Динамика переноса резонансного излучения в многоуровневых средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

. <4

О

на правах рукописи КОСАРЕВ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

УДК 535.21

ДИНАМИКА ПЕРЕНОСА РЕЗОНАНСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МНОГОУРОВНЕВЫХ СРЕДАХ

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск - 1997

Работа выполнена в Вычислительном центре Сибирского отделения Российской Академии наук в г. Красноярске и Сибирской аэрокосмической академии имени академика М.Ф. Решетнева.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Шкедов И.М.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Слаб ко В. В. кандидат физико-математических наук Сизых А.Г.

Ведущая организация:

Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск

Защита состоится « 1997 г. в г I ча-

сов на заседании диссертационного совета К 002.67.02 по защите диссертаций в Институте физики им. Л.В. Киренского СО РАН (660036, г. Красноярск, Академгородок, Институт физики).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.

Автореферат разослан «

¿> ,> 1Ши>рА 1997 г.

Ученый секретарь / /

диссертационного совета, /У?

кандидат физико-математических наук / Втюрин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Явление резонансной флуоресценции уже не одно десятилетие активно используется для диагностики газообразных и плазменных сред. В его основе лежит фундаментальное свойство вещества поглощать фотоны с последующим их переизлучением. Под действием внешнего источника исследуемый объект формирует собственное поле свечения, характеристики которого несут информацию о его состоянии.

Возможность дистанционной оптической диагностики находит широкое применение в разнообразных задачах спектроскопического анализа и, в-частности, при изучении физических процессов протекающих в околоземном космическом пространстве. Для этой цели проводят активные эксперименты путем инжекции в верхнюю атмосферу Земли искусственных светящихся облаков. Обрабатывая оптическую информацию, полученную при рассеянии на них солнечного света исследуют явления масеопереноса, величины и направления высокоширотных ветров и электромагнитных полей, и т.д.

Анализ подобных экспериментальных данных свидетельствует, ню а) свечение облаков характеризуется пространственно-временной изменчивостью интенсивности; б) резонансно-флуоресцентные линии соответствуют ряду переходам в нейтральной п ионизованной компонентах облака; в) плотность инжектируемых паров высока и свечение формируется в условиях переноса излучения.

Описанные выше особенности имеют место также и в лабораторных экспериментах, в которых исследуются радиационные явления в плотных средах, облучаемых лазерными импульсами. Таким образом, для достаточно большого круга задач изучение динамики процесса взаимодействия внешней радиации с оптически-плотными многоуровневыми средами является актуальным. Перенос излучения для таких сложных систем и газовых объемов, имеющих реальную геометрию изучен крайне слабо.

Цель работы состояла в моделировании процессов взаимодействия излучения с плотными средами на основе теории радиационного переноса (постановки задач, изучение их спе-

цифики, разработка численных алгоритмов и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными).

Научная новизна. Исследованы динамика переноса излучения в многоуровневых средах, которые имеют форму плоско-параллельного слоя, цилиндра и сферы, характеристики радиационных полей и распределение плотности атомов (ионов) по объему.

Впервые изучена роль собственного излучения и его перенос в задачах: о фотоионизации и свечении искусственных бариевых облаков под действием солнечного света; при формировании флуоресцентного отклика и ионизации натриевых паров, индуцированных лазерным импульсом.

На защиту выносятся

1. Физико-математическая модель процесса взаимодействия внешнего излучения с многоуровневыми средами, впервые учитывающая совместно его перенос и внутренние источники радиации в объемах, имеющих реальную геометрию.

2г Численный метод решения системы интегро-диффе-ренциальных уравнений, позволяющий получать динамику изменения заселенностей уровней атомов (ионов) и частотно-угловые и пространственно-временные характеристики рассеиваемого средой излучения.

3. Методика определения характерного времени ионизации натриевых паров лазерным излучением, используя дек-римент затухания интенсивности их флуоресцентного свечения.

