Об особенностях некоторых атомно-излучательных процессов в плазме с участием продольных плазменных волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

V1. •

го-:...,

БУ1э/1ч>.; га.. -

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСЕЕЙ СКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИИ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВеПШЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Ступко Евгений Геннадьевич

УДК 533.9.082:523.164

об особписстях некоторых АТОДЮ-ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

в ш1А?::к с участием продольных плазменных воли

01.04 03 - Радиофизика, в том числе квантовая

Автореферат диссертации на соискание ученей степени кандидата физико-математических наук

Иркутск - '.952

Работа вьлолнена в Отделе автоматизации и технической физики при Президиуме Иркутского научного центра.

Каучний руководитель: кандидат физико-математических наук И.Ы.Ойрингель

Официальные оппоненты: доктор физико-катематнческих наук профессор Цытосич В.11. штдндат физико-математических наук То;-озов В.К.

Егду^я организация: Шмегородскнй государственна

университет ии. Н.Н.лобачепркого

еътл^л 1992 г. в 10

Заазпга состоится 1992 г. в Н/ часов

ка заседатаи спецкалкэкроаанного совета Д 063.32.03 с 1!р;<утскоа государственном университете по адресу: 664003, г.Нркутск, Судьйар Гагарина, 20.

С диссертацией иагно ознакомиться в библиотеке ИГУ.

Автореферат разослан

1992 г.

Учк&гЗ секретарь.

сз^^а^кэдравакиого саагта Кангазеев Е.Б.

Важнеигаее место в развитии квантовой радиофизики занимает разработка методой диагностики плазменных сред по характеристикам излучаемых ими атомных линий (радиолиний).

Настоящая диссертация посвящена теоретическому рассмотрению ряда -«♦фонтов озаимодеиствия атомных систем с коллективными плазменными полями (элементарные атомные процессы и перенос излучения в линии в плазненной среде), а также связанных с ними новых методов диагностики плазмы.

Ант.ч.-ьн'> ть Наблюдения космических объектов в радиодиапазоне служат мощным инструментом исследования нашей Вселенной. Немаловажную роль при этом играет наблюдение радиолиний атомов и молекул, по характеристикам которых (форме линии, ее интенсивности. доплеровскому смещению и т.д.) можно судить о 'физических условиях в самых удаленных астрофизических областях. Так, известная линия водорода 21 см о настоящее время слуютт едва ли не единственным источником информации о скоростях удалетшх от нас облаков межзвездного водорода, а такяе о крупномасштабном распределении этого элемента во Вселенной.

В то !гэ время известно, что больпая часть вецества во Вселенной находится в плазменном состоянии, а одним из гласных свойств плазмы. отличак;их ее от газовой сред*. является воз-модаость коллективного поведения ансамбля состазляосих ее заряженных частиц (конов и электронов). Коллективное поведение плазменной среды проявляется, в частности, л возмоадзетк возбуждения в ней бол! tc.ro типа волнегых процессов - плазменных волн, наличие которых заметным образ см 'особенно в турбулентной плазме) ыолет сказываться на характеристиках атохно-излу-чательных процессов, протекгггэ^х в такой среде [Ойрингель И.И., Клейман Е.Б. - "Излучение атомов в космической плазне", - Но-

сосибнрск: Наука, 1934, 130 с.1. Поэтому исследование наблЕДа-екых проявлений взаимодействия атомных систем н излучения в линиях с коллективными плазменными полями представляет иерно-степенкий научный интерес. Причем, необходимо о.метить, что до последнего времени исследования в этой области п основном касались почти исключительно проблем старковского уширсния линий турбулентны;«) плазменными полями и сателлитов запрещенных ли-[Оке Е.А. - "Спектроскопия плазмы с ниазимонохронатически-ми электрическими полями", - М.:Энергоатомиздат, 1990. 238 с.1. что отнюдь не исчерпывает весь диапазон возможных на этом

г"-''г.--: рг.г.р-'ботка катодов, позьсл~знх исследовать н прзгиэиг.ра!/-:-?; различм' всзко<ак.?тк с-етрадидиоимос проикг -к;;.; к^л^/'Тнйикх чтея -у,:у-п~ -

г : . и;: с;одг (^лсу^нтг-рние ¡¡¡"ОЦ;.: си и п^г . ..

|:з;:учеш;л к :

- ик>.»и-1 подход для регч.-гл веротгностей гавения кет;.гтаг..;.-л'ь-> состоннн-'. г ;..:.-•«'» как за счет изаино-лс (и-.елмзы.и'. и.х-.на), так и индивидуаль->;г,.Ч '(сга^^:;^; с зарясь ык» чч-тн^акк) спгтг^л-

- с го 'згиг пз£*г&> рзечктат! нр<*мч жизни

Г.ТО.-'Г . С».-1'Г.".!.'.,.Ч в рзкнгг 'СНОП и-КЗОТС-ркИ-

- рьечкгмь с цссаг^" ьаажэгичнаго подхода вр?мч яаини к.•> гиг?.,иклыюге ыо;.-:ого сэстэсаи I- турбудя--« .... плазме. прз-.• ^¿»аелл», с;,",4^1,1 л;г «•!.. зхехтронэз >■.-м „-г.-.-сти .

