Локальная диагностика неоднородной плазмы с помощью автоматизированного спектрометрического комплекса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Екимов, Константин Анатольевич

• Екимов, Константин Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Екимов, Константин Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ.

1.1 Цель и методы диагностики.

1.2 Современные технические средства для эмиссионной спектроскопии неоднородной плазмы.

1.3 Радиальные преобразования.

1.4 Исключение аппаратных искажений.

2. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

2.1 Метод главных компонент.

2.2 "Коллективная" обработка массивов отсчетов в локальной спектроскопии плазмы.

3. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ - АРМ «СВЕТ».

3.1 Структура программно-аппаратного комплекса.

3.2 Спектрометр ДФС-12.

3.3 Фотоприемник и регистрирующая система.

3.4 Модули КАМАК.

3.5 Управление и программное обеспечение. Основные возможности программы Spectrum.

3.6 Общие сведения об основных модулях программы Spectrum.

3.6.1 Модуль сканирования спектра по длинам волн.

3.6.2 Модуль пространственного сканирования.

3.6.3 Модуль сканирования по заданной программе.

3.6.4 Модуль отображения одновременно нескольких спектров из файлов.

3.6.5 Модуль загрузки спектра.

3.6.6 Модуль градуировки спектрометра по длинам волн.

3.6.7 Модуль градуировки чувствительности.

3.6.8 Модуль сервера удаленного доступа и управление через программу Spectrum.

3.7 Вспомогательные модули программы.

3.7.1 Модуль фазовой регистрации.

3.7.2 Модуль радиального преобразования.

3.7.3 Модуль исключения аппаратных искажений.

3.7.4 Модуль пересчета данных из относительных единиц, в единицы спектральной энергетической яркости.

4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА.

4.1 Проверка линейности регистрирующей системы.

4.2 Временные параметры регистрирующей системы.

4.3 Градуировка спектрометра по длинам волн.

4.4 Градуировка шага блока пространственного сканирования.

4.5 Градуировка чувствительности регистрирующей системы.

4.6 Регистрация аппаратного контура.

4.7 Реализация системы относительного позиционирования по длинам волн.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОГАЛОИДНОЙ ЛАМПЫ (МГЛ).

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННОЙ ЛАМПЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Локальная диагностика неоднородной плазмы с помощью автоматизированного спектрометрического комплекса»

Актуальность работы:

Развитие физики плазмы и ее приложений тесным образом связаны с успехами в разработке методик, средств диагностики и контроля физических условий в составе компонентов плазмообразующих сред. Особое значение имеют бесконтактные, не вносящие искажений оптические и спектрометрические методы. Использование этих методов актуально для астрофизики, плазмохимии, плазменной металлургии, физики и техники газоразрядных источников света, включая газовые лазеры, приложений плазмы в микроэлектронике, биологии, и других областях науки и техники, круг которых постоянно расширяется.

Возрастающая сложность и разнообразие разрабатываемых и изучаемых плазменных объектов, сопряжена с необходимостью сбора больших массивов первичной информации и их сложной математической обработкой.

Возрастающая потребность в сокращении времени и трудозатрат для сбора и обработки информации, сопряжена с необходимостью управления объектами по результатам диагностики в реальном времени.

Для решения задач фундаментальной и прикладной физики также требуются объективные, высокоэффективные методы спектроскопического анализа характеристик неоднородных гетерогенных сред.

Все это делает создание и модификацию спектрометрических методов и аппаратуры, актуальной проблемой диагностики неоднородной плазмы.

Цель работы:

Целью данной работы была разработка и создание программно-аппаратного комплекса для автоматизированного сбора и обработки спектроскопической информации, необходимой для определения параметров неоднородной плазмы, с использованием унифицированных модулей управления экспериментом и рациональных алгоритмов обработки данных, уменьшающих влияние шумов эксперимента на конечный результат, и применение комплекса для диагностики конкретных плазменных объектов.

