Введение к работе
Актуальность темы. Влияние внешних полей на квантовые системы является предметом постоянных теоретических и экспериментальных исследований в течение многих лет. Такой устойчивый интерес обусловлен естественным существованием природных а техногенных объектов, где протекание физико-химических процессов происходит на фоне электромагнитных полей: газовые разряды в атмосфере, эволюционные процессы в астрофизических телах, установки для термоядерного синтеза, ускорители и лазерные системы. Взаимодействие атомов о внешними полями приводит к изменение констант радиационных и столкновительных процессов (силы осцилляторов, времена кизни уровней, сечения и скорости столкновительных переходов и химических реакций), а следовательно к изменении физике- химических свойств атомов.
В настоящее время актуальность исследований поведения атомов во внешних полях возрастает в связи с наличием мощных вычислительных систем и современным техническим оснаиением экспериментальных комплексов, которые позволяют изучать механизм воздействия поля на атомы в очень широком интервале налрякенностей, от уровня полей масштаба сверхтонкой структуры до значений, превышающих внутриатомные поля.
Влияние электрического поля на энергетическуо структуру атомов было открыто Штарком в 1913 г. Начавшиеся сразу после создания квантовой механики исследования, оыля посвящены изучение энергетической структуры и вероятностей переходов в статической поле на простых атомах: водороде и гелии.. Анализ резуяьтатоэ этих "исследований показал, что эффект Штарка включает в себя цепка
комплекс явлений .происходящих с атомом в электрическом поле и
имеющих фундаментальное значение для физики атома. Последующие
теоретические и экспериментальные исследования, основанные на
квантовомеханической теории многоэлектронных систем и прецизион
ных экспериментальных методах способствовали созданию строгой
теории статического к динамического эффекта Штарка, имеющей самые
широкие приложения в физике плазмы и лазерной физике. Подводя
итог этому периоду развития в изучении этого явления, можно
сказать, что эффект Штарка является основой .для развития фунда
ментальных исследований в теории взаимодействия атомов с внешними
полями.
Начиная с 60 гг. в физике атома стали развиваться новые направления, связанные с изучением поляризационных явлений в плазме. Как известно,' причиной поляризации атомных состояний в плазме являются анизотропные процессы накачки и релаксации, а также внешние поля.
Эффективным методом исследования поляризованных систем и является поляризационная спектроскопия, которая основана на измерении поляризационных и угловых характеристик излучения атомов, дающих 'детальную информацию о заселенностях магнитных подуровней и когерентности состояний атомов. Развитие теоретических методов в решении прямых .я обратных спектроскопических задач, использование их для 'интерпретации аффектов различных анизотропных процессов на излучение плазмы привело к тому, что в настоящее'вреая поляризационная спектроскопия представляет собой комплекс современных и эффективных методов исследования плазма.
Однако, ряд ватных научных проблем в поляризационной спеет-
юскопия , связанных с влиянием поля на механизм анизотропных гголкновительных и излучательных процессов, но был решен.
Как ухе указывалось наші, электрическое поле является одним аз механизмов поляризации состояний атомов. Электрическое поле всегда присутствует в плазме. Оно создается внешними источниками, распределением объемного заряда внутри плазмы, пучками заряженных частиц, проходячих через плазму. Величина электрического поля в определенных участках плазмы лабораторных и технологических устройств могет достигать десятков кВ/см, что сравнимо по порядку величины с напряхенностью внутриатомных полей.
Такие поля могут производить существенные изменения. в структуре атомов, а следовательно я в их физико-химических свойствах, обусловленных изменением радиационных и столкновителыгах констант.
Теоретические и экспериментальные исследования влияния поля на излучение атомов, проведенные нами показали, что электрическое поле значительно изменяет угловые и поляризационные свойства из-ния, что является признаком поляризации атомных состояний, дазе в отсутствие других анизотропных процессов.
При наличии анизотропных процессов, протекавших в поле, их механизм может измениться. Электрическое поле, действуя на радиационные и столкновительные процессы, моеєт усиливать или уменьшать эффект поляризация состояния'атомов, как непосредственно, так и через, изменение механизма этих процессов. А следовательно излучение штарковскнх состояний будет отличаться от излучения поляризованных состояний невозмущенного атома.