4. Результаты численного моделирования, полученные в задачах: о фотовозбуждении и свечении искусственного бариевого облака при его фотоионизации солнечным светом, формировании флуоресцентного свечения и ионизации натриевых паров под действием лазерного излучения,

и следующие положения:

- из-за конкуренции процессов поглощения и излучения фотонов в бариевом облаке спектрально-яркостные характеристики его свечения обладают пространственной неоднородностью и угловой анизотропией, что позволяет объяснить сложную динамику цветовой окраски облаков, наблюдаемую в натурных экспериментах;

- распад возбужденного состояния двух-уровневых атомов натрия для конечного цилиндра с отношением высоты к

диаметру основания равному или больше 6 эквивалентен распаду для бесконечно-длинных цилиндров, зависимость фактора пленения Бибермана-Холстейна для которого совпадает с экспериментом;

- значение поглощенной натриевыми парами энергии в условиях лазерной резонансной ионизации атомов возрастает, а на угловую зависимость рассеянного ими излучения в сильной степени влияет динамика просветления газа;

- при воздействии на среду лазерным лучем, благодаря процессам поглощения, перерассеяния и переноса фотонов за пределы облучаемой области, ионизованный излучением канал будет увеличиваться.

Научная и практическая значимость работы заключается в следующем:

Получены основные спектрально-яркостные характеристики свечения бариевого облака, поведение которых качественно совпадает с результатами натурных экспериментов. Поэтому результаты моделирования важны для интерпритации, планирования и прогнозирования будущих исследований подобного рода.

В задаче о лазерно-индуцированной флуоресценции натриевых паров изучены: процессы поглощения, рассеяния и распространения излучения в газовых объемах, имеющих реальную геометрию (сфера, цилиндр); ионизация атомов в условиях переноса радиации. Методику определения характерного времени ионизации газа по интенсивности флуоресцентного сигнала можно использовать на практике.

Физико-математическая модель и разработанные численные алгоритмы допускают возможность применения для решения других задач о взаимодействии излучения с веществом, в которых нужно учитывать процессы переноса радиации.

Апробация работы.

Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались: на «III рабочем совещании по моделированию космических явлений в лабораторной плазме» (г. Новосибирск, 1990 г.); «II Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмо-динамике» (г. Москва, 1991 г.); «XI (г. Томск, 1991 г.) и XII Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах» (г. Томск, 1993 г.); «I (г. Томск, 1994 г.), II (г. Томск, 1995 г.), III (г. Томск, 1996 г.) и IV

Межреспубликанском симпозиуме по оптике атмосферы и океана» (г. Томск, 1997 г.); «Втором (Китай, г. Харбин, 1995 г.) и Третьем (Россия, г. Красноярск, 1996 г.) Российско-китайском симпозиуме по лазерной физике и лазерным технологиям».

Основное содержание диссертации отражено в девяти работах, цитированных в списке литературы к диссертации.

Личный вклад автора. Инициатива проведения исследований по моделированию процессов ионизации и свечения искусственных бариевых облаков солнечным светом принадлежит доктору физико-математических наук Шапареву Н.Я., а лазерно-индуцированной флуоресценции натриевых паров кандидату физико-математических наук Шкедову И.М.

Автору принадлежит разработка численных алгоритмов решения задач о радиационном воздействии на плотные среды и проведение конкретных численных расчетов.

Постановки задач, анализ и обсуждение полученных результатов осуществлялись в ходе совместной работы со Шке-довым И.М.

Таким образом, все вошедшие в диссертацию исследования выполнены лично автором, либо при его непосредственном участии.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 132 страницах машинописного текста, включая 51 рисунок и список литературы из 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы: цель данной работы, актуальность проведенных исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе поставлена задача о взаимодействии излучения с веществом. На газ состоящий из нейтральных атомов воздействует внешняя радиация, поглощение которой приводит к их фотовозбуждению и ионизации. Появляющиеся при этом ионы и электроны также будут менять состояние возбуждения среды из-за соударений с другими частицами. В плотной среде перерассеянные атомами и ионами фотоны поглощаются другими частицами, находящимися в основном

состоянии и, следовательно, влияют на кинетику заселения уровней.

