Лазерная спектроскопия, ее применение в физике плазмы и прикладных задачах

Москаленко, Ирина Викторовна

Лазерная спектроскопия, ее применение в физике плазмы и прикладных задачах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Москаленко, Ирина Викторовна АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Лазерная спектроскопия, ее применение в физике плазмы и прикладных задачах»

Автореферат диссертации на тему "Лазерная спектроскопия, ее применение в физике плазмы и прикладных задачах"

На правах рукописи УДК 621.039.67 533.9.082.5

Москаленко Ирина Викторовна

ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ В ФИЗИКЕ ПЛАЗМЫ И ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧАХ

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2004

Работа выполнена в Институте Ядерного Синтеза РНЦ «Курчатовский институт»

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

Бурцев В.А. доктор физико-математических наук.профессор

Научно-исследовательский институт электрофизической Аппаратуры им. Д.В.Ефремова, (НИИЭФА) Князев Б.А. доктор физико-математических наук,профессор

Институт Ядерной физики им. Г.И.Буткера Лисица B.C. доктор физико-математических наук РНЦ «Курчатовский институт»

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ)

Защита диссертации состоится 1 декабря 2004 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 201.006.01 Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова в Доме учёных НИИЭФА (Металлострой, Полевая ул., 12)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА Автореферат разослан "_"_2004 г.

Отзывы об автореферате в одном экземпляре, заверенном учёным секретарём и гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 188641, Санкт-Петербург, п. Металлострой, промзона Металлострой, дорога на Металлострой, д.З НИИЭФА им.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор И.А.Шукейло

2005-4 12606

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Применение лазерной спектроскопии к изучению характеристик сред представляет несомненный интерес как при проведении фундаментальных, так и прикладных исследований. Методы лазерной спектроскопии, основанные на применении монохроматического излучения лазеров для стимулирования квантовых переходов между вполне определёнными уровнями, позволяют получать локальную информацию о параметрах исследуемых объектов с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Лазерная спектроскопия по сравнению с другими бесконтактными оптическими методами диагностики обладает повышенной чувствительностью, позволяет проводить измерения на значительном расстоянии от исследуемого объекта и получать информацию об его составе (например, лидарное зондирование атмосферы). Принципиально новые возможности лазерная спектроскопия приобрела с появлением лазеров с плавно перестраиваемой частотой, которые являются комбинацией источника света и спектрометра ультравысокого разрешения, что даёт возможность измерять профили спектральных линий. Одними из наиболее перспективных аппаратурных комплексов представляются

диагностические системы, состоящие из лазефовошшлцртандоИАЯс

БИБЛИОТЕКА

оптической накачкой эксимерными лазерами. По мере роста масштабов исследований на устанавиам

термоизоляцией в рамках программ УТС и перехода к созданию прототипа термоядерного реактора, возрастает роль методов диагностики, позволяющих проводить измерения параметров высокотемпературной плазмы в условиях затрудненного доступа к плазме и при наличии целого ряда неблагоприятных факторов. Диагностическая аппаратура и методики,

основанные на использовании лазерной спектроскопии, позволяют

удовлетворять этим достаточно жестким требованиям и их разработка является актуальной задачей.

Еще одно актуальное направление диссертационной работы состоит в возможности использования специализированных лазерных систем для геофизических и космических лидаров и лидарных систем для экологического мониторинга окружающей среды. Важными приложениями также представляют исследования предварительно облученных оптических материалов для ИТЭРа, применение лазерно-индуцированной фотолюминесценции для диагностики биологических объектов в интересах медицины и микробиологии.

Цели и задачи работы. Целью представленной диссертационной работы являлось создание новых эффективных диагностических систем, основанных на использовании методов лазерной спектроскопии; их применение для исследований в физике плазмы и для решения ряда других наукоёмких прикладных проблем. Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи.

1. Разработка концепции диагностических систем, основанных на использовании методов лазерной спектроскопии, способных работать в неблагоприятных внешних условиях и обладающих однотипной конфигурацией основной подсистемы - источника зондирующего лазерного.излучения.

2. Физическое обоснование применения лазерной спектроскопии для диагностики гелия и аргона в диверторной плазмы ИТЭРа и создание прототипа лазерной системы.

3. Моделирование процесса переноса резонансного излучения при импульсном зондировании пространственно ограниченных плазменных объектов в верхней атмосфере.

4. Проведение модельных экспериментов с использованием лазерной спектроскопии на плазменных установках ГЕЛЛА и ПН-3.

5. Создание "космического лидара" для зондирования искусственных плазменных образований на высотах до ~ 250 км и проведение полевых экспериментов на космодромах.

6. Разработка и изготовление мобильной лидарной системы для мониторинга газообразных токсичных загрязнителей атмосферы, проведение полевых испытаний.

7. Проведение экспериментов с использованием рэлеевского рассеяния лазерного излучения вблизи частоты атомного перехода и определение диагностического потенциала этой методики.

8. Проведение прикладных исследований с использованием возбуждения флуоресценции изучаемых веществ. К числу таких объектов относятся: а) оптические материалы для окон ИТЭРа; б) биологические объекты.

Новизна работы

1. Создан прототип источника лазерного излучения для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа, работающий в широком диапазоне длин волн; при работе в импульсно-периодическом режиме возможна генерация попеременно двух различных длин волн.

2. Проведена серия модельных измерений в гелиевой плазме с использованием спектроскопических схем со столкновительным переносом возбуждения. Некоторые спектроскопические схемы были применены впервые.

3. Впервые в нашей стране методом лазерной спектроскопии получены (в измерениях на установке ПН-3) детальные пространственно-временные характеристики функции распределения по скоростям ионов Аг II; в ряде режимов, обнаружены эффекты, указывающие на "аномальный характер" нагрева ионов.

4. Показано, что в определенных условиях интенсивность сигналов флуоресценции может быть использована для оценок пространственного распределения электронной температуры. Обоснована возможность измерения локальных значений электронной плотности по отношению интенсивностей двух линий флуоресценции атома гелия.

5. Впервые в мире произведено зондирование искусственных плазменных образований в верхней атмосфере с помощью лазерного флуоресцентного лидара.

6. При зондировании искусственного плазменного образования измерена оптическая толщина на длине волны резонансного перехода атома бария Я,=554 нм

7. Создана мобильная лидарная система для экологического мониторинга газообразных техногенных примесей в тропосфере. Впервые был использован новый подход, основанный на создании автономного лидарного модуля, смонтированного в виде моноблока, отдельные узлы и элементы которого были изготовлены с использованием космических технологий.

8. При изучении лазерного рассеяния вблизи резонансной частоты перехода атома гелия (X,=1.0830 мкм) было впервые предложено использовать одну из линий лазера А1УОз:Кс13+ (^=1.0794 мкм). Соответствующие эксперименты были выполнены на установке ГЕЛЛА.

9. Продемонстрирована возможность возбуждения резонансной линии Х=307.16 нм атома бария при переходах с виртуального уровня, соответствующего энергии фотона эксимерного лазера 308 нм) при соударениях с атомами буферного газа (аргона).

10. Проведены измерения фотолюминесценции предварительно облученных оптических материалов предназначенных для использования на ИТЭРе.

11. Впервые были измерены спектры фотолюминесценции различных биологических объектов при лазерном облучении в УФ-области. Определена граница скрытых патологических изменений тканей организма и развитие раннего некробиоза в режиме реального времени. Проведена идентификация биологических объектов по спектрам их фотолюминесценции.

Научная и практическая ценность работы

1. На основе разработанной концепции созданы лазерные системы (лазеры на красителях с оптической накачкой излучением эксимерного лазера), которые, отличаются высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Созданная лазерная аппаратура успешно прошла стендовые испытания по жестким программам, соответствующим отечественным стандартам, предъявляемым к аппаратуре, устанавливаемой на космических летательных аппаратах (КЛА).

2. Созданный прототип источника лазерного излучения для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа был применён на плазменных установках при проведении модельных экспериментов в интересах программы ИТЭР.

3. Разработанные методы оценок сигналов лазерной флуоресценции (подтвержденные проведенными модельными экспериментами) демонстрируют возможность получения количественных оценок концентрации и температуры атомов (ионов). Показано, что ЛФ-методика обладает значительным дополнительным диагностическим потенциалом, в частности, возможностью проведения локальных оценок параметров электронной компоненты.

4. Созданные лидары были использованы в измерениях на космодроме "Капустин Яр" и во время экспедиционных измерений в Атлантике, что продемонстрировало возможность проведения научных и прикладных измерений с помощью таких систем в полевых условиях.

5. Учитывая неблагоприятную экологическую ситуацию в СНГ, созданная мобильная лидарная система может найти широкое применение для оценки экологического состояния окружающей среды, в том числе и для работы в зонах чрезвычайных ситуаций.

6. Лазерная диагностическая аппаратура была использована для изучения спектров люминесценции предварительно облученных оптических материалов для оптических окон ИТЭРа.

7. По спектрам люминесценции (возбуждаемых эксимерным лазером) создана методика обнаружения границы пораженного участка ткани организма, имеющая большое значение, в частности, для полевой хирургии.

8. Создана аппаратура и методика, позволяющая проводить идентификацию биологических объектов, включая патогенные бактерии, с вероятностью 90%.

Положения, выносимые на защиту.

1. Физическое обоснование и концепция диагностической системы методами лазерной спектроскопии для измерений параметров диверторной плазмы ИТЭРа. Обоснование "нетрадиционных" применений лазерной спектроскопии, таких как локальные оценки температуры и концентрации электронов.

2. Результаты модельных экспериментов по измерению параметров плазмы (с использованием прототипов лазерного излучателя) на установках ГЕЛЛА и ПН-3.

3. Физическое обоснование и создание флуоресцентных лидаров для исследований искусственных плазменных облаков в верхней атмосфере; результаты лидарного зондирования; методы интерпретации полученных данных.

4. Мобильная лидарная система для мониторинга техногенных примесей в атмосфере и результаты применения ее к измерениям концентрации атомарной ртути и диоксида серы.

5. Результаты экспериментального изучения лазерного рэлеевского рассеяния вблизи резонансной частоты атома в столкновительной среде.

6. Результаты измерений спектров фотолюминесценции предварительно облученных оптических материалов, предназначенных для использования на ИТЭРе.

7. Результаты приложения лазерной спектроскопии к диагностике биологических тканей с целью определения скрытых патологических изменений организма и методика идентификации биологических объектов.

