Введение к работе
Актуальность работы Диссертация представляет собой теоретическое исследование механизмов образования и спектральных свойств коротковолнового излучения многозарядных ионов в корональной плазме Рентгеновские и БУФ спектры излучения содержат многообразную информацию как об элементарных процессах, так и об окружающей среде Теоретический анализ спектров и спектральных изображений плазменных источников коротковолнового излучения, опираясь на современные методы расчета спектральных и столкиовительных характеристик ионов, дает возможность определить температурный и ионный состав, электронную плотность, концентрацию и анизотропию нетэнловых (немаксвелловских) электронов и другие физические характеристики области излучения
Целью диссертации является разработка и обоснование теоретических ос-ное спектроскопических методов, позволяющих определят ь параметры плазменных; образований в астрофизических и лабораторных условиях и их простганственно-ьременную динамику Таким образом, многозарядные ионы и их излучательные спектры являются одновременно и объектами исследования и источниками данных о физическом состоянии среды, необходимых для решения фундаментальных проблем астрофизической и лабораторной плазмы
В астрофизических источниках многозарядные ионы Еозникают и проявляют себя в у( ловиях высокотемпературной плазмы или пучков с различным распределением скорости движения ионов Наиболее эостраненными типами таких астрофизических плазм являются
- Двойные рентгеновские источники, включающие компактный объект двойной системы и аккрецирующий газ Компактным объектом может быть белый карлик - звезда с мае с ой порядка < олнечной и ра -імером но )ядка радиус а Земли, нейтронная звезда с массой того же порядка, но с радиусом менее ~ 10 км (рентгеновские двойные системы), а также черная дыра Распространенными примерами деойных систем в двух последних случаях являются пульсары
Оболочки остатков сверхновых и горячий межзвездный газ
Корона Солнца и звезд
Солнечная корона, вследствие малой электронной плотности |~108-1012 см-3) и широкого диапазона температур (~106-108К) является уникальным источником д,ля получения информации о спектрах и характеристиках процессов возбуждения многозарядных ионов элементов с зарядом ядра вплоть до Z ~ ВО Она представляет также большой иэтерэс как объект физического исследования благодаря сложной структуре (акті- вные оЬлаети (АК), корональные дыры (КД), яркие точки (ЯТ) и др ) и явлениям активности (в( пышки, выбросы корональных масс (ВКМ), джеты и тп ) Последние, будучи проявлением нестационарных процессов перехода магнитной энергии в другие ее виды, являются характерными для космической плазмы Их пои-рода остается в большой степени непознанной
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в физике голнечной короны в последние десятилетия благодаря интенсивным наземным и космическим исследованиям, задача, связанная с определением мбіханизмов выделения энергии в процессе развития солнечных вспышек и другах эруптивных явлении и ее преобразования в энергию ускоренных частиц, нагрев и излучение плазмы, по-г режнему остается актуальной Построение теоретических моделей, дающих однозначное количественное описание многообразных активных явлений, нгіблюдаемьгх в различных спектральных диапазонах коротковолнового излучения, помимо самостоятельного значения для понимания механизмов локальных процессов, важно также для решения проблем глобального масштаба, таких как нагрев короны спокойного Солнца и активных областей, ускорение солнечного ветра и выброс корональных wacc
Мягкое рентгеновское излучение (МРИ) является основным исто^ниюм информации гп сгЫ о нестационарных процессах, протекающих ь наиболее горячих структур?.х солнечной короны с температурой от ~В до 5С и более МК В результате долговременных внеатмосферных экспериментов с помощью рентгеновс <ой изображающей спектроскопии, выполненных на спут-
