Введение к работе
Актуальность темы. Во многих физических процессах в плазме важную роль играют электрические поля. Электрические поля могут присутствовать в плазме вследствие развития в ней неустойчивостей (например, в результате взаимодействия с плазмой пучков заряженных частиц или электромагнитного излучения, при пропускании сильных токов, при перезамыкании магнитных силовых линий). Электрические поля в плазме могут являться также полями проникающего в плазму извне электромагнитного излучения (такое излучение используется, в частности, для дополнительного нагрева плазмы в тороидальных установках). Наличие электрических полей является характерной особенностью плазмы газовых разрядов (в частности, тлеющих разрядов, дуговых разрядов, СВЧ разрядов, оптических разрядов). Еще одним примером электрических полей в плазме является радиальное электрическое поле в токамаках (оно играет важную роль в переходах между L- и Н-режимами удержания плазмы).
Дистанционная диагностика внутриплазменных электрических полей на основе спектров собственного излучения плазмы и спектров лазерно-индупироваяной флюоресценции является основным способом получения информации о таких полях. Достоинство спектроскопических измерений заключается в отсутствии вмешательства в ход исследуемого плазменного процесса.
В то же время проведение спектроскопической диагностики электрических полей в плазме сопряжено с решением ряда сложных теоретических проблем. Одна из таких проблем заключается в том, что часто переход от зарегистрированных на эксперименте профилей спектральных линий к характеристикам измеряемых электрических полей является неоднозначным и связан с принятием некоторых априорных допущений о свойствах плазмы, а также о свойствах самих измеряемых внутриплазменных полей. Другая проблема состоит в сложности теоретического описания формирования профилей спектральных линий излучения ато-
4 мов под действием внутриплазменных электрических полей, особенно в ситуации, когда электрическое поле в плазме зависит от времени. Еще одна проблема обусловлена необходимостью учета того факта, что измеряемое внутриплазменное электрическое поле действует на излучающие атомы совместно с электрическими микрополями отдельных заряженных частиц;
Существующие спектроскопические методики обладают весьма ограниченной областью применимости для диагностики внутриплазменных электрических полей. Поэтому актуальной задачей является разработка комплекса новых спектроскопических методов измерений параметров электрических полей в плазме с целью значительного расширения возможностей использования спектров излучения и спектров лазерно-индуцироваштой флюоресценции атомов, ионов, молекул для диагностики внутриплазменных электрических полей. Решение указанной задачи является главным содержанием настоящей диссертационной работы, в которой предложен и теоретически обоснован комплекс новых спектроскопических методов измерения параметров электрических полей в плазме, а также представлены результаты практического применения этих методов, полученные при участии автора в исследованиях лабораторной плазмы.
Цель работы заключается в развитии теории формирования спектров спонтанного излучения и лазерно-индуцированной флюоресценции атомов, ионов, молекул, находящихся в плазме и испытывающих действие внутриплазменных электрических полей, в разработке на этой основе комплекса спектроскопических методов измерений параметров электрических полей в плазме, а также в применении разработанных диагностических методов для конкретных лабораторных установок.
Научная новизна работы в большой степени определяется новизной постановки задач о теоретическом нахождении спектров спонтанного излучения и лазерно-индуцированяой флюоресценции атомов, ионов, мо-
лекул, находящихся в плазме и испытывающих действие внутриплазменных электрических полей. Такие электрические поля могут обладать сложным спектральным составом, а также могут иметь сложные амплитудно-угловые и поляризационные характеристики. Базируясь на полученных при решении указанных задач новых теоретических результатах, предложены и теоретически обоснованы новые методы спектроскопической диагностики электрических полей в плазме. Эти методы нацелены не только на измерение напряженности, но также и на определение частотных характеристик и состояния поляризации внутриплазмепного электрического поля. Научная новизна заключается также в использовании принципов нелинейной лазерной спектроскопии в предложенных лазерных методах диагностики внутриплазменных электрических полей. Научной новизной характеризуются результаты измерения параметров внутриплазменных электрических полей, полученные (при участии автора) при исследовании лабораторной плазмы в Институте атомной энергии им. Й.В. Курчатова (г. Москва), Институте общей физики РАН (г. Москва), Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), Рурском университете (г. Бохум, Германия).
Научная и практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что:
1) Предложенный в диссертации комплекс спектроскопических методов
диагностики внутриплазменных электрических полей позволяет прово
дить измерения основных параметров электрического поля (среднеква
дратичной напряженности, частотных характеристик, состояния поля
ризации поля). Поскольку предложенные спектроскопические методы
учитывают влияние на излучающие атомы плазменной среды (выражае
мое в учете электрических микрополей отдельных заряженных частиц),
они могут применяться для диагностики электрических полей в широких
диапазонах изменения концентраций и температур частиц плазмы.