"Исследование лабораторной и космической плазмы методами лазерной спектроскопии с помощью многофункциональных диагностических систем, а также применение разработанных методов и аппаратуры для решения ряда практически важных экологических, физико-технических и биологических проблем" можно классифицировать как новое научное направление, работа в рамках которого вносит значительный вклад в развитие исследований по физике плазмы и в решение ряда прикладных задач.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах ИЯС РНЦ "Курчатовский институт", Тематических совещаниях

по диагностике высокотемпературной плазмы (Минск, 1990 г., Санкт-Петербург, 1993, 1997 гг., Троицк, 2003 г.); 28-м Пленарном совещании Комитета по космическим исследованиям (XXXVIII С08РЛК, Гаага, 1990 г.), Совещании по диагностике ИТЭРа (Гархинг, ФРГ, 1998 г.), Техническом совещании комитета МАГАТЭ по лидарному рассеянию, Абингдон, Англия, 1991 г.), 5-м и 10-м Международным симпозиумах по лазерной диагностике плазмы (г. Бад-Хоннеф, Германия, 1991 г., г. Фукуока, Япония, 2001 г.), 18-ой и 30-ой Европейских конференциях по физике плазмы и УТС (Берлин, Германия, 1991 г., Санкт-Петербург, 2003 г.), на Совещании по диагностике ИТЭРа "Спектроскопические системы для видимой области спектра" (Москва, 1995 г.), Симпозиуме по оптическому зондированию для мониторинга окружающей среды (Даллас, США, 1996 г.), Европейских симпозиумах по экологическому мониторингу г. Мюнхен, Германия, 1997 г., Таллинн, Эстония , 1997 г., Международном симпозиуме по системам регистрации для мониторинга окружающей среды и промышленных процессов (Бостон, США, 1998 г.), Международном симпозиуме по экологическим аспектам переработки химического оружия в мирных целях (Шпиц, Швейцария, 1999 г.), на презентациях (семинарах) в гг. Милане, Лечо, Бари, Италия, 1999 г.). Мобильная лидарная система получила диплом на международной выставке «Человек, город и окружающая среда» (Москва, 1998 г.), Премию им. И.В. Курчатова в области инженерных и технологических разработок (1998 г.); результаты обсуждались также на 9-м и 12-м Совещаниях экспертов по диагностике ИТЭРа (Санкт-Петербург, 1998 г., Москва 2000 г.), 5-м Совещании тематической группы 1РТА по диагностике (Санкт-Петербург, 2003 г.). XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (г. Звенигород, 2003), на семинаре по лазерным детекторам для биологических объектов (Стилвотер, Оклахома, США, 2004 г.). Разработка и внедрение в народное хозяйство

эксимерных лазерных спектрометров удостоены премии Совета Министров СССР 1988 г.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 37 печатных работах общим объёмом 202 страницы.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Содержание работы изложено на 268 страницах текста, включает 113 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕДИССЕРТАЦИИ.

Во Введении приведено обоснование применения методов лазерной спектроскопии к исследованию характеристик сред - в первую очередь к измерению параметров плазмы в лабораторных, геофизических и космических экспериментах. Приведена общая характеристика работы. Подчеркивается актуальность и эффективность применения разработанных комплексов аппаратуры не только для решения научных задач, но и для проведения «наукоемких» прикладных исследований. Дана краткая аннотация по главам.

Глава 1 является кратким обзором литературы по изучаемым вопросам; рассматриваются физические основы применяемых диагностических методов.

В разделе 1 рассмотрены основные области применения бесконтактного измерения параметров среды методами лазерного зондирования, из которых основное внимание уделено исследованиям параметров высокотемпературной плазмы, проводимым в рамках программы УТС. Описано применение резонансного лазерного зондирования искусственных плазменных образований в верхней атмосфере. Другими направлениями являются: получение атомно-молекулярных данных (в интересах УТС); применение методов лазерной спектроскопии для исследования и контроля процессов в плазменных технологиях.

Раздел 2 посвящен основным объектам исследования, при изучении которых используются методы лазерной спектроскопии. К ним относятся, рабочие газы, продукты воздействия плазмы на материалы вакуумной камеры, инертные газы. В геофизических и космических исследованиях плазменных образований основную роль играют щелочноземельные и щелочные металлы. При экологическом мониторинге тропосферы наиболее актуальными являются такие техногенные загрязнители как диоксид серы, окислы азота и ртуть. Приведены примеры решения ряда актуальных прикладных задач, связанных с оперативным исследованием биологических тканей и микроорганизмов, в том числе патогенных. Раздел 3 содержит описание ряда физических проблем, имеющих отношение к тематике диссертации: взаимодействие лазерного излучения с атомами (ионами) в бесстолкновительном случаен в столкновительной среде.

Во второй главе приведено описание системы диагностики диверторной плазмы ИТЕРа методом лазерной спектроскопии и методы интерпретации сигналов. Содержится краткое описание термоядерной установки ИТЭР, роль и условия функционирования диагностических систем.

В разделе 1 этой главы приведены основные технологические параметры и режимы работы ИТЭРа.

Раздел 2 содержит описание условий, в которых будут работать системы диагностики ИТЭРа; рассматриваются такие факторы как, например, высокие потоки нейтронов и -излучения и воздействие их на элементы диагностических систем.

В разделе 3 приведено описание системы диагностики диверторной плазмы ИТЕРа методом лазерной спектроскопии и требования к измерениям параметров диверторной плазмы. Были выбраны спектроскопические схемы регистрации флуоресценции, позволяющие избежать влияния рассеянного на деталях установки и элементах

оптической схемы «паразитного» лазерного излучения. Рассматривается проблема априорной оценки сигнала и отношения сигнал/шум регистрируемых при измерениях концентрации атомов гелия. Приводится алгоритм оценки сигналов флуоресценции с учётом параметров плазмы дивертора; конструктивных решений проблемы ввода зондирующего излучения и вывода собранного флуоресцентного излучения. В разделе 4 дано описание столкновительно-излучательных моделей, приведены спектроскопические схемы и результаты расчетов с использованием разработанных моделей.

В разделе 5 рассматривается применение 2D-теоретических моделей диверторной плазмы совместно со столкновительно-излучательными моделями для расчётов сигналов и отношений «сигнал/шум». В разделе 6 показано, что метод лазерной спектроскопии позволяет получить локальную информацию о параметрах электронов в гелиевой плазме, используя спектроскопическую схему, представленную на рис.1.

Рис. 1. Схема лазерной накачки триплетных энергетических уровней атома

гелия

В главе 3 описаны эксперименты, выполненные с применением методов лазерной спектроскопии на плазменных установках ИЯС РНЦ в рамках программы разработки и испытания диагностических систем для исследования диверторной плазмы ИТЭРа и других крупных термоядерных установок.

В первом разделе этой главы описана конструкция, режим работы и параметры плазмы установки ГЕЛЛА (Гелий + Лазер) сконструированной и созданной в рамках программы по отработке методов лазерной спектроскопии.

Второй раздел главы содержит результаты проведённых экспериментов и описание подсистемы лазерной диагностики на установке ГЕЛЛА. Поскольку в условиях ИТЭРа практически невозможно избавиться от рассеянного на деталях установки ("паразитного") излучения, основное внимание было уделено четырехуровневым схемам зондирования. В третьем разделе анализируется применимость метода ЛФ к измерению концентрации атомов гелия в диверторной плазме токамака ИТЭР. Для моделирования режимов диверторной плазмы ИТЭРа (при к 1019 м'3) низкая электронная температура компенсировалась увеличением концентрации атомов гелия в основном состоянии с тем, чтобы получить сопоставимые населенности триплетных уровней с главными квантовыми числами п = 2; 3. Система лазерной флуоресценции рассматривается как первый вариант прототипа аппаратуры для экспериментов на ИТЭРе, и её стендовые характеристики были использованы при проведении численных расчётов.

В четвёртом разделе этой главы дано обоснование и объяснение цели программы спектроскопических измерений на установке ПН-3, где рабочим газом является аргон, (который предполагается добавлять в дивертор ИТЭРа), и где можно проводить измерения на аргоновой плазме в достаточно широкой области параметров.

Пятый раздел посвящён краткому описанию установки и её режимов работы. ПН-3 представляет собой мультипольный антипробкотрон с радиусом 11о=0.3м. Для ионизации и нагрева плазмы использован ввод СВЧ-мощности в условиях ЭЦР в диапазоне 5-50 кВт на частоте 7 ГГц.

Шестой раздел третьей главы посвящён описанию измерений на ПН-3. Приведено описание лазерной системы, которая в настоящее время рассматривается как один из вариантов прототипа для применения на ИТЕРе. Выполнены измерения плотности и эффективной температуры иона Аг II методом лазерной спектроскопии с применением трёхуровневой схемы зондирования: оптическая накачка производилась с метастабильного уровня Ъй гОча на уровень Ар'2!*0. Длина волны этого перехода А^«611.5нм; флуоресценция наблюдалась при спонтанном радиационном переходе на уровень 4л' 2£>5/2 на длине волны X, =461.0 нм. По описанной схеме (см. рис.2) были измерены пространственно-временные характеристики эффективной температуры ионов (рис.3)

о -24 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 24

Рис. 2. Спектроскопическая Рис. 3. Экспериментальный профиль схема измерений методом линии поглощения А, 611.5 нм иона лазерной флуоресценции для Аг II; ^ = 0 см, Рни = 12.7 кВт), иона Аг II

В ряде случаев наблюдался аномальный нагрев ионов. Помимо измерений ионной температуры, в конкретных исследованных режимах ПН-3 сигналы лазерной флуоресценции позволяли получать информацию об электронной температуре, с помощью разработанной столкновительно-излучательной модели для иона AгIl. Методом эмиссионной спектроскопии получены радиальные распределения Аг I, Аг II. Приводятся данные о степени ионизации аргона в центральной области ПН-3.

В седьмом разделе показано состояние разработки метода лазерной спектроскопии для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа. Отмечено, что функциональные возможности лазерной спектроскопии позволяют также проводить измерения параметров электронной компоненты плазмы. В четвёртой главе рассматривается применение методов лазерной спектроскопии для исследований искусственных плазменных образований на высотах свыше 100 км с помощью флуоресцентных лидаров и мобильная лидарная система для исследования примесей в тропосфере. В первом разделе рассматриваются типичные объекты, создаваемые с помощью ракет и космических летательных аппаратов (КЛА) на больших высотах и в космосе. Наиболее распространённой схемой является выброс паров щелочных и щелочноземельных элементов генератором, установленном на ракете. В сумеречных условиях флуоресценция атомов позволяет наблюдать эволюцию созданного облака.

Второй раздел главы посвящён экспериментам на космодроме "Капустин Яр". Впервые в мире была создана космическая лидарная система включающая лазер на красителях с накачкой эксимернм ХеС1 лазером. Источник зондирующего излучения (аппаратура "Сезон") был выполнен в виде моноблока. Была принята моностатическая схема зондирования (угол рассеяния . Источник узкополосного зондирующего излучения

(ширина полосы АХ.^, составил несколько пикометров) Для отработки методики был создан прототип этой системы и проведены эксперименты в полевых условиях на космодроме "Капустин Яр". В первом варианте излучение принималось телескопом-рефрактором на базе объектива «Мезон 1А» ^ = 800 мм, = 1:3.6). В качестве объектов

использовались искусственно создаваемые бариевые облака. Измерения производились как при вертикальном зондировании и по наклонной трассе. В качестве второго варианта прототипа была изготовлена установка ЮЛА в состав которой входил бортовой телескоп. За протатип

был принят оптический телескоп космической автоматической станции «Астрон» с диаметром главного зеркала 0.8 м. Основным требованием к созданной аппаратуре являлась устойчивость к внешним воздействиям - в первую очередь - к вибрациям.

