Теоретические основы эмиссионной и лазерной спектроскопической диагностики электрических полей в плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

^ ' - РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК • ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи ГАВРИЛЕНКО ВАЛЕРИЙ ПЕТРОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭМИССИОННОЙ И ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ПЛАЗМЕ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре по изучению свойств поверхности и вакуума Госстандарта России

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ЗЕМЦОВ Ю.К.

доктор физико-математических наук,

профессор КРАЙНОВ В.П.

доктор физико-математических наук ЛИСИЦА B.C.

Ведущая организация: Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Защита диссертации состоится "-25" _1998 г. в ^ часов

на заседании Диссертационного совета Д.003.49.03 Института общей физики Российской академии наук по адресу: 117942, Москва, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей

физики Российской академии наук.

Автореферат разослан " (7 " ^ 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.003.49.03, доктор физико-математических наук,

профессор ИРИСОВА H.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Во многих физических процессах в плазме важную роль играют электрические поля. Электрические поля могут присутствовать в плазме вследствие развития в ней веустойчивостей (например, в результате взаимодействия с плазмой пучков заряженных частиц или электромагнитного излучения, при пропускании сильных токов, при перезамыкании магнитных силовых линий). Электрические поля в плазме могут являться также полями проникающего в плазму извне электромагнитного излучения (такое излучение используется, в частности, для дополнительного нагрева плазмы в тороидальных установках). Наличие электрических полей является характерной особенностью плазмы газовых разрядов (в частности, тлеющих разрядов, дуговых разрядов, СВЧ разрядов, оптических разрядов). Еще одним примером электрических полей в плазме является радиальное электрическое поле в токамаках (оно играет важную роль в переходах между Ь- и Н-режимами удержания плазмы).

Дистанционная диагностика внутриплазменных электрических полей на основе спектров собственного излучения плазмы и спектров лазерно-индуцироваяной флюоресценции является основным способом получения информации о таких полях. Достоинство спектроскопических измерений заключается в отсутствии вмешательства в ход исследуемого плазменного процесса.

В то же время проведение спектроскопической диагностики электрических полей в плазме сопряжено с решением ряда сложных теоретических проблем. Одна из таких проблем заключается в том, что часто переход от зарегистрированных на эксперименте профилей спектральных линий к характеристикам измеряемых электрических полей является неоднозначным и связан с принятием некоторых априорных допущений о свойствах плазмы, а также о свойствах самих измеряемых внутриплазменных полей. Другая проблема состоит в сложности теоретического описания формирования профилей спектральных линий излучения ато-

мов под действием внутриплазменных электрических полей, особенно в ситуации, когда электрическое поле в плазме зависит от времени. Еще одна проблема обусловлена необходимостью учета того факта, что измеряемое внутршхлазменное электрическое поле действует на излучающие атомы совместно с электрическими микрополями отдельных заряженных частиц;

Существующие спектроскопические методики обладают весьма ограниченной областью применимости для диагностики внутриплазменных электрических полей. Поэтому актуальной задачей является разработка комплекса новых спектроскопических методов измерений параметров электрических полей в плазме с целью значительного расширения возможностей использования спектров излучения и спектров лазерно-индуцированной флюоресценции атомов, ионов, молекул для диагностики внутриплазменных электрических полей. Решение указанной задачи является главным содержанием настоящей диссертационной работы, в которой предложен и теоретически обоснован комплекс новых спектроскопических методов измерения параметров электрических полей в плазме, а также представлены результаты практического применения этих методов, полученные при участии автора в исследованиях лабораторной плазмы.

Цель работы заключается в развитии теории формирования спектров спонтанного излучения и лазерно-индуцированной флюоресценции атомов, ионов, молекул, находящихся в плазме и испытывающих действие внутриплазменных электрических полей, в разработке на этой основе комплекса спектроскопических методов измерений параметров электрических полей в плазме, а также в применении разработанных диагностических методов для конкретных лабораторных установок.