Локальные значения параметров плазмы: концентрации электронов, атомов в основном и возбужденных состояниях, атомной и электронной температуры, могут быть определены на основе известных теоретических моделей, если известны интенсивности и формы контуров спектральных линий, излучаемых различными элементарными объемами плазмы.

Для получения этой спектроскопической информации необходимо: собрать массив экспериментальных данных, связанных с пространственным распределением спектральной энергетической яркости поверхности источника; определить, на основе этих данных, пространственное распределение спектральной энергетической яркости поверхности источника, с учетом кривой спектральной чувствительности использованных фотоприемников и возможных искажений, полученных распределений, из-за конечного разрешения спектральной аппаратуры; перейти от массива яркости поверхности источника к массиву локальных значений коэффициентов излучения, на основе принятой модели источника.

Это очень трудоемкий и времязатратный процесс с большим объемом рутинных действий и огромным объемом, записей протоколов исследования, являющихся тормозом в использовании эффективных методов диагностики, если не решена проблема автоматизации процесса сбора и обработки данных. С решением этой задачи и связана, в частности, цель настоящей работы. Дополнительной целыо является демонстрация эффективности решения задач диагностики с использованием методических и программно-аппаратных средств на основе результатов предпринятой разработки.

Комплекс применен для исследования конкретных плазменных объектов. В качестве примера исследования таких объектов были выбраны металлогалоидная лампа (МГЛ) и индукционная лампа. Результаты, относящиеся к МГЛ, во многом согласуются с ранее известными, что свидетельствует о достоверности результатов, получаемых с помощью разработанных средств и методов. Однако даже в этом давно изучаемом объекте, обнаружены новые эффекты.

Результаты исследования индукционной лампы получены впервые.

Научная новизна работы: впервые к реальному объекту применен метод коллективной обработки больших массивов спектроскопической информации, сокращающий затраты времени на обработку данных и повышающий устойчивость результатов к шумам эксперимента. Ме~од реализован в программных модулях разработанного комплекса и использован для определения параметров дуговой плазмы по контурам спектральных линий. Продемонстрирована эффективность метода по сравнению с традиционными алгоритмами; получены данные о локальных значениях плотности нормальных и возбужденных атомов и концентрации электронов в ртутно-таллиевой дуговой лампе высокого давления; впервые исследовано пространственное распределение плотности возбужденных состояний в неоновой лампе трансформаторного типа, что позволило сделать вывод о механизме возбуждения уровней и физических условиях в таком разряде; разработано и создано оригинальное программное обеспечения для автоматизированного информационно-измерительного спектрометрического комплекса сбора и обработки спектрометрической информации, построенное на основе стандартизированных технических и программных средств по модульному принципу, что позволяет легко адаптировать его к конкретным диагностическим задачам, а также использовать в режиме удаленного доступа к: оборудованию.

Научно-практическая значимость работы:

Для нужд локальной количественной диагностики неоднородной плазмы создан действующий программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий высокую эффективность сбора спектроскопической информации, ее сохранения, отображения и обработки с использованием рациональных, устойчивых к шумам алгоритмов.

Комплекс имеет удобный интерфейс и легко настраивается на различные режимы работы, в том числе и при удаленном доступе к оборудованию.

Программные и аппаратные модули комплекса, каждый из которых удовлетворяет требованиям унификации, стандартизации и переносимости, могут быть использованы при создании других систем автоматизированной диагностики и контроля.

Данные о пространственных распределениях параметров неоднородной плазмы, получаемые из анализа спектральных распределений коэффициентов излучения, обеспечивают возможность детального исследования физико-химических процессов в плазме и способствуют, как расширению знаний и представлений о плазме конкретных приложений, так и дают информацию для инженерно-конструкторских разработок.

Разработанный комплекс, снабженный подробной технической документацией, а также описание методов сбора и рациональной обработки спектроскопической информации о неоднородной плазме могут быть использованы и уже используются в научно-образовательном процессе при подготовке специалистов по физической электронике и информационно-измерительной технике.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Применение в реальном эксперименте, основанного на методе главных компонент, рационального алгоритма обработки массивов спектральной энергетической яркости поверхности неоднородной, аксиально-симметричной плазмы, повышающего устойчивость результатов к шумам эксперимента.