Третий раздел посвящён «ночным» экспериментам по резонансному лазерному зондированию искусственных плазменных образований (ИПО), которые проводились впервые. Это является естественным путём решения задачи об оптической плотности объекта. Важно, что применение резонансного зондирования в ночных условиях позволяет получить данные о количестве паров исследуемого элемента, существующего в атомарном состоянии. Ночные эксперименты проводились с помощью геофизических ракет МР-12, вблизи апогея траектории на высоте 170 км, где создавались облака. Рассеянное излучение собиралось с площадки радиусом Г\ =2др = 2.65 км в телесном у Д£л=ет(Т,д е 29 -угловая апертура телескопа. Угловая расходимость зондирующего излучения составляла 2а=1мрад«(р (ср-расходимость луча). Для моделирования процесса переноса излучения был применен метод Монте-Карло. Рассматривается перенос резонансного излучения (см. рис. 4) в пространственно-ограниченных телах: цилиндр и шар с однородным распределением плотности, а также шар с гауссовским распределением плотности Проводились расчёты, которые, в ряде

случаев оказалось возможным свести к сравнительно простым методам обработки экспериментальных данных, показавших, что оптическая плотность ИПО сравнительно велика.

1 г t ■г

Рис.4. Расчётный сигнал рассеяния для шара с однородным (штриховые линии) и гауссовским (сплошные) распределением плотности атомов.

Кривые 1, 2 соответствуют значениям р = rj/ro = 1,Уг.

Четвертый раздел посвящен измерениям в сумеречных условиях. Из таких измерений, выполненных с помощью лидарной установки ЮЛА, следует отметить зондирование атомов алюминия с использованием резонансной линии поглощения X =308.22 нм. Лидарные системы показали стабильность и безаварийность работы. Полученный опыт позволил создать мобильную лидарную систему для дистанционного измерения газообразных примесей в тропосфере и положить начало изготовлению компактных лазерных систем, устойчивых к внешним воздействиям.

В пятом разделе рассмотрено создание мобильной лидарной системы (МЛС) для мониторинга газообразных загрязнений в атмосфере и. водном пространстве. Информация о концентрации загрязнителей получена вдоль всей трассы с разрешением AR ~ несколько метров. Физический принцип базируется на методе дифференциального поглощения (DIAL - Differential Absorption Lidar). Использовалось зондирование на двух близких длинах волн: (настроенная на линию поглощения исследуемого вещества) и ^•off (расположенная в свободном от линий или полос поглощения этого вещества участке спектра). Сигнал (регистрируемое фотодетектором

число фотоэлектронов Л'ре) описывается лидарным уравнением, которое для моностатической схемы измерений и короткого (Ati < 2ДR/c) зондирующего импульса имеет вид:

NpE (Л, R, ДД) = С • • ль. • сгя ■ &R ■ R ~2 exp f{-2[а(Л)л+а£ (Л)]} d R.

Здесь щ - концентрация частиц, обеспечивающих обратное рассеяние зондирующего излучения; а„ = (doi/dQ),,-дифференциальное сечение обратного рассеяния; и - сечение поглощения и концентрация исследуемого загрязнителя соответственно;

- суммарный линейный коэффициент ослабления излучения прочими составляющими атмосферы; - число фотонов в зондирующем

импульсе на выходе в атмосферу, С - коэффициент, определяемый характеристиками приёмной системы лидара. В качестве изучаемых примесей были выбраны: одно из токсичных веществ - (ртуть = 253.625 нм; Ло« = 253.660 нм) и вещество, выбрасываемое в атмосферу в наибольших количествах - диоксид серы SO2 (Л,„ = 300.03 нм; /¡„я = 299.33 нм). Были проведены измерения в экспериментах, имитирующих кратковременные выбросы высоких концентраций ртути и диоксида серы при чрезвычайных ситуациях. Наряду с резонансным поглощением атомарной ртути на переднем фронте ртутного облака наблюдался сигнал флуоресценции, который на практике может быть использован для уточнения границы зоны повышенной концентрации ртути. Отмечена гибкость конфигурации созданного лидарного модуля, позволяющая создавать на его базе различные системы для решения ряда прикладных и научных задач. Так, например, лазерный источник МЛС является в настоящее время прототипом излучателя для зондирования диверторной плазмы ИТЭРа.

Глава 5 посвящена диагностическим приложениям рэлеевского рассеяния лазерного излучения вблизи резонансной частоты.

В первом разделе кратко изложены физические основы и возможности метода, который может оказаться эффективными в условиях, где применение ЛФ-методики встречает определенные трудности, которые можно преодолеть, применяя рассеяние вблизи резонансной частоты Представление о характере рассеяния можно получить из классической теории дисперсии для гармонического осциллятора, в которой полное эффективное сечение рассеяния имеет вид:

где - классический радиус электрона -

время жизни осциллятора. Поскольку сечение рассеяния резко

спадает в окрестности частоты перехода а именно, при

значениях отстройки Д = I Уь - Уо I << Уо , то по сравнению со случаем у0 = требуется применение более мощных источников лазерного излучения. Здесь возможно использование источников с фиксированной частотой излучения Уь.

Во втором разделе описаны эксперименты с двумя схемами, использующими этот метод и сравнение его с ЛФ-методикой. В первом случае был использован неодимовый лазер. Одна из линий этого лазера (Дг,=1.0795 мкм) оказывается близкой к линии перехода атома Не I 2 35/ -2 3Р (Л = 1.0830 мкм). На описанной выше установке ГЕЛЛА были проведены сравнительные измерения населенности метастабильного уровня гелия ЛФ - методом и методом рассеяния излучения на

=1.0795 мкм (при энергии лазера 0.8 Дж). Серия измерений была проведена на барии. При этом использовалась близость длины волны линии бария 6,57р—*6$2 и линии эксимерного ХеС1 лазе ра= 3 07.16 нм;

308 нм). Эксперименты проводились на установке, в которой достижима плотность атомов Ва I до = 1025 м3; буферным газом служил аргон. Оценена локальная концентрация атомов бария в оптически

плотной среде. Другая группа экспериментов связана с демонстрацией роли столкновений при использовании рассеяния вблизи резонансной частоты. Наблюдалось свечение линии бария (Ло = 307.16 нм) при отсутствии фотоионизации (то есть образования лазерной плазмы) В третьем разделе рассматривается проблема возможности создания лидара для исследования атомов (ионов). Проведен детальный анализ, показавший, что при параметрах диверторной плазмы ИТЭРа, требуемых для измерений в видимой области характеристиках лидара, поперечном сечении лазерного луча = 10 см2 будет реализовываться случай насыщения рэлеевского сигнала , так как в этом случае (вместо соотношения 1ц—и1]), справедливо с о о т н о (ш^е^н^иЛ^), где Пц = - дипольный матричный элемент для перехода между двумя

уровнями).

В главе 6 дано описание работ, связанных с использованием лазерных диагностических систем, основой которых является ультрафиолетовый эксимерный лазер, использующийся для возбуждения группы переходов в таких объектах как: облучённые оптические материалы, ткани человека и животных, а также различные биологические объекты (вакцины, микробы, вирусы).

В первом разделе приведены результаты измерений сигналов фотолюминесции облучённых и необлучённых оптических материалов от мощности падающего УФ-излучения. Излучение из плазмы ИТЭРа в УФ-диапазоне возбуждает фотолюминесценцию в окнах оптических диагностик и увеличивает фон при оптических измерениях. Для оценки фона была разработана методика, создан стенд для определения интенсивности сигналов фотолюминесценции и проведены эксперименты на образцах оптических материалов, принятых в качестве кандидатов оптических материалов для окон ИТЭРа. УФ-излучение имитировалось с помощью импульсно-периодического перестраиваемого по длинам волн

лазера в спектральном диапазоне 235-800 нм. Обнаружена линейная зависимость сигнала фотолюминесценции от интенсивности падающего УФ-излучения. Измерения проводились на образцах оптических материалов КУ-1 и КС-4В. Параметры облучения в реакторе ИР-8 (май 2000 г.): сопутствующая Бг = М^^). Образцы

подвергались засветке на трех длинах волн перестраиваемого лазера на красителях: 253 нм, 296.5 нм, 308 нм. Результаты представлены на рис. 5.

КУ-1

О.ОЕ+ОО ■ ■ Т-1----

350 400 450 500 550 600 650 700 X, нм

Рис. 5. Спектры фотолюминесценции облучённых стёкол КУ-1. Было показано, что граница фотолюминесценции для длин волн возбуждающего излучения лежит в спектральном диапазоне 380-400 нм. Во втором разделе этой главы дано описание методов индикации границ скрытых патологических изменений тканей организма, а также прогноз развития некробиоза и гнойно-некротических процессов, актуальных для травматологии, общей хирургии и медицины катастроф. В частности, это необходимо для определения объема хирургического вмешательства и проведения профилактических мероприятий. Состояние тканей и биологических субстратов может быть диагностировано с помощью флуоресцентного анализа. Возникновению люминесценции благоприятствует "жесткая структура" органических молекул по аналогии со сцеплением ароматических ядер кислородным мостиком по схеме Д.Н.Насонова. Методика позволяет определять начальную стадию

паранекроза в режиме реального времени и границу его распространения. Методика основана на регистрации спектра люминесценции под действием ультрафиолетового излучения лазера исследуемых образцов здоровых и патологически измененных тканей. Спектральные характеристики вторичной люминесценции образов тканей регистрировались в диапазоне нм. Установлено, что

фотолюминесценция, соответствующая ранней стадии некробиоза исследуемого образца, обнаруживается в полосе 400 + 20 нм. Характерные спектральные характеристики флуоресцентного излучения показаны на рис.6.

Ь/еатУм • 10*

_I_I_I-1-1-—

m ш 500 550 600 К,НМ

Рис. 6. Спектральные характеристики люминесцентного свечения биоптата раневой ткани белых крыс, (1 - свежая рана; 2 - гнойно-некротические изменения в ране через 25 минут инфицирования золотистым стафилококком.

Явные гистологические признаки воспаления зараженных ран выявлялись только на 3-и сутки. Другим важным достоинством разработанной методики является то, что спектральные характеристики свечения тканей, регистрируемые данным методом, отличаются высокой локальностью (размер пятна лазерного излучения, проецируемого на

объект, составлял примерно О.Зх 0.3 мм). Это позволяет определить границу между зоной некроза и здоровыми (интактными) тканями, что исключительно важно при проведении хирургического вмешательства и для прогноза патологического процесса.

В третьем разделе этой главы дано описание аппаратуры и методики детектирования и идентификации биологических материалов. Значение данной разработки состоит в том, что в настоящее время особую важность приобретает проблема регистрации биологических веществ (бактерии, вирусы, токсины), находящихся в различных состояниях и загрязняющих окружающую среду, что связано как с техногенными авариями, так и с возможным применением этих веществ для поражения гражданского населения. Разработаны и испытаны: компактный детектор на основе ультрафиолетовых лазеров, методики для детектирования токсичных биологических материалов, программное обеспечение для идентификации объектов. Методика основана на возбуждении спектров фотолюминесценции с последующей регистрацией в широком диапазоне, включая ближний ультрафиолет и видимую область. В ходе экспериментов была продемонстрирована возможность детектирования биологических объектов в режиме дистанционного, беспроводного управления, в реальном масштабе времени. В отличие от традиционных методов не требуется введения антител. Вероятность идентификации объектов составила 90%.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Создан и испытан на действующих плазменных установках ИЯС прототип лазерной системы для диагностики параметров диверторной плазмы ИТЭРа.

2. Проведено физическое обоснование метода и выбраны спектроскопические схемы со столкновительным переносом возбуждения, позволяющие избежать влияния лазерного излучения, рассеянного на элементах оптической системы и на деталях установки. Данные схемы были использованы при проведении модельных экспериментов в интересах установки ИТЭР.

