Новые методы спектральных измерений температуры электронов и распределения плотности лазерной плазмы для лабораторного моделирования космических явлений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

рге од

- 8 ОКТ 1996

На правах рукописи

ШАЯХИСЛАМОВ ИЛЬДАР ФАРИТОВИЧ

НОВЫЕ МЕТОДЫ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОНОВ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯ

01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК

НОВОСИБИРСК-1996

Работа выполнена в Институте лазерной физики Сибирского Отделения Российской Академии Наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук А.М.Оришич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Б.А.Князев

доктор физико-математических наук В.М.Бойко

Ведущая организация: Институт Динамики Геосфер (Москва)

Защита диссертации состоится

У^^ХО тяэкг- в -5~часов на заседании диссертационного Совета K200.I8.0I в Институте лазерной физики СО РАН по адресу: г.Новосибирск, пр.Лаврентьева 13/3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лазерной физики СО РАН

Автореферат разослан " ^"^'///^^-¿тяВЕг.

Ученый секретарь диссертационного Совета к.ф.-м.н.

Никулин Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность^аботы. Современный этап развития космической физики характеризуется значительными успехами в исследовании плазменной астрофизики, достигнутыми с помощью прямых измерений со спутников, астрономических наблюдений и активных экспериментов в магнитосфере Земли. Однако, существует целый ряд актуальных физических задач, исследование которых данными методами ограничено вследствии косвенного характера получаемых данных и необходимости больших затрат на ев получение. В связи с этим, начиная с 60-х годов, были сформулированы принципы "ограниченного моделирования" в лабораторных условиях основных плазменных астрофизических процессов и успешно проведены эксперименты, которые позволили воспроизвести некоторые космические явления. Особый интерес представляют исследования нестационарных явлений взрывного характера применительно к проблеме взаимодействия магнитосферы Земли с потоками Солнечного ветра, генерации ударных волн в межпланетной плазме и т.д. Указанные явления связаны с фундаментальными процессами физики плазмы, протекающими при взаимодействии высокоскоростных (сверхзвуковых) взаимопроникающих и бесстолкновительных потоков плазмы на фоне магнитного поля различных конфигураций.

Реальные перспективы лабораторного моделирования подобных процессов открылись в связи с созданием мощных лазеров и началом исследований взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. Основой применения данного метода является уникальная возможность концентрации анергии с помощью лазера в очень малые пространственные и временные масштабы, что позволяет получать лазерную плазму в необычайно широком диапазоне параметров. Другим важным преимуществом метода является его бесконтактность, т.е. отсутствие вблизи создаваемой плазмы систем подвода энергии. Это открыло перспективы создания свободно расширяющихся в вакуум плазменных облаков (в том числе и сферически симметричных), которые являются наиболее подходящими для таких фундаментальных исследований, как взаимодействие движущейся плазмы с магнитным полем и (или) с фоновой средой.

И действительно, оказалось, что лабораторные эксперименты с лазерной плазмой показывают те-же черты, что и активные локальные взрывы в магнитосфере Земли, торможение останков взрыва Сверхновых звезд в замагниченной межзвездной среде, динамика бесстолкновительных ударных волн и мощные точечные взрывы в газовой среде и

др. Результаты лабораторного моделирования позволили значительно продвинутся в исследовании этих явлений.

В настоящее время открываются новые области применения лазерной плазмы как средства моделирования. Это исследование глобальных взрывных возмущений магнитосферы Земли в рамках программы защиты от астероидной опасности, специфических явлений взаимодействия плазменных потоков с магнитными полами звезд, некоторые прикладные задачи в инерционном термоядерном синтезе и другие.

В экспериментах с лазерной плазмой используется много диагностических методов, которые постоянно развиваются. Одними из самых важных являются оптические методы диагностики, в том числе спектральные и, особенно, высокоскоростное фотографирование плазмы, как в интегральном спектре, так и в отдельных линиях свечения (с применением фильтров). С технической точки зрения это обусловлено тем, что лазерная плазма, по крайней мере на начальной стадии разлета, обладает собственным интенсивным излучением, которое легко регистрировать.

Но есть более глубокая, "физическая" причина широкого использования оптического фотографирования лазерной плазмы в модельных экспериментах. .Дело в том, что плазменные потоки при взаимодействии с внешними средами проявляют фундаментальное свойство (как в лаборатории, так и в космосе) образовывать различные прострэнст-вешшо конфигурации - жэлобки на границе плазмы, тонкие оболочки, вытянутые структуры типа "бутылки", системы струй или поясов и т.д. Именно этот аспект взаимодействия потоков плазмы с внешними средами привлекает интерес в первую очередь, и исследуется экспериментально и теоретически. Однако изучение характера свечения лазерной плазмы и развитие новых оптических методов остаются актуальными. Причина в том, что лазерная плазма является существенно нестационарной по всем своим параметрам, а также неоднородной по своему объему. Ей изначально присуща норавновосность, то есть в ней но применима модель локального термодинамического равновесия. В большинстве случаев в ней не соблюдается также столкновительное равновесие (корональная модель). Таким образом, свечение линий лазерной плазмы независимо друг от друга и определяется элементарными процессами - рекомбинацией, ударным возбуждением и перозаряд-кой. Каждый из этих процессов возбуждает свечение своего определенного круга линий, а интенсивность этих процессов определяется взаимодействием лазерной плазмы с внешней средой. В результате, свечение линий в ходе взаимодействия возбуждается преимущественно

то одним процессом, то другим, разные линии ведут себя по разному, а интегральное свечение становится неоднозначным.