2) Разработанные в диссертации спектроскопические методы диагно
стики внутриплазменных электрических полей были применены для
исследования лабораторной плазмы в Институте атомной энергии им. Й.В. Курчатова (г. Москва), в Институте общей физики РАН (г. Москва), в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), в Рурском университете (г. Бохум, Германия). Наиболее значимые результаты, полученные в исследовании лабораторной плазмы, заключаются в следующем.
(а) На основе анализа экспериментальных профилей спектральных
линий дейтерия обнаружены и исследованы турбулентные электриче
ские поля в периферийной плазме токамака Т-10 (эксперименталь
ные исследования были выполнены в Институте атомной энергии
им. И.В. Курчатова).
(б) На основе анализа штарковских профилей спектральных линий ио
нов CIV, NV и ОVI получены данные о напряженности неравновесных
электрических полей в плазме токового слоя (экспериментальные иссле
дования были выполнены в Институте общей физики РАН).
(в) На основе анализа сателлитов запрещенных спектральных линий ге
лия получепы данные об амплитуде осциллирующих электрических по
лей, возникающих в области плазменного резонанса при взаимодействии
СВЧ волны с плазмой (экспериментальные исследования проводились :
Институте прикладной физики РАН).
(г) Анализ спектра лазерно-индуцированиой флюоресценции молекул CS
в тлеющем разряде позволил определить пространственное распределе
ние электрического поля вблизи катода и показал высокую чувствитель
ность молекул CS к действию электрических полей (минимальная изме
ренная напряженность электрического поля составила величину порядка
100 В/см).
3) В диссертации па основе теоретических исследований предсказан ряд новых спектроскопических эффектов, возникающих в спектрах излучения атомов под действием внутриплазменных электрических полей. Сюда относится эффект сужения штарковских профилей спектральных линий водорода под действием высокочастотного осциллирующего электрического поля, эффект появления резонансных "рельефов" на квазистати-
7 ческих штарковских профилях спектральных линий водорода, поляризационные эффекты в излучении сателлитов запрещенных спектральных линий неводородоподобных атомов, взаимодействующих с осциллирующим электрическим полем и др.
Автор выносит на защиту
1. Результаты теоретического исследования модификации спектров
спонтанного излучения и лазерно-индуцированной флюоресценции ато
мов, ионов, молекул под действием электрических полей в плазме.
-
Принципы и методы спектроскопической диагностики электрических полей в плазме, основанные на эффектах модификации спектров спонтанного излучения и лазерпо-индуцированной флюоресценции атомов, ионов, молекул под действием таких электрических полей.
-
Результаты практического применения предложенных в диссертации методов спектроскопической диагностики внутршшазменных электрических полей в исследованиях лабораторной плазмы.
В Заключении содержится перечень основных результатов диссертации. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ. В теоретических работах, выполненных коллективно, автор внес определяющий вклад в получение результатов, вошедших в диссертацию. В экспериментальных работах автор внес определяющий вклад в теоретическое развитие спектроскопических методик диагностики внутриплазменных электрических полей, а также в проведение теоретического анализа экспериментальных данных с использованием вышеуказанных спектроскопических методик.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских, Всесоюзных и Международных конференциях: XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев, 1988), Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленинград, 1988), Семинаре по атомной спектроскопии (Ростов-Великий, 1990), V Всесоюзном совещании по диа-
8 гностике высокотемпературной плазмы (Минск, 1990), VIII Всесоюзной конференции "Физика низкотемпературной плазмы" (Минск, 1991), XV Конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Звенигород, 1996), XVII и XXIV Звенигородских конференциях но физике плазмы и УТС (Звенигород, 1990 и 1997), XV, XIX, XXI, ХХШ International Conferences on Phenomena in Ionized Gases (Minsk, 1981; Belgrade, 1989; Bochum, 1993; Toulouse, 1997), VIII, X, XI European Sectional Conferences on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (Greifswald, 1986; Orleans, 1990; St. Petersburg, 1992), IX International Conference on Spectral Line Shapes (Tortm, Poland, 1988), XIV Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (Sarajevo, 1988), VIII Topical Conference "Atomic Processes in Plasmas" (Portland. Main, USA, 1991), International Conference on LASERS '93 (Lake Tahoe, USA, 1993), IEEE International Conference on Plasma Science (Santa Fe, New Mexico, USA, 1994), V European Physical Society Conference on Atomic and Molecular Physics (Edinburgh, 1995), Trilateral Euregio Cluster Diagnostic Workshop (Julich, Germany, 1995), Tagungen der Deutschen Physikalischen GeseUschaft (Plasmaphysik - Innsbruck 1995, Rostock 1996; Quantenoptik - Jena 1996) [ Съезды немецкого физического общества по физике плазмы (Инсбрук 1995, Росток 1996) и но квантовой оптике (Йена 1996) ]; на семинарах в Институте общей физики РАН, Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, Институте прикладной физики РАН, Университете г. Оберн (Алабама, США), Университете г. Бохум (ФРГ), Университете г. Киль (ФРГ).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Она содержит 267 страниц текста (включая приложения), 58 иллюстраций, 288 литературных ссылок.