Научная новизна работы в большой степени определяется новизной постановки задач о теоретическом нахождении спектров спонтанного излучения и лазерно-индуцированной флюоресценции атомов, ионов, мо-

лекул, находящихся в плазме и испытывающих действие внутриплаз-менных электрических полей. Такие электрические поля могут обладать сложным спектральным составом, а также могут иметь сложные амплитудно-утловые и поляризационные характеристики. Базируясь на полученных при решении указанных задач новых теоретических результатах, предложены и теоретически обоснованы новые методы спектроскопической диагностики электрических полей в плазме. Эти методы нацелены не только на измерение напряженности, но также и на определение частотных характеристик и состояния поляризации внутриплазмепного электрического поля. Научная новизна заключается также в использовании принципов нелинейной лазерной спектроскопии в предложенных лазерных методах диагностики внутриплазменных электрических полей. Научной новизной характеризуются результаты измерения параметров внутриплазменных электрических полей, полученные (при участии автора) при исследовании лабораторной плазмы в Институте атомной энергии им. Й.В. Курчатова (г. Москва), Институте общей физики РАН (г. Москва), Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), Рурском университете (г. Бохум, Германия).

Научная и практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что:

1) Предложенный в диссертации комплекс спектроскопических методов диагностики внутриплазменных электрических полей позволяет проводить измерения основных параметров электрического поля (среднеквадратичной напряженности, частотных характеристик, состояния поляризации поля). Поскольку предложенные спектроскопические методы учитывают влияние на излучающие атомы плазменной среды (выражаемое в учете электрических микрополей отдельных заряженных частиц), опи могут применяться для диагностики электрических полей в широких диапазонах изменения концентраций и температур частиц плазмы.

2) Разработанные в диссертации спектроскопические методы диагностики внутриплазменных электрических полей были применены для

исследования лабораторной плазмы в Институте атомной энергии им. Й.В. Курчатова (г. Москва), в Институте общей физики РАН (г. Москва), в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), в Рурском университете (г. Бохум, Германия). Наиболее значимые результаты, полученные в исследовании лабораторной плазмы, заключаются в следующем.

(а) На основе анализа экспериментальных профилей спектральных линий дейтерия обнаружены и исследованы турбулентные электрические шля в периферийной плазме токамака Т-10 (экспериментальные исследования были выполнены в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова).

(б) На основе анализа штарковских профилей спектральных линий ионов CIV, NV и ОVI получены данные о напряженности неравновесных электрических полей в плазме токового слоя (экспериментальные исследования были выполнены в Институте общей физики РАН).

(в) На основе анализа сателлитов запрещенных спектральных линий гелия получепы данные об амплитуде осциллирующих электрических полей, возникающих в области плазменного резонанса при взаимодействии СВЧ волны с плазмой (экспериментальные исследования проводились : Институте прикладной физики РАН).

(г) Анализ спектра лазерно-индуцированной флюоресценции молекул CS в тлеющем разряде позволил определить пространственное распределение электрического поля вблизи катода и показал высокую чувствительность молекул CS к действию электрических полей (минимальная измеренная напряженность электрического ноля составила величину порядка 100 В/см).

3) В диссертации па основе теоретических исследований предсказан ряд новых спектроскопических эффектов, возникающих в спектрах излучения атомов под действием внутриплазменных электрических полей. Сюда относится эффект сужения штарковских профилей спектральных линий водорода под действием высокочастотного осциллирующего электрического поля, эффект появления резонансных "рельефов" на квазистати-

ческих штарковских профилях спектральных линий водорода, поляризационные эффекты в излучении сателлитов запрещенных спектральных линий неводородоподобных атомов, взаимодействующих с осциллирующим электрическим полем и др.

Автор выносит на защиту

1. Результаты теоретического исследования модификации спектров спонтанного излучения и лазерно-индуцированной флюоресценции атомов, ионов, молекул под действием электрических полей в плазме.

2. Принципы и методы спектроскопической диагностики электрических полей в плазме, основанные на эффектах модификации спектров спонтанного излучения и лазерпо-индуцированной флюоресценции атомов, ионов, молекул под действием таких электрических полей.

3. Результаты практического применения предложенных в диссертации методов спектроскопической диагностики внутршшазменных электрических полей в исследованиях лабораторной плазмы.