Цель работы состоит в изучении механизмов возбуждения спектрального свечения линий ионов лазерной плазмы в условиях во взаимодействия с различными внешними средами, исследовании способов управления процессами возбуждения и применении результатов этих исследований для правильной интерпретации наблюдаемых явлений и разработке новых оптических методов диагностики пространственного распределения концентрации и температуры лазерной плазмы.

Научная_новизна_работы. Основное отличие этой работы от других в том, что в ней свечение лазерной плазмы исследуется комплексно. В большинстве предыдущих работ исследовались отдельные механизмы свечения линий. Там, где экспериментально наблюдалась трансформация одного механизма возбуждения свечения в другой, либо этот факт не анализировался, либо ему давалось неполное объяснение. В работе впервые подробно исследованы обще закономерности того, как взаимодействие лазерной плазмы с внешними средами влиявт на пространственное и временное поведение всего набора оптических линий свечения, и с чем это связано. Также впервые проведен анализ того, с какими параметрами плазмы и каким образом связано интегральное свечение лазерной плазмы при ее фотографировании в тех или иных условиях.

Автор выносит на защиту следующие новые результаты:

1) Качественные и количественные критерии влияния различных элементарных процессов возбуждения (рекомбинации, перезарядки и электронных столкновений) на спектральное свечение лазерной плазмы, взаимодействупщей с газом и магнитным полем.

2) Новый метод индикации электронной температуры в электрон-вольтном диапазоне, основанный на аффекте минимума свечения определенных спектральных линий лазерной плазмы в процессе ее взаимодействия с магнитным полем.

3) Новый мвтод измерения концентрации ионов в плазменных потоках, основанный на регистрации спектрального свечения ионов, возбуждаемого в процессе перезарядки на фоновом газе.

4) Полученные на основе новых методов количественные закономерности расширения сферического облака плазмы в магнитных полях различной конфигурации: а) Количественная картина растекания плазмы в форме "бутылки" на поздней стадии ее взаимодействия с однородным магнитным полем, б) Факт значительного перераспределения

частиц в дшольном магнитном поле.

Научная и практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные исследования послужат основой для интерпретации результатов оптической диагностики в экспериментах с лазерной плазмой по моделированию процессов в космической плазме, а применение новых разработанных методов существенно расширит возможности как диагностики, так и самого лабораторного моделирования.

Полученные результаты по спектральным свойствам лазерной плазмы, взаимодействующей с окружающими средами могут также найти применение при интерпретации реальных процессов в астрофизической и околоземной плазме. В частности, известно, что нагрев электронов в магнитном поле и процесс перезарядки на нейтралах могут играть существенную роль в динамике наблвдаемого свечения в таких явлениях, как искуственныв плазменные выбросы и возможные мощные взрывы в магнитосфере Земли, столкновения останков Сверхновых с молекулярными облаками, нерегулярная структура свечения некоторых планетарных туманностей и ряд других.

Физические результаты, изложенные в работе имеют несомненный научный интерес. Современные теоретические модели могут описывать только начальную стадию взаимодействия плазмовдов с магнитным полем, и практически не могут предсказать какие пространственные структуры будет принимать плазма на поздних стадиях. Возбуждение перезарядного свечения, по видимому, впервые позволяет получать фо тографии плазмы, правильно отражающие пространственное распределение плазменных потоков, трансформированных в процессе взаимодействия с магнитными полями сложной конфигурации.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, представлялись на:

III Рабочем совещании по моделированию космических явлений в лабораторной плазме, Новосибирск,, май 1990г. 10 Европейской школе "Plasma Physics", Тбилиси, сентябрь 1990г. 21-st EPS Conference on Controlled Fusion and Р1азта Physic3, Montpellier, July, 1994

23rd European Conference on Laser Interaction with Matter, Oxford, Sept., 1994

12-th International Conference on Laser Interaction and Related Plasma Phenomena, Озака, Apr. , 1995

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и примечаний, изложена на 130 страницах, содержит 47 рисунков. Список литературы включает 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В_главе_1 описывается состояние предыдущих исследований спектрального оптического свечения лазерной плазмы, расширяющейся в вакуум или внешнюю среду (газ, магнитное поле). Наиболее полно изучено собственное рэкомбинационноэ свечение лазерной плазмы в вакууме. В фоновом газе низкой концентрации ранее была установлена важная роль процесса перезарядки, существенно меняющего свечение плазмы. В экспериментах с магнитным полем было зафиксировано, что свечение плазмы может сильно варьироваться как во времени, так и в пространстве, так и от величины приложенного поля. Причина этого объяснялась либо лучшим удержанием электронов в магнитном поле,, либо процессом их нагрева. Указывается, что в проведенных ранее исследованиях не установлено как именно ведут себя разные спектральные линии плазмы в тех или иных условиях, с чем связан немонотонный характер поведения спектрального и интегрального свечения , и на отсутствие количественного описания наблюдаемых явлений.

