L. A. Berni et al- Molecular Rayleigh Scattering as Calibration Method for Thomson Scattering...

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  • 8/3/2019 L. A. Berni et al- Molecular Rayleigh Scattering as Calibration Method for Thomson Scattering Experiments

    1/5

    B r a z i l i a n J o u r n a l o f P h y s i c s , v o l . 2 6 , n o . 4 , d e c e m b e r , 1 9 9 6 7 5 5

    M o l e c u l a r R a y l e i g h S c a t t e r i n g a s C a l i b r a t i o n M e t h o d

    f o r T h o m s o n S c a t t e r i n g E x p e r i m e n t s

    L . A . B e r n i , D . O . C a m p o s , M . M a c h i d a , S . A . M o s h k a l y o v

    , S . V . L e b e d e v

    y

    I n s t i t u t o d e F s i c a ( D E Q ) , U n i v e r s i d a d e E s t a d u a l d e C a m p i n a s ,

    C . P . 6 1 6 5 , 1 3 0 8 3 - 9 7 0 , C a m p i n a s , S P , B r a z i l

    R e c e i v e d A u g u s t 1 2 , 1 9 9 6

    T h i s w o r k p r e s e n t s t h e r e s u l t s o b t a i n e d w i t h R a y l e i g h s c a t t e r i n g a s m e t h o d o f c a l i b r a t i o n

    f o r t h e T h o m s o n s c a t t e r i n g d i a g n o s t i c i n t h e d e t e r m i n a t i o n o f d e n s i t y a n d t e m p e r a t u r e o n

    t h e e l d - r e v e r s e d t h e t a - p i n c h T C - 1 a t U N I C A M P . T h e m e t h o d s e m p l o y e d t o r e d u c e t h e

    p r e s e n c e o f s t r a y l i g h t , a s w e l l a s q u e s t f o r b e s t s c a t t e r i n g g e o m e t r y , a r e a l s o d e s c r i b e d .

    I . I n t r o d u c t i o n

    T h e T h o m s o n s c a t t e r i n g

    1 2 3 ]

    i s t h e m o s t s t r a i g h t -

    f o r w a r d t e c h n i q u e u s e d f o r l o c a l m e a s u r e m e n t s o f e l e c -

    t r o n t e m p e r a t u r e s ( T

    e

    ) a n d d e n s i t i e s ( n

    e

    ) i n p u l s e d

    p l a s m a d e v i c e s . I t c o n s i s t s b a s i c a l l y o n t h e m e a s u r e -

    m e n t o f t h e s c a t t e r e d l i g h t i n d u c e d b y a h i g h p o w e r

    l a s e r o n t h e e l e c t r o n s o f t h e p l a s m a . A r u b y l a s e r (

    i

    =

    6 9 4 : 3 n m ) i s c o m m o n l y u s e d f o r t h i s p u r p o s e . T h e s c a t -

    t e r e d l i g h t c a n b e c o h e r e n t o r i n c o h e r e n t , d e p e n d i n g o n

    t h e a p a r a m e t e r p a r a m e t e r ( =

    i

    = 4

    D

    s i n ( = 2 ) )

    w h e r e

    D

    i s t h e D e b y e l e n g t h a n d i s t h e a n g l e b e -

    t w e e n i n c i d e n t a n d s c a t t e r e d w a v e n u m b e r v e c t o r s . F o r

    1 , t h e c o h e r e n t c a s e , t h e s c a t t e r e d s p e c t r u m i s i n -

    u e n c e d b y t h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n e l e c t r o n s a n d i o n s

    i n t h e p l a s m a . F o r t h e i n c o h e r e n t c a s e , ( 1 ) , t h i s

    s p e c t r u m r e e c t s t h e t h e r m a l e l e c t r o n m o t i o n , r e s u l t -

    i n g i n a G a u s s p r o l e f o r m o s t l a b o r a t o r y p l a s m a s . F o r

    s c a t t e r i n g i n p l a s m a w i t h m a x w e l l i a n e l e c t r o n v e l o c i t y

    d i s t r i b u t i o n , a s i n t h i s e x p e r i m e n t , t h e s i g n a l S

    t h

    m e a -

    s u r e d b y a p h o t o m u l t i p l i e r c o r r e s p o n d i n g t o t h e s c a t -

    t e r e d l i g h t i n a s m a l l o b s e r v a t i o n s o l i d a n g l e a r o u n d

    a x e d a n g l e c a n b e w r i t t e n a s

    1 ]