В Заключении содержится перечень основных результатов диссертации. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ. В теоретических работах, выполненных коллективно, автор внес определяющий вклад в получение результатов, вошедших в диссертацию. В экспериментальных работах автор внес определяющий вклад в теоретическое развитие спектроскопических методик диагностики внутриплазменных электрических полей, а также в проведение теоретического анализа экспериментальных данных с использованием вышеуказанных спектроскопических методик.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийских, Всесоюзных и Международных конференциях: XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев, 1988), Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленинград, 1988), Семинаре по атомной спектроскопии (Ростов-Великий, 1990), V Всесоюзном совещании по диа-

гностике высокотемпературной плазмы (Минск, 1990), VIII Всесоюзной конференции "Физика низкотемпературной плазмы" (Минск, 1991), XV Конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Звенигород, 1996), XVII и XXIV Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1990 и 1997), XV, XIX, XXI, XXIII International Conferences on Phenomena in Ionized Gases (Minsk, 1981; Belgrade, 1989; Bochum, 1993; Toulouse, 1997), VIII, X, XI European Sectional Conferences on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (Greifswald, 1986; Orleans, 1990; St. Petersburg, 1992), IX International Conference on Spectral Line Shapes (Torun, Poland, 1988), XIV Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (Sarajevo, 1988), VIII Topical Conference "Atomic Processes in Plasmas" (Portland. Main, USA, 1991), International Conference on LASERS '93 (Lake Tahoe, USA, 1993), IEEE International Conference on Plasma Science (Santa Fe, New Mexico, USA, 1994), V European Physical Society Conference on Atomic and Molecular Physics (Edinburgh, 1995), Trilateral Euregio Cluster Diagnostic Workshop (Jülich, Germany, 1995), Tagungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (Plasmaphysik - Innsbruck 1995, Rostock 1996; Quantenoptik - Jena 1996) [ Съезды немецкого физического общества по физике плазмы (Инсбрук 1995, Росток 1996) и по квантовой оптике (Йена 1996) ]; на семинарах в Институте общей физики РАН, Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, Институте прикладной физики РАН, Университете г. Оберн (Алабама, США), Университете г. Бохум (ФРГ), Университете г. Киль (ФРГ).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений. Она содержит 267 страниц текста (включая приложения), 58 иллюстраций, 288 литературных ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель исследований, дан обзор литературы, посвященной проблемам спектроскопической диагностики электрических полей в плазме, показана научная новизна работы и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первые две главы диссертации посвящены развитию теоретических основ спектроскопических методов диагностики электрических полей в плазме по спектрам спонтанного излучения атомов, ионов и молекул. Распределение материала по первым двум главам базируется на использовании двух различных классов квантовых систем (водородопо-добные и неводородоподобные излучатели), эмиссионные спектры которых можно использовать для диагностики внутриплазменных электрических полей. Примером водородоподобных излучателей являются атомы водорода, дейтерия, а также водородоподобные ионы. К неводо-родоподобным излучателям относятся все другие типы квантовых излучателей (атомов, ионов, молекул). Целесообразность разделения излучателей на два больших класса обусловлена тем обстоятельством, что для водородоподобных излучателей имеет место дополнительное вырождение энергетических уровней по орбитальному квантовому числу (в пренебрежении тонкой структурой). С этим фактом связано существенное различие в проявлениях эффекта Штарка для водородоподобных и неводородоподобных излучателей.

В первой главе диссертации представлены результаты теоретической разработки методов диагностики электрических полей в плазме по эмиссионным спектрам неводородоподобных излучателей [Д1 - Д9]. Большинство предложенных в первой главе диагностических методов основано на использовании системы, состоящей из трех энергетических уровней излучателя. Такая система содержит два близких верхних уровня 1 и 2, связанных динольным матричным элементом, и далекий нижний уровень 0. Предполагается, что в отсутствие внешнего электрического поля радиационный переход 2 0 является дипольно-

разрешенным, а переход 1 0 - дшюльно-залрещенным.

В § 1 предложен спектроскопический метод определения состояния поляризации осциллирующего электрического поля (ОЭП) в плазме. В качестве ОЭП рассматривается квазимонохроматическое электрическое поле вида

Е(1) - Ео(г)ехр(-Ы) + ехр(1)

где знак * означает комплексное сопряжение. В (1) предполагается, что комплексная амплитуда 2?о(0 как функция времени изменяется существенно медленнее, чем ехр(гоЛ). Найдено, что действие поля Е(1) (1) вызывает появление в эмиссионном спектре неводородоподобного излучателя двух сателлитов 5\ и 52, интенсивность которых зависит как от поляризации испускаемых фотонов, так и от элементов тензора окк' ~ определяющего состояние поляризации и плот-