В_главе_2 описывается экспериментальная установка и методика спектральных измерений, и приводиться исходные экспериментальные данные.

В §2.2 описываются результаты опытов по свечении лазерной плазмы в вакууме, которые в целом согласуются с предыдущими исследованиями. Были идентифицированы все линии оптического диапазона ионов углерода с*3, с44, с+5 и основные линии ионов с+1. с12 в углеродной лазерной плазме. В соответствии с предыдущими исследованиями было показано, что основной максимум свечения ионов на некотором удалении от мишени возбуждается процессом рекомбинации ионов.

В экспериментах с фоновым газом (§2.3) исследовалась зависимость свечения линий плазмы в зависимости от расстояния до мишени и давления фонового газа (н2). Рассматривался диапазон давлений, когда длина пробега ионов в газе по упругим столкновениям на много

больше масштаба эксперимента. Было обнаружено, что поведение линий разбивается на три типа (рис.1):

1) интенсивность свечения которых растет практически пропорционально с давлением.

2) спадающие с ростом давления и потом растущие.

3) монотонно спадающие.

Подобный характер поведения свечения линий лазерной плазмы объясняется процессом перезарядки ионов на фоновом газе, в ходе которой образуются ионы на заряд меньше и возбужденные квазирезонансным образом на определенные квантовые уровни. Концентрация ионов элемента плазмы в Лагранжевой системе координат приближенно описывается как:

п.+1 % ехр(-пф<г.+11г).(1/Н3)

где концентрация ионов заряда 1+1, сечение перезарядки

ионона 1+1 в ион 1, п - концентрация частиц фона, 1/1г3 - множитель, связанный с трехмерным расширением плазмы, ехр(-ПфОч+1ю -множитель, связанный с уменьшением числа ионов за счет перезарядки, а - пройденное элементом плазмы расстояние от мишени со скоростью движения V. Здесь предполагается, что уменьшение числа ионов за счет процесса рекомбинации мало, а торможение ионов на газе несущественно.

Если свечение линии иона х связано с рекомбинацией, то, в приближении независимости температуры электронов Те от давления газа в рассматриваемом диапазоне давлений, имеем:

арек ^ аРвк(Е1г).ехр(-а.Пфо'1 + 1Н)

где а£ек(11,1) - свечение этой линии без газа, а а - коэффициент в диапазоне 1<а<з, связанный со степенной зависимостью рекомбинации от концентрации электронов. То есть, относительное рекомбинацион-ное свечение ¿/¿о будет уменьшаться с увеличением как и, так и п .

Если свечение линии иона 1 начинает возбуждаться за счет перезарядки, то имеем:

То есть, д"ер растет с пф до тех пор, пока перезарядка не станет слишком сильной (когда множитель под акспонентой не станет порядка единицы) и спадает с расстоянием как: ехр(-пф<71+1Н)-(1/1г3)

В третьем случае, когда потенциал возбуадения линии располагается между верхними рекомбинационными уровнями и более низкими перезарядными, возникает промежуточный вариант. Сперва, свечение линии с ростом давления спадает как рекомбинационной, а затем, при

интенсивной накачке перезарядного уровня, начинает нарастать либо за счет столкновительного довозбуждения электронами, либо за счет малой, но конечной вероятности прямого перезарядного возбуждения уровня данной линии.

Анализ экспериментальных данных показал, что поведение свечения линий (как перезарядных, так и рекомбинационных) от давления и расстояния от мишени хорошо аппроксимируется приведенными формулами. В качество параметра аппроксимации при этом выступает сечение перезарядки. Для ионов с*3 и с"*4 были получены сечения перезарядки на молекулярном водороде 1.1 и 3.5-ю-15 см2 соответственно, что находится в хорошем согласии с предыдущими измерениями. Для иона С45 найденное таким способом сечение составило величину ю~14 см2.

В экспериментах с внешним магнитным полем (§2.4) исследовалась динамика свечения линий в ходе взаимодействия плазмы с магнитным полем. Подробные магнитные измерения позволили выделить и наблюдать свечение того элемента плазмы, который наиболее сильно взаимодействовал с магнитным полем (находился в скин-слое магнитной каверны). Напуск в вакуумную камеру гелия при низкой концентрации и регистрация его спектрального свечения позволили однозначно выявить факт нагрева электронов в присутствии магнитного поля. Из анализа полученных данных по спектральному свечению ионов плазмы сформулированы следующие вывода: Спектральные свойства лазерной плазмы при ее расширении во внешнем магнитном поле определяют два независимых механизма - рекомбинация и ударное возбуждение электронами, нагретыми в процессе взаимодействия плазмы с полем. Характер поведения линий свечения ионов разбивается на три типа в зависимости от уровня возбуждения линии и температуры электронов (рис.2). При этом влияние магнитного поля локализовано в пространстве и связано с токовым скин-слоем (градиентом в), где происходит нагрев электронов.