никах GOES Yohkoh, КОРОНАС и RHESSI, в настоящее время накоплен огромный об'эем наблюдательных данных о пространственно-временных характеристиках М РИ в различных спектральных диапазонах, открывший возможность для количественного моделирования и апробации теоретических сценариев развития вепышечпых и других эруптивных явлений па Сошще Примером такого сценария, принятого во многих работгх в качестве "стандартного", яьляегся модель импульсных вспышек, основанная на процессе магнитного пересоединения, приводящего к ускорению электронов до высоких энергий с поі'ледуїцим паї ревом и испарением плазмы нижней короны и хромосферы ("<ромосферное испарение") Тем не менее многие вопросы, связанные с механизмами нагрева и энергобюджетом горячей вспышечной плазмы, а также возможность применимости такой модели к эруптивным явленням друюю тина, остаются нерешенными и требуют дополнительного экспериментального и теоретического изучения В связи с эгим особую актуальность приобретает разработка методов комплексного многотемпературного анализа рентгеновских изображений и спектров, полученных одновременно в разных спектральных диапазонах на различных космических аппаратах Рентгеновская и ВУФ спектроскопия горячей солнечной плазмы, представляет собой как самостоятельное направление фундаментальных исследований, тал и весьма эффективный инструмент для изучения таь их процессов
Ряд условий, характерных для астрофизической плазмы, воспроизведены в лабораторных установках с целью изучения свойств кс ротковолнового излучения многозарядных ионов, а также для верификации атомных данных и методов спектроскопической диагностики (лабораторная астрофизика) Точность спектроскопических методов диагностики и даже сама возможность их использован?я зависят от точности атомных данных и моделей излучающей плазмы, основанных на уравнениях атомной кинетики и глазменной динамики Для многозарядпых ионов с зарядом z > 10 прямые (пучковые) измерения столк ювите/ ьных и радиацио-шых характеристик, необходимых для расчета и днтерпретации К-спектров, в настоящее время практически отсутствуют Единственными источниками информации как о бинарных, так и гидроди-
намических процессах, являются таким образом сами спектры разреженной (корональной) плазмы в установках тина ЕВ IT и гокамаках Знание точности современных методов расчета атомных данных необходимо при решении многих проблем атомной физики, квантовой электроники, ускорительньх и термоядерных установок
Актуальность поставленных в работе задач определяется также многочисленными приложениями в атомной спектроскопии, физике плазмы и астрофизике, потребностями в диагностике плазменных сред, создаваемых с целью получения УТС, рентгеновских лазеров, необходимостью разработки источников коротковолнового излучения для их применения в биоло -ни, медицине, материаловедении и многих других областях современной науки и технологии
Целью работы является разработка теоретических о< нов v методов с нек-троскопической диагностики горячей корональной плазмы и их применение к исследованию плазменных образований в астрофизические и лабораторных условиях Основным предметом исследования являются спектральные свойства и механизмы образования излучения мної озарядных ионов в условиях высокотемпературной корональной плазмы, а объектом - как сами ионы, так и плазменные источники, спектры и спектральные изображения кэторых были получены в експериментах по исследованию солнечной короны, плазмы токамака, лазерной плазмы и микроиинчей в вакуумной искре
Основная, своего рода стратегическая задача диссертации может быть сформулирована как построение теоретических моделей источников коротковолнового излу-ения по измеренным спектрам и спектральным изображениям и определение на их основе физических параметров и временной динаг мики излучающей плазмы Такая комплексная физическая проблема дел» тся на ряд самостоятельных задач
Первичная обработка полученных данных (деконволюция, калибровка и тп )
Определение, расчет и верификация харак геристик многозерядных ионов
в корональної! плазме
Моделирование источников излучения
Теоретичес <ий анализ, отождествление и физическая интерпретация измеренные спектров
Разработка методов спектров коничес кой диагностики горячей коропальпой плазмы и их применение
Задачи 3-5 тесно связаны между собой, в их решении существенную роль играют методы теоретической спектроскопии, начиная от обратной задачи и кончая расчетом спектров в рамках различных моделей излучающих областей
Настоящая работа содержит результаты исследований солнечной и лабораторной плазмы на всех этапах решения основной задачи на основе экспериментальных спектров и спектральных изображений рентгеновского и ВУФ излучения Солнца, полученных в Физическом институте им П Н Лебедева РАН (ФИАН), спектров лазерной плазмы (ФИАН, Лаборатория Лос-Аламос, США), плазмы токамака TEXTOR (Юлих, Германия) t вакуумной искры (Бохумский Университет, Германия) Получение с помощью разработанных в диссертации методов новой информации о структуре v физических свойствах плазменных образований, исследуемых в этих экспериментах, являлось таї-же одной из целей диссертации