2. Пространственные и временные распределения электронной плотности и концентраций нормальных и возбужденных атомов в дуговом разряде высокого давления, в парах ртути, с добавками йодида таллия.

3. Пространственное распределение заселенностей возбужденных атомов в новом типе источника света - индукционно связанной плазме, позволившее сделать вывод о близости условий в такой плазме к условиям положительного столба тлеющего разряда и ступенчатом механизме возбуждения уровней.

4. Программно-аппаратный комплекс для спектрометрических измерений, построенный по модульному принципу, на базе современных унифицированных технических и программных средств, что обеспечивает его переносимость и адаптацию к решению различных спектрометрических задач. Состав методических и программных средств, входящих в комплекс, создает для пользователя комфортные условия эффективной работы.

Апробация работы:

Содержание работы докладывалось на всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001 (Петрозаводск, 2001), международной конференции по инженерному и компьютерному образованию ICECE'2003 (Brazil in Santos, 2003), 16ом международном симпозиуме по плазмохимии 16th International Symposium on Plasma Chemistry, (Taormina, Italy, 2003), 30ой конференции европейского физического общества по физике плазмы, 30th EPS Conference, (Санкт-Петербург, 2003), на школе молодых ученых, по проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 2003г), IV Российском семинаре, по современным средствам диагностики плазмы и их применению (Москва, 2003) и опубликованы в работах:

1. Екимов К.А., Луизова JI.A., Хахаев А.Д. Программный комплекс управления спектрометрическими измерениями с возможностью удаленного доступа к автоматизированной установке на базе системы графического программирования LabVIEW // Материалы

Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001 (в 2 томах). Т.2. / ПетрГУ. Петрозаводск, 2001. С. 40-43.

2. Екимов К.А., Луизова JI.A., Приходченко Р.В., Соловьев A.B., Хахаев А.Д. Лабораторные работы по спектроскопии. // Учебное издание. ПетрГУ. - Петрозаводск, 2003.

3. Ekimov К., Luizova L., and Prihodchenko R. Laboratory programs on physics with usage of modern information technologies // International Conference on Engineering and Computer Education (ICECE'2003), Brazil, in Santos.

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

5. Luizova L., Khakhaev A., Ekimov K. and Soloviev A. The set up and software for local plasma spectroscopy // 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St Petersburg, Russia, July 7-11,2003.

6. Гостев В.А., Екимов K.A., Луизова Л.А., Хахаев А.Д. Спектр излучения гелиевого микроплазмотропа // Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды. Материалы IV Российского семинара (12-14 ноября 2003г.) / Москва, МИФИ. С.66-68.

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

Программно-аппаратный комплекс прошел успешную проверку в ходе экспериментальных исследований дугового разряда, в лабораторных работах студентов, по курсам: «Проектирование информационно-измерительных комплексов», «Оптические методы диагностики плазмы», «Физические основы получения информации», «Метрология и измерительная техника» и при выполнении студентами курсовых и дипломных работ.

Вклад автора:

Впервые практически реализована локальная диагностика неоднородной плазмы закрытого дугового разряда в парах ртути с добавками иодидов с помощью метода коллективной обработки больших массивов спектроскопической информации о пространственно-временных распределениях излучения аксиально-симметричной плазмы.

Модифицирована, па основе использования среды LabVIEW и магистрально-модульной системы КАМАК, система управления устройством пространственного, спектрального и временного стробирования, при регистрации излучения источников, питаемых переменным током.

На основе стандартизированных, унифицированных и переносимых модулей создан программно-аппаратный комплекс для автоматизированного сбора и коллективной обработки данных, для задач диагностики неоднородной плазмы.

С помощью этого комплекса получены данные о пространственно-временных распределениях электронной плотности и концентраций нормальных и возбужденных атомов в дуговом разряде высокого давления в парах ртути с добавками йодида таллия и исследовано пространственное распределение заселенностей возбужденных атомов в индукционно связанной плазме в неоне.