Экспериментальные результаты, изложенные в главе 3 являются основой следующей части работы по разработке новых методов спектральной диагностики лазерной плазмы. О степени их достоверности можно судить по тому, что по отдельности и в других контекстах аналогичные данные в частичном виде были получены в ряде других работ - например увеличение свечения плазмы в фоновом газе или попе ременное уменьшение и увеличение свечения в магнитном поле.

В_главе_3 описывается новый метод индикации температуры электронов лазерной плазмы, взаимодействующей с внешними силами. Как

показали эксперименты, некоторые линии высокозарядных ионов лазерной плазмы при ее расширении в магнитном поле в определенный момент обнаруживают минимум свечения. Эффект минимума свечения объясняется тем, что при наличии источника нагрева электронов (магнитного поля или другой внешней силы) свечение линий ионов лазерной плазмы возбуздается двумя независимыми процессами - тройной рекомбинацией и столкновениями ионов с горячими электронами. Тройная рекомбинация быстро уменьшается (М"~9/2), а ударное возбуждение быстро увеличивается (^ехр(-1/те) ) с ростом температуры электронов т , поэтому, в процессе нагрева электронов в ходе взаимодействия плазмы с внешней силой, интенсивность свечения проходит через минимум.

Действительно, функциональную зависимость свечения определенной линии от те можно представить как: л ^ а*х9/В+ В'Х1/2ехр(-Х) , где а - коэффициент тройной рекомбинации, в - коэффициент ударного возбуждения, х=1/Те. Из условия оз/о^-о получаем: ехр(-хо)-х~3= 9/2*А/в = С0 ,где Х0 - точка минимума свечения.

Коэффициент с имеет весьма неопределенное, оценочное значение, поскольку в него входят произведение концентраций п1, пе .константы тройной рекомбинации и сечения ударного возбуждения, а также коэффициент связи к мевду актом рекомбинации и свечением данной линии. Однако, сильная зависимость функции ехр(-Х)-х-3 от X при Х»1 делает эту неопределенность несущественной.

Проведенный анализ позволил сформулировать следующие возможности и пределы применимости метода:

1) При использовании ионов с зарядом до +4, имеющих, как правило, линии свечения с потенциалами возбуждения в диапазоне 15£1£бо эв, метод позволяет измерять температуру электронов те в диапазоне 1-ю эв.

2) Точность метода зависит, в основном, от неопределенности таких параметров как коэффициент связи мэвду актом рекомбинации и свечением данной линии, сечением ударного возбуждения линии и ионного состава плазмы. Однако, неопределенность величины произведения этих параметров даже в плюс/минус порядок дает ошибку в измерении Те не более 30%, если выполнено условие 1/те>б.

3) Метод применим, только если плазма находится в неравновесном состоянии (не выполняется ЛТР). Нижний предел применимости метода по концентрации электронов составляет ю11 см"3 и определяется условием преобладания тройной рекомбинации над фоторекомбинацией.

Температуры 1-ю зв являются достаточно типичными для лазерной плазмы в модельных экспериментах, и поэтому метод может найти широкое применение. Поскольку он абсолютный, то его можно использовать в сочетании с относительными методами, основанными на сравнении свечения линий с разными потенциалами возбуждения.

Разработанная методика была применена в эксперименте по исследованию эффективности нагрева электронов лазерной плазмы, взаимодействующей с магнитным полем и позволила, в сочетании с известным методом относительного измерения по отношению свечения синглетной и триплетной линий атома гелия, проследить процесс нагрева электронов в диапазоне температур 2.5-20 эв.

В__главе_4 описывается новый оригинальный метод спектральной диагностики концентрации ионов, разработанный на основе исследований свечения лазерной плазмы в фоновом газэ. Метод основан на том, что из-за квазирезонансного характера процесса перезарядки возбуждение определенных линий ионов оказывается весьма чуствительным к присутствию нейтралов. Свечение плазмы в данных линиях прямо отражают концентрацию ионов. Важными преимуществами нового метода является то, что -в него не входит прямым образом такой трудно определимый параметр в лазерной плазме, как температура электронов, и то, что он значительно увеличивает чуствительность оптических измерений в целом. Подобный аффект использовался ранее в диагностике в ТОКОМАКах. Через плазму пропускался пучок нейтралов высокой скорости, которые при пролете перезаряжаются на высокозарядных примесях плазмы. Примеси при перезарядки высвечивают в определенных линиях, что позволяет следить за концентрацией данных примесей.

В лазерной плазмы этот подход принимает качественно новые черты. Во первых, движутся ионы, причем с регулярными скоростями (при свободном разлете Во вторых, нейтралы присутствуют в виде

однородного фона, либо изначально, как в некоторых модельных экспериментах, либо напущенные в камеру при низкой концентрации. Поэтому перезарядное свечение будет исходить из всего объема плазмы, в то время как в случае с пучком свечение имвет локальный характер . Это позволяет производить фотографирование сразу всей пространственной структуры плазмы.