- рагчкта«. ьерст:..;-сгь а го-, ого перехода нелду близкими

■ 'Ячта! е, 1'.. .-г;-:- огдз»?:

- рагчитать вероятность фотон-плазнонной рекочбкнсц:г1| ПЛ1ЧМС, н"пол1.чу;| вторично-квантопанное представление плл.1 ленгмгр да них ноли ( плазч'чю»);

- ¡'-¡считать |«>роятн >сть отрыва электрона за счет испускания мл) «м н.) и области энсямльнсго ^ф|}ркта Доплера (АЭД) от отри-п;'.т"л1 них ИЗО Л» Ь Е-СССТОЯНИИ (И . 1Л , К И Т.Д.), ДО«Ч1уЕИХ-гя » плазм". и предложить тестовый эксперимент для наблюдения :<того :>ф{;екта,

- разнить математический подход для ресения задачи переноса излучения ы линии в газовой среде с турбулентной плазменной компонентой в нелинейной постановке;

- провести численное моделирование процесса переноса излучения в линии в газовом слое с турбулентной плазменной компонентой, имея ввиду изучение влияния распадшх принес"' типа "фотон о фотон + плазмон" на форму линии выходящего из слоя излучения;

- дать рекомендации по возможности диагностирования астрофизической плазмы по наблюдаемым особенностям профилей радиолиний (а так*е других узких линий).

У ртч с. гк а исс л".-у ни я Основные результаты диссертации получены на основании последовательного квантонсгпханического подхода к списании атомных процессов и феноменологического описания плазменной среда (задания ее диэлектрической проницаемости). Численные решения задачи о переносе излучен.чя в линии получены с использованием срип-нального алгоритма ресения системы интегро-дифференциалькьо{ уравнений на трехмерной разностной сетке.

Нат-кая новизна В диссертации предложен метод расчета времени сизни нетастабильного атомного состояния в плазяе,

позсоля^ций с единых позиций вычислять вклад в сирину этого уровня от взаимодействия как с индивидуальной, так и коллективной составляй^« плазменного кикрополя; впервые расчитана вероятность фотон-плазыонной рекомбинации в плазме; впервые проводится исследование возыохаюсти отрыва электронов от отрицательных нонов в плазке за счет излучения ими плазмонов в области АЭД; впервые численно исследуется н^л^н^Ен.^ч задача о переносе излучения в линии в газовой среде с турбулентной плазменной компонентой.

Практическая нрнчгуггь работы состоит в возможности исполь-зопанда иайде!гных вероятностей распада ыетастабилышх атомных состотшЯ атоков в плазые для диагностики пдазкы атмосфера Солнца и звезд по характеристикам радиолинии 3 см атома ссдорода; диагностирования плазкы по отношениям ннтенснвностей кадюнент тонки! структуры линии 1-а водородоподобных ионов: в предсказании возможности создания в лабораторных условиях инверсной населенности в пучке быстрых атомов за счет излучения пяазмоноз с области АЭД при пропускании его через т>"р5ул£нт!!уз плазму; в гоучещш возможности диагностирования турбу.Ее!гшйй пхазкы астрофизических объектов по профилям рл-даанааш (н яругах г;аый с уэки;сн гаринаки) из этих областей.

1) резкгг е/зспД «егод расчета скоростей гасення кетаста-атсйаск систем в ог.аз«е как при столкновениях с заря-сааг^п чгеигца;.;! пяааьи. так и взакодеДстБНн отоиа с келлек- . поагоа;

С) падучела сре^мш аежм иетапгабялыаи атоииых состояла г. 1.отер;-еской равновесной ыазле, н дана ингерпрета-С^а смагнызэго стиасакаа интенсивен эстей компонент тонкой

структуру водорпдсподсбнцх нсноз з лазерной плазме;

3) получеки времена вязни кетастабилыых атсг-шсс ссстс::. \ в турбулентной плазме, пронизываемой пучксм гсрячн:< Г'л^кт-ронов малой плотности. Показано, что при достаточно ечссусч уровне турбулентности в плазме солнечной корона коллсктие!-:^.! механизм снятия иетастайильности (взаимодействие с полем ленг-мвровских волн) состояния 23.^2 атома водорода метет приводить к ооедненнз его населенности по сравнении с прадсказагаяки столкловителып« моделей;

4) оценены вероятности процесса дзухквантозс:! фотсн-плазмонной рекомбинации э основное состояние водородсподой.чсго иона в плазме в квазиклассическоя и борцовском предельных случаях. Показано, что в кпазикласснческом пределе сечские этого процесса нозет быть сравнимым с сечением одноквантовой рекомбинации, что долило приводить к изменения частотной зап:«сн.чос-ти спектра фоторекокбинационного излучения плазму. 3 борцовском пределе сечение указанного процесса.«ало по сравнения с соответствуй™ одноквантозш сечением;

5) расчитана вероятность отрыва электрона от отртшдтель-ионов а з-состоянии," дБИяутзкся в плазме, за счет излучения имя плазмонов в области аномального эффекта Доплера (ЛЭД). Показано, что результаты расчета с использосашеи различи» форм гамильтониана взаимодействия "нон » поле плазксноп" существенно различается. Для разрешения этого противоречия пред-чежен тестовый эксперимент;

