Диагностика плазмы с использованием моделирования и обработки оптических и пространственных спектров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Соловьев, Алексей Владимирович

• Соловьев, Алексей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Соловьев, Алексей Владимирович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ.

1.1 Задачи спектроскопической диагностики плазмы.

1.2 Модель элементарного объёма плазмы.

1.3 Модель источника.

1.4 Модель экспериментальной установки.

1.5 Некорректные задачи в спектроскопической диагностике плазмы.

2 АЛГОРИТМЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ.

2.1 Стратегия моделирования прямой задачи.

2.2 Исключение аппаратных искажений.

2.3 Рациональный алгоритм коллективной обработки данных.

3 ОБРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СПЕКТРОВ.

3.1 Структурные характеристики плазменно-пылевых образований.

3.2 Принципы извлечения информации из пространственных спектров.

3.3 Учёт шумов и искажений при работе с пространственными спектрами.

4 КОМПЛЕКС АППАРАТНЫХ И ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ.

4.1 Описание экспериментальных установок.

4.1.1 Автоматизированное рабочее место «Свет».

4.1.2 Спектрометр изображения на основе интерферометра Фабри - Перо.

4.1.3 Комплекс «Пылевой кристалл».

4.2 Описание программных средств.

4.2.1 Программа «Моделирование и исключение аппаратных искажений».

4.2.2 Конструктор Meccano.

4.2.3 Программа вычисления пространственного спектра Meccano-2D.

5 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОГАЛОИДНОЙ ЛАМПЫ И ПЛАЗМЫ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА.

5.1 Исследование металлогалоидной лампы.

5.2 Исследование индукционной лампы.

6 ИССЛЕДОВАНИЕ ПЫЛЕВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ В КОМПЛЕКСНОЙ ПЛАЗМЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностика плазмы с использованием моделирования и обработки оптических и пространственных спектров»

Актуальность работы

При решении задач физической электроники часто используются мощные и бесконтактные спектроскопические методы исследования объектов. В частности, они широко применяются для исследования, диагностики и контроля различных плазменных образований. При этом извлечение информации из спектра часто сопряжено со сложной математической обработкой, которая сводится к выделению различных факторов, сформировавших регистрируемый сигнал (исключению аппаратных искажений, преобразованию яркости поверхности в коэффициенты излучения с учётом неоднородности объекта, разделению причин, сформировавших контур излучения тонкого слоя); при этом возникает необходимость построения алгоритмов, устойчивых к шумам эксперимента. В некоторых случаях к лучшим результатам приводит имитационное моделирование спектральных распределений с учетом вышеперечисленных факторов и физически обоснованный подбор ряда неизвестных параметров объекта для наилучшего совпадения с экспериментом.

К этому же кругу задач можно отнести специфические проблемы изучения газоразрядной плазмы с конденсированной дисперсной фазой. В этом случае существенную информацию, в том числе и о физической природе явления, можно извлечь непосредственно из обработки изображения пылевых структур в разряде.

Хотя работы в указанных направлениях ведутся давно, актуальной является задача создания инструментов, которые бы позволяли решать широкий круг диагностических задач с использованием всех возможностей современной вычислительной техники и накопленных теоретических знаний в автоматизированных программно-аппаратных исследовательских и контрольно-диагностических комплексах, существенно увеличивающих надёжность и объективность, а также скорость получения необходимой информации.

Цель работы, задачи

Главная цель описываемых исследований - развить методы оптической диагностики пространственно неоднородной и комплексной плазмы, увеличить их эффективность, достоверность и информативность.

Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач:

1. Исследовать возможности, предоставляемые высокопроизводительными программно-аппаратными комплексами сбора и обработки данных оптико-спектральных измерений характеристик плазмы.

2. Проанализировать существующие алгоритмы обработки оптических и пространственных спектров.

3. Исследовать возможности применения статистических методов для повышения устойчивости результатов измерений к шумам и исключения аппаратных искажений при получении информации об оптических спектрах плазменных объектов.

4. Разработать необходимый программный инструментарий для реализации новой методики решения диагностических задач, легко адаптируемый к различным приложениям, и проиллюстрировать эффективность его применения.

5. Исследовать эффективность предлагаемого программного комплекса при обработке данных экспериментов с комплексной плазмой, неоднородной плазмой в металлогалоидной лампе и плазмой индукционного разряда, являющихся в настоящее время актуальными объектами исследований и инженерных расчётов.