Для описания задачи были введены следующие упрощающие предположения, которые в большинстве физических ситуаций выполняются: испущенный частицей фотон не помнит частоту, на которой он был поглощен (полное перераспределение по частотам); индикатриса рассеяния фотонов на отдельном атоме (ионе) - сферическая; контур линии поглощения имеет доплеровскую зависимость от частоты. Для анализа состояния среды в такой постановке использовались нестационарные кинетические уравнения, описывающие поведение за-селенностей для рассматриваемых уровней атома и иона под действием вынужденного фотовозбуждения, тушения и спонтанного распада, в которых при необходимости можно было включить и скорости столкновительных процессов. Учет мно-гоуровневости связан с тем обстоятельством, что внешнее излучение, в общем случае, является широкополосным и, поэтому процессы вынужденного фотовозбуждения могут инициироваться на нескольких переходах как в атоме, так и в ионе. Так как при моделировании кинетики нужно принимать во внимание фотоны перерассеянные возбужденными частицами, то в правой части балансных уравнений скорости вынужденных фотопроцессов будут зависеть от интегральной по частоте и телесным углам интенсивности радиации, пришедшей в рассматриваемую точку из всего объема среды. Спектральные, угловые и пространственные характеристики интенсивности находились из уравнения переноса излучения. Оно имело стационарный вид потому, что время распространения излучения в среде для рассматриваемых физических ситуаций много меньше характерных времен изменения ее параметров. В итоге задача о взаимодействии излучения со средой представляет собой систему интегро-дифференциальных уравнений, для которой интенсивность радиации определяется внешними источниками и засоленностями, а последние, в свою очередь, являются функциями интенсивности (интегральной по частоте и направлениям распространения) и может быть решена только численными методами.

Алгоритмы решения этой системы уравнений разработаны для плоско-параллельного слоя, цилиндра и сферы. Их основу составляет дискретизация по пространственным, угло-

вым и частотной переменным. Вычисление интегральной интенсивности сводилось к суммированию ее сеточных значений, полученных при решении уравнения переноса, используя специально выбранные кубатурные формулы. В результате получалась задача Коши для системы обыкновенных дифференциальных уравнений относительно заселенностей уровней атома и иона в дискретном наборе точек по пространственным переменным, решение которой находилось методами Адамса и Гира.

В рамках описанной выше модели с помощью разработанных численных методов решены задачи: о ионизации и свечении искусственных бариевых облаков под действием солнечного света, лазерно-индуцированной флуоресценции и ионизации натриевых паров.

Во второй главе решена задача о динамике возбуждения и ионизации искусственного бариевого облака (БО) солнечным излучением. Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что чаще всего инжектируемые облака являются оптически-плотными, а интенсивные эмиссионные линии соответствуют как атомарной, так и ионной составляющих облака. Поэтому необходимо построить многоуровневые модели атома и иона бария. Количество учитываемых состояний определялось скоростью фотовозбуждения, которая пропорциональна произведению интенсивности излучения в соответствующем спектральном диапазоне и сечения фотопоглощения. Для случая широкополосного излучения, каковым является солнечная радиация отбирались уровни обладающие максимальными скоростями фотовозбуждения и связанные с основным или метастабильными состояниями атома (иона) бария. Таким образом, для атома была выбрана 15-ти уровневая модель, а для иона показано, что его модель должна включать 5 состояний. Анализ значений констант переходов оптически связанных друг с другом и последующие тестовые расчеты позволили установить тот факт, что если начальная оптическая толщина облака т0 на резонансном атомном переходе с А—553,5нм больше 30, то для получения адекватной картины фотовозбуждения бария перенос излучения необходимо учитывать и на трех ионных переходах (455,4нм, 493,4нм и 614,2нм).

Основные особенности процесса поглощения солнечного света были выявлены на примере плоско-параллельной геометрии среды. Так, например, поведение зависимости интенсивности солнечной радиации выходящей с теневой стороны слоя от частоты указывает на наличие эффекта «просветления» (роста интенсивности) атомарного (Л=553,5н.м) и «потемнения» (уменьшения интенсивности) ионного (Я = 455,4нм) облаков из-за ионизации атомов излучением.

Динамика ионизации и возбуждения бария изучалась и для сферической геометрии облаков, поскольку в большинстве проведенных экспериментов выбросы имели форму близкую к сферической. Получено, что скорость нарастания электронной плотности в различных пространственных точках облака неодинакова. Для точек теневой границы, соответствующих большим оптическим толщинам для проходящего солнечного света, она меньше из-за поглощения излучения, которое приводит к неоднородному фотовозбуждению бария, что наиболее сильно проявляется на начальных этапах ионизации. Из-за конкуренции поглощения и излучения фотонов появлялся максимум в зависимости от времени заселенности возбужденного состояния в различных точках теневой границы облака, который смещался в область больших времен, а его амплитуда уменьшалась при увеличении оптической толщины. В отличав от атомного, поведение заселенности возбужденного ионного уровня в тех-же граничных узлах характеризовалось монотонным ее увеличением. Наибольшие пространственные градиенты достигались к концу процесса ионизации.