Научная новизна работы состоит в постановке и решении ряда задач теоретической спектроскопии многозарядных ионов, позволивших разработать новые методы диапюстиіси горячей коропальпой плазмы и объяснить ряд явлений, впервые обнаруженных в лабораторных и астрофизических экспериментах Все положения, вынесенные на защиту, основаны на результата исследований, которые были получены впервые Новыми являются также следующие результаты работы
1 Получено асимптотическое выражение для резонансной амплитуды излучения рентгеновских линий многозарядными ионами в рамках стационарной постаї овки задачи На основе точного представления функции Грина куло-
новского поля определены столкновительные и спектральные >арактеристи-ки многозарядных ионов, показана существенная роль радиационного канала (диэлектронная рекомбинация) в процессе резонансного электрон-ионного рассеяния Получены точные аналитические выражения для амплитуд перехода в состояния непрерывного спектра (стациопарпые, Волкова-Келдлша и когерентные) и выполнен теоретический анализ динамики резонансного состояния атома в псстоянном электрическом поле Дано математически корректное определение меры эмиссии и дифференциальной меры эмиссии с помощью интеграл! Стильтьеса Развиты методы решения обратной :;адачи спектроскопии оптимизационный - на основе многотемпературной парам зт~ рической модели, и итерационный метод Байеса
Показано, что рентгеновское излучение ионов линейно поляризовано, причем (теиень поляризации основных ("опорных") линий, формируемых неупругим ударом, определяется сечениями возбуждения М-комгюнент, зависящих от энергии пучка, а их диэлектронных сателлитов - универсальной (для всех ионов одной изоэлектронной последовательности) зависимостью от квантовых чисел резонаьсного (автоионизационного) состояния и ке зависит от энергии Впервые Еыполнены квантовомеханические расчегы поляризационных характеристик линий, наиболее интенсивных в спектрах [Н] и |Не] ионов и их диэлектронных сателлитов, обнаружена высокая (до 60%) степень их поляризации На основе теоретического анализа ряда эффект ов электрон-ионных взаимодействий разработан новый метод диагностики функции распределения электронов в горячей плазме
Впервые выполнен расчет спектров диэлектронных сателлитов, изтучге-мых ионами FeXVIII-XXV, и на их основе определен зарядовый состав плазмы ряда солнечны): вспышек и лазерной плазмы на основе
С помощью К-спсктров ионов аргона, измеренных на токам ікс TE>CTOR (Германия) показано, что относительная точность расчета длин волн методом Z-разложений составляет порядка ~ (1-2) 1С"4, а эффективных скоростей возбуждения 5-10%, определена концентрация ионов аргона в центральной части плазменного кора, существенно (в 2-5 раз) отличающаяся от равновес-
5 Разработаны и впервые реализованы методы диагностики горячей ко-
рональной гпазмы по относительным интенсивностям рзнггеновских линий
многсварядных ионов
определения температуры центральной части пламенного кора по Коспектрам токамака,
восстановления температурных распределений дифференциальной меры эмиссии, пространственно-временных распределений температуры и іілоінести и их диподики по рентгеновским и ВУФ-енектрам солнечной короны,
определения ионизационного состава горячей корональной плазмы но Коспектрам диэлектронных сателлитов, излучаемых ионами различной кратности ИОНИЗЕ.ЦИИ,
определения электронной плотности микроиинчеи в ьакуумной искре но интенсив нос "ям [Іл] сателлитов,
диагностики пучков анизотропных надтепловых электронов по К-спектрам солнечных вспышек и микропинчей в вакуумной искре,
диагностики ионного состава и температуры но спектрам "полых ионов'' в сверхплотной лазерной плазме
6 Вы полнен э отождествление и создан каталог линий солнечных вспышек
в области крайнего ВУФ диапазона по данным эксперимента СПИРИТ на
борту орбитальной станции К ОРОНАС-Ф (ФИАН)
Научная и практическая ценность работы определяется актуальностью тематики в области как фундаментальных, так и прикладных исследований Теоретическая значимость диссертации состоиг в разработке единого асимптотического подхода к задаче о формировании спектров излуче-шя ікпогозарядньїх ионов в корональной плазме На eir основе определены спектральные и столкновител ьные характеристики ионов, используемые для расчега рентгеновских спектров Верификация рассчитанных атомных данных с помощью самосогласованного подхода, предложенного для описания спектров токамака TEXTOR (Германия), поволила (оздагь надежную ба^у