ность энергии ОЭП (1). Здесь {...}а.у означает усреднение по времени. Показано, что на основе поляризационной регистрации интенсивности излучения сателлитов ¿п и 52 можно найти все девять элементов тензора акк>-

В § 2 исследуется модификация спектра излучения неводородоподобного атома под действием низкочастотного ОЭП. Рассмотрение проводится в рамках квазистатического режима взаимодействия атома с ОЭП в плазме. Показано, что интенсивность дипольно-запрещенных линий, возникающих в эмиссионном спектре атома под действием ОЭП, зависит не только от среднеквадратичной напряженности, но также и от медового состава ОЭП. Предложен принцип спектроскопической диагностики ОЭП в плазме, позволяющий получать информацию о среднеквадратичной напряженности ОЭП, а также о том, является ли измеряемое ОЭП одномодовым или многомодовым полем.

Во многих экспериментальных ситуациях возникает проблема проведения спектроскопической диагностики в плазме сильного ОЭП вида Ей со&ш1. Параметром, который используется для разграничения области слабых и области сильных полей Еосози>1} является параметр а — ¡(¿12-Е0//к^21|, где ¿12 - матричный элемент дипольного момента между уровнями 1 и 2, а %ш21 - расстояние между этими уровнями.

При этом область слабых полей характеризуется выполнением условия а 1, в то время как для области сильных полей параметр а > 1 (дополнительно предполагается, что из « ¡w2i|)-

В § 3 рассмотрена модификация эмиссионного спектра неводородо-подобного атома под влиянием сильного (а :> 1) ОЭП 1% cos wt. Получены аналитические формулы, описывающие зависимость интенсивности спектральных компонент от параметров поля Eq cos u>t. Полученные теоретические результаты находятся в хорошем согласии с результатами эксперимента [1], посвященного исследованию излучения атомарного лития в микроволновом электромагнитном поле. На основе полученных результатов предлагаются методы диагностики сильного ОЭП Eq cos wt в плазме. Некоторые из предложенных диагностических методов нашли применение в исследованиях лабораторной плазмы в Институте прикладной физики РАН [2, ДБ].

В § 4 исследовано влияние на эмиссионный спектр неводородоподоб-ных излучателей суперпозиции двух электрических полей: квазистатического поля F и ОЭП Е0 cos tot. Здесь поле F может представлять ионные микрополя плазмы и/или электрическое поле низкочастотной плазменной турбулентности. Показано, что наличие в плазме квазистатического поля F может вызвать, во-первых, заметную модификацию интенсивности сателлитов дшюльно-запрещенпой спектральной линии 1 —* 0, а, во-вторых, - появление интенсивных сателлитов разрешенной спектральной линии 2 —> 0. Выявленные спектроскопические эффекты могут служить основой для диагностики внутриплазменного ОЭП в ситуации, когда в плазме присутствуют относительно сильные низкочастотные электрические поля F.

В § 5 предложен метод диагностики электрических полей в низкотемпературной плазме на основе эффекта появления дипольно-залрещенных спектральных линий в эмиссионном спектре двухатомных полярных молекул. Специфика рассматриваемой задачи заключалась в необходимости учета "перемешивания" волновых функций не только верхних вращательных уровней молекулы, но также и нижних вращательных уровней. В результате при расчетах учитывались шесть

вранцательиых уровней молекулы (включая три верхних и три нижних уровня). Показано, что эмиссионные спектры двухатомных полярных молекул можно использовать для диагностики внутршхлазменных электрических полей, имеющих напряженность больше или порядка нескольких кВ/см.

Во второй главе диссертации представлены результаты разработки методов диагностики электрических полей в плазме по спектрам спонтанного испускания водородоподобных излучателей ([Я]-излучателей). Содержание второй главы базируется на результатах, опубликованных в работах [Д1, ДЗ, Д10 - Д23].

