Введение к работе
Актуальность темы
Одна из важнейших задач физики плазмы связана, с изучением распределения электронов по скоростям, их энергетических и угловых-характеристик. Как известно, это связано с тем, что электронная компонента является наиболее подвижной в "плазме. Именно она задает и оказывает существенное влияние на основные термодинамические и электрофизические характеристики ионизованного газа.
В настоящее время разработан ряд теоретических и экспериментальных методоз определения функции рік-лределеїтя электронов.-
Основными теоретическими методами являются: метод основанный на решении уравнения Больцмана и метод статистического моделирования.
Первый метод развивается уже более 100 лет н на данный момент является достаточно хорошо изученным. Этот метод применяется практически во всех случаях - от оценок простых моделей до сложных количественных расчетов функции распределения электронов и тяжелых частиц.
С появлением мощных вычислительных машин бурное развитие получи.! метод статистического. моделирования. Данный метод использует законы статистической (ризики для моделирования плазмы. Он требует-знанпя сечений, происходящих элементарных процессов и констант плаз-мохимнческнх реакций, в которых участвуют нейтральные и заряженные частицы, а также условий в которых они протекают. Это дает возможность определить вероятности различных событии происходящих в плазме.
Среди экспериментальных методов определения ФРЭ наиболее распространенным является зондовый методднагностнкп.
Характерными чертами зондового метода являются: относительная простота аппаратуры, локальность измеряемых параметров и достаточно высокая точность результатов. К сожалению, применение зондов для диагностики плазмь! сталкивается с рядом трудностей, которые ограничивают преимущества метода. Зонд и плазма должны удовлетворять ряду достаточно жестких требований, и только тогда результаты простых электрических измерений могут быть связаны с параметрами плазмы. Основной недостаток метода состоит в том, что он не применим в условиях, когда контакт зонда с плазмой осуществить невозможно;
Другой метод диагностики (метод томсоновского рассеяния), также позволяющий экспериментально находить ФРЭ, основан на изучении характеристик рассеянного электромагнитного излучения на заряженных частицах плазмы.
К преимуществам этого метода относятся: локальность измеряемых характеристик, простота схемы опыт» и математических моделей, применяемых на практике. Основными недостатками являются: применение дорогостоящего оборудования, слабая величина полезного сип-ала, который
*.
приходится выделять на фоне паразитных шумов, применение метода только в лабораторных условиях к объектам допускающим ввод лазерного излучения и наблюдение рассеяния под заданными углами.
В отличии от выше изложенных методов, метод поляризационной диагностики начал развиваться сравнительно недавно и еще не получил широкого распространения. По методике проведения эксперимента он относится к спектроскопическим методам, а по возможностям во многих случаях не уступает зондовым методам диагностики. Сочетание положительных качеств этих двух направлений открывает широкие возможности применения поляризационной диагностики для исследования плазмы. .
Основанием для создания метода поляризационной диагностики послужило изучение коллективных процессов в плазме, которые обладают темп или иными анизотропными свойствами, выделенными направлениями. Под влиянием анизотропных процессов, происходит селективное заселение или релаксация атомных состояний с определенным магнитным квантовым числом, что в дальнейшем находит свое отражение в поляризации излучения атомов.
Применение поляризационной спектроскопии к решению обратных задач привело к созданию методов поляризационной диагностики плазмы. В настоящее время поляризационная диагностика представлена рядом методов определения анизотропных параметров плазмы: функции распределения электронов и ионов, дрейфовой скорости ионной компоненты плазмы, распределения электрических полей.
Параллельно с развитием теоретических принципов поляризационной спектроскопии также шло развитие экспериментальной техники и разработка методик измерений поляризационных характеристик излучения атомов.
Накопленный практический опыт по изучению поляризованных систем позволил сформулировать общие принципы и требования, которые необходимо учитывать при разработке и создании экспериментальных установок данного назначения. Все они направлены на увеличение точности измерений интенсивности излучения выделенной поляризации, а также на повышение чувствительности экспериментальной схемы. Это объясняется тем, что методы поляризационной спектроскопии, где рассматриваются дифференциальные сечения процессов, оказывается очень чувствительными к изменению угловых и поляризационных характеристик этих сечений. С одной стороны, высокая чувствительность метода позволяет изучать тонкие эффекты происходящие в плазме, с другой стороны, она накладывает жесткие требования на точность измеряемых характеристик.
Таким образом, к началу 90-х гг. поляризационная диагностика была представлена рядом эффективных экспериментальных методов позволяющих определять, наряду с другими параметрами плазмы, моменты ФРЭ. .
Дальнейшее развитие поляризационная диагностика ФРЭ получила в работах связанных с изучением влияния электрического поля на анизотропные столкновительиые и излучательные процессы.
Как известно, электрическое поле, в той или иной мере, всегда присутствует в плазме. Оно создается внешними источниками и распределением объемного заряда самой плазмы. Наличие электрических полей в плазме, по порядку величины достигающих внутриатомных полей, существенно изменяет угловые и поляризационные характеристики излучения атомов (а это является признаком полйризации атомнык состояний) даже в отсутствии других анизотропных процессов.
В электрическом поле изменяются сечения процессов, длины волн спектральных линий и их интенсивно'сти. Появляются переходы, запрещенные правилами отбор» для изолированных атомов, а также снимается вырождение по магнитному квантовому числу и происходит расщепление спектральных линий.
Учет влияния электрического поля на поляризацию атомных состояний не только приводит к уточнению уже имеющихся методов поляризационной диагностики, но также открывает новые ее возможности, обусловленные получением более детальной'спектроскопической информации из измерений характеристик излучения штарковских состояний.
