ダスティプラズマ実験における超低速中性流のレーザー誘起蛍光測定

Laser-induced fluorescence measurement of very slow neutral flows in a dusty plasma experiment.

• R S Marshall
• P M Bellan

抄録

レーザー誘起蛍光(LIF)は、ドップラーシフトを介した流速分布の直接測定により、標的種の温度と流速を提供する。カリフォルニア工科大学の水氷塵性プラズマ実験では、λ=696.735nmのアルゴン中性遷移を励起するために極狭可変ダイオードレーザーを用いたLIF診断法が開発されている。光電子増倍管は、λ=772.633 nmで蛍光発光を検出します。100を超える信号対雑音比が、測定間の高い再現性とともに達成されています。Labviewプログラムは、4つのステッパーモーターを制御し、測定データを記録することにより、3次元プラズマボリューム全体のデータ収集を完全に自動化します。アルゴンニュートラル温度は室温より少し上の温度を測定しています。ダイオードレーザーの絶対較正ができないことや、周囲の室内条件のわずかな変化による波長ドリフトなどの課題を克服し、バルク中性流速を1-2m/sのオーダーで毎秒2/3メートルの分解能で測定することができます。高速ビデオでは、氷粒の雲にアルゴン流を導入すると、氷粒の雲が移動して形状が変化することを示しています。氷粒の動きを解析したところ、中立的なLIF流の測定値と一致していることがわかりました。驚くべきことに、流れが止まると、氷粒雲は元の位置と形状に戻ります。

Laser-Induced Fluorescence (LIF) provides the temperature and flow velocity of a target species by direct measurement of its velocity distribution via Doppler shift. A LIF diagnostic has been developed at the Caltech water-ice dusty plasma experiment that uses an ultra-narrow tunable diode laser to pump the λ = 696.735 nm argon neutral transition. A photomultiplier detects fluorescence emission at λ = 772.633 nm. Signal to noise ratios in excess of 100 are achieved along with a high degree of reproducibility between measurements. A Labview program fully automates data collection throughout the three-dimensional plasma volume by controlling four stepper motors and recording measured data. The argon neutral temperature is measured to be slightly above room temperature. Challenges such as the lack of absolute calibration of diode lasers and wavelength drift due to slight changes in ambient room conditions are overcome to measure bulk neutral flow speeds on the order of 1-2 m/s with resolution on the order of 2/3 of a meter per second. High-speed video shows that introducing an argon flow to a cloud of ice grains causes the cloud of ice grains to move and change shape. Ice grain motion is analyzed and found to be in agreement with neutral LIF flow measurements. Surprisingly, when the flow ceases, the ice grain cloud reverts to its original location and shape.