    :

    c

    d S

    T h

    (

    s

    )

    d

    s

    =

    D P

    i

    c n

    e

    2

    p

    i

    s i n ( = 2 )

    1 ;

    7 (

    s

    ;

    i

    )

    2

    s

    (

    1

    a

    1 ;

    G

    e

    2

    e

    ; X

    2

    e

    +

    1

    b

    G

    e

    2

    e

    ; X

    2

    i

    )

    ( 1 )

    w h e r e :

    G

    e

    =

    2

    1 ; 2 X

    e

    e

    ; X

    2

    e

    Z

    X

    e

    0

    e

    p

    2

    d p ; i

    1 = 2

    X

    e

    e

    ; X

    2

    e

    !

    G

    i

    =

    2

    z T

    e

    T

    i

    1 ; 2 X

    i

    e

    ; X

    2

    i

    Z

    X

    i

    0

    e

    p

    2

    d p ; i

    1 = 2

    X

    i

    e

    ; X

    2

    i

    !

    = 1 + G

    e

    + G

    i

    O n l e a v e f r o m S . P e t e r s b u r g S t a t e T e c h n i c a l U n i v e r s i t y , S . P e t e r s b u r g , R u s s i a .

    y

    O n l e a v e f r o m I n s t i t u t e o f N u c l e a r P h y s i c s , N o v o s i b i r s k , R u s s i a .

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    2/5

    7 5 6 L . A . B e r n i e t a l .

    X

    e

    =

    c (

    s

    ;

    i

    )

    2

    i

    s i n ( = 2 ) a

    1 +

    s

    ;

    i

    i

    1 = 2

    a n d

    X

    i

    =

    c (

    s

    ;

    i

    )

    2

    i

    s i n ( = 2 ) b

    1 +

    s

    ;

    i

    i

    1 = 2

    a n d D i s a c a l i b r a t i o n c o n s t a n t , P

    i

    i s t h e i n c i d e n t l a s e r

    p o w e r , c i s t h e l i g h t v e l o c i t y , T

    i

    i s t h e i o n v e l o c i t y , Z

    i s t h e i o n c h a r g e n u m b e r a n d a a n d b a r e t h e e l e c t r o n

    a n d i o n t h e r m a l v e l o c i t i e s , r e s p e c t i v e l y .

    T h e c o n s t a n t D d e p e n d s o n p a r a m e t e r s o f t h e c o l -

    l e c t i o n o p t i c s a n d d e t e c t o r :

    D = T G L

    s

    d

    T

    d

    ( 2 )

    w h e r e t h e t o t a l t r a n s m i s s i o n o f t h e c o l l e c t i o n o p t i c s T ,

    t h e q u a n t u m e c i e n c y a n d t h e g a i n G o f t h e d e t e c -

    t o r , a r e a s s u m e d t o b e c o n s t a n t a l o n g e a c h m e a s u r e d

    w a v e l e n g t h r e g i o n o f t h e s c a t t e r e d s p e c t r u m . L

    s

    a n d

    ( d

    T

    = d )

    a r e t h e l e n g t h o f t h e s c a t t e r e d v o l u m e a n d

    t h e e l e c t r o n d i e r e n t i a l c r o s s s e c t i o n , r e s p e c t i v e l y .

    A l t h o u g h t h e p a r a m e t e r s T , a n d G c a n b e m e a -

    s u r e d a b s o l u t e l y b y u s i n g s t a n d a r d l i g h t s o u r c e s a n d