Таким образом, спектроскопия штарковских состояний позволяет развить совершенно новые методы диагностики анизотропных параметров плазмы, отличающихся от"известных как теоретической базой так и экспериментальным воплощением.
В связи с этим целью данной работы являлось:
разработка и экспериментальное обоснование метода поляризационной спектроскопии излучения атомов в электрическом поле. Применение его для диагностики ФРЭ.
разработка и создание экспериментальной установки для поляризационной диагностики плазмы;
разработка методики эксперимента и ее проверка; ..
спектрополяриметрйчёская диагностика анизотропнТЗй плазмы.
Научные положения выносимые на защиту:
1.Влияние поля на поляризацию и анизотропию излучения заключается;
в изменении электронных состояний атомов в поле, приводящего к перераспределению амплитуд компонент мультипольних моментов радиационных переходов,
в изменении амплитуд столкновительного возбуждения и релаксации штарковских состояний, приводящего к их дополнительной поляризации.
2.Поляризационная диагностика ФРЭ в-электрическом поле основана на зависимости поляризационных и угловых характеристик излучения штарковских состояний, резонансно возбужденных прямым электронным ударом, от кинетических характеристик электронов с учетом влияния электрического поля.
3.Поляризационная спектроскопия штарковских состояний дает более детальную информацию о процессах поляризации состояний, что обусловлено спектральным разделением компонент излучающего диполя, а также появлением дипольно-запрещенных переходов, отсутствующих в спектре изолированных атомов. Это позволяет одновременно определять как четные, так и нечетные параметры функции распределения электронов.
4.Энергетическая и угловая зависимость функции распределения электронов высоковольтного плазменно-пучкового разряда при средних давлениях в инертных газах определяется наличием в плазме только двух групп электронов: медленных - с анизотропным распределением и быстрых - с выраженными пучковыми свойствами.
Научная новизна работы характеризуется рядом впервые выполненных теоретических и экспериментальных работ н впервые полученных на их основе результатов, наиболее существенные из которых заключаются в следующем:
Разработан и создан автоматизированный спектрополяриметр, с уникальными параметрами, для измерения поляризационных характеристик излучения плазмы импульсных разрядов, работающий в режиме реального времени.
Проведено экспериментальное обоснование метода поляризационной диагностики ФРЭ по излучению атомов в электрическом поле и разработана методика проведения эксперимента.
Используя разработанный метод определения параметров ФРЭ в электрическом поле проведена:
-диагностика ФРЭ вдоль ускоряющего промежутка высоковольтного импульсного плазменно-пучкового разряда.
-диагностика временной динамики ФРЭ в прикатодной области высоковольтного импульсного плазменно-пучкового разряда.
Достоверность результатов работы подтверждается следующим:
При создании оптического канала спектрополяриметра использовалось стандартное, отечественное оборудование. При создании и наладке нестандартных элементов схемы регистрации, проводились калибровочные измерения с использованием эталонных источников импульсного напряжения и оптических сигналов. Также проводилась калибровка всей установки по эталонным источникам импульсного излучения.
Измерения поляризационных характеристик спектральных линий проводилось в режиме счета фотонов. Для повышения точности измерений применялось статистическое накопление сигнала по 200 - 600 тысячам вспышек импульсного разряда. Обработка экспериментальных результатов проводилась численными методами корреляционного и регрессионного анализа на ЭВМ. Таким образом, экспериментальные данные по степени линейной поляризации имели погрешность не более. 1%.
Результаты вычисления параметров ФРЭ газоразрядной плазмы пучкового типа, в гелии методом поляризационной спектроскопии сравнива-'
лись с данными статистического моделирования, что дало хорошее согласие полученных результатов.
Научная значимость результатов работы заключается в следующем:
Созданный спектрополяриметрический комплекс и разработанный метод диагностики, дают возможность проводить оперативную диагностику нестационарной плазмы по излучению атомов в электрическом поле, изучать протекающие процессы с большим временным разрешением.
Проведенные экспериментальные исследования показали широкие возможности данного метода. Метод поляризационной диагностики позволяет изучать механизмы влияния электрического поля на поляризацию атомных состояний, а также их структуру, измерять анизотропные параметры плазмы, что является важ'ным для понимания природы элементарных процессов происходящих в ионизованном газе во внешних полях.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Метод поляризационной диагностики по излучению штарковских со-- стояний атомов может быть использован для диагностики технологической и космической плазмы. В частности, данный метод использовался для определения ФРЭ плазмы плазмохимического электронно-пучкового реак-: тора по плану проекта в научно-технической программе "Конверсия".
Практическая значимость работы подтверждается включением ее на
- конкурсной основе в научные программы Госкомитета по высшей школе
"Фундаментальные проблемы физической оптики", Российского центра ла
зерной физики "Физика лазеров и лазерные системы" и присуждение ей
гранта Всероссийского Конкурсного центра при Санкт-Петербургском
университете. ' .
Публикация и апробация работы.
По теме диссертации опубликовано 11 научных работ. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
Всесоюзный семинар по атомной спектроскопии (Черноголовка,
1993 г.). т""'
Всероссийская конференция по лазерной физике (Санкт Петербург,
1994 г.).
Всероссийская конференция по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1995 г.).
Международная конференция "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1995 г.).
Всероссийская конференция "Сибконверс" (Томск, 1995 г.).
Структура объем работы. Диссертация состоит из пяти глав общим-объемом 160 стр. и содержит 53 рисунка, 15 таблиц и 131 наименований в списке литературы.