Научная новизна

1. Дня решения задач спектроскопической диагностики неоднородной плазмы предложен и реализован новый рациональный алгоритм коллективной обработки экспериментальных данных на основе метода главных компонент, обеспечивающий повышение надёжности и достоверности информации, получаемой в результате эксперимента, снижающий трудоёмкость обработки результатов и влияние шумов.

2. Впервые использованы новые алгоритмы обработки данных, получаемых в спектрометре изображения с интерферометром Фабри - Перо.

3. Впервые получены пространственные распределения атомной температуры и заселённости метастабильных уровней в индукционно-связанной плазме разрядов неоне.

4. Впервые исследованы пространственные спектры упорядоченных пылевых структур цинка и оксида алюминия в комплексной плазме тлеющего разряда в инертных газах. Установлена корреляция характеристик таких спектров с условиями в разряде и типом системы «газ - макрочастица».

5. Показано, что пространственный cnejop позволяет контролировать строение структуры, определять параметры структуры и отслеживать динамику их изменения.

Научно-практическая значимость работы

Разработанный набор алгоритмов и программных средств позволяет комплексно решать задачи локальной количественной диагностики неоднородной плазмы, в частности, «очищать» регистрируемые спектральные распределения от влияния аппаратных искажений, вносимых регистрирующим прибором, и корректно учитывать характер неоднородности объекта.

Анализ данных, полученных в результате исключения аппаратных искажений при помощи разработанных программных средств, обеспечивает возможность исследовать вклады различных физико-химических процессов, происходящих в неоднородной плазме, что содействует развитию представлений и знаний о плазме в конкретных приложениях и весьма полезно для разнообразных инженерных и конструкторских разработок.

Контроль пространственных спектров плазменно-пылевых образований позволяет гибко и эффективно следить за изменением характера структуры, даёт возможность увеличить надёжность результатов видеорегистрации.

Результаты разработки комплекса программных средств могут быть использованы и уже активно используются в научно-образовательном процессе при подготовке специалистов по физической электронике и информационно-измерительной технике в Петрозаводском государственном университете.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Рациональный алгоритм обработки экспериментальных данных на основе метода главных компонент, повышающий надёжность и достоверность информации, получаемой в результате эксперимента, снижающий трудоёмкость обработки результатов и влияние шумов.

2. Набор программных модулей, основанный на использовании как современных представлений о физических процессах в низкотемпературной плазме, так и на концепции новейших информационных технологий, легко адаптируемый к конкретным спектроскопическим исследованиям и применимый для решения как прямых, так и обратных задач спектроскопии плазмы (программный комплекс Meccano).

3. Пространственные распределения атомной температуры и заселённости метаста-бильных уровней в индукционно-связанной плазме разряда в неоне.

4. Радиальное распределение концентрации электронов в ртутной дуге высокого давления переменного тока с добавкой йодида таллия, совпадающее с рассчитанным по модели локального термодинамического равновесия для центральной области разряда вплоть до половины радиуса и для момента времени, когда ток дуги максимален.

5. Метод анализа упорядоченных плазменно-пылевых структур по их пространственным спектрам.

Апробация работы

Содержание работы докладывалось на Международной конференции по инженерному и компьютерному образованию ICECE-2003 (г. Сантус, Бразилия, 16-19 марта 2003 г.), на IV Российском семинаре по современным средствам диагностики плазмы и их применению (г. Москва, 12-14 ноября 2003 г.), на конференции «Современные проблемы науки и образования» (г. Умаг, Хорватия, 3-10 июля 2004 г.), на Всероссийском симпозиуме молодых учёных, студентов и аспирантов «Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы» (г. Петрозаводск, 5-11 сентября 2005 г). По результатам работы опубликованы следующие статьи:

1. Соловьев А. В. Обучающая программа «Моделирование и исключение аппаратных искажений» // 18 Международная конференция «Школьная информатика и проблемы устойчивого развития»: Тезисы. СПб, 1999.

2. Soloviev A., Luizova L. Computer training program: instrument distortions simulation and elimination // Learning and Teaching Science and Mathematics in Secondary and Higher Education: Proc. of 5th Inter-Karelian Conference. (May 17-19, 2000, Petrozavodsk). Joensuu, 2000. Pp. 158-162.

3. Luizova L. A., Soloviev A. V. Computer training program for elimination of instrument distortions // 7th International Conference on Education and Training in Optics and Photonics (Singapore, 2002) / SPIE Proc. 2002. V. 4588. Pp. 440-447.

4. Luizova L., Khakhaev A., Ekimov K., Soloviev A. Rational tools for data obtaining and processing in local plasma spectroscopy // 16th International Symposium on Plasma Chemistry (June 22-27,2003, Taormina, Italy). Taormina, 2003. P. 107.