6) выведены разностное уравнения н проведено чяс-екше моделирование процесса переноса издучеши в линии в газсвся слое с турбулентной плазменной компоненте^. Показано, что влияние рассеяния излучения □ линии на плаз^сках (рзсяасззс про-

цессов) ноиет приводить к уширению линий, если плазменная частота порядка или меньше атомной ширины, либо в противном случае к появлению плазменных сателлитов линии. Кроме того, в наиболее интересном случае газовой среда, далекой от состояния термодинамического равновесия, рассеяние на плазмонах может приводить к образованию плато на месте провала в центральной части профиля выходяцего излучения с самообращением;

7) аналитически и численно расчитаны сечения гашения мета-стабильных состояний 23^ водородоподобных ионов при столкновениях с многозарядными ионами с учетом искривления их траекторий .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей и 7 тезисов докладов на Всесоюзных и международных конференциях.

Обгсм 1! структура г^отн Диссертация состоит из введения, четырех глав (одна из которых посеядена обзору литературы), заключения, приложения, списка литературы из 115 наименований, 18 рисунков и 3 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ро Е^рденяи обосновывается актуальность темы исследования, кратко обсуцгастся современное состояние и история развития теории коллективна* пламенных процессов, формулируется цель работы и ее структурное построение.

3 Г.и~ j 1 дается подробный критический обзор (по доступным нои.икам) современного состояния исследований по взаимодейс-ппье атомных систем с коллективными плазменными полями с анализом возможных "ча^кипуюиих" проявление коллективных эффектов ■ гакторов. обусловленных бинарностокновителькыми процессами.

В Глчр? 2 рассматривается ряд hceitx эффектов, вызыпаекых взаимодействием коллективных плазменных полей с атскныки системами в плазменной среде (на уровне элементарных прсцессоз), которые могут качественно объяснять и предсказывать некоторые "аномальные" (с точки зрения бинарностолкновительноЯ теории) наблюдательные данные в атомных спектрах плазмы, как в лабораторных, так и в астрофизических условиях.

А именно, рассматривается следусцая цепочка элементарных л томных процессов в плазме:

3 § 2.1 решается задача о срекени .тазнн метастабилышх атомных состояний в неизотйрг!ическон плазме на оснозе подхода, связанного с представлением плазменного минрополя в виде спектральной плотности флуктуации напряженности электрических нолей [Виноградов Л.В., Севелько В.П. - ЯЭТЗ, 1976, 71, 10371044]. В рзхках единого подхода получены времена кигн» аета-стабндыглс ссг.тс.::::!:'! как при взэимодействки с далекими части-ivi::h ::п. -ч^т поляризационного механизма взаимодействия аточа с ионньгп волн?;-:;'., так и при близких соударениях с заряженным! частнцаки внутри Дебаевской сферы [Коган В.Л., Лисица B.C., Седидся:;:!!» А. Д. - ЗЭТФ, 1973, 65, 152-167]. Новьы' результате;» при этом является аналитическое выражение для обратного времени :шзнн нетастабилыюго состояния в плазме с учетом его взаимодействия с тепловым полем ионкк волн, которое о дали от резонанса (наиболее реальны;! случай и » fjj) имеет вид:

Шя)1^ а.г., Т 1

l/W—--Г^ 7372 ' »»

3 ,Ti ч а Lt

где и - частота перехода меяду нетастабилыаа» (0) н блнжа&яя

2 1/2

излучавшим (1) уровнями, П.«(4ет^е^/11) - ленгкгроаская ион—

пая частота, п^, Т^ - ионные плотность и температура плазмы, 1/2

е^, Н и - заряд, масса и тепловая скорость

ионов, Те - электронная температура плазмы, у - константа затухания ближайшего излучающего уровня, а^е^^/ь, с^ -матричный элемент дипольного момента атома на переходе 0 ->1, а

Ц= In

2 3

znrr

1 е

» 1 (и - масса электрона).

При этом показано, что в наиоолее интересном с точки зре-

2 ,

кия приложении случае » 1 (здьсь /j. - параметр Нес-

ся, характеризующий адиабатичность взаимодеиствия между мета-стабилькым и плазменным ионами при бинарных столкновениях) скорость распада метастабильного уровня за счет поляризационного механизма взаимодействия с полем ионных волн, определяемая й<->ри»ь<ииг- 'f. . г-с^г"«"" сиплость его радиационного рас-

плазмы при'л:лс?:м.

ßf3 — > 3.6 (r/u)"1/3— (2)

. ' Ti ni

Условие (2) использовано для интерпретации аномально больного отношения интенсивностей компонент тонкой структуры линии La (линий. 2P1/2-lS, 2P3/2~1S)> наблюдавшегося в лазерной плазма [Бенгкан И.Л., Бойко В.А., Пикуз С.А., Фаенов А.Я. ЮТ*, 1976, 71, 975-983] за счет дополнительного вклада в интенсивность линии 2Pj/2-1S неразрешимой от нее запрещенной линии при условии больной оптической толкины плазвы в

резонансной линии L .

а

Е частности показано, что условие (2) выполняется для из-

19 -3

ь -.ныл параметров лазерной плазмы (Т0=< 0.8 Кэв, п^Ю см )

при уровне нензотермичности плазмы Te/Tj г 100, а если учесть такяе искривление траекторий сталкиваггз-ссся ионов (что способно, как показывается в Приложении 1, понизить бинарностолкно-вительное сечение высвечивания уровня 2S при Zj, Z » 1 на порядок величины) - дане при уроЕне нензотермичности Т г 10.