    L

    s

    , a n d ( d

    T

    = d )

    c a n b e d e t e r m i n e d f r o m t h e

    g e o m e t r y o f o b s e r v a t i o n a s w e l l a s P

    i

    c a n b e m e a s u r e d

    d i r e c t l y , t h e i n d i v i d u a l d e t e r m i n a t i o n o f t h e s e p a r a m e -

    t e r s i s a d i c u l t t a s k a n d l a r g e s i s t e m a t i c e r r o r s c a n a p -

    p e a r i n t h e t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n o f S

    T h

    . I n p r a c t i c e ,

    t h e d e t e r m i n a t i o n o f D a s w h o l e i s d o n e m o r e e a s i l y

    b y u s i n g m o l e c u l a r R a m a n o r R a y l e i g h s c a t t e r i n g . T h e

    s a m e o p t i c s a s f o r T h o m s o n s c a t t e r i n g i s u s e d , e l i m i n a t -

    i n g t h e p r o b l e m s w i t h t h e e s t i m a t i o n o f t h e s c a t t e r e d

    v o l u m e , l o s s e s w i t h t h e o p t i c a l e l e m e n t s , d e t e c t o r s c a l -

    i b r a t i o n a n d l a s e r p u l s e m e a s u r e m e n t .

    T h e R a m a n s c a t t e r i n g i s i n e l a s t i c , a n d b a s i c a l l y

    c o n s i s t s i n c h a n g e s o n t h e v i b r a t i o n a l a n d r o t a t i o n a l

    s t a t e s o f t h e m o l e c u l e , i n d u c e d b y t h e l a s e r , o r i g i n a t i n g

    s p e c t r a l l i n e s a t b o t h s i d e s o f t h e i n c i d e n t f r e q u e n c y

    4 5 ]

    .

    R a y l e i g h s c a t t e r i n g i s e l a s t i c a n d o c c u r s d u e t o a d i p o l e

    o s c i l l a t i o n o f t h e m o l e c u l e w i t h t h e s a m e i n c i d e n t f r e -

    q u e n c y . T h e l i g h t o f t h e R a m a n s c a t t e r i n g h a s a n i n t e n -

    s i t y o f a f a c t o r o f t h o u s a n d l e s s t h a n t h a t o f R a y l e i g h

    s c a t t e r i n g . I t i s s p e c i a l l y r e c o m m e n d e d w h e n t h e e x -

    c e s s i v e s t r a y l i g h t l e v e l m a k e s R a y l e i g h s c a t t e r i n g d i f -

    c u l t o r i m p o s s i b l e t o b e m e a s u r e d . C a l i b r a t i o n u s i n g

    R a y l e i g h s c a t t e r i n g i s d o n e i n t h i s e x p e r i m e n t a f t e r a

    c a r e f u l l s t r a y l i g h t s u p p r e s s i o n .

    T h i s w o r k p r e s e n t s a n d d i s c u s s e s t h e r e s u l t s o b -

    t a i n e d b y u s i n g R a y l e i g h s c a t t e r i n g a s c a l i b r a t i o n

    m e t h o d f o r t h e T h o m s o n s c a t t e r i n g d i a g n o s t i c i m -

    p l a n t e d r e c e n t l y o n t h e T C - 1 d e v i c e o f U N I C A M P . T h e

    t e c h n i q u e s u s e d t o r e d u c e s t r a y l i g h t f o r t h i s d i a g n o s t i c

    a r e a l s o d i s c u s s e d .

    I I . E x p e r i m e n t a l s e t u p

    T h e T C - 1 d e v i c e

    6 7 ]

    i s a e l d r e v e r s e d t h e t a - p i n c h

    w i t h a c o i l l e n g t h o f 6 5 c m a n d 1 4 c m i n d i a m e t e r .

    I t w o r k s w i t h t h r e e c a p a c i t o r s b a n k s , w h i c h a r e d i s -

    c h a r g e d i n a p r e - d e t e r m i n e d s e q u e n c e . A m a x i m u m

    m a g n e t i c e l d o f 0 . 3 6 T i s r e a c h e d a f t e r a r i s e t i m e o f 5

    m s f r o m t h e b e g i n n i n g o f t h e m a i n b a n k d i s c h a r g e w i t h

    1 m T o r r o f h y d r o g e n g a s . M o r e d e t a i l s c a n b e f o u n d i n

    r e f e r e n c e s 6 a n d 7 .