В § 1 рассмотрена задача о модификации эмиссионного спектра [Я]-излучателя под действием ОЭП Ёо cos tot в условиях, когда существенную роль в формировании эмиссионного спектра играют столкновения с заряженными частицами плазмы. Рассмотрен случай, когда реализуется ударный механизм уширения спектральных линий [Я]-излучателя при столкновениях с заряженными частицами. Получено, что вид профиля спектральной линии [Я]-излучателя существенно зависит от параметра р = row, где го - среднее время между столкновениями. В случае редких столкновений р 1 спектр каждой штарковской компоненты состоит из набора сателлитов с полушириной 2/то, интенсивность и положение которых можно определить на основе теории Блохинцева [3]. В случае частых столкновений р< 1 получено следующее выражение для спектрального профиля отдельной штарковской компоненты: /(Да;) - г~11\жгйе1у1{№ + (1 - Aw/e0)2]-1/2 + («2 + (1 + Да;/е0)гГ1/2}х

x{{[g2 + (Аш/е0)2 - I]2 + V}1/2 + д2 + (Аи/еа)2 - I}"1'2, где q н (тйКЕ0У'\ с0 г КЕо, К - константа линейного эффекта Штарка. Полученные результаты можно использовать для проведения спектроскопической диагностики ОЭП Eq cos ojI в плазме в условиях, когда существенную роль в формировании профилей спектральных линий [Я]-излучателя играет механизм ударного уширения, обусловленный столкновениями с заряженными частицами плазмы.

В § 2 рассмотрены резонансные эффекты в теории формирования профилей спектральных линий [Я}-излучателей, взаимодействующих

одновременно с квазимонохроматическим ОЭП и со статическими вну-триилазменными полями (электрическим полем F и/или магнитным полем Я). Такие эффекты имеют место в ситуации, когда расщепление верхнего или нижнего уровня энергии [Я]-излучателя e(F,H) в электрическом поле F и/или магнитном поле Я кратно частоте ОЭП и:

e(F,H) = khu + &, к- 1,2,..., (2)

где Д - расстройка резонанса (|Д| <с ш). Получено, что при вьшолнении резонансного условия (2) задачу о модификации эмиссионного спектра [Я]-излучателя под действием суперпозиции статических полей F. Н и квазимонохроматического ОЭП можно свести во многих случаях к более простой задаче о спектре [Я]-излучателя, испытывающего действие двух эффективных статических полей: электрического поля fef / и магнитного поля hsff. Решение последней задачи было найдено в работе [4]. Основным спектроскопическим проявлением указанных выше резонансных эффектов является возникновение локальных "рельефов" на квазистатических штарк-зеемаловских профилях спектральных линий [Я]~излучателей. По форме таких локальных рельефов можно определить среднеквадратичную напряженность квазимонохроматического ОЭП в плазме. Полученные теоретические результаты были использованы для спектроскопической диагностики электрических нолей высокочастотной плазменной турбулентности в Институте экспериментальной физики Рурского университета (г. Бохум) [5].

В § 3 исследовано влияние сильного высокочастотного ОЭП cos u>t на штарк-зеемановские профили спектральных линий (Я)-излучателей в плазме. Такие штарк-зеемановские профили формируются под действием внутриплазменных полей: электрического поля F и магнитного поля Я. Рассмотрена ситуация, когда частота ш превышает характерное расщепление уровней энергии [Я]-излучателя в суперпозиции полей F и Я. Найдено, что поле Е0 cosioi может вызвать существенное уменьшение полуширин штарк-зеемановских профилей спектральных линий [Я]-излучателей. Полученные результаты можно использовать, во-первых, при проведении спектроскопической диагностики сильных

высокочастотных ОЭП в плазме по спектрам спонтанного испускания [Я ]-из лу чателей. Во-вторых, полученные результаты можно положить в основу "активной" методики диагностики внутриплазменных квазистатических электрических и магнитных полей. Сущность такой методики заключается в проведении зондирования исследуемой области плазмы электромагнитным излучением (например, микроволновым излучением) с последующим анализом возникающей в результате этого модификации профилей спектральных линий [Я]-излучателей. Полученные теоретические результаты были использованы для спектроскопической диагностики электрических нолей плазменной турбулентности в периферийной зоне плазменного шнура токамака Т-10 [ДЗЗ].