В § 2.2 рассматривается задача о затухании нетастабильного атомного состояния п неравновесной плазме, пронизываемой пучком быстрых горячих электронов. В качестве механизма снятия метастабильности рассматривается взаимодействие атомной система с полем ленгмюровской турбулентности, спектр которой стабилизируется нелинейным механизмом сдвига собственной частота ленпетропскнх колебаний [Ситенко А.Г. - "Флуктуации и нелинейные Г!Оз:!г.!оде:';ствия ьелн в плазме", Киев: Каукова Дуика, 1977, 248 е.). При этой данному механизму на квантовое /пыле отвечает фотон-:!.1:;й переход в основное состоите атома, кнду-(^рсзги'яй .;э ; >:лу плгзлонов [Ойрянгель И.Я., Клейман Е.С.

••>••<- чтемов в космической плазме", - Новосибирск: Наука, 19-4. 136 с.1.

3 этом случае такта получено шгравекие для скорости затуха-!:'."■ ••зтастабилыгого состояния за счет пзан"одейстпия с турбу-.гг.тндаи пульсациям плазны:

т^пеп и4 2 ( г 7

" 75 lr2+!o-Q )2 + у^+(<ЖЗ ) j '

ie ■ е е '

ed,

} , СЗ)

где введено обозначение а - —— , л , v„ кТ /в - плотность в p. ie a

n

7 1/2

:< теплела/! скорость электронов плазны, Q »(4от о'/а) - лене к

ггвсрсвская электронная частота, а и - скорость э.".г--т:—гг~:~ ка (и > ит„).

Показано, что для случая турбулентной водородной плазма, когда в бинарностолкновительном приближении гашения метаета-бильного состояния 2S определяется неупругим перебросом электрона при соударениях с протонами (р^« 1, "парселловский" механизм iPurccll E.H. - Astrcphys. J. , 1952, ГИ>, -157-462; Коган Б.Л., Лисица Е.С , Селидовкин А.Д. - ЮТФ, 1973. 6Г, 152-1671) на ближайшие уровни 2Р время жизни этого состояния выражением (3) (за исключением случая совсем налах плотностей,

когда доминирует двухфотонный распад) вплоть до электронных

,,42

' 12 ^Te^Ti -3 плотностей n ~ 2.6 10----см (и- , и_. , и - вы-

ит Ыь/ß.) Те 11 it' i

ражены в см/с).

Наилучшие условия для проявления данного механизма снятия иетастабильиости существуют, по-видимому, в хромосфере и ко-

рсне Солнца (п* 103-1011 см"3, Те" 104+107 К), т.к. при ука-

• g 12 -3 зак;ых температурах плазмы пе =10+10 см , и следовательно, вреыя жизни состояния 2S определяется в этих условиях выракениен (3). При этом источником быстрых электронов могут служить, например, хромосферные вепкшш.

В связи с этим обращается внимание на обобщенные недавно данные многолетних наблюдений Солнца в радиодиапазоне, указывающие на присутствие ц, спектре солнечной атмосферы радиолинии 3 см [Дравских Л.Ф., Дравских З.В. - Лстрсн.

жури., 1923, 65, 199-^02]. То что эта линия наблюдается не в спектре поглощения, как предсказывалось ранее (iiild J.P. Astrcphys. J., !952, 1X5. 206—221!, а как истинная линия, мо-свидетельствовать об уменьшении населенности уроьня 2S по г г ¡«оигнив к предсказания* чисто сголкнсвите..'ыек моделей гашения митастабилььости, что как раз и следует из проведенного в

диссертации рассмотрении.

В § 2.3 рассматривается задача о скорости неупруп"* переходов мевду близкими атомными уровнями в плотной лазерной пгаз-ме, в случае когда частота иоших колебаний плазгды «слет б'-г'. сравнимой с частотой атомного перехода. Эта задача ва-ша з связи с тем, что узирсние линий в плотной плазме определяется в основном неупругими столкиосителыилги переходами üüsüi'.o :-:е.-з-ду близкими уровнями (неэду компонентами тонкой структуры).

Для реоения зтей задачи используется подход работа [E;:i:cr-радов A.B.. Пезелько В.П. - ЮТФ, 1976, 71, 1037-10-441, з которой исследовалось влияние поляризационных плазкетк-: эффок-тов на скорости атомных переходов с малым дефектом резсканса для случая менее плотной плазмы (когда частота атомного перехода мояет быть сравнимой с электронной легжровской частотой). Следуя постановке задачи в этой работе, найдено выражение для скорости неупругих переходов с ¡палый дефектом резонанса за счет взаимодействия атома с полем иенных волн (склад области прозрачности этих волн); которое но.чет превосходить со-ответствуткий столкновительмый результат (обусловленный столкновениями с электронами) при условии:

3 а , ,2 ° /т/2 -

а In. а

ТГ2-Г

Lul/ü0 " 1

К> 1, (4)

/ 3 , 2

где a=uTe/(ü0R0), У.0= • % " ир=ктегкЯ

радсус взаимодействия атом с налетагг^м злеятрсно*,«, К^ - -функция Макдснальда первого порядка.