Третья глава посвящена динамике свечения БО. По данным о кинетике фотовозбуждения атома и иона бария расчи-таны пространственные, угловые, частотные и временные характеристики рассеянного облаком излучения для атомного с л = 553,5н.и и ионного с А = 455,4нм резонансных переходов.

Анализ частотной зависимости интенсивности указывает на возможность появления реабсорбции контура линии. Его происхождение вызвано самопоглощением радиации, распространяющейся в оптически-плотной среде и объясняется тем фактом, что на центральных частотах перехода максимален коэффициент поглощения. Реабсорбция контура атомной линии возникает на начальных временах процесса ионизации,

когда плотность БО максимальна. По мере фотоионнзацни бария он принимает правильную колоколообразную форму, а самопоглощение начинает появляться уже на ионном резонансном переходе.

Получены зависимости интенсивности радиации рассеянной сферическим облаком от угла, которые свидетельствуют о том, что если его оптическая плотность в заданном спектральном диапазоне! ш.'лпка, то выход фотонов и:; среди осуществляется в основном в направлениях противоположных солнечному. Это объясняется том, что на облученной стороне БО количество возбужденных частиц (как атомов, так и ионов) больше по сравнению с теневой границей. Кроме того, выход фотонов на углы в>90" (в направлениях «назад») является облегченным, так как эти направления рассеяния сопровождаются меньшим значением коэффициента поглощения. В результате этого на начальных стадиях ионизации БО индикатриса рассеяния для атомной линии имеет значительную анизотропию в сторону облученной границы. По мере просветления облака она принимает более симметричную относительно центра шара форму и в конце концов рассеяние становится практически полностью изотропным. Поведение индикатрисы для ионного перехода развивается как-бы в обратном времени - угловая анизотропия в сторону облученной границы наблюдается в конце процесса ионизации бария.

Проведенные численные расчеты показали, что для сферического БО распределение интенсивности по видимому внешним наблюдателем диску характеризуется пространственной неоднородностью. Ее радиальная форма для соответствующей линии существенно зависит от состояния ионизации БО п может сильно меняться при изменении угла визировании. Для атома радиальные градиенты интенсивности в сильной степени проявляются на начальных временах, а для попа в конце процесса ионизации. Построенные радиальные зависимости интенсивности для атомной и ионной линий бария по форме полностью совпадают с экспериментальными данными и позволяют объяснить сложную цветовую окраску бариевых облаков, наблюдаемую в натурных экспериментах.

Изучалась динамика свечения БО для различных оптических трасс. Из-за конкуренции поглощения и излучения

фотонов появлялся максимум в интенсивности атомной линии. a cm амплитуда И положение на временной шкале завпее .in от направления рассеяния и толщины трассы. 1'аечпгап-11 l-.lt " lio раЗЛ И Ч Н Ы М ОПТИЧееКПМ путям ШГГОНОПБНОГТТТ рздиа-НИИ ДЛЧ 110 IIII О 11 ЛИНИИ имели ЗИПЧИТеДЬИЫе ] I | :' и ' Г |, • I 11 <-Ч [' 11 -

нып градиенты в конце процесса ионизации. Кроме того, для

некоторых траектории тпк;п> наолюдалееь поли,имш>■ максимума, оо\словленного 11 роцеоаа.М И переноса радиации. 'laKll.M

n|-a.'nM. IhVIVH'IIIM'l Ь" З.ЛДаЧе динамик-) п.; %1"||.'И1!'1 ШП"!!' Ill И"!- I I! атом II о II II I Ю 11 но I I I'lii'K | раЛЬНЫХ МЧИМ! о,! р I i ч Д|'1 [•.• ; личных оптических трасс свидетельствует о важной роли нро-

jynffpp npnnjjnn^ ji:? ^TM^faj-j j* гт нуурр ^ JJ i i,- < • I м>е |IM (i картине

n ростра нетвеипо- в ременной изменчивости свочон пп оода К'а.