Тем не менее, к началу наших работ по эффекту Штарка отсут-
ствовали систематические исследования о влиянии электрического поля на амплитуды радиационных в столхновительных процессов. В задачах кинетики частиц в электрической поле принималось во внимание лишь изменение кинетических свойств заряженных частиц, приводящее к изменении юс функции распределения. Аналогичная концепция заложена и в методах поляризационной диагностика плазмы, где электрическое поле являлось лишь причиной направленного дрейфа заряженных частиц.
Все вышесказанное приводит к выгоду о необходимости пересмотра всей системы концепция поляризационной спектроскопии плазмы в электрическом поле и применения ее методов к задачам диагностики*
В связи с этим цель данной работы состояла в решении следующих основных задач:
1. Проведение теоретических исследований о влиянии электрического поля на радиационные в электрон-атомные столкновителыше процессы, выяснение основных закономерностей я особенностей в механизме этого явления.
S. Разработка методов расчета дифференциальных сечении радиационных и электрон- атомных столкновительных процессов.
-
Создание методов и средств поляризационной спектроскопия штарковских состояния атомов.
-
Разработка методов и средств поляризационной диагностики плазмы в электрической поле.
Основные метода исследования:
Методы теоретического псследования влияния электрического поля на амплитуды радиационных и столкновительных процессов основаны на обаепринятоы квантово-механическоа рассмотрении про-
цессов излучения атомов, квантовой теории рассеяния"и квантовой теории релаксации во внешних полях. Экспериментальные исследования основаны на методах спектроскопии высокого временного разрешения.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Анизотропия и поляризация излучения, интегрального по
контуру линии, обусловлена выстраиванием состояний атома в элект
рическом поле.
-
Появление в излучении атома мультипольних переходов смешанной четности возможно только в сильных электрических полях.
-
Амплитуда неупругого рассеяния электрона на атоме в электрическом поле в отличие от амплитуды рассеяния на изолированном атоме зависит от наведенного полем дипольного момента атома и фактора искажения движения рассеянного электрона потенциалом возмущенного атома.
-
Интенсивность излучения атомов в электрическом поле определяется как диагональными, так и недиагональными по квантовому числу J поляризационными тензорами.
-
В электрическом поле увеличение интервала а изменении рангов поляризационных тензоров, определяющих интенсивность спектральных линий и появление-новых переходов, отсутствувдкх в излучений изолированного атома обусловливают donee широкие возможности поляризационной спектроскопии.
-
Зависимость степени линейной поляризации излучения дипо-льно-разрешенкых и дипольно-запреаенных переходов-от напряженности поля определяет диагностику электрического поля в плазме.
-
В электрическом поле для диагностики функции распределе-
аия электронов достаточно измерения степени линейной воляризащш излучения .
Научная новизна работы характеризуется рядом впервые выполненных теоретических и экспериментальных исследований и впервые полученных ка зтой основе результатов, наиболее существенные из которых заключается в следующем: -~
Проведено теоретическое исследование мультипольних переходов атомов и поведения их в электрическом поле.
Предложен метод расчета дифференциальных сечений электрон-атомных столкновений в электрическом поло.
Разработана теоретическая модель радиационных и столкнови-,тельнкх процессов в электрическом поле.
Предложен математический аппарат для описания излучения штарковских состояний атомов.
Предложены методы поляризационной диагностики плазмы для определения капряаенноста электрического поля, степени поляризации штарковских состояний, функции распределения электронов.
Разработан и создан высокоскоростной, автоматизированный ; спектрополяриметр для измерения поляризационных: характеристик излучения плазмы импульсных разрядов, работавши в режиме Real-tine.
Впервые, экспериментально, -с использованием разработанных методов поляризационной спектроскопии, проведена диагностика распределения ' электрического поля и функции распределения электронов вдоль ускоряяаего промеаутка высоковольтного импульсного плазмеано-пучкового разряда.
Достоверность результатов работы подтверждается "следующим:
Теоретические расчеты матричных элементов операторов радиационных и столкяовительных переходов атомов, выполнены с использованием современных квантово-механических методов расчета: методов неприводимых тензорных операторов, метода Хартри-Фока и метода диагонализадии матрицы энергии. Для возбужденных состояний атомов инертных газов, на которых проводились расчеты, эти методы дают погрешность в определении волновой функции не более 3%.