для применения методов спектроскопической диагностики астрофизических и лаборагорных источников коротковолнового излучения Полз'ченные в диссертации результаты расчетов атомных данных и спектров, использовались для интерпретации экспериментов, выполненных в ФИ А Не, Ливерморс-сой лаборатории (США), Принстонеком университете, Университете г Белфаст (Ирландия), Бохумском университете (Германия)
Развитая в диссертации теория поляризации линейчатого излучения ко-рональной плазмы и разработка на ее основе метода диагностики электронных пучков стимулировала постановку серии лабораторных экспериментов с лазерной плазмой, плазмой токамака, вакуумной искрой, на нлазменно-пучковой установке EBIT, и заложило основы нового направления экспериментальных и теоретических исследований плазменной спектроскопии - поляризационной спектроскопии рентгеновских линий многозарядных ионов Признание ценности работ в этом направлении нашло отражение в организации серии международных симпозиумов, проведенных в 1994-2004 г * в США и Японии
Разработанные в диссертации методы диагностики позволи ш определить физические параметры плазменных образований в плазме солгечной короны и ряде лабораторных установок, необходимые для исследования механизмов их образования и развития теории нестационарных процессов, протекающих в условиях высоко температурной плазмы С помощью этих методов были обнаружены пучки электронов в плазме солнечных вспышек, ваі уумноії искре и лазерной плазме, дана интерпретация не объясненных ранее спектров нового тина, измеренных в экспериментах с лазерной плазмой на згстановках NIKE (Исследовательская морская лаборатория, США) и TRJ DENT (Лаборатория Лос-Аламос, США)
Результаты исследований рентгеновских и ВУФ-спектров Солнца использовались при планировании научной программы наблюдений па межпланетной станции "Фобос", спутниках КОРОНАС-И и КОРОНАС-Ф и спутнике КОРОНАС-ФОТС Н, запуск которого предполагается в 2008 гг Методы рентгеноспектрального анализа горячей плазмы могут быть использованы в при-
кладных исследованиях по литографии, УТС, материалсведении, медицине и др
Рял полученных результатов был использован в теоретических и экспериментальных работах российских и зарубежных ученых Численные расчеты атомных xapf-ктериетик много-зарядных ионов нашли применение в банках атомных данных CHIANTI, ВНИИФТРИ и других
Аітообаціш работы. Результаты работ, составившие основу диссертации, опз'бликовань! в рецензируемы < журналах и неоднократно были представлены в качеств приглашенных докладов на отечественных и международных конференциях
Европейском симпозиуме но спектроскопии EGAS (Munich, 1978), Международном совещании Интеркосмос (Дебрецен, 1979), Международном коллоквиуме по физике высокотемпературной плазмы (Grenoble, 1979), Международные конференциях по физики Солнца (Berkley, 1987, Кисловодск, 1989), Между народі-ом симпозиуме но физике солнечных вспышек (Tokyo, 1990), Международ* ых симпозиумам по поляризационной спектроскопии плазмы (Kyotc, 1998, 2001, 2004), Всероссийских съездах по спектроскопии (Киев, 1979, Звенигород, 2003), Всероссийской конференции по физике атомных спектров (Звенигород, 2005)
Рез/льтаты диссертации бы ги также доложены на
Между народной конференции по атомной физике VI ITAMP (Riga, 1978), Международюй конференции по физике ионизованных газах XIV ICPIG (1979) Международной конференции по физике электронных и атомных столкювений XII ЮРЕАС (Tennesi, 1981), Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Ленинград, 1981), Советско-Бритапских симпозиумах по < jіектро< копии миогозарядпых ионов (Троицк, 19Е.6, Москва 1991), Международном семинаре по атомным данным ASOS 7 (Belfast, 20С1), Международных конференциях COSPAR (1974, 1980, 1982, Pans, 2004), Российской конференции по актуальным проблемам физики сол-иечноп и ЗВЄ.ІДИ0Й активності' (Нижний Новгород, 2003), Международной
конференции по УТС (Toki, 2004), Российской конференции посвященной орбитальной станции КОРОНАС-Ф (Троицк, 2005), Международной консэерен-ции по солнечной физике (КрАО, 2006)
