Введение к работе
Акту_альность_работы. Современный этап развития космической физики характеризуется значительными успехами в исследовании плазменной астрофизики, достигнутыми с помощью прямых измерений со спутников, астрономических наблюдений и активных экспериментов в магнитосфере Земли. Однако, существует целый ряд актуальных физических задач, исследование которых данными методами ограничено вследствии косвенного характера получаемых данных и необходимости больших затрат на ев получение. В связи с этим, начиная с 60-х годов, были сформулированы принципы "ограниченного моделирования" в лабораторных условиях основных плазменных астрофизических процессов и успешно проведены эксперименты, которые позволили воспроизвести некоторые космические явления. Особый интерес представляют исследования нестационарных явлений взрывного характера применительно к проблеме взаимодействия магнитосферы Земли с потоками Солнечного ветра, генерации ударных волн в межпланетной плазме и т.д. Указанные явления связаны с фундаментальными процессами физики плазмы, протекающими при взаимодействии высокоскоростных (сверхзвуковых) взаимопроникающих и бесстолкновительных потоков плазмы на фоне магнитного поля различных конфигураций.
Реальные перспективы лабораторного моделирования подобных процессов открылись в связи с созданием мощных лазеров и началом исследований взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. Основой применения данного метода является уникальная возможность концентрации анергии с помощью лазера в очень малые пространственные и временные масштабы, что позволяет получать лазерную плазму в необычайно широком диапазоне параметров. Другим важным преимуществом метода является его бесконтактность, т.е. отсутствие вблизи создаваемой плазмы систем подвода энергии. Ьто открыло перспективы создания свободно расширяющихся в вакуум плазменных облаков (в том числе и сферически симметричных), которые являются наиболее подходящими для таких фундаментальных исследований, как взаимодействие движущейся плазмы с магнитным полем и (или) с фоновой средой.
И действительно, оказалось, что лабораторные эксперименты с лазерной плазмой показывают те-же черты, что и активные локальные взрывы в магнитосфере Земли, торможение останков взрыва Сверхновых звезд в замагничвнной межзвездной среде, динамика бесстолкновительных ударных волн и мощные точечные взрывы в газовой среде и
др. Результаты лабораторного моделирования позволили значительно продвинутся в исследовании этих явлений.
В настоящее время открываются новые области применения лазерной плазмы как средства моделирования. Это исследовашю глобальных взрывных возмущений магнитосферы Земли в рамках программы защиты от астероидной опасности, специфических явлений взаимодействия плазмошшх потоков с магнитными полями звезд, некоторые прикладные задачи в инерционном термоядерном синтезе и другие.
В экспериментах с лазерной плазмой используется много диагностических методов, которые постоянно развиваются. Одними из самых важных являются оптические методы диагностики, в том числа спектральные и, особенно, высокоскоростное фотографирование плазмы, как в интегральном спектре, так и в отдельных линиях свечения (с применением фильтров). С технической точки зрения это обусловлено тем, что лазерная плазма, по крайней мере на начальной стадии разлета, обладает собственным интенсивным излучением, которое легко регистрировать.
Но есть более глубокая, "физическая" причина широкого использования оптического фотографирования лазерной плазмы в модельных экспериментах. .Дело в том, что плазменные потоки при взаимодействии с внешними средами проявляют фундаментальное свойство (как в лаборатории, так и в космосе) образовывать различные прострэнст-вешшо конфигурации - желобки на границе плазмы, тонкие оболочки, вытянутые структуры типа "бутылки", системы струй или поясов и т.д. Именно этот аспект взаимодействия потоков плазмы с внешними средами привлекает интерес в первую очередь, и исследуется экспериментально и теоретически. Однако изучение характера свечения лазерной плазмы и развитие новых оптических методов остаются актуальными. Причина в том, что лазерная плазма является существенно нестационарной по всем своим параметрам, а также неоднородной по своему объему. Ей изначально присуща норавновосность, то есть в ней но применима модель локального термодинамического равновесия. В большинство случаев в ней не соблюдается также столкновитольное равновесие (корональная модель). Таким образом, свечение линий лазерной iuia3N?u независимо друг от друга и определяется элементарными процессами - рекомбинацией, ударным возбуждением и перозаряд-кой. Каждый из этих процессов возбуждает свечеіше своего определенного круга линий, а интенсивность этих процессов определяется взаимодействием лазерной плазмы с внешней средой. В результате, свечеіше линий в ходо взаимодействия возбуждается преимущественно
то одним процессом, то другим, разнив линии ведут себя по разному, а интегральное свечение становится неоднозначным.