    F o r a r s t k i n d T h o m s o n s c a t t e r i n g e x p e r i m e n t , t h e

    l a s e r l i g h t w a s i n j e c t e d a x i a l l y i n t h e d i s c h a r g e t u b e o f

    t h e T C - 1 d e v i c e . A p r o p r i a t e e n t r a n c e a n d e x i t w i n -

    d o w s w e r e c o n s t r u c t e d f o r m i n i m i z a t i o n o f t h e s t r a y -

    l i g h t . D e t a i l s o f t h i s s e t u p c a n b e s e e n i n F i g . 1 . T h e

    r u b y l a s e r , w o r k i n g w i t h a P o c k e l c e l l a n d g e n e r a t i n g

    3 J p u l s e i n 4 0 n s , w a s p o l a r i z e d v e r t i c a l l y , i . e . , p e r -

    p e n d i c u l a r t o t h e p a p e r p l a n e i n F i g . 1 . T h e b e a m

    d i a m e t e r w a s r e d u c e d f r o m 1 c m t o 3 m m i n t h e c e n t e r

    o f T C - 1 b y m e a n s o f a 1 m f o c a l l e n g t h l e n s . T h e o u t g o -

    i n g b e a m e n d e d i n a d u m p c o n s i s t i n g o f a c u r v e d P y r e x

    c o n e . T h e s c a t t e r e d l i g h t w a s o b s e r v e d p e r p e n d i c u l a r l y

    t o t h e t h e i n j e c t i o n b e a m . A s e t o f 3 p l a n e m i r r o r s w a s

    u s e d t o r o t a t e t h e i m a g e i n 9 0

    i n o r d e r t o o b t a i n a

    b e s t m a t c h i n g b e t w e e n t h e o b s e r v e d p l a s m a r e g i o n a n d

    t h e e n t r a n c e s l i t o f t h e s p e c t r o m e t e r ( S P E X - 7 5 c m -

    1 . 1 n m / m m ) . T h e a l i g n m e n t o f t h e l a s e r b e a m i s v e r y

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    3/5

    B r a z i l i a n J o u r n a l o f P h y s i c s , v o l . 2 6 , n o . 4 , d e c e m b e r , 1 9 9 6 7 5 7

    c r i t i c a l a n d s p e c i a l c a r e m u s t b e t a k e n i n t h e c o n s t r u c -

    t i o n o f s t a b l e s u p p o r t s t o a v o i d m i s a l i g n m e n t d u e t o

    t e m p e r a t u r e c h a n g e s a n d e x t e r n a l v i b r a t i o n s .

    F i g u r e 1 : E x p e r i m e n t a l s e t u p f o r a x i a l T h o m s o n S c a t t e r -

    i n g .

    F i g u r e 2 : E x p e r i m e n t a l s e t u p f o r r a d i a l T h o m s o n S c a t t e r -

    i n g .

    A s e c o n d t y p e T h o m s o n s c a t t e r i n g e x p e r i m e n t w a s

    d o n e w i t h s i d e - o n i n j e c t i o n o f t h e l a s e r b e a m , h o r i z o n -

    t a l l y p o l a r i z e d , i . e . , i n t h e a x i a l d i r e c t i o n o f t h e d i s -

    c h a r g e t u b e . W i t h t h e p r o x i m i t y b e t w e e n e n t r a n c e

    a n d e x i t w i n d o w s t h e a l i g n m e n t b e c a m e e a s i e r , b u t t h e

    p r o b l e m s c o n c e r n i n g s t r a y l i g h t i n c r e a s e d . I n t h i s c a s e ,

    s o m e m o d i c a t i o n s i n t h e e n t r a n c e a n d o b s e r v a t i o n o p -

    t i c w e r e n e c e s s a r y i n o r d e r t o r e d u c e s t r a y l i g h t t o d e -

    s i r a b l e l e v e l s . W i n d o w s c o n s t r u c t e d i n B r e w s t e r a n g l e

    w e r e u s e d t o d i m i n i s h t h e r e e c t i o n s . B l a c k t u b e s i n -

    s i d e t h e e n t r a n c e a n d e x i t w i n d o w s s e r v e a s p r o t e c t i o n

    a g a i n s t r e e c t i o n s a n d c o n d u c t i o n o f l i g h t t h r o u g h t h e

    d i s c h a r g e g l a s s t u b e . T h e d u m p w a s b e t t e r e l a b o r a t e d .

    A b l a c k p a p e r w a s i n s t a l l e d b e t w e e n t h e s o l e n o i d a n d

    t h e d i s c h a r g e t u b e t o r e d u c e t h e b a c k r e e c t i o n s . F i -

    n a l l y , t h e c o l l e c t i o n o p t i c w a s p r o t e c t e d b y a b l a c k t u b e

    t o a v o i d t h e c a p t a t i o n o f l i g h t c o m m i n g f r o m o t h e r

    p a r t s o f t h e e x p e r i m e n t .