Выражение (4) справедливо при услоггс! 1 < а з < fi , г,".л

_ т а

2 е

ß '--, т. е. при услсеин, что какая частота а^ не сн~.:аа

7i3

отличается от частоты перехода иа параметр х^ был порядка а

2

(Хд£ а), поскольку в противном случае К^(х0/а) в (4) экспоненциально убывает (х^/а » 1).

- Показано, что в области атомно-плазменных параметров, удовлетворяющих условив (4), зависимость от них скорости неупругих переходов Н существенно иная, чем в "классической" плазме, где влияние поляризационных плазменных эффектов при а » 1 мало. В

частности, температурная зависимость Н становится степенной: 3/2

И = ■ и " очень чувствительна к величине расстройки

2 2

ионного резонанса и^/и^. Поэтому влияние эффектов ионной поляризации (эффекта рассеяния электронов через ионные волны) для

рассмотренных переходов следует ожидать в узкой области

.. 2

плотностей плазмы вблизи резонансной: п » -„ (1 + 1.5).

'е 4яг( е 1

Приведены численные оценки для скоростей переходов между

подуровнями тонкой структуры водородоподобных ионов, которые

показывают, что влияние эффектов ионной поляризации в плотной 23 26 —3

горячей плазме (пе" 10 +10 см ) в этом случае наиболее существенно для переходов с главными квантовыми числами п г 6, не сливкоы больших значений спектроскопических символов ионов 1 {1 ^ 26), а такгг умеренных температур плазмы (Тез 1 Кэв).

В § 2.4 выводится приближенное выражение для вероятности двухквантовой фотон-плазмонной рекомбинации плазменного электрона в основное состояние водородоподобного иона в квазиклас-

2 2 сическон (2е /Ьи » 1) и борновском (2е /Ьи « 1) предельных случаях (здесь и - скорость рекомбинирунцего электрона). При этом ~ы"^нсления проводятся аналогично вычислениям вероятности фо-^-я.'^змо.чней ионизации водородоподобных исноб в твердотельной плазме [Собельман И.И., Фейнберг Е.Л. - 1ЭТФ, 1958, 34,

494-5001 по теории возиущениЯ.

Полученное сечение процесса фотон-плззноннсЯ рекомбннззг:;: " квазнклассическон предельном случае имеет вид:

(2), , (г (и)

2 тг ' 4 ' 4 [е21 3 ( С, е "Г 32

./7 е hc ао U - Up

(5)

с условием "квазиклассичности" о виде: и - < Op-Z^Ry/ft.

Сравнение сечонич (5} с ссотгетстзуггнм одноксантоЕЦ-! сечением [Собедьман И.И. "Введение в теоркэ аткягех сяахтроз*, М.: Наука, 1577, с. 262] показывает, что сечение (5) ;:о>"ЭТ стать срапниким с ним (по аналогии с тем, что как било показано И.И. Ссбельманом н Е.Л. Феннбергс;:, сечение фотоп-плазпе:!-

ной ионизации мояет бить сравним.?« с сечением еднекга.чтезо:'. о

ионизации) при условии е /hu^a 1.

В противоположном борнссско:* предельном случае (уело**---бориовости u - Uj. » Up) сечение фотсн-плазго;'":-."

имеет вид:

к 5/2

о-(2)Ы

16 9

2тт '

Т72

2,3, 2 е

hu

Те'

(6)

и всегда мало (как 0.1

е2

« 1) по срзиненнэ с ссответстсуп-

hu

Те'

крн одноквантоЕым сечением, поскольку оба сечения (5) и (6)

получены в приближении hu^« сг> /2 « fcTe.

,<2Ь

Приведены сценки спектральной плотности излучения <} (и),

возникавшего при фотон-плазмоник рекскбянгдиях. В частгсст»

(2)

показано, что при сделанных допущениях С} (о) »и в ксазл-классическо» предельно» случае (в то врекя как для одаск&игто-вой рекомбинации зависимость « качествеягю гаая).

- 16 -(2)

а в борцовском - зависимость Q (и) от и такая яе, как и для одноквантовой рекомбинации.

В Гллпя 3 рассматривается круг вопросов, связанных с квантовой модификацией аномального эффекта Доплера в плазме. В частности, в § 3.1 дастся общие представления об аномальном и нормальном эффектах Доплера, а затем (и § 3.2) рассматривается процесс излучения двухуровневым движущимся атомом кванта плазменной среды (плазмона) в области АГ)Д с одновременным возбуждением атома Í Немцов Б.Е. - Письма в ЯТФ, 1934, Т.10. 583593; Kleiman Е.В. & Ojringel I.M. - Phya. Ser., V.39, 1989, рр. 752-753] . При этом в отличие от вышеназванных работ найдено, что учет индуцированного характера такого излучения даже для случая термодинамически равновесной (и особенно турбулентной) плазмы значительно улучшает условия для создания за счет этого эффекта инверсной населенности атомных уровней. Получена следующая оценка для времени создания инверсной заселенности в пучке двухуровневых атомов: .3

где fbl, (7)

тинд* 2 3.2 Р

01 е

I, - размер конкретной квантовой системы, V - ее скорость, а - энергетическое расстояние между ее.уровнями. Ва;аю при этом отметить, что вероятность возбуждения атома за счет излучения плазмона в области АЭД превосходит вероятность его девозбувдения за счет излучения плазмона в области НОГ.Ч4ЛЫ1СГО эффекта Доплера (НЭД) только вблизи резонанса ■ Поэтому для практическом реализации указанного неха-С-Зцаннл инверсной населенности в пучк» двухуровневых -тсмон необходимо использовать плазму, удовлетворявцую этому условию кЕазирезонанга.