3. Впервые получены детальные пространственно-временные характеристики функции распределения по скоростям ионов Лт П методом лазерной спектроскопии на плазменной установке ПН-3; результаты указывают на "аномальный характер" нагрева ионов. Экспериментально и теоретически обоснована возможность оценок пространственного распределения электронной температуры исходя из анализа населенностей энергетических уровней иона Ат II.

4. Разработана методика измерения локальных значений электронной плотности использующая отношение сигналов флуоресценции триплетных линий гелия.

5. Впервые в мире был создан флуоресцентный лидар, соответствующий стандартам космической аппаратуры. С его помощью осуществлено зондирование искусственных плазменных образований в верхней атмосфере; определена оптическая толщина бариевого образования на длине волны резонансного перехода атома бария Х=554 нм.

6. На основе опыта создания космического лидара создана мобильная система для мониторинга газообразных техногенных примесей в атмосфере. Использован новый подход, основанный на создании автономного лидарного модуля, выполненного в виде моноблока. Проведены полевые измерения атомарной ртути и диоксида серы.

7. Создана диагностическая система для измерения параметров плазмы, основанная на лазерном рассеянии вблизи резонансной частоты

перехода атома гелия (\=1.0830 мкм) использующая одну из линий лазера AlY03:Nd3+ (X =1.0794 мкм).

8. Впервые продемонстрировано возбуждение резонансной линии Х.'=307.16 нм атома бария при переходах с виртуального уровня, соответствующего энергии фотона эксимерного лазера 308 нм); эксперименты проведены для изучения физики рассеяния вблизи резонансной частоты в столкновительной среде

9. Проведены количественное исследование фотолюминесценции предварительно облученных оптических материалов, предназначенных для использования на ИТЭРе.

10. Создана новая методика определения границы скрытых патологических изменений тканей организма и развития раннего некробиоза с использованием регистрации люминесценции возбуждаемой УФ-лазером.

11. Разработана оригинальная методика идентификации биологических объектов, включая патагенные, по их фотолюминесценции.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях.

1. Москаленко И.В., Щеглов Д.А. Диагностика примесей методом резонансного лазерного зондирования в околоземной плазме, Физика плазмы, 1987. т. 13, вып. 5, с. 635-636.

2. Москаленко И.В., Пальмисте Л.Х., Проценко Ю.К. и др. Лазерная диагностическая система для геофизических экспериментов. Письма в ЖТФ, 1988. т. 14, вып. 15, с. 1379-1383.

3. Klyuev O.F., Portnyagin Yu.L, Moskalenko I.V. and Shcheglov D.A. Remote sensing of artificial luminous clouds by lidars. in Abstracts of 28th Plenary meeting of the Committee on space research, Hague, Netherlands, 25 June-6 July 1990, p. 184.

4. Москаленко И.В., Хейнло А.Г., Щеглов D.A., Кукушкин А.Б. Определение оптической толщины искусственных облаков в верхней атмосфере. Космические исследования, 1990, т. 28, вып. 5, с. 626-628.

5. Moskalenko I.V., Berlizov A.B. and Shcheglov D.A. Hybrid lidar system for ITER divertor plasmas diagnostics. A collection of papers presented at the IAEA Technical Committee Meeting on LIDAR Thomson Scattering, JET, Abingdon, UK, 8-10 April, 1991, p 205-209.

6. Shcheglov D.A, Berlizov A.B, Moskalenko I.V. Application of near-resonant laser radiation scattering to plasma diagnostic. Proc. of the 5th Intern. Conf. on Laser-Aided Plasma Diagnostics, Bad-Honnef, Germany, 1991, p. 205-209.

7. Berlizov A.B., Moskalenko I.V., Shcheglov D.A. Impurity atom diagnostic by observation of resonant Rayleigh scattering. Proc. of EPS-18 Conference on Controlled Fusion and Plasma Phys., Berlin, 1991, v. 4, p. 237-240.

8. Москаленко И.В., Щеглов Д А Лазерная флуоресценция в диагностике высокотемпературной плазмы. Состояние и перспективы. В сб.: Диагностика плазмы, вып. 7, под ред. М.И. Пергамента. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 5-56.

9. Москаленко И.В., Щеглов Д. А. Лазерное зондирование в лабораторных и космических экспериментах. Физика плазмы, 1992, т. 18, вып. 2, с. 131-140.

10. Берлизов А.Б., Москаленко И.В., Щеглов Д. А. Диагностика в стиле ретро (квазирезонансное рэлеевское рассеяние). Физика плазмы; 1992, т. 18, вып. 2, с. 184-186.

11. Щеглов Д. А., Берлизов А.Б., Москаленко И.В. Спектроскопические модели для ряда атомов и ионов легких элементов. Тезисы докладов VI Совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 26 мая -1 июня, 1993, с. 13.

12. Москаленко И.В., Берлизов А.Б., Шеков А.Г., Щеглов Д.А. Оптика для токамака ИТЭР и проблема люминесценции оптических элементов. Тезисы докладов VI Совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 26 мая -1 июня, 1993, с. 37.

13. Moskalenko I.V. ELIS - spaceborne resonant lidar program. Proceedings of International Conf on Optical Sensing for Environmental and Process Monitoring. Dallas, USA, 6-8 November, 1996, с 17-19.

14. Moskalenko I.V., Shcheglov D.A., and Molodtsov N.A. Lidar system for air pollution monitoring over urban area. EUROOPTO Series, 1997, v.3104,p.92-97.

15. Moskalenko I.V., Shcheglov D.A., and Molodtsov N.A. Mobile remote sensing system based on tunable laser transmitterfor environmental monitoring. Abstracts of 3rd EARSel (European Association of Remote Sensing Laboratories), Workshop on Lidar Remote Sensing of Land and Sea, Tallinn, Estonia 17-19 July, 1997, p. 12.

16. Щеглов Д А.. Абрамов ВА, Москаленко И.В., Столкновительно-излучательные модели для интерпретации результатов спектроскопических измерений. Тезисы докладов 9-го Совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 2-4 июня 1997, с. 30.

17. Москаленко И.В., Щеглов Д А. Исследование схем лазерной флуоресценции для диагностики атомов гелия. Тезисы докладов 9-го Совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 2-4 июня 1997, с. 38.

18. Moskalenko I.V., Shcheglov D.A., Rogachev A.P, Avdonin A.A., Molodtsov N.A. Mobile lidar system for monitoring of gaseous pollutants in atmosphere over industrial and urban area. SPIE Series, 1997, 1998, p. 241-249.

19. Москаленко И.В., Рогачев А.П. Мобильная лаборатория для дистанционного экологического контроля атмосферных загрязнений (техническое описание для выставки "Человек, город и окружающая среда"), Москва, 1998. 2с.

20. Kulygin V.M., Dlougach E.D., Gorbunov E.P., Moskalenko IV. et al. The next step in the development of a negative ion beam plasma neutralizer for ITERNBI. Nuclear Fusion, 2001,Vol. 41, p 355-361.

21. Moskalenko I.V, Shcheglov DA Active spectroscopy of ITER divertor and X-point plasmas. ITER Diagnostic Review II, Garching, FRG, 1990, ITER-IL-PH-07-0-75. 7p.

22. Donne A.J.H., Buzhinkij O.I., Costley E.A....Moskalenko I.V. et al. Proc. of the 10th Intern. Conf. on Laser-Aided Plasma Diagnostics, Fukuoka, Japan, 2001, p. 389-400.

23. Moskalenko I.V., Molodtsov N.A., Shcheglov D.A Mobile lidar for monitoring gaseous atmospheric pollutants. In: Environmental aspects of converting cw facilities to peaceful purposes. Ed. by R. R. McGuir and J. С Compton. Series Disarmament Technologies - v. 37. Kluwer Academic Publishers, Dordecht/Boston/London, p 149-157.

24. Moskalenko I.V., Shcheglov D.A., and Molodtsov N.A Remote sensing of atmospheric gaseous pollutants in presence of anthropogenic ozone. Conference on Lidar Atmospheric Measurements, Munich , FR Germany, June 1999, Paper 3821-04 p.46.

25. Москаленко И.В., Шуваев Д.А. Разработка столкновительно-излучательной модели интерпретации спектроскопических измерений иона Ar II. Тезисы докладов XXX Звенигородскщй конференции по физике плазмы и УТС, г.Звенигород, 24-28 февраля 2003 г., с. 86.

26. Жильцов В.А., Москаленко И.В., Спицын А.В, Черненко П.А., Щеглов Д.А. Измерение процентного содержания атомов в аргоновой плазме установки ПН-3. Тезисы докладов XXX Звенигородскщй

конференции по физике плазмы и УТС, г.Звенигород, 24-28 февраля 2003 г., с. 82.

27. Москаленко И.В., Молодцов Н.А., Сковорода А.А., Щеглов Д.А. Измерение функции распределения ионов аргона Ar II в плазме методом лазерной спектроскопии. Тезисы докладов XXX Звенигородскщй конференции по физике плазмы и УТС, г.Звенигород, 24-28 февраля 2003 г., с. 34.

28. Moskalenko I.V., Molodtsov N.A., Vukolov N.Yu. Results of photoluminescence induced in pre-irradiated optical materials under UV radiation. Plasma Devices and Operations, 2002, Vol. 10, p. 1-8.

29. Щеглов Д А., Москаленко И.В., Шуваев Д.А. Измерение локальных значений электронной концентрации методом лазерной флуоресценции. Тезисы докладов X Всероссийской конференции "Диагностика высокотемпературной плазмы", Троицк, 8-13 июня 2003 г., с. 51.

30. D.A.Shuvaev, Molodtsov N.A, Moskalenko I.V., Shcheglov D.A., Skovoroda A.A., S.I.Vetrov LIF-based model experiments on Ar II temperature and density measurements and the time-dependent collisional-radiative model for ITER divertor. 31st Conference on Plasma Phys. London, 28 June - 2 July 2004 ECA Vol. 28G. P - 1.187 (2004)

31. Москаленко И.В., Молодцов Н.А. Фотолюминесценция облучённых оптических материалов для диагностических окон ITER. Тезисы докладов X Всероссийской конференции "Диагностика высокотемпературной плазмы", Троицк, 8-13 июня 2003 г., с. 75.

32. Moskalenko I.V. and Shuvaev D.A. Development of a collisional radiative model for interpreting the spectroscopic measurements of Ar II line emission. Plasma Physics Report, Vol. 29,2003, p. 978-982.

33. Москаленко И.В., Шуваев Д.А., Щеглов Д.А. Разработка столкновительно - излучательных моделей для иона Аг II и атома

гелия. Применение их для интерпретации данных, полученн! методамиэмиссионной и лазерной спектроскопии Тезис XVII Конференции Фундаментальная Атомная Спектроскопия, 200 стр.79

34. Kosarev P.M., Molodtsov N.A., Moskalenko I.V., Shuvaev DA Skovoroda A.A., Spitsyn A.V., Yanchenkov S.V., and Zhil'tsov V.A. Hig ionized large volume microwave argon plasma for energetic H' io neutralization. 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys. St. Petersburg, 7-11 July 2003 ECA Vol. 27A, P-3.218. 4p.