5. Soloviev A., Luizova L. Free accessible web-based programs «Simulation and elimination of instrument distortion» for educational and scientific applications // 3rd International Conference on Engineering and Computer Education (ICECE-2003) (March 1619,2003, Santos, Brazil). Sao Paolo, 2003.

6. Luizova L., Khakhaev A., Ekimov K., Soloviev A. The setup and software for local plasma spectroscopy // Proceedings of the 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (July 7-11,2003, St. Petersburg, Russia). St. Petersburg, 2003.

7. Екимов К. А., Луизова JI. А., Соловьев А. В., Хахаев А. Д. Автоматизированный комплекс для спектроскопической диагностики неоднородной плазмы // Материалы IV Российского семинара «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, 12-14 ноября 2003 г.). Москва, 2003. С. 49-51.

8. Екимов К. А., Луизова JI. А., Приходченко Р. В., Соловьев А. В., Хахаев А. Д. Лабораторные работы по спектроскопии с использованием виртуальных инструментов и удалённого доступа. Петрозаводск, 2003.62 с.

9. Соловьев А. В., Луизова Л. А. Учебное моделирование и исключение аппаратных искажений // Фундаментальные исследования. 2004. № 3. С. 84-86.

10. Екимов К. А., Луизова Л. А., Соловьев А. В., Хахаев А. Д. Рациональные технологии в локальной спектроскопии неоднородной плазмы // Современные наукоёмкие технологии. 2004. № 2. С. 52-54.

11. Khakhaev A., Luizova L., Ekimov К., Soloviev A. Spatial and time-dependent distribution of plasma parameters in the metal-halide arc lamp // 12th International congress of plasma physics (October 25-29,2004, Nice): Book of abstracts. Nice, 2004. P. 109.

12. Научно-образовательный центр по фундаментальным проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы (НОЦ «Плазма»): Отчёт о НИР / Рук. темы А. Д. Хахаев. Per. во ВНТИЦ №01.20.0215108, инв. №0220.0505263. Петрозаводск, 2004.337 с.

13. Ekimov К., Luizova L., Soloviev A., Khakhaev A. Data array acquisition and joint processing in local plasma spectroscopy // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2005. V. 96. Pp. 513-523.

14. Кравченко А. А., Луизова Л. А., Хахаев А. Д., Соловьев А. В. Координатно-чувствительная спектроскопия с использованием интерферометра Фабри - Перо // Материалы Всероссийского симпозиума молодых учёных, студентов и аспирантов «Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 5-11 сентября 2005 г). Петрозаводск, 2005. С. 283-288.

15. Kravchenko A. A., Luizova L. A., Soloviev А. V. High Resolution Local Spectroscopy of Inhomogeneous Plasma // Proc. of XVlth International Conf. on Gas Discharges and Their Applications (September 11-15,2006, Xian). Xian, 2006. Pp. 649-652.

Комплекс программных средств прошёл успешную проверку в ходе экспериментальных исследований на кафедре информационно-измерительных систем и физической электроники Петрозаводского государственного университета и в Научно-образовательном центре по фундаментальным проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы, а также в лабораторных практикумах студентов по курсам: «оптические методы диагностики плазмы», «физические основы получения информации», «метрология и измерительная техника» и при выполнении студентами курсовых и дипломных работ.

Вклад автора

Впервые использованы методы фурье-анализа для изучения пылевых образований из микрочастиц цинка и оксида алюминия в тлеющем разряде в аргоне и неоне.

Создано программное обеспечение Meccano на основе технологии Java для моделирования аксиально-симметричного источника неоднородной плазмы, получения пространственных распределений параметров элементарного объёма плазмы на основе её оптических характеристик, атакжеанализапространственного спектра плазменно-пылевых образований.

Продемонстрирована возможность использования разработанного комплекса программных средств Meccano для обработки данных с различных экспериментальных установок: программно-аппаратного комплекса спектроскопической диагностики «Свет», спектрометра изображения на основе интерферометра Фабри - Перо, комплекса «Пылевой кристалл».

Разработано методическое пособие по использованию комплекса программных средств Meccano для спектральной диагностики аксиально-симметричной неоднородной плазмы [9].