7 10 -1

Если принять: и » 3 10 см/с, "01" "р!** Се!<

10 ^см, 1эв, п «Ю^си ^. то для рассмотрение парамет-

роз плазмы и излучателя получим т 5 10 сек, что соответствует длине пробега атомов в плазме ¡зЗОсм. Эта оценка справедлива, если выполнено условие:

и , и и

р!__..__

> 1 . (8)

31ир1+и01ЬТе 6иТе В 5 3.3 впервые рассмотрен процесс отрыза электрона от отрицательных ионов водорода К и ряда щелочных металлоз (1Л , На , К , НЬ ,Сз ) за счет испускании дпияу^ичся иснсм плазнсча в области АЗД. Найден критерий осуществимости данного канала отрыва электронов от указанных отрицателышх ионов п плазме: и и ,

и =--> 1, при Ьо > Гщ , , (?)

сз р1

Те св

где ?"-> - сиергм связи валентного электрона в отр;щательнсч

ноне.

Пссколы.7 для г.;опи отрицательных иояоз энергия связи сранни-г«::^..: "ада (для 1! Ьи » 0.75 сз, и мельча дяя друпк отряптзлышх ^счсз ряда "здочпцх металлов), а та:с:э отсутствует возбужденные состояния, то процесс отрппа от го« са-лечтного электрс:-:! за счет АЗД в плазме чоз"сг:ан при скоростях

п

(и/с!^ « 1 и реальнее ' (не сд::гхс:« боаь'-чх) пяотосстпх плагин, что долило значительно облегчать практ.тчсскуэ реа."::гац;:п ного '\л. Отр'ст;ател: леп'.о '/с:*сс.тзтсл до необходим

кс; скоростей, например, элсатрсстатичесх;':! полем, а таятз удосны длл наЗлЕдення АЗД я том смысле, что для переяедаз элоктрсна в непрерывный спектр отсутствует девсзбуг-даг^З 'актер, сз.тзашшй с НЭД, и ограничение а^ не с5."зате.ть;г-з.

Начислены вероятности отрыва электрона от отрицательных ионов за счет АЭД с излучением плазмона с использованием двух альтернативных калибровок поля плазконов при описании вида взаимодействия атомного электрона с этим полем: и

Н

1ПЬ

е

2ас

е р р-А + А -р

, где ф - оператор скалярного потенциала плазмонного поля (А-0), а р и А - операторы импульса и вектор-потенциала поля плазконов (^=0).

Б первом случае вероятность отрыва электрона имеет вид:

С1 16

—Н = — Е

с1Ь 3*

1

Р1

Ш; (гСет)

К„ (а). где

31 1 1 3 /--

+ — + —5 aгctg / а-1

24а За 16

(10)

(11)

■а величины В и г характеризуют интеграл перекрытия волновых

функций связанного н свободного состояний электрона и энергия

0 2

связи электрона в отрицательном ионе с =11 I /2п.,

св

Во втором случае соответствующая вероятность имеет вид:

'и.

<2

с1

с1Ь

1Л о2

16 0 е р L

— В'--

Зл Ьи (гСеу)'

св

р!

(12)

Л а)-/ а-1

'4 .' 9 1 3 /--

_ +----- - -агс1е / а-1

5 10а 5с 2 ,

, ц>1.

(13)

Отличие выраден;<й (10) и (12) заклвчается в дополнительном 2

большом множителе в и в поведении функций

К, и) н (а). Это расхождение связано с использованием одних и тех гне непреобразовакны:'. состояний системы "атом т поле плаз-при вычислен)!» матричилс элеменгок ■.: разными формами ••¡«•иды-ниас. (неадекватно::-; ыо задания началь-

углоии задачи) в слу значительной расстройки между

частотами атомного перехода и излученного кванта [Быков В.П. -УСМ. 19Я4. (,37-672].

Теоретическое обоснование целесообразности выбора ток или иной формы гамильтониана при расчетах атомных процессов с излучением плазмонов представляет самостоятельный интерес и требует отдельного и. взобзе говоря, нетривиального рассмотрения. Однако в обсужденном высе случае из-за больлои разницы полученных результатов выбор правильной калибровки можо обосновать

экспериментальным путем. В частности, показано, что для плазмы

18 -3

с температурой kTe" 1 эв и плотностьв ng« 10 см при энергиях отрицательных ионов Н 10 Мэв измеряемое сечение отрыва электронов з такой плазме доляю быть аномально велико, если поле плазчсноз более адекватно списывается векторным потенциалом, н близким к чисто столкновительному, - если скалярным.