35. Москаленко И.В., Молодцов НА, Жильцов В.А., Сковорода А.А. Щеглов Д.А. Измерение эффективной температуры ионов аргона методом лазерной спектроскопии в плазменном нейтрализаторе ПН-3. Физика плазмы, 2004, т. 30, № 4, с. 1-6.

36. Moskalenko I.V., Vetrov S.I., Molodtsov N.A., Shuvaev D.A. and Shcheglov D.A. Development of Laser-Induced fluorescence system for diagnosing of ITER divertor plasmas. Plasma Devices and Operations, 2004, v. 12,No.4,p. 1-20.

37. Москаленко И.В., Прилуцкий В.И. Метод определения границ молекулярных клеточных изменений с использованием метода лазерной спектроскопии. Активированная вода, 2000, т. 8, № 1, с. 37 -41.

Подписано в печать 07.10.2004. Формат 60x90/16 Печать офсетная. Усл. печ. л. 2 Тираж 100. Заказ 58. Отпечатано в РНЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова

»18 2 3 3

РНБ Русский фонд

2005-4 12606

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Москаленко, Ирина Викторовна

Введение.

1. Применение методов лазерной спектроскопии в исследованиях плазмы и других объектов.

1.1. Основные области использования рассматриваемой диагностики.

1.1.1. УТС-системы с магнитной термоизоляцией.

1.1.2. Исследования в верхней атмосфере методом лазерной флуоресценции.

1.1.3. Получение атомно-молекулярных данных.

1.1.4. Плазменные технологии.

1.2. Основные объекты исследования.

1.3. Физические проблемы, связанные с использованием лазерной спектроскопией.

1.3.1. Взаимодействие двухуровневого атома с лазерным излучением.

1.3.2. Роль соударений с частицами окружающей среды.

1.3.3. Диагностика атома водорода как пример проблем и методов их решения.

2. Система диагностики диверторной плазмы ИТЭРа методом лазерной спектроскопии.

2.1. Основные характеристики установки ИТЭР.

2.2. Условия функционирования диагностик установки ИТЭР.

2.3. Описание системы диагностики и проблемы предварительной оценки сигналов флуоресценции.

2.4. Спектроскопические схемы и результаты расчетов.

2.5. Значение теоретических 2Б-моделей для расчётов сигналов # флуоресценции.

2.6. Оценка локальных параметров электронной компоненты методом лазерной спектроскопии.

3. Эксперименты на плазменных установках ИЯС РНЦ выполненные в рамках разработки методов лазерной спектроскопии для установки ИТЭР.

3.1. Установка ГЕЛЛА - основные характеристики.

3.2. Эксперименты, выполненные методами лазерной и эмиссионной спектроскопии.

3.3. Анализ применимости метода ЛФ к измерению концентрации атомов гелия в диверторной плазме ИТЭРа.

3.4. Программа измерений методами эмиссионной и лазерной спектроскопии на установке ГТН-3.

3.5. Описание плазменного нейтрализатора ПН-3.

3.6. Спектроскопические измерения на установке ПН-3.

3.6.1. Применение метода лазерной спектроскопии для диагностики иона Аг II.

3.6.2. Метод обработки данных доплеровских лазерных измерений

3.6.3. Эффект аномального нагрева ионов.

3.6.4. Методика оценки электронной температуры.

3.6.5. Степень ионизации аргона в центральной области плазменного шнура ПН-3.

3.7. Состояние разработки вариантов метода лазерной спектроскопии для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа.

4. Лидарное зондирование искусственных плазменных образований (ИПО) в верхней атмосфере и мониторинг газообразных загрязнителей в тропосфере

4.1. Типичные исследуемые объекты.

4.2. Полевые измерения на космодроме "Капустин Яр".

4.2.1. Разработка ЛФ-методики и создание аппаратурного комплекса для орбитальных измерений ИПО.

4.2.2. Лидарный комплекс для полевых измерений.

4.3. Определение оптической плотности бариевых ИПО.

4.3.1. Сценарий ночного эксперимента.

4.3.2. Использование метода Монте-Карло для обработки результатов экспериментов.

4.4. Результаты измерений в сумеречных условиях.

4.5. Разработка мобильной лидарной системы (MJIC) для мониторинга газообразных загрязнителей в тропосфере.

4.5.1. Метод дифференциального поглощения.

4.5.2. Особенности конструкции и технические характеристики MJIC.

4.5.3. Дистанционное зондирование диоксида серы и атомарной ртути в атмосфере.

4.5.4. Дополнительные возможности применения мобильной лидарной системы.

5. Рэлеевское рассеяние лазерного излучения вблизи резонансной частоты и его диагностические приложения.

5.1. Физические основы метода.

5.2. Лабораторные эксперименты.

5.3. Возможность создания рэлеевского ли дара.

6. Использование лазерной спектроскопии для решения ряда прикладных задач.

6.1. Фотолюминесценция образцов предварительно облученных оптических материалов принятых в качестве кандидатов для изготовления окон ИТЭРа.

6.1.1. Состав и конфигурация используемого стенда.

6.1.2. Результаты измерений спектров фотолюминесценции возбуждаемых УФ-излучением.

6.2. Применение лазерного возбуждения фотолюминесценции тканей организма с целью индикации границ скрытых патологических изменений на ранней стадии развития некробиоза.

6.2.1. Краткое описание методики, схемы измерений и полученных результатов.

6.2.2. Анализ полученных результатов и объяснение эффекта усиления вторичной люминесценции образцов биологических тканей и сред при различных формах их деградации.

6.3. Проблема детектирования и идентификации биологических материалов (бактерии, вирусы, токсины).

6.3.1. Возбуждение спектров флуоресценции микроорганизмов-имитаторов токсичных биологических материалов.

6.3.2. Создание компактного детектора основанного на применении ультрафиолетового лазера и его испытания.

6.3.3. Создание базы данных спектров флуоресценции биологических объектов и программного обеспечения.

Введение диссертация по физике, на тему "Лазерная спектроскопия, ее применение в физике плазмы и прикладных задачах"

Применение лазерной спектроскопии к изучению характеристик сред представляет несомненный интерес как при проведении фундаментальных, так и прикладных исследований. Лазерная спектроскопия это раздел оптической спектроскопии, методы которого основаны на применении монохроматического излучения лазеров для стимулирования квантовых переходов между вполне определёнными уровнями. Эти методы позволяют получать локальную информацию о параметрах исследуемых объектов с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Преимущество лазеров над некогерентными источниками света заключается в возможности достижения большой спектральной плотности мощности, что значительно уменьшает проблемы шумов, вызванных фоновым излучением или шумами приемников.

Лазерная спектроскопия по сравнению с другими бесконтактными оптическими методами диагностики позволяет проводить измерения на значительном расстоянии от исследуемого объекта и получать информацию об его составе (например, лидарное зондирование атмосферы). Принципиально новые возможности лазерная спектроскопия приобрела с появлением лазеров с плавно перестраиваемой частотой, которые являются комбинацией источника света и спектрометра ультравысокого разрешения, что даёт возможность измерять профили спектральных линий. Одними из наиболее перспективных аппаратурных комплексов представляются диагностические системы, состоящие из лазеров на красителях с оптической накачкой эксимерными лазерами. Кроме того, эксимерные лазеры могут применяться как самостоятельные системы, например, для диагностики в биологии и медицине. Это позволяет создавать многофункциональные диагностические системы для фундаментальных и прикладных исследований.

По мере роста масштабов исследований на установках с магнитной термоизоляцией в рамках программ УТС и перехода к созданию прототипа термоядерного реактора, возрастает роль методов диагностики, позволяющих проводить измерения параметров высокотемпературной плазмы в условиях затрудненного доступа к плазме и при наличии целого ряда неблагоприятных факторов. Диагностическая аппаратура и методики, основанные на использовании лазерной спектроскопии, позволяют удовлетворять этим достаточно жестким требованиям, и их разработка является актуальной задачей.

Новизна работы

Впервые в нашей стране методом лазерной спектроскопии получены (в измерениях на установке ПН-3) детальные пространственно-временные характеристики функции распределения по скоростям ионов Ar II; в ряде режимов обнаружены эффекты, указывающие на "аномальный характер" нагрева ионов.

Показано, что в определенных условиях интенсивность сигналов флуоресценции может быть использована для оценок пространственного распределения электронной температуры. Обоснована возможность измерения локальных значений электронной плотности по отношению интенсивностей двух линий флуоресценции атома гелия. Впервые в мире произведено зондирование искусственных плазменных образований в верхней атмосфере с помощью лазерного флуоресцентного лидара.

При зондировании искусственного плазменного образования измерена оптическая толщина на длине волны резонансного перехода атома бария А=554 нм

Создана мобильная лидарная система для экологического мониторинга газообразных техногенных примесей в тропосфере. Впервые был использован новый подход, основанный на создании автономного лидарного модуля, смонтированного в виде моноблока, отдельные узлы и элементы которого были изготовлены с использованием космических технологий.

При изучении лазерного рассеяния вблизи резонансной частоты перехода атома гелия (А,=1.0830 мкм) было впервые предложено использовать одну из линий лазера AlY03:Nd3+ (A,L = 1.0794 мкм). Соответствующие эксперименты были выполнены на установке ГЕЛЛА.

9. Продемонстрирована возможность возбуждения резонансной линии А,=307.16нм атома бария при переходах с виртуального уровня, соответствующего энергии фотона эксимерного лазера (A,L « 308 нм) при соударениях с атомами буферного газа (аргона).

Научная и практическая ценность работы

Положения, выносимые на защиту.

1. Физическое обоснование и концепция диагностической системы для измерений параметров диверторной плазмы ИТЭРа методами лазерной спектроскопии. Обоснование "нетрадиционных" применений лазерной спектроскопии, таких как локальные оценки температуры и концентрации электронов.

2. Результаты модельных экспериментов по измерению параметров плазмы (с использованием прототипов лазерного излучателя для ИТЭРа) на установках ГЕЛЛА и ПН-3.

Исследование лабораторной и космической плазмы методами лазерной спектроскопии с помощью многофункциональных диагностических систем, а также применение разработанных методов и аппаратуры для решения ряда практически важных экологических, физико-технических и биологических проблем" можно классифицировать как новое научное направление, работа в рамках которого вносит значительный вклад в развитие исследований по физике плазмы и в решение ряда прикладных задач.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах ИЯС РНЦ "Курчатовский институт"; Конференциях и тематических совещаниях по диагностике высокотемпературной плазмы; Международных симпозиумах по лазерной диагностике плазмы; Международных симпозиумах по экологическим аспектам и вопросам безопасности; Пленарном совещании Комитета по космическим исследованиям.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Содержание работы изложено на 260 страницах текста, включает 124 рисунков и 16 таблиц, библиография 167 наименования. Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 37 печатных работах общим объёмом 202 страницы.

Заключение диссертации по теме "Физика плазмы"

Заключение

2. Выбраны спектроскопические схемы со столкновительным переносом возбуждения, позволяющие избежать влияния лазерного излучения, рассеянного на элементах оптической системы и на деталях установки. Данные схемы были применены впервые и использованы при проведении модельных экспериментов в интересах установки ИТЭР.

3. Впервые в нашей стране получены детальные пространственно-временные характеристики функции распределения по скоростям ионов Аг II методом лазерной спектроскопии на плазменной установке ПН-3. Результаты указывают на "аномальный характер" нагрева ионов, что подтверждает образование положительного потенциального барьера, в поле которого ионы приобретают радиальные скорости с последующей хаотизацией за счет кулоновских соударений.