В параграфе 4.1 обсувдается диапазон применимости метода. В первую очередь, концентрация диагностического газа должна быть не слишком большой, и длина перезарядки ионов лазерной плазмы на газе должна быть больше масштаба эксперимента. Иначе, интенсивная пере-

зарядка повлияет на относительное распределение концентрации электронов, что, естественно, нежелательно. При этом автоматически выполняется условие того, что диагностический газ не должен влиять на энергию и скорость ионов лазерной плазмы, поскольку для высокозарядных ионов сечения прямых столкновений обычно на порядок меньше сечений перезарядки.

С другой стороны, концентрация газа должна быть такой, чтобы перезарядная накачка, вызывающая свечение каких-либо линий ионов превышала исходную рекомбинационную накачку. Как правило, это условие вполне реализуемо. В применяемой для моделирования лазерной плазме при ее разлете на несколько начальных радиусов происходит "закалка" ионного состава, так что время рекомбинации становится намного больше характерного времени эксперимента. В отличии от этого, время перезарядки можно сделать сравнимым с временем эксперимента .

В третьих, нужно учесть, что не при любой реакции перезарядки возбуждается прямым образом свечение в наиболее удобной для регистрации видимой области спектра. Рассмотрение процесса квазирезонансной перезарядки различных ионов на обычных, наиболее распространенных газах, показало, что, как правило, данный метод реализуем в видимой области при регистрации свечения ионов заряда +2 и +3, и в ультрафиолетовой области для ионов +4, +5, +6.

В параграфе 4.2, с целью определения возмущения, вносимого диагностическим газом, анализируются уравнения перезарядного взаимодействия расширяющейся лазерной плазмы с однородным нейтральным фоном. В предположении быстрой радиационной релаксации возбуждаемых ионов, и в приближении несущественности влияния рекомбинации на ионный состав плазмы и прямых столкновений на потерю импульса ионов уравнения взаимодействия имеют вид:

вп^/аь + ЧЖп.У) - - п.-гуо-.-У + п1+1-п#-о-1+1-У

&пж/дь = - п •У'Еп.'о.

Ф Ф ^ 1 1

где V локальная скорость плазмы. Для перезарядного свечения имеем:

3 . . "V. п дп . с. V 1-1 Ф 1 1

В общем случав эти уравнения, по видимому, аналитически не решаются. В приближении малого количества ионов заряда 1+1 относительно ионов заряда 1 было получено приближенное решение, связывающее перезарядное свечение с иона 1-1 с искомой (в отсутствии фонового газа) концентрацией ионов п° заряда 1 для любого момента времени ь и точки пространства г.

11 = п°-п°-ехр[-Н2/г2-ехр(-г/Н^) - т/Я^-Цу)]

НУ) = 1/У ехр(-1/у ) ¿у ( у=г/Ис)

И2 = Е N. • о*. , И . = С Т 1 1 ' Ф 1

где (Г - число ионов облака в единичном телесном угле, пролетевших к данному моменту времени ь через точку наблюдения г.

В задачу входит два пространственных масштаба. При г<ис происходит сильное "выедание" фонового газа, а при г>Ио,1 - ионов плазмы. Таким образом, метод применим в диапазоне , и для

реализуемости метода должно быть выполнено условие йс< .

Для уточнения аналитических формул точные уравнения перезарядного взаимодействия фона с облаком решались численно. Правильность счета разработанного кода проверялась в двух предельных случаях, имеющих точное аналитическое решение:

1) при 1?с-0 (соответствует бесконечно малому числу ионов облака). Тогда п,=п° И п.=п?'ехр(-г/И .)

Ф Ф 11

2) при Н0,1=® (сечение перезарядки очень маленькое, а число ионов очень большое). Тогда п,=п° и п^п°«ехр(-н2/г2)

11 Ф ф с

В обоих случаях точность счета составляла не менее о.01%.

Анализ ошибки аналитического решения относительно истинного (точнее численного) при разных значениях параметра и /к^ в интервале и^ показал, что ее можно эмпирически выразить как:

стах _ 72.н ± 2 (%)

^среднее _ стах^3

Таким образом, это доказывает возможность аналитического использования перезарядного свечения для расчета концентрации с точностью до малого параметра н /н,,. Пример расчета приведен на рис.3

Данный оптический метод является относительным. Для получения абсолютных величин концентрации необходимо задавать, из других независимых измерений, величину полного числа ионов в облаке 1-к.

В_главе_5 приводятся результаты экспериментов по лабораторному моделированию явлений в космической плазме с применением новых разработанных методов оптической диагностики. Эксперименты проводились на специализированном лазерном стенде КИ-1 с вакуумной камерой размером 01.2*5 м и источниками однородного и дипольного (с моментом ю МТл-см3) магнитного поля.

Один из основных, обобщающих, выводов из проведенных экспериментов можно сформулировать следующим образом: было впервые обнаружено и доказано, что собственное интегральное свечение лазерной

плазмы, часто используемой для фотографической диагностики, не отражает истинного пространственного распределения и конфигурации плазмы и, в общем случае, не может быть использовано даже для качественного анализа, и что только свечение в линиях, возбуждаемых перезарядкой позволяет обнаружить истинную картину пространственного распределения плазменных потоков. Помимо этого, в каждом из проведенных экспериментов применение разработанных методов позволило получить новые физические данные о процессах взаимодействия плазмы с магнитным полем.