В турбулентной плазу мс-ет такте наблюдаться дополнительнее угирен"? спектральных линий выходящего из нее излучения при условии, что плазменная частота сопоставима с сирнной атомной линии. г в случае когда плазменная частста превосходит эту •лиркну - образование сателлитов линии за счет так називае.'-ого распадного механизма рассеяния излучения в линии на турбулентных пульсациях (типа "фотон « фотон + плазм:н"i [Каплан С.Л., Пытович Б.Н. - Астрофизика. 1969. TJ*. 21-30].

Задача об уигтлнии спектральных лкн™ и o'.rv г^чии чх сателлитов за счет ратпадного вззиузл' истки, в т .--'.улеегч-^ плазме обсуждалась рш?? только а вылен^званн-,й пизчег-ю:? ре-боте С.А.Капланз и В.Н.йытовича в ли.«гин;'.и постановке, причен рассмотрение ее проводилось аналитическими методами в некоторых предельных случгж сптччески тонк.й газ вой среду с турбулентной плазменной компонентой.

L Г."""' ■! приводятся катекгтичем.ак пзстаноькв " результаты численного гггеаня задачи об yu-npcmni линейчатого нзлу. >»ч кз плзскспарадлсяыюго ело;; дцуцурсг.нес!.-^ атоко» с турбулентной ид."..>хе;:псй квкпокектой за счет расп \;;ного механизма раггеянин ( otu'SD скутрн контура спектра.:: ней „-¡тки. предлагается ор>!ГИ-неге:; [• ' ¡r: i a-rci, (н с&ыи случае '.г.:••••'.'"••■ 'й).

а Г'"-'У<а:,тат:: численного счета дл:; {азллч-к;::-: соотношений ато;<-•.".'..: ¡чаг—^атро;'. : ;;:.гагстрез сра;:а ¡.г^содаточ в гра4ичоско!» ни-Г- ; .ау.гь'гата !•::: акалкаа получено гс.тги-.-'ра'дгнпе сделанного С.А.аачла¡: РЛ!.Ш.ТС.г,чче", ппоаполегенка о ¡.езьа-лю: 7н > ала 'м.а г. т/рЗулсптиг./: оптичс a;-¡: аолстсй плазме за счет

г.ассс;излучения на плазнопах, ;\a;~o если коэффициент рассе-fíBi.-; ETCIO превосходит ссотвстстиукций ПЛа?""ННЫЙ

Показано, что рассеяние излучаннч г. атомной линии на турОу-.-гнтша пульегцднях плазменной кагг.оненти газового слоя способно приводить к следук^ни осиотз-'.ч наблгдагкмн изменениям промял г.]гл;;и:

1) уснргн;:г j-.!a¡,;ií {под;;ят;аа лиа,а- к укеньп^нча сгггенскрност;! с центральной части) в оптически толстой среде;

2) к егхавгаашаа зй-^ьта с&кэсбршеши линии pin излучения V'i с г-ад. дамшзс от состоим;; локального термодинамического раЕцссесия (Л?), с текдени.аай образования плато на месте прэ-Еыа в сеотрагъкой области прочая.

Паскодь^у эффективность распадаого «еханизг.: ьаакмодемствия (рассеяиа "фотол • éotoh + пдазяон*) бистро падает при умень-t-^KSi частоту откос; лелькэ "истинной* (этвечавщей

5. х'^ка стажаго nar-KiSitiia) сираши лкнни. то практнчес-¿..w; : кл-^аюьэайк особенностей профилей кзлуче-

нич для пелен диагностики астрофизической плазмы, по-ви,".'.'."г.-г:, ягрлннчпп облаоив радиолиний.

!! •■• ■■-■;:;' резгмиругтоя физические следствия рассмптрон-них н диссертации чф-фектоп, обсуждаются возможности их практического причинения, а таюге указываются наиболее перспективны" н шрнклеинч исслод то-шии, для которых эти эффекты могут представлять первостепенный интерес.

Наконец, н Г: ^--н'."' ' приводятся результаты численного расчета некоторых сечений гавения метастабильности уровня водородопэдобных ионов с учетом кулоновского отталкивания при столкновениях с многозарядными ионами. Эти результаты имеют важное значение для гыяснения механизма возникновения аномально большого отноиения чнтенсивностей компонент тонкой структуры резонансных линий I. из плотной горячей плазмы (для задачи, рассмотренной в § 2.1).

^ г 1У11;-VI Г"'''

1. Еыведены обсие формулы для расчета скорости затухания кета. стабильных атомных состояний в плазме. Сии списывает как гапе-

нне метастабильности за счет бинарных соударений с заряженными частицами плазмы, так и за счет-взаимодействия с коллективными плазменными полями. Получены времена жизни метастабильных состоянии в неизотермической плазме и в нераг-.гпмс.чей пмзмг. пронизываемой электрошич пучком малой плотнзети

2. Получено выражение для скорости атомных г"ipex~z-.it с «алия лефе-ятом резонанса в н^изстерчичес^гй плазме, ко1Да ионная частота плазмы близка к частоте перзуода.

3. Получены выражения для сьчсний двухквантовой фотон-глазмсн-• :сй рекомбинации в плазме в оензчне» состс. кие водородоя :дз<5-¡•ого кона в квазкклассичеснон и бсрнсвсксм предельных случаях.

Показано, что спектральная плотность рекомбинациоиного излучения в соответствующем диапазоне частот (}(и) может расти более круто за счет вклада фотон-плазмонных рекомбинаций (по закону

<3(ы) « и) в квазиклассическом пределе, чем при учете только

1/3

одноквантовых рекомбинаций (Ч(и) ■ и ).