    F i g u r e 3 : D e t a i l s o f t h e r a d i a l i n j e c t i o n .

    R a y l e i g h s c a t t e r i n g f o r c a l i b r a t i o n o f t h e T h o m s o n

    s c a t t e r i n g e x p e r i m e n t w a s d o n e a f t e r e v a c u a t i o n o f t h e

    d i s c h a r g e t u b e b y a m e c h a n i c a l p u m p , a n d i n s e r t i o n o f

    n i t r o g e n g a s . T h e n i t r o g e n g a s s y s t e m o f i n j e c t i o n m u s t

    b e p r e v i o u s l y e v a c u a t e d a n d c l e a n e d w i t h a n i t r o g e n

    o w o f g a s t o a v o i d t h a t h e a v y p a r t i c l e s b e s u s p e n d e d

    d u r i n g t h e l a s e r s h o t s . S i n c e t h e s e p a r t i c l e s h a v e a b i g -

    g e r c r o s s s e c t i o n , t h e y c a n c o n t r i b u t e t o i n c r e a s e t h e

    l e v e l o f s t r a y l i g h t i n t r o d u c i n g l a r g e e r r o r s i n t h e m e a -

    s u r e m e n t s .

    I I I . R a y l e i g h S c a t t e r i n g

    S i n c e t h e R a y l e i g h s c a t t e r i n g i s p e r f o r m e d a t r o o m

    t e m p e r a t u r e , t h e w i d t h o f t h e s c a t t e r e d p r o l e i s m u c h

    l e s s t h a n t h e i n s t r u m e n t a l p r o l e o f t h e s p e c t r o m e t e r .

    T h e R a y l e i g h s i g n a l S

    R a y

    w i l l c o r r e s p o n d t o t h e i n t e -

    g r a t e d s p e c t r u m o v e r a l l r e l e v a n t w a v e l e n g t h r e g i o n i n -

    s i d e t h e a n g l e o f o b s e r v a t i o n ( ) :

    S

    R a y

    =

    d

    R

    d

    n

    R

    L

    s

    T G P

    i

    ( 3 )

    w h e r e n

    R

    i s t h e d e n s i t y o f t h e g a s m o l e c u l e s a n d

    ( d

    R

    = d )

    i s t h e d i e r e n t i a l c r o s s s e c t i o n f o r t h e u s e d

    g a s . T h e n o r m a l i z a t i o n i n e q s . ( 1 ) a n d ( 3 ) o f S

    T h

    , S

    R a y

    a n d P

    i

    w i t h t h e m o n i t o r s i g n a l o f a p h o t o d i o d e , a r b i -

    t r a r i l y p r o p o r t i o n a l t o P

    i

    , e l i m i n a t e s p r o b l e m s c o n c e r n -

    i n g c h a n g e s o n t h e l a s e r p o w e r f r o m s h o t t o s h o t . I n

    t h i s w a y , t h e c o n s t a n t D ( e q u a t i o n 1 ) c a n b e w r i t t e n

    a s :

    D =

    S

    R a y

    n

    R

    ( d

    T

    = d )

    ( d

    R

    = d )

    ( 4 )

    T h e r a t i o b e t w e e n T h o m s o n a n d R a y l e i g h c r o s s s e c t i o n s

    i s k n o w n f o r s e v e r a l g a s e s a n d l i s t e d i n t a b l e 1 8 ] :

  • 8/3/2019 L. A. Berni et al- Molecular Rayleigh Scattering as Calibration Method for Thomson Scattering Experiments

    4/5

    7 5 8 L . A . B e r n i e t a l .

    G a s

    T

    =

    R

    N

    2

    3 8 0

    H

    2

    1 7 6 9

    C H

    4

    1 7 7

    O

    2

    4 6 2

    T a b l e 1 : R a t i o b e t w e e n T h o m s o n a n d R a y l e i g h c r o s s

    s e c t i o n

    8 ]

    .

