Введение к работе
Актуальность темы. Явление резонансной флуоресценции уже не одно десятилетие активно используется для диагностики газообразных и плазменных сред. В его основе лежит фундаментальное свойство вещества поглощать фотоны с последующим их переизлучением. Под действием внешнего источника исследуемый объект формирует собственное поле свечения, характеристики которого несут информацию о его состоянии.
Возможность дистанционной оптической диагностики находит широкое применение в разнообразных задачах спектроскопического анализа и, в-частности, при изучении физических процессов протекающих в околоземном космическом пространстве. Для этой цели проводят активные эксперименты путем инжекции в верхнюю атмосферу Земли искусственных светящихся облаков. Обрабатывая оптическую информацию, полученную при рассеянии на них солнечного света исследуют явления массонереноса, величины и направления высокоширотных ветров и электромагнитных полей, и т.д.
Анализ подобных экспериментальных данных свидетельствует, 'по а) свечение облаков характеризуется пространственно-временной изменчивостью интенсивности; б) резонансно-флуоресцентные линии соответствуют ряду переходам в нейтральной п ионизованной компонентах облака; в) плотность инжектируемых паров высока и свечение формируется в условиях переноса излучения.
Описанные выше особенности имеют место также и в лабораторных экспериментах, в которых исследуются радиационные явления в плотных средах, облучаемых лазерными импульсами. Таким образом, для достаточно большого круга задач изучение динамики процесса взаимодействия внешней радиации с оптически-плотными многоуровневыми средами является актуальным. Перенос излучения для таких сложных систем и газовых объемов, имеющих реальную геометрию изучен крайне слабо.
Цель работы состояла в моделировании процессов взаимодействия излучения с плотными средами на основе теории радиационного переноса (постановки задач, изучение их спе-
цифики, разработка численных алгоритмов и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными).
Научная новизна. Исследованы динамика переноса излучения в многоуровневых средах, которые имеют форму плоско-параллельного слоя, цилиндра и сферы, характеристики радиационных полей и распределение плотности атомов (ионов) по объему.
Впервые изучена роль собственного излучения и его перенос в задачах: о фотоионизации и свечении искусственных бариевых облаков под действием солнечного света; при формировании флуоресцентного отклика и ионизации натриевых паров, индуцированных лазерным импульсом.
На защиту выносятся
-
Физико-математическая модель процесса взаимодействия внешнего излучения с многоуровневыми средами, впервые учитывающая совместно его перенос и внутренние источники радиации в объемах, имеющих реальную геометрию.
-
Численный метод решения системы интегро-диффе-ренциальных уравнений, позволяющий получать динамику изменения заселенностей уровней атомов (ионов) и частотно-угловые и пространственно-временные характеристики рассеиваемого средой излучения.
-
Методика определения характерного времени ионизации натриевых паров лазерным излучением, используя дек-римент затухания интенсивности их флуоресцентного свечения.
-
Результаты численного моделирования, полученные в задачах: о фотовозбуждении и свечении искусственного бариевого облака при его фотоионизации солнечным светом, формировании флуоресцентного свечения и ионизации натриевых паров под действием лазерного излучения,
и следующие положения:
из-за конкуренции процессов поглощения и излучения фотонов в бариевом облаке спектрально-яркостные характеристики его свечения обладают пространственной неоднородностью и угловой анизотропией, что позволяет объяснить сложную динамику цветовой окраски облаков, наблюдаемую в натурных экспериментах;
распад возбужденного состояния двух-уровневых атомов натрия для конечного цилиндра с отношением высоты к
диаметру основания равному или больше 6 эквивалентен распаду для бесконечно-длинных цилиндров, зависимость фактора пленения Бибермана-Холстейна для которого совпадает с экспериментом;
значение поглощенной натриевыми парами энергии в условиях лазерной резонансной ионизации атомов возрастает, а на угловую зависимость рассеянного ими излучения в сильной степени влияет динамика просветления газа;
при воздействии на среду лазерным лучем, благодаря процессам поглощения, перерассеяния и переноса фотонов за пределы облучаемой области, ионизованный излучением канал будет увеличиваться.
Научная и практическая значимость работы заключается в следующем:
Получены основные спектрально-яркостные характеристики свечения бариевого облака, поведение которых качественно совпадает с результатами натурных экспериментов. Поэтому результаты моделирования важны для интерпритации, планирования и прогнозирования будущих исследований подобного рода.
В задаче о лазерно-индуцированной флуоресценции натриевых паров изучены: процессы поглощения, рассеяния и распространения излучения в газовых объемах, имеющих реальную геометрию (сфера, цилиндр); ионизация атомов в условиях переноса радиации. Методику определения характерного времени ионизации газа по интенсивности флуоресцентного сигнала можно использовать на практике.
Физико-математическая модель и разработанные численные алгоритмы допускают возможность применения для решения других задач о взаимодействии излучения с веществом, в которых нужно учитывать процессы переноса радиации.
Апробация работы.
Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались: на «III рабочем совещании по моделированию космических явлений в лабораторной плазме» (г. Новосибирск, 1990 г.); «II Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмо-динамике» (г. Москва, 1991 г.); «XI (г. Томск, 1991 г.) и XII Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах» (г. Томск, 1993 г.); «I (г. Томск, 1994 г.), II (г. Томск, 1995 г.), III (г. Томск, 1996 г.) и IV
Межреспубликанском симпозиуме по оптике атмосферы и океана» (г. Томск, 1997 г.); «Втором (Китай, г. Харбин, 1996 г.) и Третьем (Россия, г. Красноярск, 1996 г.) Российско-китайском симпозиуме по лазерной физике и лазерным технологиям».
Основное содержание диссертации отражено в девяти работах, цитированных в списке литературы к диссертации.
Личный вклад автора. Инициатива проведения исследований по моделированию процессов ионизации и свечения искусственных бариевых облаков солнечным светом принадлежит доктору физико-математических наук Шапареву Н.Я., а лазерно-индуцированной флуоресценции натриевых паров кандидату физико-математических наук Шкедову И.М.
Автору принадлежит разработка численных алгоритмов решения задач о радиационном воздействии на плотные среды и проведение конкретных численных расчетов.
Постановки задач, анализ и обсуждение полученных результатов осуществлялись в ходе совместной работы со Шке-довым И.М.
Таким образом, все вошедшие в диссертацию исследования выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 132 страницах машинописного текста, включая 51 рисунок и список литературы из 79 наименований.