Продемонстрирована возможность использования отдельных модулей комплекса для обработки данных, полученных на другом оборудовании, а также возможность использования комплекса в режиме удаленного доступа к оборудованию.

Создано методическое пособие по использованию программно-аппаратного комплекса для широкого круга спектроскопических работ, в том числе, для диагностики аксиально-симметричной квазистационарной или периодически изменяющейся, неоднородной плазмы.

Проведено и проводится систематическое тестирование качества работы и надежности автоматизированного программно-аппаратного комплекса при выполнении научно-исследовательских и учебных лабораторных работ на кафедре "Информационно-измерительных систем и физической электроники" и в Научно-образовательном Центре "Фундаментальные проблемы физики низкотемпературной плазмы" Петрозаводского Университета.

Объем и структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 112 страниц, 32 рисунка, 4 таблицы и 41 наименование библиографических ссылок.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Екимов, Константин Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На базе дифракционного спектрометра и прецизионной системы пространственного сканирования создан автоматизированный спектрометрический комплекс для спектроскопической диагностики неоднородной плазмы.

Разработано программное обеспечение комплекса для автоматизированного сбора спектрометрической информации, и ее обработки, на основе рациональных алгоритмов, обеспечивающих повышение устойчивости результатов к погрешностям измерений, путем учета внутренней корреляции в исходных массивах. Программное обеспечение построено по модульному принципу, модули удовлетворяют условиям унификации и переносимости.

Определены метрологические характеристики комплекса: аппаратная функция и постоянная времени, проверена линейность регистрации сигнала, произведена градуировка систем пространственного и спектрального сканирования.

С использованием разработанного комплекса и реализованных в нем алгоритмов сбора и обработки данных определены пространственные распределения концентраций атомов в различных состояниях и электронов, для двух фаз тока, в дуговом разряде в парах ртути с добавкой йодида таллия. Сопоставление некоторых результатов (например, радиального хода концентрации нормальных атомов ртути, распределения заселенностей в ртутном триплете) с известными из литературы подтверждает достоверность получаемых на комплексе данных. Обнаруженные эффекты уширения некоторых линий, не описываемые известными моделями, создают основу для дальнейшего развития теории сложной дуговой плазмы.

Впервые получено радиальное распределение спектральных характеристик индукционной лампы, позволившие сделать вывод о состоянии плазмы в такой лампе.

Программно-аппаратный комплекс прошел успешную проверку в ходе научных исследований и при выполнении лабораторных, курсовых и дипломных работ студентами физико - технического факультета ПетрГУ специальностей: "Физическая электроника", "Автоматизированные системы обработки информации и управления", "Информационно-измерительная техника и технология".

Все экспериментальные исследования проведены в период с 2001 по 2003г. при непосредственном участии автора.

Работа выполнена по тематическому плану Н01Д-013 "Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы" (грант Р7-013-02 АФГИР, МО РФ и Правительства Карелии).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Екимов, Константин Анатольевич, 2004 год

1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под. ред В.Е.Фортова. Вводный том 1., М: Наука, 2000, 655с.

2. Murphy A. B. Why Thomson Scattering Measurements of Thermal Plasma Electron Temperatures are Unreliable // 16th International Symposium on Plasma Chemistry Taormina, Italy -June 22-27, 2003. Abstracts and full papers on CD, P65

3. Вайнштейн Jl.A., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий. -М: Физматгиз, 1979. 320с.

4. Кюльмясу И.И., Попов Э.Т., Хахаев А.Д. Устройство для автоматической регистрации коэффициентов излучения и поглощения пространственно-неоднородных изменяющихся во времени источников излучения: А.с. № 399738; опубл. 03.10.73. Бюлл. № 39.

5. Кюльмясу И.И., Хахаев А.Д., Щербина А.И. Оптико-механическое линейпоскапирующее устройство: А.с. № 545954; опубл. 05.02.1977. Бюлл. № 5.

6. Босенко А.Г., Луизова J1.A., Хахаев А.Д., Штивельман Я.Е. Автоматизированный комплекс для спектральных исследований // Иэв. АН СССР. 1984. Т. 48, № 4. С. 796-801.