    F i g u r e 4 : M o l e c u l a r R a y l e i g h s c a t t e r i n g w i t h n i t r o g e n g a s ,

    c u r v e 1 , 2 - a x i a l a n d r a d i a l s e t u p , r e s p e c t i v e l y .

    A s i t c a n b e i n f e r r e d f r o m e q u a t i o n s 1 , 3 a n d 4 ,

    t h e p o w e r r a t i o b e t w e e n n i t r o g e n R a y l e i g h s c a t t e r i n g

    a n d T h o m s o n s c a t t e r i n g f o r t y p i c a l - P i n c h p l a s m a s

    w i t h n

    e

    = 1 x 1 0

    2 1

    m

    ; 3

    , T

    e

    = 1 0 0 e V , a n d f o r p e r p e n -

    d i c u l a r s c a t t e r i n g = 9 0

    0

    i n t h e w a v e l e n g t h r a n g e o f

    s

    =

    I

    1 1

    A , i s P

    R a y

    = P

    T h

    = 4 1 0

    ; 2

    n

    R

    n

    e

    : I n o r d e r t o

    o b t a i n R a y l e i g h s i g n a l s c o m p a r a b l e o r g r e a t e r t h a n t h e

    s t r a y l i g h t l e v e l o f t h i s e x p e r i m e n t , i t h a s b e e n n e c e s -

    s a r y t o o p e r a t e w i t h n i t r o g e n m o l e c u l e d e n s i t i e s i n t h e

    r a n g e o f 1 . 5 x 1 0

    2 4

    m

    ; 3

    t o 1 . 5 x 1 0

    2 5

    m

    ; 3

    , i . e . , a f a c t o r

    o f 1 0 0 0 t o 1 0 0 0 0 g r e a t e r t h a n t h e e l e c t r o n d e n s i t y . T h e

    v o l t a g e s u p p l y o f t h e p h o t o m u l t i p l i e r w a s a l s o r e d u c e d

    f r o m i t s n o r m a l o p e r a t i o n v a l u e ( 1 8 0 0 V o r 2 0 1 0 V ) t o

    1 3 5 0 V i n o r d e r t o p r e v e n t s i g n a l s a t u r a t i o n . T h e p h o -

    t o m u l t i p l i e r s i g n a l s o b t a i n e d d u r i n g R a y l e i g h s c a t t e r i n g

    w e r e c o r r e c t e d b y t h e c o r r e s p o n d e n t f a c t o r d u e t o t h e

    c h a n g e s i n t h e g a i n , a s m e a s u r e d f r o m l i g h t e m i s s i o n

    d i o d e s .

    F i g . 4 s h o w s t h e r e s u l t s o b t a i n e d w i t h t h e R a y l e i g h

    s c a t t e r i n g . I n t h i s g u r e , t h e n o r m a l i z e d S

    R a y

    i s p l o t -

    t e d a s f u n c t i o n o f t h e n i t r o g e n g a s p r e s s u r e . T h e c u r v e

    1 c o r r e s p o n d s t o t h e a x i a l s e t - u p ( F i g . 1 ) . I n t h i s c u r v e

    t r i a n g l e a n d s q u a r e d o t s h a v e b e e n t a k e n w i t h v e d a y s

    o f d i e r e n c e , i n d i c a t i n g a v e r y g o o d a l i g n m e n t s t a b i l -

    i t y . T h e c u r v e 2 o f F i g . 4 c o r r e s p o n d s t o t h e r a d i a l

    s e t - u p ( F i g . 2 ) . E a c h p o i n t o f t h e s e c u r v e s c o r r e -

    s p o n d t o a m e a n o f 4 t o 6 s h o t s . A s t h e n i t r o g e n l l

    p r e s s u r e i s d i r e c t l y r e l a t e d t o n R i n s i d e t h e t u b e a t

    r o o m t e m p e r a t u r e , i t i s p o s s i b l e t o o b t a i n t h e r e l a t i o n

    S

    R a y

    = n

    R

    f r o m t h e i n c l i n a t i o n o f t h e s e c u r v e s . T h e s i g -

    n a l a t v a c u u m ( n

    R

    = 0 ) c o r r e s p o n d s t o t h e s t r a y l i g h t

    l e v e l o f t h e s y s t e m . O n e o b s e r v e s f r o m t h e s e c u r v e s

    t h a t t h e s t r a y l i g h t l e v e l f o r a x i a l i n j e c t i o n h a s a f a c -

    t o r o f 3 . 7 l o w e r t h a n t h e s i d e - o n m e a s u r e m e n t s w i t h i n