Результаты неоднократно докладывались на семинарах в научные центрах Физическом институте РАН, Институте космических исследований РАН, Институте спектроскопии РАН, Ленинградском университете, Новосибирском институге физики Солнца, ГАО (Пулково), Рижском институте физики, Вильнюсском университете, Рурском университете гБохум (Германия), Исследовательском центре гЮлих (Германия), Парижской обсерватории (Франция), Обсерватории г Турин (Италия), Мюллардовском космическом центре (Англия), Космическом центре г Токио (Япония), Национальном центре ядерных исследований (Япония), Годдардовском центре космических полетов (США), Стэнфордском, Нью-Йоркском, Питсбургском, Гарвардском и Принстонском университетах (США), Ливерморской лаборатории (США) и других
Ряд полученных результатов вошли в обзоры и монографии ("Возбуждение атомов и уширение спектральных линий", Наука, 1979, "Physics of highly charged ions", Springer, 1985, "Элементарные процессы с участием много зарядных ионов", Эн'Эргоатомиздат, 1986) Основные результаты диссертации представленные в 58 работах, приведены в конце автореферата в хронологическом порядке
Основные положения, выносимые на защиту-
1 По экспериментальным спектрам солнечные вспышек и лазерной пчазмы впервые определен температурный и ионный состав горячих плазменных образований и обнаружены "голубые" диэлектронные сателлиты резонансной линии MgXII на ос юве расчетов методом Z-разложений теории во смущений характеристик мнегозарядных ионов от [Не] до [F] Показане, что наблюдавшееся ранее существенное расхождение (~ 30-50%) рассчитанных и измеренных интенсиЕностей диэлектронных сателлитов устраняется при учете -эффекта экранировки заряда ядра электронами ионного остатка
По спектрам вблизи резонансных линии [Не] ионов, измеренным в поляризационных э<сиериментах с брэгговскими кристаллами, обнаружены пучки нетепловых электронов с энергией >(3-6)А;Т в плазме солнечных вспышек и вакуумной искры и определены их параметры на оснсве развитой в работе теории поляризации реішеповских линий мноїозарядных ионов, возбуждаемых электронным пучком в корональной плазме Показано, чго наблюдаемая деполяризация магнигоквадрупольной и интер*омбинационоой линии для ионе в с нечетным спином ядра объясняется эффектами сверхтонкой структуры
С помощью К-снектров при viec-ей аргона в токамя.ке TDXTOR (К)лих, Гер-мания) установлена точность расчета атомных данных используемых для моделирования рентгеновского излучения, определена центральная температура и относительные обилия ионов, существенно (в 2-5 раз) отличающиеся от их значений при короналыюм ионизационном равновесии Показано, чго разработанный в диссертации новый самосогласованный подход к описанию спектров токамака TEXTOR позволяет определить относительную точность рассчитанных длин волн и стслкновительных характеристик многозарядных игнов в пределах точности спектральных измерений 1-2 Ю-4 и 5-10% cooi-ветственно
4 На основе отождествления и интерпретации коротковолновых спектров и
спектральных изображений, полученных на ракете "Вертикаль", спутниках
"Интеркосмое" и КОРОНАС (ФИАН) обнаружены новые явления, специфи
ческие для алтивных плазменных образований
Наличие много температурного состава и переходной плазмы с температурой 4-Ю 106 К, играющей существенную роль в рентгеновском излучении, энергобюджете и динамике вс пышечных процесс ов
Наличие наотенловых электронов с энергией 5-Ю кэВ и относительной концентрацией 2-5% в плазме активных областей и вспышек
Нал ічие квазипостоянной электронной плотности ~ 10" см-3 в плазме долговременных ірадиентньїх всі ышечных событий ("пауков") и сильно меняю-
щегося градиента плотности, достигающей величины ~ 10й сь~3 в наиболее горячей области импульсных вспышек, при подобии простра.Н'Л'венных распределений температуры для событий различной длительности
5 Показано, что не объясненные ранее квазинепрерывные спектры излучения фемтосекундной лазерной плазмы в окрестности резонансной линии [Н] ионов кремния определяются линиями многозарядных "полых ионов", присутствие которых із плазме обусловлено ее сверхвысокой плотностью, возникающей благодаря использованию лазерных импульсов высокого контраста порядка 1010—1011 Спектры, рассчитанные с помощью нового метода диа-іноетики ионною состава плазмы, основанною на композиции спектральных комплексов полых ионов с различными наборами главных квентовы* чисел ini>n2, ], согласуются с измеренными на установке TRIDENT (лаборатория Лос-Аламос, США) при саха-больцмановском распределении с электронной температурой Т— 350 ->В и плотностью N= 6-Ю23 см-3
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения Общий объем - 356 страниц, вклю іая 55 рисунков и 32 таблицы Список литературы содержит 341 наименование