Осуществляется поддержка пользователей комплекса программных средств Meccano при выполнении научно-исследовательских и учебных лабораторных работ на кафедре информационно-измерительных систем и физической электроники Петрозаводского государственного университета и в Научно-образовательном центре по фундаментальным проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений. Работа содержит 98 страниц, 49 рисунков, 4 таблицы, 46 наименований библиографических ссылок.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Соловьев, Алексей Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ методик и алгоритмов, использующихся в спектроскопической и оптической диагностике плазмы, а также изучение возможностей современных высокопроизводительных программно-аппаратных комплексов сбора и обработки данных оптико-спектральных измерений характеристик плазмы показали, что возможно совершенствование существующих и разработка новых алгоритмов для повышения устойчивости результатов измерений к шумам и исключения аппаратных искажений при получении информации об оптических и пространственных спектрах плазменных объектов. Для решения задач спектроскопической диагностики неоднородной плазмы на основе метода главных компонент был предложен и реализован новый рациональный алгоритм коллективной обработки экспериментальных данных, обеспечивающий повышение надёжности и достоверности информации, получаемой в результате эксперимента, снижающий трудоёмкость обработки результатов и влияние шумов.

Этот и другие алгоритмы были реализованы в комплексе программных средств, позволяющих устранять влияние аппаратных искажений, вносимых измерительным прибором в регистрируемые им спектральные распределения, и корректно учитывать характер неоднородности объекта. Разработанный программный инструментарий позволяет комплексно решать задачи локальной количественной диагностики неоднородной плазмы и легко адаптируется к различным приложениям.

Анализ данных, полученных в результате исключения аппаратных искажений при помощи разработанных программных средств, обеспечивает возможность исследовать вклады различных физико-химических процессов, происходящих в неоднородной плазме, что содействует развитию представлений и знаний о плазме в конкретных приложениях и весьма полезно для разнообразных инженерных и конструкторских разработок. В частности, применяя новые алгоритмы при обработке данных с АРМ «Свет», удалось установить, что пространственное распределение электронной концентрации в дуговом разряде в парах ртути с добавкой йодида таллия совпадает с рассчитанным по модели JITP для центральной области разряда вплоть до половины радиуса и для момента времени, когда ток дуги максимален. Путём моделирования излучения индукционно-связанной плазмы разряда в неоне и обработки данных со спектрометра изображения с интерферометром Фабри - Перо удалось определить пространственные распределения атомной температуры и заселённости метастабильных уровней.

Применяя предложенную методику обработки пространственных спектров к изображениям упорядоченных пылевых структур цинка и оксида алюминия в комплексной плазме тлеющего разряда в инертных газах, удалось установить связь характеристик таких спектров с условиями в разряде и материалом частиц.

Результаты разработки комплекса программных средств используются в научно-образовательном процессе на физико-техническом факультете Петрозаводского государственного университета при подготовке специалистов по физической электронике и информационно-измерительной технике и могут быть использованы в других научных и образовательных учреждениях.

Работа выполнена в Научно-образовательном центре по фундаментальным проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы (НОЦ «Плазма») - грант RUX0-000013-PZ-06 Американского фонда гражданских исследований и развития, при поддержке Министерства образования и науки РФ и Правительства Республики Карелии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Соловьев, Алексей Владимирович, 2006 год

1. Бакушинский А. Б., Гончарский А. В. Итеративные методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1989.128 с.

2. Бакушинский А. Б., Гончарский А. В. Некорректные задачи. Численные методы и приложения. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989.199 с.

3. Балебанов А. В. и др. Спектрометр с пространственным разрешением на основе интерферометра Фабри Перо // Приборы и техника эксперимента. 1985. №2. С.179-180.

4. Бульба А. В. и др. Самоорганизация и рост пылевых структур в тлеющем разряде // Химия высоких энергий. 2006. Т. 40. № 2. С. 155-160.

5. Бушман А. В., Фортов В. Е. Модели уравнения состояния вещества // Успехи физических наук. 1983. Т. 140. Вып. 2. С. 177-232.

6. Вайнштейн JI. А., Собельман И. И., Юков Е. А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. М.: Наука, 1979.319 с.

7. Грим Г. Спектроскопия плазмы. М.: Атомиздат, 1969.451 с.

8. Екимов К. А. и др. Лабораторные работы по спектроскопии с использованием виртуальных инструментов и удаленного доступа. Петрозаводск, 2003. 62 с.

9. Луизова Л. А. Оптические методы диагностики плазмы. Петрозаводск, 2003.148 с.

10. ЛуизоваЛ. А. Физически обоснованный приём регуляризации в задаче радиального преобразования // Оптика и спектроскопия. 1982. Т. 52. Вып. 4. С. 690-695.