В параграфе 5.1 описываются условия экспериментов и дается экспериментальное обоснование по применению разработанных методов диагностики. Квазисферическая лазерная плазма создавалась облучением сферической капролоновой таблетки импульсом со2-лазера с интенсивностью о10 Вт/см2 и имела следующие параметры: скорость разлета VQ-i.5-ю7 см/с, полная энергия eq=io Дж, число ионов в облаке Ni=io17. Для возбуздения перезарядного свечения напускался водород н2 до давления 4* ю-4 Topp. Свечение плазмы регистрировалось ЭОПом с экспозицией 50 не. Для получения спектральных снимков применялся интерференционный фильтр с пропусканием в интервале 579.5-580.5 нм, и пропускающем в данных условиях только излучение линии 580.1 нм иона с43 на переходе 3p-3s с временем высвечивания 10 не. Как известно из других работ, при перезарядке иона с44 на водороде образуется ион с43, возбужденный преимущественно на уровень Зр. Таким образом, фотографии плазмы в указанном фильтре отражали прямым образом интенсивность перезарядки и, значит, распределение концентрации иона с44. В свою очередь, этот сорт ионов содержал примерно 60% всего заряда и 70% всей энергии облака плазмы. Параметры перезарядного взаимодействия были равны: R -{U.'c./iп)1/г % 4 см, в =(п о-.)-1= 20 см, т.е. необходимое для

С Д. 1 СГ ф 1

применения метода условие Rc« R^ в достаточной степени выполнялось.

В параграфе 5.2 излагаются результаты экспериментов по взаимодействию расширяющегося плазмоида с однородным и дипольным магнитным полем.

В однородном поле исследовалось два наиболее характерных для данной задачи случая, определяющихся параметром замагниченности «=Rh/Rb, где Rh - Ларморовский радиус вращения ионов, a Rb=

(3Eq/b2)1/3 - классический радиус торможения плазмы магнитным полем.

В случае е>\ было показано, что собственное интегральное све-

чение плазмы подавлено на фронте облака и имеет минимум в области градиента магнитного поля (скин-слоя), в отличии от перезарядного спектрального свечения, на которое включение магнитного поля влияет слабо (рис.4). Такое поведение интегрального свечения плазмы объясняется его рекомбинационным характером, и полностью соответствует результатам и анализу, приведенному в главе 3 и 4. Полученные результаты показывают, что фотографии собственного свечения плазмы отражают (по эффекту минимума) конфигурацию магнитной каверны в плазме.

В случае «<1 применение нового спектрального метода позволило впервые в лабораторных условиях получить истинную картину близкого к гидродинамическому растекания заторможенной плазмы в виде "бутылки" с узкой горловиной размером порядка ориентированной вдоль магнитного поля (рис.5). Фотографии плазмы в сходных условиях, полученные в других работах не обнаруживали подобной структуры, так как отражали, в основном, рекомбинационное свечение. Зарегистрированная освсиммвтричная структура течения позволила, после применения процедуры Абелизации и процедуры обработки первзарядого свечения, изложенной в главе 4, рассчитать изолинии концентрации плазмы, показанные на рис.5. По изолиниям концентрации отчвтлиг проявилось сжатие плазмы в горловине "бутылки", что полностью г ' твердилось зондовыми измерениями, которые зафиксировали увели^ потока плазмы в десятки раз на далеких расстояниях от мишени («8'1?ь) в узком телесном угле вдоль оси симметрии.

Данный лабораторный эксперимент по основным параметрам подобия соответствовал хорошо известному активному эксперименту АМРТЕ (март 1985г.) по выбросу облака бария в геомагнитном хвосте. Сравнение фотографий плазмы в одинаковый безразмерный момент времени •ь/ть% 5 (для АМРТЕ это соответствует примерно ю-12 минутам после выброса бария) показывает, и в том и в другом случав, наличие тонкой струи плазмы (сгущений плотности), вытянутой вдоль поля и длинной около (7^8)'ИЬ , и более разреженного гало с размером поперек поля (3^4)•Иь. Подобное соответствие подтверждает достоверность как лабораторного моделирования, так и разработанной методики.

Еще болев перспективным оказалось применение нового метода в экспериментах с дипольным магнитным полем, так как возникающие в этом случае картины течения плазмы настолько сложны, что недоступны локальным методам измерения, даже по большому количеству пространственных точек.

Из рис.6 видно, что, как и в однородном поле, обычное фотографирование плазмы не несет никакой информации, так как ее собственное свечение в основном связано с медленной и не содержащей анергию частью плазмы. И только в газе и в перезарядной линии свечение показывает истинную картину расположения той части плазмы, в которой была основная начальная анергия облака. Фотография в газе, но без фильтра обнаруживает промежуточные черты.