При проведении активных экспериментов в верхней атмосфере часто регистрируют интегральный поток фотонов в заданном частотном диапазоне, рассеяныи БО в направлении теле-фотоаппаратуры. Поэтому, используя пространственно-временные и частотно-угловые зависимости интенсивности линии (553,5нм) была раечнтана динамика яркости БО для различных направлении И. рис 1 П). Ко lip'-MnHHon поведение Д III VI.ЮН (!■ !>() харак"1'ери.'.уе'|(41 на ШЧИем М,| К'ЧК'К-'Ма . амплитуда 1 и i'1'o ро Г! 1 V мец Ы II ae'lc Ч a I in Л О Л 'е 11 и ' ■ - е ме 11!, 11 ■ n • ;i ]; t I.ICTI. OC.IMIIUX иремен II [) 11 VMOll В шоп И П ''! a [ i a < ' г л И II :i . крп hi. I" 1.1' Таким ооразом. 'inc iciini.ni и \ ivii по.и'чеио ;п.М'ЛШ' задержки no времени яркости плотного |>0. Данный фаьм под-тнерл;даетсч и окспери мен I ал ьно (например, в рашл-" liernhard' . Н.А. К о i isse I -1) 11 р re. М.Н l'oiiara'7 ai. -I

Geophns. Res., 1987, V.92, p.5777-5794. ), рис.] б). Яркость сфе-

достигая максимума при t ^4Uc, после чего также плавно уменьшается. К моменту времени !~120с экспериментальная кривая сливается с теоретической (пунктирная кривая), рассчи-

Га II Ht Л1 П.! ' 1 о Ж Л ; f ' Mo Дел I! Tf'lll ' Л n no I а Га !; i 1 М'Д ,' :< ; ! '[ill!! 4 ; . Xa pa I Л ep line время ИОНИЗаЦПП оарпл CO; ¡al.-дче!' 1' 4 с

n<4!(VU'Hii(> яркости БО дли ионной пиши 1 / ;/'.: в отличие от aTo.Miioii характеризуется п е.мо п ото п н ы м поведением амплитуды для направлении рассеяния 0 <{10 , где она проходя через максимум сначала уменьшается и затем

в/во* 7,5

0.2

0.0

3 ?

/ ..<1

XV —:х\

Кривые; Направления

50

100

1

2

3

4

5

150

0° 45° 90° 135° 180°

а)

8*10

24

7*10

24

6*10

24

5*10

24

4*10 3*10

24

24

2*10

24

ЛМРТЕ 1,\\'1:М 01гу (МЛКС11 21. 19$5)

I • I

^ Сплошная кривая - эксперимент иПунктирная кривая - теория

40 60 80 100 120

1;, с

б)

Рис. 1. Динамика изменения яркости ВО на атомном переходе. (553,5нм ) полученная численно а) и в эксперименте б).

выходит на постоянную величину. Однако ее максимум для направлений 9=90°, 135°,180°, больше и достигается позже, чем максимум для рассеяния на углы 9~0", 45°. Расчетные кривые для этих направлений 9 близки к экспериментальной (Т.Г. Адейшвили, A.A. Бочаров, В.Е. Дорофеев и др. Фотометрические и телевизионные измерения в ракетном эксперименте «СПОЛОХ» с инжекцией бария в ионосферу Земли. // -М., 1977. -18 с. (Препринт института космических исследований АН СССР: №342)), которая на временном интервале от 20 до 50 с, соответствующему ионизации нейтрального бария, относительно быстро увеличивается. Затем, после прохождения максимума в эксперименте отмечался более плавный по сравнению с ростом спад яркости, значение которой к моменту времени равному ¿хбООс уменьшилось практически до нуля. Это объяснялось диффузионным расплыванием ионного облака и гибелью ионов.

В четвертой главе решена задача о возбуждении и резонансно-флуоресцентном свечении плотных паров атомарного натрия при воздействии на них лазерным излучением. Геометрия среды моделировалась сферой и цилиндром, поскольку такал ее форма наиболее часто встречается в экспериментах, проведенных в лабораторных условиях. Предполагалось, что центральная частота лазерного излучения резонансна переходу в атоме натрия с длиной волны л = 589нм. Поэтому в физико-математической постановке можно было ограничиться двухуровневой его моделью. Результаты, представленные в данной главе получены для случая воздействия на пары излучением с однородным, прямоугольным и гауссовским распределением интенсивности по его поперечному сечению.

