, проводимым в рамках программы УТС. Помимо этого описано резонансное лазерное зондирование искусственных плазменных образований в верхней атмосфере.

1.1.1. УТС-системы с магнитной термоизоляцией

В исследованиях, проводимых в рамках работ по УТС, разработка и применение методик лазерной спектроскопии практически полностью оказались в программах связанных с магнитным удержанием плазмы. Главными методическими задачами этих диагностик с являются: (а) -измерения локальных концентраций исследуемых частиц; (б) - локальные измерения доплеровской температуры (в общем случае - измерение функции распределения частиц по скоростям); (в) - измерения локальных значений электрических и магнитных полей в плазме. Такое положение дел отражено в обзорных работах по использованию метода ЛФ в диагностике плазмы [1 - 3].
Появление когерентных источников перестраиваемого по длинам волн излучения, обладающих малой угловой расходимостью в сочетании со значительной спектральной плотностью светового потока, заметно расширило возможность использовать, например, метод лазерной флуоресценции (ЛФ) в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу (УТС). Тем не менее, по ряду причин на первом этапе применения методики ЛФ (примерно 1969 -1978 гг.) описанном в обзоре [4]; публикации были немногочисленными и описывали преимущественно измерения на низкотемпературных плазменных устройствах. Аналогичный вывод можно сделать из материалов обзора [2]. Однако по мере роста актуальности для УТС с магнитным удержанием плазмы проблемы материального баланса и состава плазмы (наличие примесей) возросла роль измерения концентрации частиц поступающих в плазму, функции распределения частиц примесей по скоростям, определения механизмов поступления примесей в плазму [5], диагностики химических элементов, входящих в состав первой стенки вакуумной камеры [6,7], различного рода защитных и диверторных пластин [8 - 10], диафрагмы установки [11].

Помимо непосредственного измерения параметров примесей в условиях действующих установок, программы УТС по исследованию взаимодействия «плазма - стенка» включают стендовые измерения [12]. Методами ЛФ изучают взаимодействие исследуемых материалов с пучками ионов и потоками плазмы. Большое число работ относящихся к использованию методики ЛФ при изучении проблемы «плазма - поверхность» содержится в обзоре [1]. Эксперименты, проводимые непосредственно на установках, являются сложными с технической точки зрения. Проведение измерений вблизи стенки вакуумной камеры практически исключает использование резонансного рассеяния (то есть наблюдения флуоресценции на длине волны лазерной линии A,L). Однако, для большинства металлов, входящих в состав конструкционных материалов первой стенки, атомы имеют диаграмму энергетических уровней,
благоприятную для использования «отстройки» спектральной линии, на которой производится регистрация флуоресценции X,FLU. Структура уровней одной из наиболее изученных примесей - атома железа - показана на рис. 1.1. Эта диаграмма поясняет применение «трехуровневой» схемы наблюдения флуоресценции. Значение отстройки |A.FLU - XL\ = 80 нм является значительным с точки зрения подавления сигнала паразитного рассеяния.

Применение для зондирования плазмы узкополосных импульсно-периодических лазеров плавно перестраиваемых по рабочей частоте, позволило провести измерения функции распределения по скоростям y(va) для поступающих в плазму атомов методом лазерной спектроскопии. Эта методика заключается в сканировании профиля линии поглощения при одновременном наблюдении соответствующих сигналов флуоресценции. Для зондирования металлов требуется обычно работа в ультрафиолетовой области спектра. Это достигается удвоением частоты перестраиваемого по длинам волн лазера методом генерации второй гармоники в нелинейных кристаллах (см., например, [6 - 8]). Использование в резонаторе лазерного генератора эталона Фабри-Перо позволяет получать необходимую для проведения измерений J[va) спектральную ширину лазерной линии (5А,«1...2пм [1,8, 12]). В ходе этих экспериментов было показано, что распределение поступающих в плазму атомов имеет вид, соответствующий формуле Томпсона [13].

Xvz)dvz сх [1+ (vz/vs)2]-2 - {1 + [1 + (R/Z)2](vz/vs)2}"2, (1.1)

здесь vz - скорость атома в направлении перпендикулярном поверхности мишени, vs - скорость, соответствующая энергии связи атома с поверхностью; второй член является поправкой на конечный радиус распыляемой мишени. Полученные экспериментальные результаты [9, 12, 14] указывают на тот факт, что доминирующим механизмом поступления примесей в плазму является одночастичное распыление материала первой стенки поступающими из плазмы частицами.
Список литературы
Цена, в рублях:

(при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)		 1425
Скачать бесплатно 23291.doc 





Найти готовую работу


ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:


Связаться

Доставка любой диссертации из России и Украины

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ


Ссылки:

Выполнение и продажа диссертаций, бесплатный каталог статей и авторефератов

Счетчики:

Besucherzahler
счетчик посещений

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.