В данной работе подробно описываются результаты обработки и анализа фотографий свечения плазмы, полученные в аналогичной рис.7 геометрии в момент времени 1-0.55 мкс от начала еэ образования. Четыре снимка плазмы в линии иона с43 в разных условиях (с газом и без газа, с полем и без поля) позволили получить картину распределения интегральной по лучу зрения концентрации плазмы во всей плоскости наблюдения и описать количественно характер перемещения частиц и величину потери кинетической анергии плазмы к данному моменту времени. В частности, было показано (и подтверждено контрольными зондовыми измерениями), что, помимо обычного торможения ионов вдоль их начальной скорости разлета, происходит их значительное перемещение вдоль линии магнитного момента диполя. Анализ величины потерь анергии плазмы в зависимости от направления разлета %> показал, что торможение ионов имеет почта пороговый характер и происходит на расстоянии .5-^с^») от мишени. Здесь величина и^р) есть классический радиус торможения плазма, вычисляемый в рамках идеальной МГД-модэли в секторном приближении.

В заключении сформулированы следующие основные результаты работы:

1) Исследование спектральных свойств лазерной плазмы при ее расширении в фоновой нейтральной атмосфере низкой концентрации показало, что свечение плазмы определяют два независимых механизма - рекомбинация и перезарядка. Характэр поведения линий свечения ионов разбивается соответственно на три типа - рекомбинационный, перезарядный и промежуточный, что зависрт от потенциала возбуждения линии, перезарядного уровня накачки и концентрации фонового газа. Были установлены формулы, описывающие зависимость свечения тех или иных линий от расстояния до мишени и концентрации газа. Проведенный анализ позволил, в частности, измерить сечение перезарядки иона С"15 на молекуле водорода н2.

2) Исследование спектральных свойств лазерной плазмы при ее расширении в вакуумном магнитном поле показало, что свечение плазмы оп-

ределяют также два независимых механизма - рекомбинация и ударное возбуждение электронами, нагретыми в процессе взаимодействия плазмы с полем. Характер поведения линий свечения ионов аналогично разбивается на три типа в зависимости от уровня возбуждения линии и температуры электронов.

3) В целом исследования показали, что спектральное свечение лазерной плазмы при ее взаимодействии с внешними средами определяется, как минимум, двумя независимыми механизмами возбувдения, которые действуют наиболее эффективно на свой определенный круг линий свечения и интенсивность действия которых зависит от интенсивности взаимодействия плазмы с внешней средой. В результате этого спектральное свечение носит сложный и неоднозначный, с точки зрения интерпретации, характер. В экспериментах по моделированию взаимодействия плазменных облаков с магнитными полями различных конфигураций было доказано, что интегральное свечение лазерной плазмы, часто используемой для фотографической диагностики, не отражает истинного пространственного распределения и конфигурации плазмы и не может быть использовано даже для качественного анализа. В определенных условиях это свечение можно использовать для визуализации пространственной конфигурации магнитной каверны в плазме, что связано с нагревом в ней электронов и резкому изменению свечения.

4) Проведенные исследования позволили разработать новый метод индикации абсолютного значения температуры электронов лазерной плазмы в электронвольтном диапазоне. Метод основан на эффекте минимума свьчвния отдельных линий ионов, проявляющийся в процессе нагрева плазмы при ее взаимодействии с магнитным полем. Метод малочустви-телен к плазменным параметрам и атомным константам, что связано с сильной зависимостью интенсивности рекомбинации и ударного возбуждения от температуры электронов.

5) Разработан новый оригинальный метод оптической диагностики концентрации ионов лазерной плазмы. Метод основан на возбуждении, посредством напуска в экспериментальный объем нейтрального диагностического газа низкой концентрации, перезарядного свечения отдельных линий ионов. Регистрация этого свечения посредством мгновенного фотографирования с применением фильтров на определенные линии ионов позволяет получать пространственную картину изображения потоков плазмы, количественно отражающую распределение ее концентрации. Метод прошел экспериментальную проверку посредством сравнения с данными зондовых измерений и подкреплен теоретическим анализом и численными расчетами. Применение нового оптического ме-

тода доказало, что в некоторых случаях только с его помощью можно фотографически зарегистрировать истинную конфигурацию плазменного облака.

6) С помощью новых разработанных методов оптической диагностики были получены следующие физические результаты:

а) Построена количественная картина распределения концентрации плазмы, растекающейся в форме "бутылки" на поздней стадии взаимодействия с сильным магнитным полем. Установлено соответствие по параметрам подобия с натурным экспериментом АМРТЕ.

б) Выявлены новые детали в характере перемещения частиц и количественно описана геометрия процесса торможения плазмы в эксперименте по взаимодействию лазерной плазмы с дипольным магнитным полем.

Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в статьях:

1) Оришич A.M., Шайхисламов И.Ф.

Спектральная диагностика плазмы, расширяющейся в фоновую среду и магнитное поле. ПМТФ, N3, сс.13-19, 1992

2) Захаров D.n., Оришич A.M., Снытников В.Н., Шайхисламов И.Ф. Использование процесса перезарядки в спектральной диагностике плазменных потоков.

ПМТФ, N3, сс.174-180, 1994

3) Шайхисламов И.Ф., Антонов В.М., Захаров Ю.П. и др. Применение процесса перезарядки в оптической диагностике взаимодействия лазерной плазмы с дипольным магнитным полем. ПМТФ, N4, сс.9-15, 1995

4) Захаров D.n., Оришич A.M., Пономаренко А.Г., Шайхисламов И.Ф. Нагрев электронов в условиях аномального проникновения магнитного поля в расширяющиеся плазменные сгустки.