11. ЛуизоваЛ. А., Патроев А. В., Хахаев А. Д. Моделирование контуров спектральной линии излучения закрытой дуги // Журнал прикладной спектроскопии. 1998. Т. 65. № 5. С. 763-770.

12. ЛуизоваЛ. А., Патроев А. В., Хахаев А. Д. Формирование самообращённых контуров спектральных линий в закрытой ртутной дуге // Известия Академии наук, сер. физ. 1999. Т. 63. С. 2291-2295.

13. Научно-образовательный центр по фундаментальным проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы (НОЦ «Плазма»): Отчет о НИР / Рук. темы А. Д. Хахаев. Per. во ВНТИЦ № 01.20.0215108, инв. № 0220.0505263. Петрозаводск, 2004.337 с.

14. Очкин В. Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.: Физматлит, 2006.472 с.

15. Петров Ю. П., СизиковВ. С. Корректные, некорректные и промежуточные задачи с приложениями. СПб: Политехника, 2003.264 с.

16. Преображенский Н. Г. Спектроскопия оптически плотной плазмы. М.: Наука, 1971. 178 с.

17. Тарасов К. И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение, 1974.368 с.

18. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных обратных задач. М.: Наука, 1979.288 с.

19. Смирнов В. И. Курс высшей математики. Т. 4. М.: Наука, 1974. 514 с.

20. Смирнов Н. В., Дунин-Барковский И. В. Курс теории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М: Наука, 1969. 511 с.

21. Соловьев А. В., Луизова Л. А. Учебное моделирование и исключение аппаратных искажений // Фундаментальные исследования. 2004. № 3. С. 84-86.

22. Стюард И. Г. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1985.182 с.

23. Фриш С. Э. Оптические спектры атомов. М., Л.: Физматгиз, 1963.640 с.

24. Buie М. J. et al. Abel's inversion applied to experimental spectroscopic data with off-axis peaks // Journ. of Quant. Spectr. & Radiative Transfer 1996. V. 55. Pp. 231-249.

25. EkimovK. et al. Data array acquisition and joint processing in local plasma spectroscopy // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2005. V. 96. Pp.513-523.

26. Fortov V. E. et al. Complex (dusty) plasmas: current status, open issues, perspectives // Physics Reports. 2005. V. 421. Pp. 1-103.

27. GandyR., Willis S., ShimoyamaH. Initial experiments in the Idaho Dusty Plasma Device // Physics of Plasmas. 2001. V. 8. № 5. Pp. 1746-1751.

28. Karabourniotis K., DrakakisE., J. van der Mullen. Source function approximations and their impact on the shape of self-reversed atomic lines // Journal of Physics D: Applied Physics. 2006.

29. Karabourniotis K., J. van der Mullen. Numerical validation of a self-absorption model for plasma radiation // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. V. 38. Pp. 3016-3027.

30. Konjevic N., Fuhr J. R., Wiese W. L. Plasma broadening and shifts of non-hydrogenic spectral lines: An overview of recent results // Spectral Line Shapes. 2001. V. 11. Pp. 117-124.

31. Kravchenko A. A., Luizova L. A., Soloviev A. V. High Resolution Local Spectroscopy of Inhomogeneous Plasma // Proc. of XVIth International Conference on Gas Discharges and Their Applications (September 11-15, 2006, Xian). Xian, 2006. Pp. 649-652.

32. Luizova L. A. Abel's inversion applied to array of spectral line profiles // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2000. V. 66. Pp. 277-283.

33. Luizova L. et al. The setup and software for local plasma spectroscopy // Proceedings of the 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (July 7-11, 2003, St. Petersburg, Russia). St. Petersburg, 2003.

34. Luizova L. A., Soloviev A. V. Computer training program for elimination of instrument distortions // 7th International Conference on Education and Training in Optics and Photonics (Singapore, 2002) / SPIE Proc. 2002. V. 4588. Pp. 440-447.

35. Morfill G. E., Thomas H. Plasma crystal // Journal of Vacuum Science & Technology A. 1996. V. 14. Pp. 490-495.

36. Numeric Recipes in C: The Art of Scientific Computing / W. H. Press et al. Cambridge University Press, 1992.994 p.

37. Quinn R. A. et al. Structural analysis of a Coulomb lattice in a dusty plasma // Physical Review E. 1996. V. 53. № 3. Pp. 2049-2052.

38. Ramsey А. Т., Diesso M. Abel inversions: Error propagation and inversion reliability // Review of Scientific Instruments. 1999. V. 70. № 1. Pp. 380-383.

39. Vesely F. J. Computational Physics: An Introduction. Plenum Press. 2001.259 p.