    2 5 % e r r o r , w h e n t h e m e a n v a l u e a n d t h e s t a n d a r d d e -

    v i a t i o n o f t h e l a s e r m o n i t o r , d i e r e n t f o r e a c h c u r v e ,

    a r e c o n s i d e r e d f o r a l l s h o t s . T h e n u m e r i c a l d i e r e n c e

    o n t h e i n c l i n a t i o n o f c u r v e s ( 1 ) a n d ( 2 ) i s m a i n l y d u e

    t o d i e r e n t n o r m a l i z a t i o n f a c t o r s f r o m t h e p h o t o d i o d e ,

    a n d s o m e d i e r e n c e s o n t h e r e s p e c t i v e c o l l e c t i o n o p t i c s .

    T h e g r e a t a d v a n t a g e i n u s i n g t h i s m e t h o d o f c a l i b r a t i o n

    i s t h a t a b s o l u t e m e a s u r e m e n t s o n t h e l a s e r p o w e r a r e

    n o t n e c e s s a r y a s w e l l a s , m e a s u r e m e n t s o n t h e o b s e r v a -

    t i o n s o l i d a n g l e , t r a n s m i s s i o n o f t h e o p t i c a l s e t u p , a n d

    p a r a m e t e r s r e l a t e d t o t h e g a i n o f t h e p h o t o m u l t i p l i e r .

    M e a s u r e m e n t s a l o n g t h e T h o m s o n s p e c t r u m , s p e c i a l l y

    f o r h i g h e l e c t r o n t e m p e r a t u r e s w h e n i t ' s p r o l e i s v e r y

    b r o a d , r e q u i r e r e l a t i v e c a l i b r a t i o n o f t h e d e t e c t o r ( o r

    d e t e c t o r s ) d u e t o t h e v a r i a t i o n o f i t ' s s e n s i b i l i t y a l o n g

    t h e w a v e l e n g t h . T h i s c a l i b r a t i o n c a n b e d o n e b y u s i n g

    a c a l i b r a t e d t u n g s t e n l a m p .

    I V . C o n c l u s i o n s

    A s i m p l e a n d p r a c t i c a l m e t h o d f o r c a l i b r a t i o n i n

    T h o m s o n s c a t t e r i n g e x p e r i m e n t s u s i n g R a y l e i g h s c a t -

    t e r i n g i s d e s c r i b e d . T h i s m e t h o d w a s u s e d f o r e x p e r -

    i m e n t s w i t h a x i a l a n d s i d e - o n l i g h t i n j e c t i o n o n t h e

    t h e t a - p i n c h p l a s m a o f t h e T C - 1 d e v i c e . T h e s t r a y l i g h t

    l e v e l f o r a x i a l i n j e c t i o n ( F i g . 1 ) w a s a b o u t a f a c t o r o f

    3 . 7 l e s s t h a n f o r s i d e - o n i n j e c t i o n ( F i g . 2 ) , a s o b t a i n e d

    f r o m c u r v e s 1 a n d 2 o f F i g . 4 . T h i s r e s u l t r e v e a l s t h e

    i n u e n c e o f t h e r e e c t i o n s a t t h e w i n d o w s a n d t h e c o n -

    d u c t i o n o f t h e l a s e r l i g h t t h r o u g h t h e g l a s s t u b e o f t h e

  • 8/3/2019 L. A. Berni et al- Molecular Rayleigh Scattering as Calibration Method for Thomson Scattering Experiments

    5/5

    B r a z i l i a n J o u r n a l o f P h y s i c s , v o l . 2 6 , n o . 4 , d e c e m b e r , 1 9 9 6 7 5 9

    v a c u m m c h a m b e r . T h e t e c h n i q u e s e m p l o y e d t o r e d u c e

    t h e s t r a y l i g h t ( F i g . 3 ) w e r e d e c i s i v e t o o b t a i n t h e s i g -

    n a l s w i t h t h e a s s e m b l y o f F i g . 2 . T h e s t a b l e o p t i c a l

    a l i g n m e n t c a n b e c o n r m e d b y t h e r e s u l t s o f c u r v e 1 i n