Изучено влияние оптической толщины на степень деформации лазерного импульса. Процессы поглощения радиации приводят к искажению временной формы импульса. В частотной зависимости для проходящего излучения образуется провал в центральной области контура, соответствующей частотам атомной линии. Его величина тем больше, чем длиннее трасса пройденная импульсом. Из-за ослабления интенсивности лазерного излучения фотовозбуждение атомов идет неоднородно по объему среды. Поэтому наблюдалась сильная

пространственная неоднородность и угловая анизотропия рассеянного парами излучения.

Важной характеристикой состояния среды является ее способность поглощать внешнюю радиацию. В этой связи для сферической геометрии паров моделировались зависимости поглощенной парами энергии от энергии лазерного импульса при различных начальных значениях концентрации атомов. Расчетные данные свидетельствуют о том, что при небольших интенсивностях накачки поглощенная энергия увеличивается линейно, а затем, для более мощных импульсов все зависимости в конце концов выходят на горизонтальный участок. Это объясняется насыщением среды лазерным излучением, в результате чего ее поглощательная способность падает. Результаты расчетов качественно согласуются с экспериментом (R.M. Measures, H.Hercher. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Trans., 1983, V.29, No.l, p.9-18.), в котором при небольших воздействующих мощностях и начальных концентраций атомов натрия в зависимостях поглощенной энергии также наблюдалось линейное ее увеличение и насыщающий участок. Однако, начиная с некоторых воздействующих интенсивностей поглощенная энергия опять увеличивалась. Анализ экспериментальных результатов и проведенные затем численные расчеты на основе более полной физико-математической модели, в которой учитывались процессы столкновений частиц с электронами показали, что возрастание поглощенной энергии в эксперименте может быть связано с инициированием эффектов лазерной резонансной ионизации атомов.

Исследовано эффективное время жизни возбужденного состояния атомов Na. Использовался декримент затухания интенсивности флуоресценции, рассеиваемой парами перпендикулярно лазерному излучению. Это позволило построить зависимости фактора пленения Бибермана-Холстейна q (q -есть отношение естественного времени жизни возбужденного состояния к эффективному) от начальной оптической толщины паров для разных типов геометрий среды. Результаты расчетов указывают на то, что для сферы (рис.2 а), кривая 1 ) эффекты радиационного захвата проявляются в меньшей мере, чем для цилиндра (кривая 2) с эквивалентной оптической толщиной (т.е отношение высоты Н0 к длине диаметра основания D0, для которого равно 1 ) потому, что значение фактора q для

1.0

0.5 Н

0.0

Кривая 1 - сфера

2 - цилиндр с Но/В„=1

3 - цилиндр с Н0/Оп=6

4 - теория Бибермана

12

1.0

0.5

«Л

А.

*Ч

а)

10

б)

Рис.

нее при всех т„ больше. Это объясняется большей вероятностью выхода фотонов, которые в сфере проходят меньший оптический путь по сравнению с цилиндром прежде, чем они пересекут боковую поверхность среды. Расчетные данные также свидетельствуют, что для цилиндров с отношением Н„/И „=6

зависимости фактора q от толщины т0 практически совпадают с кривой 3, рис.2 а), соответствующей цилиндру с параметром Н0/D„—6. Следовательно, такие цилиндры с точки зрения процессов переноса радиации эквивалентны друг другу, а выход фотонов для них осуществляется в основном через боковую поверхность. Результаты численного моделирования эффективного времени жизни возбужденного состояния сравнивались с экспериментом (A. Romberg, H.-J. Kunze. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Trans. 1988, V.39, №2, p. 99-107.), рис. 2 6). В этой работе зависимости фактора q от толщины т0 построены для натриевых и литиевых паров. Геометрия среды соответствовала длинному цилиндру. Флуоресцентное свечение паров инициировалось двух-фотонным поглощением лазерного излучения на резонансном переходе в натрие с Я=589нм и литие с Л—6 70,7нм и фиксировалось перпендикулярно колбе с парами. Анализ приведенных на рис.2 б) данных позволяет установить, что зависимость q от т0 полученная численно (кривая 3, рис.2 а)) для цилиндра с H0/D„=6 в области изменения оптической толщины от 1 до 4 близка к экспериментальной, а в диапазоне изменения 4<хо<50 совпадает с ней.