4. Получены выражения для вероятности отрыва электрона от отрицательных ионов, двияуцихся в плазме, за счет излучения ими плазяонов в области аномального эффекта Доплера. Найден критерий осуществимости такого канала нейтрализации быстрых отрица-

V и .

тельных ионов в плазме а ---Е- > 1, при г>и » Ьи ,.

св р1

^Те °св

5. Выведены разностные уравнения для нелинейной задачи об уви-рении атомной линии в газовом слое с турбулентной плазменной компонентой за счет рассеяния фотонов внутри контура линии на плазаонах. С поасщы) серии численных экспериментов показано, что такое рассеяние способно приводить к заметному усиренгаэ линий в оптически толстой газовой области, дане если атомные коэффициенты рассекай превосходят соответствуйте плазменные г^озффицнети. Крсае того предсказан новый (специфический только для -оптически толстмх сред) эффект такого рассеяния - образо-сша.е "плато* на иесте провала в центре линии выходяцего из слоя излучения ^смазывание эффекта самообранения в линии). Огн-"'?'-1'-'-? тузультнты диссерт&цгги опубликованы в следуы»их работа:

1. Еас&хан Е.Б., Ойрингель 1!.й.. Ступко Е.Г. Влияние поляри-зздисяпьес шазденных эффектов на частоту неупругих атом-1ыг столхносетй. - В кн.: Тез. дохл. X Всесосз. конф. по физике ЗДЕектраншх и агоаних столкновений. Ужгород. 1986, с. 103.

2. Клейман Е.Б.. Ойрингель ИМ., Ступко Е.Г. О затухании ке-тастабильных атомных состояний в поле плазменной волны. -В кн.: Тез. докл. X Всесосз. конф. по теории атомов и атомных спектров. Томск, 1939, с. 91.

3. Клейман E.G.. Ойрингель И.М., Ступко Е.Г. О механизме фо-тон-плазмоннсй рекомбинации. - В кн.: Тез. докл. Всесовз. семинара по атомной спектроскопии. Ростов-Великий, 1990, с. 36.

4. Клейман Е.Б., Ойрингель H.H., Ступко Е.Г. О затухании метастабнльного состояния водорода в плазме солнечной короны. - В кн.: Тез. докл. Всесосз. семинара по зтомной спектроскопии. Ростов-Великий, 1990, с. 87.

5. Клейман Е.Б., Ойрингель H.H., Ступко Е.Г. О времени )шзни метастабнльного состояния водорода 23^ в турбулентной плазме солнечной короны / Астрономический ичркултр,

N 1544, 1990, с. 25-26.

6. Об особенностях излучения в линии из областей косм.ч-ческой плазкы с развитой плазменной турбулентностью / В.В. Кулинич, Е.Б. Клейман, И.!!. Ойрингель, Е.Г. Ступко. -Астрономический циркуляр, 1990, N 1547, с. 1-2.

7. К1е1оал E.B, Ojringel I.M., Stupko E.G. The damping of aetastable states in a nonisothersal plasma. -

Physica Scripta, 1990, V. 42, no. 4, p. 469-472.

8. Кл»йман Е.Б.. Ойрингель И.М., Ступко Е.Г. О влиянии поляризационных плазменных эффектов на частоту неупругчх атомных переходов / Изв. Еузов. f-здисфизнка, 19'<0,

Т. 32. Н 4. с. 514-515.

9. Eleiвал Е.В., 0jringel I.M. , Stupko £ G. Сп the llfe-tiaa of aetastable atcaic state in a noneqjilibriLia plasia. -

Physlca Scripta, 1991, V. 43. no. 2. p. 191-193.

10. Klciaah E.B., Ojrlngel I.H., Stupko E.G. On the Possibility of Negative Ion Neutralization Due to Anoaalous Doppler Effect in a Plasca. - Europhysics Letters, 1991, V. 16, no. 4, p. 349-353.

11. Kleinan E.B., Ojrlngel I.M., Stupko E.G. On the aecha-nisa of electron detachaent froa 11 due to anoaalous Doppler effect In a Plassa. - XX ICPIG, II Ciocco (Barga. Italy), 8th-12th July 1991, Contributed Papers 1,

p. 109-110.

12. Klelcan E.B., Kullnlch V.V., Ojrlngel 1.И., Stupko E.G. On soae features of the line radiation froa space plasaa regions with »ell-developed LangBuir turbulence. -XX ICPIG, II Ciocco (Barga, Italy), 1991, Thursday afternoon, 11th July, Contributed Papers 6, p. 1265-1266.

13. Клейван Е.Б., Ойрингель H.li., Ступко Е.Г. Затухание мета-стабилыых атоиаи состояний в равновесной нензотермичес-KOii пхазме / Изв. Вузоа, Радиофизика, 1991, Т. 34, Н Ъ, с. 519-527.

К. Ojrlngel 1.П., Stupko E.G. The cross-section for oetas'.a-blllty breakdown of the 2S level of the hydrogen-like icsis nt adicbatir&lly sloa collisions with cultiply charged ions. - Proceedings of the 4th European Conference on Atoalc and Eolecular Physics, Ri£a..1992, Part 2, p. $08.