    F i g . 4 . H i g h p r e s s u r e s f o r R a y l e i g h s c a t t e r i n g c a l i b r a -

    t i o n a r e n o t r e c o m m e n d e d b e c a u s e g a s b r e a k d o w n c a n

    o c c u r . M o r e o v e r , t h e v a c u m m c h a m b e r s a r e g e n e r a l l y

    n o t c o n s t r u c t e d t o o p e r a t e i n s u c h c o n d i t i o n s . T h e l i n -

    e a r i n c r e a s i n g o f t h e s c a t t e r e d s i g n a l w i t h t h e p r e s s u r e

    ( o r m o l e c u l a r d e n s i t y ) , d e m o n s t r a t e a g o o d m a t c h i n g

    o f t h e e x p e r i m e n t a l d a t a t o t h e p r e d i c t i o n s o f e q . ( 3 ) .

    T h e g r e a t a d v a n t a g e i n u s i n g t h i s m e t h o d o f c a l i -

    b r a t i o n i s t h a t t h e a b s o l u t e m e a s u r e m e n t s o n t h e l a s e r

    p o w e r a r e n o t n e c e s s a r y a s w e l l a s m e a s u r e m e n t s o n t h e

    o b s e r v a t i o n s o l i d a n g l e , t r a n s m i s s i o n o f t h e o p t i c a l s e t

    u p , a n d p a r a m e t e r s r e l a t e d t o t h e g a i n o f t h e p h o t o -

    m u l t i p l i e r .

    A c k n o w l e d g e m e n t s

    T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d b y t h e F u n d a c ~ a o d e A m -

    p a r o a P e s q u i s a d o E s t a d o d e S ~ a o P a u l o - F A P E S P ,

    F i n a n c i a d o r a d e E s t u d o s e P r o j e t o s - F I N E P a n d C o n -

    s e l h o N a c i o n a l d e D e s e n v o l v i m e n t o C i e n t c o e T e c -

    n o l o g i c o - R H A E / C N P q .

    R e f e r e n c e s

    1 . J . S h e e l d , P l a s m a S c a t t e r i n g o f E l e c t r o m a g n e t i c

    R a d i a t i o n A c a d e m i c P r e s s , I n c . ( 1 9 7 5 ) .

    2 . D . E . E v a n s , J . K a t z e n s k e i n , R e p . P r o g . P h y s .

    3 2 , 2 0 7 ( 1 9 6 9 ) .

    3 . H . J . K u n z e , T h e l a s e r a s a t o o l f o r p l a s m a d i a g -

    n o s t i c , P l a s m a D i a g n o s t i c s , N o r t h - H o l l a n d P u b l .

    c a p . 9 , ( 1 9 6 8 ) .

    4 . D . A . L o n g , R a m a n S p e c t r o s c o p y , M c G r a w - H i l l

    ( 1 9 7 7 ) .

    5 . J . H o w a r d , B . W . J a m e s a n d W . I . B S m i t h , J .

    P h y s . , 1 2 , 1 4 3 5 ( 1 9 7 9 ) .

    6 . E . A . A r a m a k i , L . A . B e r n i , R . Y . H o n d a , I . D o i ,

    M . M a c h i d a , O p t i m i z a t i o n o f t h e i m p l o s i o n p h a s e

    o n T . C . - 1 b y l i g h t E m i s s i o n A n a l y s i s N u c l e a r I n -

    s t r u m e n t s M e t h o d s i n P h y s i c s R e s e a r c h A 2 8 0 ,

    5 9 7 ( 1 9 9 2 ) .

    7 . M . M a c h i d a , R . Y . H o n d a , R e v i s t a d e F s i c a A p l i -

    c a d a e I n s t r u m e n t a c ~ a o , 5 , 4 7 7 ( 1 9 9 0 ) .

    8 . A . W . D e S i l v a , G . C . G o l d e n b a u m , \ P l a s m a s D i -

    a g n o s t i c s b y L i g h t S c a t t e r i n g " , M e t h o d s o f E x p e r -

    i m e n t a l P h y s i c s , A c a d e m i c P r e s s v o l . 9 , P a r t A ,

    c a p . 3 , ( 1 9 7 0 ) .