Измерения относительных интенсивностей линий и степени их линейной поляризации проводились на спектрополяриметре методом счета фотонов. Статистическое накопление оптического сигнала составляло 200-600 тыс. импульсов. Обработка экспериментальных данных проводилась и использованием методов и.программ корреляционного и регрессионного анализа. Таким образом экспериментальные данные по степени линейной поляризации имели погрешность ^ \*л . Результаты определения величины напряженности электрического поля в плазме методом поляризационной спектроскопии сравнивались с данными, вычисленными из измерений штарковскйх расцеплений спектральных линий и отличаются от них не более 8.
Результаты вычисления параметров функции распределения электронов в плазменно-пучковом разряде в гелии методом поляризационной спектроскопии сравнивались с данными статистического моделирования. Величины средних энергий и энергий пучка отличаются не более 3.
Научная значимость результатов работы заключается в следующем:
Создан единый подход к изучению радиационных и столкновн-
тельных процессов атомов- в. электрическом поле, позволяюаий описать влияние поля на механизмы этих процессов и определить поляризационные и- угловые характеристики излучения плазмы.
Методы расчета дифференциальных сечений рассеяния электронов на атоме дают вклад в развитие теории рассеяния частиц во внешкзх полях.
Разработанные методы поляризационной спектроскопии атомов в электрическом поле расширяют возможности спектроскопических методов исследования структуры атомов и их физико-химических свойств.
Научная значимость работы подтверддается включением на конкурсной основе проектов автора б научные программы Госкомитета по высшей школе "фундаментальные проблемы физической оптики". Российского центра лазерной физики "Физика лазеров и лазерные системы" и присуждением ему гранта Всероссийского Конкурсного центра при Санкт-Петербургском университете.
Работа по теме диссертации была включена в программу ГКНТ "Создание и производство лазерной техники для народного хозяйства" Сраздел 03.02.). Она являлась частью НИР согласно постановлениям ГКНГ и АН СССР Е573/137 от 10.11.85 г. (программа 0.72.04, раздел 05,1133 к 1284 от 04.08.87 г.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработанные катоды поляризационной спектроскопия легат в основе диагностических комплексов для исследования плазьш. Результаты работы, созданного наги спектрополяряыетра, доказывают о$;$ог.т:ггпость исследовании на таких комплексах.
Мотели поляризационной спектроскопии являются бесконтактными а шгут быть использованы для диагностики технологической и
» 1
космической плазии. В частности, эти методы используется для диагностики параметров плазмы плазыохимического электронно-пучкового реактора по плану проекта в научно-технической программе "Конверсия".
Материалы диссертации используется в сени курсах лекций,
читаемых студентам , магистрам и аспирантам физического факуль
тета. *' .
. Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликована одна монография я 42 научных публикации. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
Всесоюзных конференциях по теории атомов и атомных спектров (Воронеж. 1980; Тбилиси, 1981; Ужгород, 1985; Тбилиси, 1988; Томск, 1989).Всесоюзных съездах по. спектроскопии (Томск,1983; Киев,1988). Всесоюзных конференциях "Инверсная заселенность и генерация на переходах атомов и молекул" (Томск, 1986; 1992). Меадународной конференции по когерентной я нелинейной оптике (Минск, 1988). Всесоюзном семинаре "Процессы ионизации с участием возбужденных атомов" (Ленинград, 1988). Всесоюзной конференции по злектрон-атомныы столкновениям (Ужгород, 1988). Всесоюзних семинарах по атомной спектроскопии (Ростов-Великий, 1990; Черноголовка 1992; 1993). XXIII Европейской конференции EGAS (Торун, 1991). IY Европейской конференции по атомной и молекулярной физике (Рига, 1992). Меадународной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов а молекул" (Томск, 199S).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав общим объемом 242 стр. и содержит 38 рисунков, 9 таблиц а 260 наименований в списке литературы.
Материалы диссертации отражают яичный вклад автора в решае-мую проблему. Практически все опубликованные работы выполнены по инициативе и под руководством диссертанта. Работа выполнялась в соавторстве с сотрудниками, аспирантами, соискателями и студентами Томского госуниверситета и других вузов и организаций. Личный вклад автора заключается в постановке задачи и теоретическом решении основных вопросовj по теме диссертации. Автор непосредственно участвовал в выполнении теоретических расчетов, планировании и постановке экспериментальных исследований.