Доклады 10 Европейской ШКОЛЫ "Plasma Physics", ТбИЛИСИ, 1990, World Scientific, Singapure, pp.184-202, 1991

5) Пономаренко А.Г., Антонов B.M., Захаров D.n., Мелехов A.B., Никитин С.А., Посух В.Г., Стояйовский В.О., Шайхисламов И.Ф. Лабораторное моделирование глобальных магнитосферных возмущений, вызванных противоастероидными ядерными взрывами большой анергии.

Доклад на Международной конференции "Проблема защиты Земли от столкновения с опасными космическими объектами". Снежинок, сб.тезисов, чЛ, с.92, 1994

6) Zakharov Yu.P., Antonov V.M., Melekhov A.V., Hikitin S.A.,

Fonomarenko A.G., Fosukh V.G., Stoyanovsky V.O., Shaikhislamov I.F.

Simulation of astrophy3ical plasma dynamics in the laser experiments.

Proceedings of 12-th Intern.Conf. "Laser Interaction and Related Plasma Phenomena" (Osaka, Japan, 1995), AIF:NY , v.12, pp.347-353, 1996

Автор выражает благодарность Пономаренко А.Г. за постановку задачи, и Оришичу A.M. и Захарову Ю.П. за научноэ руководство.

Давление фонового газа (Topp)

Рис.1 Интенсивность свечения двух линий иона углерода с43 в лазерной плазме в зависимости от давления фонового газа (н2) в вакуумной камере. + -580.1 нм (1=39.7 ЗВ); о - 465.8 НМ (1=58.5 3В) Свечение линии с потенциалом возбувдения 39.7 эв возбуждается квазирезонансным образом при перезарядке иона с и линейно растет с давлением. Свечение линии с 1=58.5 эв сперва уменьшается с давлением, поскольку возбувдается преимущественно рекомбинацией, а при больших давлениях также начинает чуствовать перезарядную накачку.

Юа

ч

<и

К о

0) к к й) а 0} (9 О

1 1

0.1

-|-1-1-1-1-1-1

3 4 5 6 7

Расстояние от мишени (см)

Рис.2 Интенсивность свечения двух линий иона углерода с"" лазерной плазмы в зависимости от расстояния и, которое элемент плазмы пролетел во внешнем магнитном поле. Независимыми измерениями было установлено, что температура электронов в плазме увеличивается с и.

+ -580.1 нм (1=39.7 ав); о - 465.8 НМ (1=58.5 ЭВ) Учэсток уменьшения свечения линий соответствует преобладающему влиянию рекомбинационного возбуждения линии. Участок роста свечения с н соответствует преобладающему влиянию ударного возбуждения горячими электронами. Видно, что линия с большим потенциалом возбуждения начинает испытывать влияние нагрева электронов позже. Сплошная линия показывает поведение свечения в отсутствии магнитного поля.

Рис.3 Пример численного расчета перезарядного взаимодействия разлетавдегося облака лазерной плазмы с однородной нейтральной средой.

- концентрация ионов, ыг - концентрация нейтралов фона, Jr - расчетное перезарядное свечение ионов, лг - перезарядное свечение ионов, вычисленное по аналитической формуле.

Параметры расчета: Нс=5 см, я^-20 см, момент времени соответствует разлету облака до ио-15 см.

Начальное распределение концентрации ионов однородное.

Рис. 4

Фотографии плазмы в однородном магнитном поле (направлено перпендикулярно плоскости рисунка) на ранней стадии взаимодействия. Масстяб 1:48.

(а) - собствогаюо интегральпоо по спектру свечение плазмы

(б) - свечонне в жиган 580.1 им иона с , возбуждаемое перезарядкой на газе.

Такжо изображены кривые почернения фотографий в одном из направлений ст минета. Штриховал линия показывает профиль магнитного поля з в тот-же момонт вромени.

г

Рис.5

Фотографии лазерной плазмы на поздней стадии ее взаимодействия с однородным магнитным шлем.

а) собственное интегральное свечение плазмы

б) интегральное свечение в присутствии диагностического газа

в) свечение в линии 580.1 нм иона с43, возбуждаемого перезарядкой на газе

Только на фотографии (в) проявилась истинная структура растекания плазмы.

Также показаны изолинии концентрации лазерной плазмы (в единицах

ю12 см"3). Отчетливо проявилось растекание плазмы вдоль магнитного поля (ось г) и формирование сгущений плотности вдали от мишени (расположена в центре координат). Изолинии плотности получены посредством Абелизации свечения на фотографии (в) и расчета по новой разработанной методике оптической диагностики. Масштаб рисунков

Рис.G

Фотографии лазерной плазмы на поздней стадии ее взаимодействия с дипольным магнитным полем. Схематично показан корпус диполя, магнитный момент которого направлен вверх в плоскости рисунка. Масштаб 1:8.

а) собственное интегральное свечение плазмы

б) интегральное свечение в присутствии диагностического газа

в) свечение в линии 580.1 нм иона с , возбуждаемого перезарядкой на газе

Только на фотографии (в) проявилась сложная кольцевая структура плазмы.

- ?.з -