4. Экспериментально и теоретически обоснована возможность оценок пространственного распределения электронной температуры исходя из анализа населенностей энергетических уровней иона Аг И.

5. Разработана методика измерения локальных значений электронной плотности использующая отношение сигналов флуоресценции триплетных линий гелия возбуждаемых методом лазерной флуоресценции.

6. Впервые в мире с помощью лазерного флуоресцентного лидара осуществлено зондирование искусственных плазменных образований в верхней атмосфере; определена оптическая толщина бариевого образования на длине волны резонансного перехода атома бария X = 554 нм.

7. На основе опыта создания космического лидара построена мобильная система для дистанционного мониторинга газообразных техногенных примесей в атмосфере. Использован новый подход, основанный на создании автономного лидарного модуля, выполненного в виде моноблока. Проведены полевые измерения атомарной ртути и диоксида серы.

8. Создана диагностическая система, основанная на лазерном рассеянии вблизи резонансной частоты перехода атома гелия (к = 1.0830 мкм) использующая одну из линий лазера AlY03:Nd3+ (X = 1.0794 мкм).

9. Впервые продемонстрировано возбуждение резонансной линии Х = 307.16 нм атома бария при столкновительных переходах с виртуального уровня, соответствующего энергии фотона эксимерного ХеС1-лазера (X,l « 308 нм) при соударениях с атомами буферного газа (аргона); эксперименты проведены для изучения физики рассеяния вблизи резонансной частоты в столкновительной среде

10. Проведены эксперименты по количественному исследованию фотолюминесценции предварительно облученных оптических материалов, предназначенных для использования на ИТЭРе.

11. Создана новая методика определения границы скрытых патологических изменений тканей организма и развития раннего некробиоза с использованием регистрации люминесценции возбуждаемой УФ-лазером.

12. Разработана оригинальная методика идентификации биологических объектов по их фотолюминесценции.

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Москаленко, Ирина Викторовна, Москва

1. Москаленко И. В., Щеглов Д. А. //Лазерная флуоресценция в диагностике высокотемпературной плазмы. Состояние и перспективы. В сб.: Диагностика плазмы, под ред. М.И. Пергамента. М.: Энергоатомиздат. 1990. вып. 7. с. 5-56.

2. Раздобарин. Г. Т., Фоломкин И. П. //Диагностика плазмы методом рассеяния на атомах. ЖТФ. 1979. т.49, № 7. с. 1353-1372.

3. Bogen P., Hintz Е. //Plasma edge diagnostics using optical methods in Physics of plasma-wall interactions in controlled fusion, edited by PostD. E., Behrisch R. Plenum Publishing Corporation. 1986. p. 211-280.

4. Князев Б. А. //Эксперименты с применением метода резонансной флуоресценции для диагностики плазмы. Препринт ИЯФ 78 103, Новосибирск. 1978. с. 32.

5. Hintz Е. //Plasma boundary diagnostics by laser induced fluorescence. Physica Scripta. 1982. v. T2/2, p. 454-458.

6. Бураков В. С., Мошкалёв С. А., Науменков П. А. и др. //Применение метода резонансной флуоресценции для диагностики плазмы вблизи стенки разрядной камеры на установке «Туман-3». Письма в ЖЭТФ. 1983. т. 37, вып. 7. с. 308-310.

7. Lebedev S. V., Moshkalev S. A., Razdobarin G. Т. et. al. //Study of impurity behaviors in tokamak near-wall region by laser-induced fluorescence. Nucl. Fusion. 1985. v.25,No 8. p. 931-938.

8. Bogen P., SchweerB., RinglerH., OttW. //Measurement of sputtered Mo-atom densities in front of the W-VIIA beam dump by fluorescence spectroscopy. Nucl. Mat. 1982. v.l 11/112, p. 67-70.

9. Dullini E., Bogen P., Hintz E. et al. //Measurement of the titanium flux emitted from the divertor plates of the ASDEX tokamak using laser induced fluorescence. Phys. Lett. 1982. v. 88,No 1. p. 40-43.

10. SchweerB., Bogen P., HintzE. et al. //Application of laser-induced fluorescence to the measurement of the release, the transport and the ionization of Ti-atoms at the ASDEX divertor plates. Journ. Nucl. Mat. 1982. v.l 11/112, p. 71-74.

11. Husinsry W. R., King P. W., Roberto J. B. Bull. //Studies of the Cr impurities from limiter-like probe in ISX-B. Amer. Phys. Soc. 1980. v. 25, No 8. p. 977

12. Elern A., HintzE., SchweerB. //Measurement of the velocity distribution of metal atoms sputtered by light and heavy particles. J. Nucl. Mat. 1978. v.76/77, p. 143-148.

13. Томпсон M. У. //Распределение распылённых атомов по скоростям. УФН. 1988. т. 156, вып. 3. с. 513-543.

14. Muller С. Н., Burrell К. Н. //Time-dependent measurements of metal impuriti densities in a tokamak discharge by use of laser-induced fluorescence. Phys. Rev. Lett. 1981. v. 47, p. 330-333.

15. Москаленко И. В., Берик E. Б, Михкельсоо В. Т., Щеглов Д. А. //Диагностическая система для регистрации иона CV методом резонансной флуоресценции. Письма в ЖТФ. 1985. т. 11, вып. 6. с. 351-354.

16. Москаленко И. В., Щеглов Д. А. //Применение метода резонансной флуоресценции к диагностике гелиеподобного углерода на токамаке Т-10. Препринт ИАЭ-4227/7. М. 1985. с. 21.

17. Moskalenko I. V., Shcyeglov D. A. //The use of the laser induced fluorescence method in the study of helium-like carbon ions in a tokomak plasma. Nuclear Fusion. 1988. v. 28, No l.p. 169-171.

18. Горюшкин Г. В., Лазаренко Ю. В., Москаленко И. В., Щеглов Д. А. //Применение лазерной резонансой флуоресценции для исследования гелия в пристеночной плазме. Физика плазмы. 1986. т. 12, вып. 11. с. 1390-1393.

19. Князев Б. А., ЧикуновВ.В. и др. //Измерение напряженности электрического поля в мегавольтном вакуумном диоде методом активной штарковской спектроскопии. Препринт ИЯФ 90-148. Новосибирск. 1990. с. 12.

20. West W. P., McChesney J., Thomas М. К., Yang X. Z. //Magnetic pitch angle measurements on TEXT using laser-enhanced attenuation of a Li beam. Rev. Sci. Instrum. 1990. v. 61, No 10. p. 2929-2935.

21. Gelbwachs J. A. //Impurity monitoring by laser induced fluorescence technique. Rev. Sci. Instrum. 1985. v. 56, No 5. Part II. p. 1000-1005.

22. Davis T. N. //Chemical releases in the ionosphere. Rep. Prog. Phys. 1979. v. 42, p. 1565-1567.

23. Авакян С. В., ВдовинА. И., Пустарнаков В. Ф. //Ионизирующие и проникающие излучения в околоземном космическом пространстве. СПб.: Гидрометеоиздат. 1994. гл. 1.

24. Филипп Н. Д., Ораевский В. Н., Блаунштейн Н. Ш., Ружин Ю. Я. //Эволюция искусственных плазменных неоднородностей в ионосфере Земли. Кишинёв: Штиница. 1986.

25. Megie G., Blamont G. Е. Planet. //Laser sounding of atmospheric sodium. Interpretation in terms of global atmospheric parameters. Space Sci. 1977. v. 26, p. 1093-1109.

26. GipsonA. J., SanfordM. C., AtmosphW. J. //Terr. Phys. 1971. v. 33, p. 1675-1679.

27. Thompson L. A., Gardner C. S. //Experiments on laser guide stars at Mouna Kea'observatory for adaptive imaging in astronomy. Nature. 1987. v. 328, p. 229-231.

28. Burrell C. F., Kunze H. J. //Observation of resonance scattering on excited helium atoms in a plasma using a tunable dye laser. Phys. Rev. Lett. 1972. v. 28, No l.p. 1-4

29. Burrell С. F., Kunze H. J. //Collisional transfer rates between excited levels in helium. Phys. Rev. 1978. v. 18A, p. 2081-2088.

30. INTERNATIONAL BULLETIN on ATOMIC and MOLECULAR DATA for FUSION (Viena, IAEA)

31. TsuchidaK., .Miyake S., KadotaK., FujitaJ. //Plasma electron density measurement by the laser and collisional-induced fluorescence method. Plasma. Phys. 1983. v. 25, p. 991-999.

32. Грим Г. //Уширение спектральных линий в плазме. М.: Мир. 1978.

33. BrixM., SchweerB. Proc. //Helium beam diagnostics: a discussion of line intensity ratio. 24th EPS, Btrchtesgarden. 1977. v. 21 A, Pt IV. p. 1837-1840.

34. Hintz E., Schweer B. Plasma Phys. //Plasma edge diagnostics by atomic beam supported emission spectroscopy status and perspectives. Control Fusion. 1995. v. 37, A87-A. p 101.

35. Кузнецов Э.И., Щеглов Д.А. //Методы диагностики высокотемпературной плазмы, изд. 2. М.: Атомиздат. 1980. Гл. 1.

36. GrahomW. G., Burns В. F. et al. //Proc. 5 th Symposium on LAPD Bad-Honnef. 1991. p. 248-253.

37. OkadaT., Kumudini K. A., NakataY., MaedaM. //Laser spectroscopic• • • • « thdiagnostics of pulse-laser deposition process for high-7c films. Proc. 6 Intern.

38. Symposium on Laser-Aided plasma diagnostics. Bar-Harbor. USA. 1993. p. 239-244.

39. Graham W. G., Cheshire R. C., Higgins M. H., Morrow Т. //H atom detection in diamond deposition systems, ibid. p. 251-255.

40. Щеглов Д. А., Берлизов А. Б., Москаленко И. В. //Спектроскопические модели для ряда атомов и ионов легких элементов. Тезисы докладов

41. VI Совещания по диагностике высокотемпературной плазмы. Санкт-Петербург, 26 мая-1 июня 1993. с. 13.

42. Москаленко И. В., Щеглов Д. А. //Исследование схем лазерной флуоресценции для диагностики атомов гелия. Ibid. с. 38.

43. Москаленко И. В., Шуваев Д. А., Щеглов Д. А. //Измерения локальной электронной плотности при помощи лазерной флуоресценции. Тезисы 10-й Российской конференции по диагностике высокотемпературной плазмы. 8-13 июля 2003. Троицк, с. 51.

44. Москаленко И. В., Шуваев Д. А. //Разработка столкновительно-излучательной модели интерпретации спектроскопических измерений иона Ar II. Тезисы докладов XXX Звенигородскщй конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород. 24-28 февраля 2003. с. 86.

45. Moskalenko I. V. Shuvaev D. A. //Development of a collisional radiative model for interpreting the spectroscopic measurements of Ar II line emission. Plasma Physics Report. 2003. v. 29, p. 978-982.

46. Moskalenko I. V., Vetrov S. I., Molodtsov N. A., Shuvaev D. A. Shcheglov D. A. //Development of Laser-Induced fluorescence system for diagnosing of ITER divertor plasmas. Plasma Devices and Operations. 2004. v. 12, No. 4, p. 1-20.