Получена динамика фотовозбуждения и свечения натриевых паров при воздействии на них пространственно - ограниченным лазерным лучем. Расчеты выполнены для гауссовс-кой и прямоугольной зависимости его интенсивности от поперечного сечения и цилиндрически-симметричной модели среды. Оси луча и цилиндра совпадали. Наличие внутренних источников фотонов приводит к рассеянию излучения за пределы лазерного луча. Это явление по своей физической природе сходно с процессом «диффузии» возбужденных атомов. Оно может приводить к сильному возбуждению необлученной зоны среды и поддерживаться достаточно длительное время благодаря эффектам радиационного пленения. Интенсивность рассеянного парами излучения обладает угловой анизотропией. Это проявляется, в-частности, в том, что индикатриса рассеяния вытянута вдоль оси лазерного луча если энергии импульса достаточно для насыщения облученного канала среды. Также наблюдается увеличение амплитуды рассеянного сигнала для направлений в близких к 90°. Результаты расчетов показали, что варъируя интенсивностью и длительностью импуль-

са можно менять режим пространственно-временной диффузии возбуждения и это прежде всего отражается на угловых характеристиках рассеянного парами излучения.

Проведено моделирование процесса формирования резонансно - флуоресцентного отклика натриевых паров в условиях лазерно - инициированной ионизации атомов. В математической постановке наряду с радиационными учитывались прямые и обратные процессы ионизации и возбуждения частиц электронным ударом. Кроме того, кинетические уравнения двухуровневого атома дополнялись нестационарными уравнениями для электронной температуры и электронной плотности. Выполненные для цилиндрической геометрии среды (Н0/00=1) расчеты показали, что для инициирования процессов лавинообразной ионизации атомов электронным ударом важно поддерживать состояние с высокой степенью возбуждения (механизмом образования затравочных электронов является ассоциативная ионизация атомов натрия). Эффекты радиационного переноса при этом приводят к неоднородному по объему распределению возбужденных атомов и электронов. Из-за того, что степень ионизации паров вблизи облученной границы выше чем у теневой, вероятность выхода фотонов из объема больше для таких лучевых трасс, для которых направления 0 Это

приводит к тому, что рассеяние радиации средой осуществляется в основном в направлениях противоположных направлению распространения лазерного излучения (рассеяние на углы 6>90°), а картина угловой зависимости интенсивности существенно зависит от состояния ионизации паров.

Используя декримент затухания интенсивности свечения паров, полученного по различным оптическим трассам показано, что характерное время их ионизации тем меньше, чем больше начальная концентрация атомов и (или) интенсивность накачки.

Основные результаты и выводы

1. Построена физико-математическая модель процесса взаимодействия излучения с многоуровневыми средами на основе теории радиационного переноса, описывающая динамику заселенностей многоуровневого атома (иона) и частотно-угловых характеристик поля свечения, формируемых в любой точке среды под действием внешней и собственной радиации. Чис-

ленные методы решения полученной системы интегро-диффе-ренциальных уравнений разработаны для плоско-параллельного слоя, сферы и цилиндра.

2. Решена задача о динамике фотовозбуждения и фотоионизации искусственного бариевого облака солнечным светом. Его поглощение и перенос приводят к возникновению значительных пространственных градиентов в распределении возбужденных атомов в начале, а возбужденных ионов и электронной плотности в конце ионизации бария. В следствии этого картина свечения облака на атомном с А=553,5нм и ионном с Л=455,4нм переходах обладает пространственной неоднородностью и угловой анизотропией.

Построенные в работе основные спектрально-яркостные характеристики рассеянного им излучения близки к результатам, полученным в натурных ионосферных экспериментах по свечению бариевых облаков.

3. Решена задача о лазерно-индуцированной флуоресценции натриевых паров при облучении всего объема среды или ее некоторой области (воздействие лазерным лучем).