7. Луизова Л.А., Кошкин В.Ф., Хахаев А.Д., Чугин В.П. Автоматизированный спектроколориметр //Журн. прикл. спектроск. 1989. Т. 50, № 3. С. 511-518.9. http://www.okb-spectr.ru/ispectr.php310. http://www.oceanoptics.com/products/

8. Баженова М.Е., Луизова JI.A., Чугин В.П. Многоканальный Фурье-колориметр (( Опт. и спектроск. 1996. Т. 80, вып. 1. С. 173-176.

9. Buie М. J., Brake М. L et al Abel's inversion applied to experimental spectroscopic data with off axis peak//JQRST. 1996. V. 55, № 2. P. 231.-24

10. Худсон Д. Статистика для физиков, М: Мир, 1970, С. 157

11. Luizova L.A. Abel's inversion applied to array of spectral line profiles // JQRST.-2000.-V.66.-P. 277-283.19.

12. Luizova L., Soloviev A. A Computer Training Program for Elimination of Instrument Distortion // 7th International Conference on Education and Training in Optics and Photonics 2001. Singapore, 2001. SPIE V 4588 (2002) P.440-447.

13. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ. М.-Л.: Физматгиз, 1963. 500 с.

14. Edward Jackson J. A User's Guide To Principal Component. John Willey &Sons, New York, 1991. 567 pp.

15. Фаддеев Д.К., Фадеева B.H. Вычислительные методы линейной алгебры. М.-Л.: Физматгиз, 1963. 734 с.

16. Жарков Ф.П., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф., Панов B.C. Использование виртуальных инструментов LabVIEW.-M: Радио и связь, 1999, 268 с.

17. Луизова Л.А. Оптические методы диагностики плазмы // Учебное пособие. Петрозаводск: Изд. ПетрГУ. 2003. С.6-116

18. Hashiguchi S., Hatase К., Mort S., Tachibana К. Numerical simulation of metal-halid lamp using a time-dependent two-dimensional model // Journal of Applied Physics.-2002.-V.92, -P. 45-54.

19. Karabourmiotis D. Determination of radial density distribution of ground and low-lying levels of mercury in a nonequilibrium plasma using emission spectroscopy // Journal of Applied Physics.-2001 .-V.91, -P. 1090-1101.

20. Karabourmiotis D. Nonequilibrium excited-state distribution of atoms of in dense mercury plasmas // Journal of Applied Physics.-2002.-V.92, -P. 25-31.

21. Луизова Л.А., Патроев A.B., Хахаев А.Д. Формирование самообращенных контуров спектральных линий в закрытой ртутной дуге с добавкой йодида таллия // Известия Академии наук, Сер. физ. 1999, Т.63, С2291-2295.

22. Бородин В.И., Луизова Л.А., Хахаев А.Д. Объемные перераспределения компонент плазмы в дугах переменного тока с добавками галогенидов металлов // Физика плазмы. 1986. Т. 12. № 7. С. 887.

23. Касабов Г.А., Елисеев В.В. Спектроскопические таблицы для низкотемпературной плазмы: Справочник. М.: Атомиздат,- 1973,- 160 с.35. http://physics.nist.gov/cgi-bin/AtData/mainasd

24. Пенкин Н.П, Шабанова Л.Н. Резонансное уширение линий европия, возникающих при переходах a8S°7/2-y8P 9/2,7/2,5/2 // Опт. и спектроск. 1973. Т. 34. вып.4. С. 639.

25. Vdovin V.G., Hahaev A.D. Experimenral study on plasma nonequilibrum of high pressure metal-halid discharge // Journal de Physique, Tome 40, Juillet 1979, P. C7-177-178.

26. Смирнов Б.М. Возбужденные атомы, M: Наука, 1982, С. 151

27. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М: Наука, 1971с.240

28. Смирнов Б.М. Физика слабо ионизованного газа в задачах и решениях. М: Наука, 1978 с.333.