47. Бураков В. С., МишаковП. Я., Науменков П. А. и др. //Применение метода резонансной флуоресценции с использованием лазера на красителях в установке токамак ФТ-1. Письма в ЖТФ. 1977. т. 26, вып. 7. с. 547-550.

48. Razdobarin G. Т., Semenov V. V., Sokolova V. V. et al. //Measurement of the neutral density profile in the tokamak plasma by an absolute resonance fluorescence on the Ha line. Nucl. Fus. 1979. v. 19, No 11. p. 1439-1446.

49. Ларионов M. M., Раздобарин Г. Т., Фоломкин И. П. //Определение локальных величин коэффициента диффузии в плазме токамака ФТ-1. Письма в ЖТФ. 1980. т. 6, вып. 22. с. 1375-1379.

50. Arsen'ev А. V., Bwkov V. Е., Bocharov V. К. et al. //Plasma heating and confinement in the Khar'kov stellarators. Proc. 9th IAEA Conf. Vienna. 1983. v. 2, p. 227-240.

51. Gohil P., Colbe G., Forrest M. J., et al. //A measurement of the neutral hydrogen density determined from Balmer alpha fluorescence scattering in the HBTX IA reversed field pinch. Preprint CLM. 1982. p. 669.

52. Bogen P., Dreyful R. W., Lie T. Y., LangerH. //Measurement of atomic hydrogen densities and velocities by laser-induced fluorescence. J. Nucl. Mater. 1982. v.l 11/112, p. 75-80.

53. Боген П., Мертенс Ф. //Диагностика пристеночной плазмы методом лазерной флуоресценции в ВУФ-области. В сб.: Диагностика плазмы. Под. ред. М.И.Пергамента. М.: Энергоатомиздат. 1986. вып. 5. с. 200-205.

54. Mertens Ph., Pospveszczk. //J. Nucl. Mater. 1999. v. 266/269, p. 884-889.

55. Коцубанов В. Д. Летучий А. Н., Павличенко О. С. //О возможности прямого измерения локальных значений заселенностей возбужденных уровней водорода в плазме методом резонансного рассеяния лазеоного излучения. Физика плазмы. 1976. т. 2, № 6. с. 1004-1009.

56. Bogen P., Lie Y. T. //Detection of atomic hydrogen by resonance fluorescence using two-step excitation with La and Ha radiation. J. Nucl. Mater. 1980. v. 93/94, p. 363-367.

57. Bornemann Т., Dobele H. F //Determination of atomic hydrogen in Ar/H2 arc discharge by a multiphoton LIF-technique. Proc. Bad Honnef, Germany. 1991. p. 75-79.

58. Czarnetzki U., Miyzaki., Kajiwara Т., et al. //Comparison of different two-photon excitation schemes for LIF-spectroscopy in atomic hydrogen. Proc. 6th Intern. Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics. Bar Harbor, USA. 1993. p. 24-30.

59. Muraoka K., Shinkawa Т., Maeda M., Sudo S., Obiki T. //Application of two-photon excited LIF to atomic hydrogen measurements in edge region of high temperature plasmas on Heliotron E. ibid. p. 59-62.

60. Grutzmacher K., Rosa de la I., Seidell., SteigerA., VoslamberD. //Two-photon induced Ly-a-Fluorescencenas a means for isotope hydrogen density determination in tokamak plasmas. Proc. of 21st EPS Conf. 1994. Pt. II. p. 1288-1291.

61. Donne A. J. H., Costley A. E. //For the ITPA TG on Diagnostics, Key issues in diagnostics for burning plasma experiments. Proc. 30th Intern. Conf. On Plasma Sciences, Jeju, Korea. 2003. Paper. 3E03-04, p. 16. www.rijh.nl/ITPA/ICOPS-2003 (A. Donne)

62. Onega J., Messiaen A. M., Underberg B. et al., //Overview of experiments with radiation cooling at high confinement and high density in limited and diverted discharges. Plasma Phys. Control. Fusion. 1999. v. 41, Suppl. ЗА, p. A379-A399

63. Maddison G. P., Brix M., Budny R., et al. //Impurity-seeded plasma experiments on JET. Nucl. Fusion. 2003. v. 43, p. 49-62.

64. REFRENCE LEVEL 1 ITPA DIAGNOSTIC GROUP APPROVED SPECIFICATIONS. FEBRUARY 2002. http://www.rijnh.nl/ITPA

65. REFRENCE LEVEL 0 ITER MANAGEMENT APPROVED SPECIFICATIONS INCLUDED IN THE ITER DESIGN REQUIREMENT AND GUIDELINES DOCUMENT - LEVEL 1. JANUARY 2001. http://www.rijnh.nl/ITPA

66. Costley A. E. et al. //'Requirements for ITER Diagnostics', Proceedings of the Workshop on Diagnostics for ITER. International School of Plasma Physics. Varenna, Italy. September 1995. Plenum Press. New York. p. 23-37.

67. Costley A. E., Campbell D. J., Kasai S., Young К. E., Zaveriaev V. //ITER R&D Auxiliary systems: plasma diagnostics. Fusion Eng. Design. 2001. v. 55, p. 331-346.

68. Morgan P. D., Barnsley R., Govers C. W. at al. //Preserving the integrity of spectroscopic measurements on ITER. 30th EPS Conference on controlled Fusion and Plasma Phys. St. Petersburg. 2003. www.rijnh.nl/ITPA/Public files/EPS-2003. p. 35.

69. Detailed Design Report (ITER Documentation). Chapter III. section 5.0: Plasma Operation Scenario and Control. IAEA. Vienna. 1998.

70. Kukuskin A. S., Pasher H. D., Frederica G. et al. //Divertor issues on ITER and extrapolation to reactors, Fusion Engineering and Design. 2003. v 65, p. 355-366.

71. ITER Physics Expert Group on Divertor, ITER Physics Expert Group on Divertor Modelling and Database, ITER Physics Basis Editor, ITER physics basis: Chapter 4. Power and particle control. Nuclear Fusion. 1999. v. 39, No 12. p. 2391-2469.

72. Kukushkin A. S., Pasher H. D., Janeschitz G. et al. //Basic divertor operation in ITER-FEAT. Nucl. Fusion. 2002. v. 42, p. 187-191.

73. Kukushkin A. S., Pasher H. D. //Divertor modeling and extrapolation on reactor conditions. Plasma Phys. Control Fusion. 2002. v. 44, p. 931-943.

74. Moskalenko I. V, Shcheglov D. A. //Active spectroscopy of ITER divertor and X-point plasmas. ITER Diagnostic Review II. Garching, FRG. ITER-IL-PH-07-0-75. 1990. p. 8.

75. Tan K-H., McConkey. J. W. //Simultaneous ionization and excitation of Ar by electrons with particular attention to configuration-interaction effects. Phys. Rev. A. 1974. v. 10, No 4. p. 1212-1222.

76. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука. 1987.

77. ВуколовК. Ю., Левин Б. А., ВуколовН. Ю. //Влияние облучения и термического отжига на оптическое пропускание кварцевого стекла КУ-1. ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2000. вып. 1. с. 72-80.

78. Technical basis for the ITER-FIAT outline design. ITER EDA Documentation Series. Vienna. IAEA. 2000. No 19. p. 1-5.

79. ДимовГ. И., Иванов А. А., Росляков Г. В. //Исследование водородной плазменной мишени. Физика плазмы. 1980. т. 6, вып. 4. с. 933-942.

80. TawaraH. //Some electron detachment data for H" ions in collisions with electrons, ions, atoms and molecules. NIFS-DATA-5. 1990. p. 19.

81. Zil'tsov V. A., Klimenko E. Yu., Kosarev P. M. et al. //The development of a negative ion beam plasma neutralizer. Nucl. Fusion. 2000. v. 40, p. 509-513.

82. Kulygin V. M., Dlougach E. D., Gorbunov E. P., Moskalenko I. V. et al. //The next step in the development of a negative ion beam plasma neutralizer for ITER NBI. Nuclear Fusion. 2001. v. 41, p. 355-361.

83. Skovoroda A. A., Zil'tsov V. A. //Large-vume microwave plasma for energetic H" ions neutralization. Plasma Phys. Control. Fusion. 2001. v. 43, No 7. p. 929-944.

84. Belyaev V. A., Dubrovin M. M., Kosarev P. M. at al. //Operating modes of plasma neutralizer model for ITER reactor. Plasma Device and Operations. 2003. v. 11, No 2. p. 103-110.

85. Демтрёдер В. //Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента. М.: Наука. 1985. гл. 10.6.

86. Летохов В. С. //Лазерная аналитическая спектроскопия. М. Наука, 1986.

87. Beta Barium Borate (Р ВаВгОД Basic properties, advantages and application. Fujan Castech Crystal Inc. 1998. p. 1-8.

88. Hamamatsu photomultiplier tubes. Hamamatsu photonics R.R. Electron tube center. Japan. 1991. p. 46, 47, 77.

89. McChesney J. M., Bellan P. M., Stern R. A. //Observation of fast stochastic ion heating by drift waves. Phys. Fluids. 1991. No 12. p. 3363-3378.

90. Фриш С. Э. //Оптические спектры атомов. М.: Физматгиз. 1963. Гл. V.

91. РадцигА., Смирнов Б. М. //Справочник по атомной и молекулярной физике. М.: Атомиздат. 1980.

92. Визе В. //Диагностика плазмы. Под ред. Хаддлстоуна Р. и Леонарда С. М.: Мир. 1967. гл. 6.

93. Москаленко И. В., Молодцов Н. А., Жильцов В. А., Сковорода А. А., Щеглов Д. А. //Измерение эффективной температуры ионов аргона методом лазерной спектроскопии в плазменном нейтрализаторе ПН-3. Физика плазмы. 2004. т. 30, № 5, с. 469-474

94. Chilton J. E., Boffard J. В., Schappe R. S., Lin С. C. //Measurement of electron-impact excitation into the 3p54p levels of argon using Fourier-transform spectroscopy Phys. Rev. A. 1998. v. 57, No 1. p. 267-277.

95. Жильцов В. А., Москаленко И. В., Спицын А. В., Черненко П. А., Щеглов Д. А. //Измерение процентного содержания атомов в аргоновой плазме установки ПН-3. Тезисы докладов XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. 2003. с. 82.

96. Космонавтика (Энциклопедия) М.: «Советская энциклопедия» 1985. с. 145,221.

97. Dzubenko N. I., Zhilinsky А. P., Zhulin I. A., et al. //Dynamics of artificial plasma clouds in "Spolokh" experments: movement pattern. Planet. Space Sci. 1983. v. 31, No 8. p. 849-858.

98. Милиневский Г. П., Романовский Ю. А., Евтушевский А. М. //Оптические наблюдения в активных экспериментах по исследованию верхней атмосферы и ионосферы Земли. Космические исследования. 1990. т. 28, вып. 3. с. 418-429.

99. Machuda S., GoertzC. К. //The electromagnetic effect on the critical ionization velocity process. J. Geophys. Res. 1988. v. 93, No A10. p. 11.49511.506.

100. Князев Б. А., Лебедев С. В., Меклер К. И. //Получение облака плазмы с заданным составом элементов вблизи поверхности в вакууме. ЖТФ. 1986. т. 56, с. 1319-1328.