Исследовано поведение эффективного времени жизни возбужденного состояния атома натрия от их плотности для различных типов геометрий среды. Полученная зависимость фактора пленения Бибермана-Холстейна от оптической толщины т„ для цилиндра с Н0/£)„=<? близка к экспериментальной в диапазоне изменения т„ от 0 до 4 и совпадает с ней при 4<х„<50.

При воздействии на пары лазерным лучем эффекты перерассеяния и переноса радиации сопровождаются сильным фотовозбуждением необлученной их зоны, при этом характерным в поведении рассеянного средой излучения является наличие значительной угловой анизотропии.

4. Изучена динамика формирования флуоресцентного отклика натриевых паров в условиях лазерной резонансной ионизации атомов. При инициировании процессов их лавинообразной ионизации электронным ударом наблюдается неоднородное по пространственным переменным распределение возбужденных атомов и электронов, а угловые характеристики рассеянной радиации в сильной степени зависят от динамики просветления газа.

Предложена методика расчета характерного времени ионизации натриевых паров, используя интенсивность флуоресцентного сигнала.

Результаты, полученные для случая возбуждения ограниченной области паров лазерным лучем, позволяют утверждать, что в необлученной зоне среды, благодаря «диффузии» фотонов, могут инициироваться процессы ионизации атомов. Следовательно, при распространении в плотных средах мощных импульсов ионизованный излучением объем будет увеличиваться.

5. В работе показано, что важнейшими особенностями, проявляющимися при взаимодействии излучения с многоуровневыми плотными средами являются те, которые обязаны процессам переноса излучения. Качественное и количественное совпадение результатов численного моделирования с экспериментальными данными свидетельствует об адекватности физико-математической модели рассматриваемому явлению и возможности их использования при проведении, планировании и прогнозировании экспериментов по свечению лабораторной и космической плазмы и газов.

Материалы диссертации опубликованы в 17 работах. Основное ее содержание отражено в следующих публикациях:

1. Н.И. Косарев, И.М. Шкедов. Численное моделирование переноса радиации в спектральных линиях атома бария при ионизации его паров широкополосным излучением. - Рукопись депонирована в ВИНИТИ. 05.10.90, №526б-В90.

2. ЕИ., Гольбрайх, НИ. Косарев. СЛ1. Николайшвили, ИМ. Шкедов. Ионизация оптически-прозрачного бариевого облака. // Геомагнетизм и аэрономия, 1990, Т. 30, №4, с. 688-690.

3. Н.И. Косарев, ИМ. Шкедов. Распространение широкополосного излучения в бариевом слое. // Оптика атмосферы, 1991, Т. 4, №11, с. 1172-1178.

4. Н.И. Косарев, И.М. Шкедов. Распространение солнечного излучения в искусственном бариевом облаке. // Оптика атмосферы и океана, 1993, Т. 6, №10, с. 1298-1306.

5. Н.И. Косарев, НЛ. Шапарев, И.М. Шкедов. Компьютерное моделирование радиационных эффектов в бариевых облаках. - В кн.: Актуальные проблемы информатики, прикладной математики и механики, Новосибирск-Красноярск, 1996, Часть II. с. 82-89.

6. НЛ. Косарев, ИМ. Шкедов. Поглощение лазерного излучения парами натрия. // Оптика атмосферы и океана, 1995, Т. 8, №12, с. 1752-1756.

7. NJ. Kosarev, IM. Shkedov. Laser-induced fluorescence of the optical thick sodium vapours. - Proceedings of the second chine-russian symposium on laser physics and laser technology, Harbin, China, 1995, p. 40-41.

8. NJ. Kosarev, IM. Shkedov. Exitation and emission of soudium vapours under action of the laser beam. - Proceedings of the third russian-chinese symposium on laser physics and laser technology, Krasnoyarsk, Russia, 1996, p. 75-77.

9. NJ. Kosarev, IM. Shkedov. Radiation imprisonment in vapours of the sodium under photoexcitation of its atoms by the laser impulse. - Proceedings of the third russian-chinese symposium on laser physics and laser technology, Krasnoyarsk, Russia, 1996, p. 78-81.

Подписано к печати /т*. 10.^7

Усл. печ. л. 1 Уч. изд. л. 1 Тираж 70

Заказ № _Формат бумаги 60x84/16. Беспл.

Отпечатано в типографии КВШ МВД РФ.