Ш5ь_работы состоит в изучении механизмов возбуждения спектрального свечения линий ионов лазерной плазми в условиях во взаимодействия с различными внешними средами, исследовании способов управления процессами возбуждения и применении результатов этих исследований для правильной интерпретации наблюдаемых явлений и разработке новых оптических методов диагностики пространственного распределения концентрации и температуры лазерной плазмы.
Нау_чная_ндвизна_работы. Основное отличив этой работы от других в том, что в пей свечение лазерной плазмы исследуется комплексно. В большинстве предыдущих работ исследовались отдельные механизмы свечения линий. Там, где экспериментально наблюдалась трансформация одного механизма возбуждения свечения в другой, либо этот факт не анализировался, либо ему давалось неполное объяснение. В работе впервые подробно исследованы обще закономерности того, как взаимодействие лазерной плазмы с внешними средами влиявт на пространственное и врвмвнное поведение всего набора оптических линий свечения, и с чем это связано. Также впервые проведвн анализ того, с какими параметрами плазмы и каким образом связано интегральное свечение лазерной плазмы при ее фотографировании в тех или иных условиях.
Автор выносит на защиту следующие новые результаты:
-
Качественные и количественные критерии влияния различных элементарных процессов возбуждения (рекомбинации, перезарядки и электронных столкновений) на спектральное свечение лазерной плазмы, взаимодействующей с газом и магнитным полем.
-
Новый метод индикации электронной температуры в электрон-волътном диапазоне, основанный на эффекте минимума свечения определенных спектральных линий лазерной плазмы в процессе ве взаимодействия с магнитным полем.
-
Новый мвтод измерения концентрации ионов в плазменных потоках, основанный на регистрации спектрального свечения ионов, возбуждаемого в процессе перезарядки на фоновом газе.
-
Полученные на основе новых методов количественные закономерности расширения сферического облака плазмы в магнитных полях различной конфигурации: а) Количественная картина растекания плазмы в форме "бутылки" на поздней стадии ее взаимодействия с однородным магнитным полем, б) Факт значительного перераспределения
частиц в дипольном магнитном поле.
Наутаая_и_практическая_цэнность_рабдты. Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные исследования послужат основой для интерпретации результатов оптической диагностики в экспериментах с лазерной плазмой по моделированию процессов в космической плазме, а применение новых разработанных методов существенно расширит возможности как диагностики, так и самого лабораторного моделирования.
Полученные результаты по спектральным свойствам лазерной плазмы, взаимодействущей с окружающими средами могут также найти применение при интерпретации реальных процессов в астрофизической и околоземной плазме. В частности, известно, что нагрев электронов в магнитном поле и процесс перезарядки на нейтралах могут играть существенную роль в динамике наблюдаемого свечения в таких явлениях, как искуственныв плазменные выбросы и возможные мощные взрывы в магнитосфере Земли, столкновения останков Сверхновых с молекулярными облаками, нерегулярная структура свечения некоторых планетарных туманностей и ряд других.
Физические результаты, изложенные в работе имеют несомненный научный интерес. Современные теоретические модели могут описывать только начальную стадию взаимодействия плазмоидов с магнитным полем, и практически не могут предсказать какие пространственные структуры будет принимать плазма на поздних стадиях. Возбуждение перезарядного свечения, по видимому, впервые позволяет получать фо тографии плазмы, правильно отражающие пространственное распределение плазменных потоков, трансформированных в процессе взаимодействия с магнитными полями сложной конфигурации.
Апробация_работы. Результаты, изложенные в диссертации, представлялись на:
III Рабочем совещании по моделированию космических явлений в лабораторной плазме, Новосибирск,, май 1990г.
10 ЕврОПвЙСКОЙ ШКОЛе "Plasma Physics", ТбИЛИСИ, сентябрь І990Г.
21-st EPS Conference on Controlled Fusion and Ріазта РЬугісз,
Montpelller, July, 1994
23rd European Conference on Laser Interaction with Matter, Oxford,
Sept., 1994
12-th International Conference on Laser Interaction and Related
Plasma Phenomena, Озака, Apr. , 1995
- б -
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах.
0<5!9м_и_стЖКШэа_диссертации. диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и примечаний, изложена на 130 страницах, содержит 47 рисунков. Список литературы включает 114 наименований.
Похожие диссертации на Новые методы спектральных измерений температуры электронов и распределения плотности лазерной плазмы для лабораторного моделирования космических явлений