101. Москаленко И. В., Щеглов Д. А. //Диагностика примесей методом резонансного лазерного зондирования в околоземной плазме. Физика плазмы. 1987. т. 13, вып. 5. с. 635-636.

102. Москаленко И. В., Пальмисте Л. X., Проценко Ю. К. и др. //Лазерная диагностическая система для геофизических экспериментов. Письма в ЖТФ. 1988. т. 14, вып. 15. с. 1379-1383.

103. Klyuev О. F., Portnyagin Yu. I., Moskalenko I. V. and Shcheglov D. A. //Remote sensing of artificial luminous clouds by lidars. in Abstracts of 28th Plenary meeting of the Committee on space research. Hague, Netherlands. 1990. p. 184.

104. Москаленко И. В., Щеглов Д. А. //Лазерное зондирование в лабораторных и космических экспериментах. Физика плазмы. 1992. т. 18, вып. 2. с. 131-140.

105. Косарев Н. И. Шкедов И. М. //Распространение широкополосного излучения в бариевом слое. Оптика атмосферы и океана. 1991. т. 4, № 11, с. 1172-1177.

106. Кукушкин А. Б. //Уравнение переноса резонансного излучения в газе тяжелых атомов, инжектированном в разряженную атмосферу. Препринт ИАЭ-5275/1. Москва. 1988.

107. Москаленко И. В., Хейнло А. Г., Щеглов Д. А., Кукушкин А. Б. //Определение оптической толщины искусственных облаков в верхней атмосфере. Космические исследования. 1990. т. 28, вып. 5. с. 626-628.

108. Dullini Е., Hintz Е., Robro J. В., Colchin R. J., Richards R. K. //Measurement of the density and velocity distribution of sputtered Al in EBT-S by laser-induced fluorescence. J. Nucl. Mater. 1982. v. 111/112, p. 61-66.

109. Moskalenko I. V. //ELIS spaceborne resonant lidar program. Proceedings of International Conf. on Optical Sensing for Environmental and Process Monitoring. Dallas, USA. 6-8 November 1996. p. 17-19.

110. SlemrF., Seilver W., Eberling C., RoggendorfP. //The determination of total gaseous mercury in air at background levels. Analytica Chimica Acta. 1979. v. 110, p. 35-47.

111. Fitzgerald W. F., Gill G. A. //Subnanogram determination of mercury by two-stage gold amalgamation and gas phase detection. Anal. Chem. 1979. v. 51, p. 1714-1720.

112. Fredriksson К., Galle В., Nystrom К., Svanberg S. //Mobile lidar system for environmental probing. Appl. Opt. 1981. v. 20, No 24. p. 4181-4187.

113. Thompson R. T. Jr., Hoell J. M. Jr., Wade W. R. //Absorption cross-section of sulfur dioxide around 300 nm. J. Appl. Phys. 1975. v. 46, p. 3040-3048.

114. KolschH. J., RairouxP., Wolf J. P., Woste L. //Simultaneous NO and N02 measurement using BBO crystals. Appl. Opt. 1989. v. 28, No 11, p. 2052-2056.

115. FarmanJ. C., Gardiner B. G., Shanklin J. D. //Nature London. 1985. v. 315, No 21, p. 207.

116. Woods P. Т., Jollife B. W., Marx B. R. //High resolution spectroscopy of S02 using a frequency-doublled pulsed due laser, with application to the remote sensing of atmospheric pollutants. Optics communications. 1980. v. 33, No 3. p. 281-291.

117. Measures R. M. //Laser Remote Sensing. NY: Wiley Interscience. 1984.

118. Костко О. К., Смирнов H. Д., Фадеев В. В. //О возможности измерения плотности стратосферного озона лазерным локатором. Квантовая электроника. 1976. т. 3, № 11. с. 2392-2398.

119. Werner J., Rothe К. W., Walther H. //Appl. Phys.B. 1983. v. 32, No 26. p. 113.

120. Brassington D.J. //Sulfur dioxide absorption cross-section measurements from 290 nm to 317 nm. Appl. Opt. 1981. v. 20, p. 3774.

121. Agren C. //New Scientist. 1994. v. 143, p. 9.

122. EdnerH., Faris G. W., Sunesson A., Svanberg S. //Atmospheric atomic mercury monitoring using differential absorption techniques. Appl. Opt. 1989. v. 28, No 5. p. 921-930.

123. Fredriksson К. A., Hertz H. M. //Evaluation of the DIAL technique for studies on N02 using a mobile lidar system. Appl. Opt. 1984. v. 23, No 9. p. 1403-1411.

124. Edner H., Fredriksson K., Sunesson S., at. al. //Mobile remote sensing system for atmospheric monitoring. Appl. Opt. 1987. v. 26, No 19. p. 4330-4338.

125. Moskalenko I. V., Shcheglov D. A., Rogachev A. P, Avdonin A. A., Molodtsov N. A. //Mobile lidar system for monitoring of gaseous pollutants in atmosphere over industrial and urban area. SPIE Proceedings Series. 1998. v. 3533, p. 241-249.

126. Moskalenko I. V., Shcheglov D. A., Molodtsov N. A. //Lidar system for air pollution monitoring over urban area. SPIE Proceedings Series. 1997. v. 3104, p. 92-97.

127. Korb C. L., WengC. Y. //Proc. 14th Intern. Laser Radar Conf. San Candido. 1988. p. 176.

128. Grossmann В. E., Singh U.N., HigdonN. S. e. a. //Appl. Opt. 1987. v. 26, p. 1617.

129. Москаленко И. В., Рогачев А. П. //Мобильная лаборатория для дистанционного экологического контроля атмосферных загрязнений (техническое описание для выставки "Человек, город и окружающая среда"). Москва. 1998.

130. Берлизов А. Б., Москаленко И. В., Щеглов Д. А. //Диагностика в стиле ретро (квазирезонансное рэлеевское рассеяние). Физика плазмы. 1992. т. 18, вып. 2. с. 184-186.

131. Mollow В. R. //Power spectrum of light scattered by two-level systems. Phys. Rev. 1969. v. 188, p. 1969-1975.

132. Гайтлер В. //Квантовая теория излучения. Пер. с англ. М.: ИЛ. 1956.

133. Berlizov А. В., Moskalenko I. V., Shcheglov D. A. //Impurity atoms diagnostic by observation of near-resonant Rayleigh scattering. Proc. 18th Conf. on Control. Fusion and Plasma Phys. Berlin, Germany. 1991. v. 15D, p. 237 240.

134. Carlsten J. L., Szoke A. //Spectral resolution of near-resonant Rayleigh scattering and collision-induced resonance fluorescence. Phys. Rev Lett. 1976. v. 36, No 12. p. 667-670.

135. Courtens E., Szoke A. //Time and spectral resolution in resonance scattering and resonance fluorescence. Phys. Rev. A. 1979. v. 15, No 4. p. 1586-1589.

136. Wrobel W. G., Steuer К. H., Rohr H. //Rayleigh scattering from excited atoms in plasmas. Phys. Rev. Lett. 1976. v. 37, p. 1218-1221.

137. Shcheglov D. A., Berlizov А. В., Moskalenko I. V. //Application of near-resonant laser radiation scattering to plasma diagnostic. Proc of 5th Intern. Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics. Bad-Honnef, Germany. 1991. p. 205-209.

138. Сапонджян С. О., Саркисян Д. А., Торосян Г. А. //Электронное ВКР и ЧПВ в парах атома бария. Квантовая электроника. 1985. т. 12, № 5. с. 963-971.

139. Moskalenko I. V., Shcheglov D. A., Berlizov А. В. //Hybrid lidar system for ITER divertor plasmas diagnostics. Proc. of the IAEA Technical Committee Meeting on LIDAR Thomson Scattering. JET, Abingdon, Oxon, UK. IAEA, Vienna, Austria. 1991. p. 205-209.

140. АхмановС. А., Вальшин A. M., Гордиенко В. M., и др. //Генерация и усиление сверхкоротких импульсов света с помощью эксимерных лазеров. Квантовая электроника. 1986. т. 13, № 10. с. 1992-1995.

141. Москаленко И. В., Берлизов. А. Б., Шеков А. Г., Щеглов Д. А. //Фотолюминесценция облучённых оптических материалов длядиагностических окон ITER. Тезисы докладов VI Совещания по диагностике высокотемпературной плазмы. Санкт-Петербург. 1993. с. 13.

142. Moskalenko I. V., Molodtsov N. A., Vukolov N. Yu. //Results of investigation on photoluminescence induced in pre irraiated optical materials under UV radiation. Plasma Devices and Operations. 2002. v. 10, p. 1-8.

143. Orlinski D. V. Vukolov K. Yu. //Quartz KU-1 Optical Density Measurements After Irradiation in the Nuclear Reactor IR-8. Plasma Devices and Operations. 1999. v. 7, p. 195-204.

144. Москаленко И. В., Молодцов H. А. //Фотолюминесценция облученных оптических материалов для диагностических окон ITER. Тезисы докладов X Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы». Троицк. 2003. с. 75.

145. Friebele E.J. //Radiation effects in Optical Properties of Glasses, Eds. D.R.Uhlmann and Kreindl, American Ceramic Society Inc. Westerville. 1991. 15 BN 0-9449004-35-IT

146. Tanabe et al. //Nucl. Mater. 1994. v. 212-215, p. 1050.

147. Treadway S. I. et al. //IEEE Trans. Nucl. Sci. 1975. v. 22. p. 2253.

148. Scott H. A., Mayle R. W. //Applied Physics B. 1994. v. 58, p. 35-43.

149. Гуламова P. P., Касимов H. А., Муминов M. И. //Применение кварцевых стёкол для дозиметрии ионизирующего излучения Атомная Энергия. 1984. т. 56, в. I.e. 40-43.

150. ShikamaT., Nishitani Т., KakutaT. et al. //Irradiation test of diagnostic components for ITER application in the Japan material testing reactor. Nucl. Fusion. 2003. v.43, p. 517-521.

151. Насонов Д. H., Александров В. Я. //Реакция живого вещества на внешние воздействия. M.-J1. 1940.

152. Чумакова Р. И. //В кн. «Биолюминесценция». М. 1965. с. 142-143.I

153. Шаров В. С., Дремина Е. С., Владимиров Ю. А. //Активация Fe индуцированной хемолюминесценции в липопротеинах низкойплотности крови человека флуоресцентным красителем. Биофизика. 1995. т. 40, в. 2. с. 428-432.

154. Москаленко И. В., Прилуцкий В. И. //Метод определения границ молекулярных клеточных изменений с использованием метода лазерной спектроскопии. 2000. т. 8, № 1. с. 37-41.

155. Фегельман С. С. //О возможности сохранения жизни в тканях, консервированных в слабых растворах формалина. Ортопедия, травматология и протезирование. 1980. № 12. с. 45-54.

156. Dalterio R., Nelson W., BrittD., SperryJ., TanguayJ., Suib S. //The steady-state and decay characteristics of primary fluorescence from live bacteria. Appl. Spectrosc. 1987. v.41, p. 234-241.

157. GlazierS., Weethall H. //Autofluorescence detection of Escherichia coli on silver membrane filters J. Microbiol. Meth. 1994. v.20, p. 23-27.

158. Nealson K, Hastings J. //Bacterial bioluminescence: its control and ecological significance Microbiol. Rev. 1979. v. 43, p. 496-518.