В § 4 рассмотрена задача о формировании эмиссионных спектров \Н]-излучателей в эллиптически-поляризованном квазимонохроматическом электрическом поле Ecffipt(i) = ехЕйх coswi + еуЕйу sin wi, где ех и ev -единичные векторы вдоль осей ж и у соответственно. Электрическое поле -Eempt(i) может являться, например, полем электромагнитной волны, используемой для нагрева плазмы в установках с магнитным удержанием; поле /ieiiipt (t) может являться также полем лазерного излучения в экспериментах по оптическому пробою газов. Отметим также, что многие типы волн в м агнито акт ив ной плазме обладают эллиптической поляризацией. В § 4 рассмотрены два качественно различных режима взаимодействия [Я]-излучателя с полем Вешрс(г): 1) "низкочастотный" режим: hu -С £п,!>-Г, 2) "высокочастотный" режим: Ьи > e„>rt_i, где en>»_i -растояние между уровнями энергии [Я]-излучателя с главными квантовыми числами вип-1 (предполагается, что [Я]-излучатель взаимодействует с полем J5sffipt(i), находясь в состоянии с главным квантовым числом п). Полученные в § 4 результаты можно использовать для измерения основных параметров эллиптически-поляризоваяного электрического поля -EeDipt (i) в плазме: среднеквадратичной напряженности поля, степени его эллиптичности, направления вращения вектора электрического поля.

В § 5 представлена теория формирования профилей спектральных линий [Я]-излучателей под действием стохастических электрических

полей E(t) плазменной турбулентности. Предполагается, что электрическое поле E(t) представляет собой суперпозицию большого числа колебаний со случайными фазами <f>j и различающимися частотами и>у:

ff -

E(t) - £ Ej cos(ujt + <l>j), N-*oo. (3)

i=i

Векторы амплитуд Ej предполагаются параллельными друг другу, что соответствует одномерной диаграмме направленности турбулентных электрических нолей. В силу центральной предельной теоремы поле E(t) (3) представляет собой гауссовский случайный процесс. Конкретные расчеты выполнены для случая, когда функция корреляции для турбулентного поля E(t) имеет следующий вид:

{E(i)E{t + r)}av = В exp(-f |т|) cos (w0r).

Здесь {...}a,v означает операцию усреднения, В — {E2}av - средний квадрат поля E(t), число и характеризует ширину спектра поля E(t), а щ является средней частотой поля E(t). Найдено, что профили штарков-ских компонент а —* ß, соответствующих определенной спектральной линии [Я]-излучателя, представляют собой преобразование Фурье от следующей функции Paß(t):

Paß(r) - ещ>{~K*ßB{[(v2 - сод) <;os(w0r) - 2i/w0 sm(w0T)] exp(-i/т)+

+ f2) + w02 - иг}{ш1 + i/2)-2},

где Kaß - константа линейного эффекта Штарка для спектральной компоненты а —+ ß. Полученные результаты можно использовать для определения среднеквадратичной напряженности В1?2, ширины спектра v и средней частоты w0 турбулентного электрического поля E(l) в плазме.

Третья глава диссертации посвящена методам диагностики электрических полей в плазме на основе лазерно-индуцированной флюоресценции атомов и молекул [Д24 - Д32].

В § 1 предложены методы диагностики ОЭП в плазме, в которых в качестве регистрируемого сигнала используется интегральная по спектру интенсивность лазерно-индуцированной флюоресценции 1ц. В основе

указанных методов лежат полученные в диссертации теоретические результаты о взаимодействии атома одновременно с двумя электрическими полями: лазерным полем Ei(t) — Еоь cosw^i и измеряемым квазимонохроматическим ОЭП Es{t) = Eos cos(u/gt + &$), где ojs < tt>¿. Получены формулы, описывающие увеличение населенности AN[h> верхнего энергетического уровня I атома в условиях резонанса

«о>ю + ku>s, k~ 0,±1,±2,..,,

где ojiq - частота перехода между нижним 0 и верхним 1 уровнями атома. Эти формулы содержат в себе зависимость величины ANот амплитуды Eos• Поскольку интегральная по спектру интенсивность сигнала флюоресценции If¡ пропорциональна величине AN¡k\ найденные в § 1 зависимости величины AN^ от Eos можно непосредственно использовать для лазерно-флюоресцентной диагностики квазимонохроматического ОЭП в нлазме.

В § 2 предложен метод диагностики ОЭП Eos cos (и st + as) в плазме, в котором используются эффекты модификации профиля спектральной линии лазерно-индуцированной флюоресценции в атомарном водороде под действием поля Eos cosíugt + otg). Конкретные результаты получены для случая, когда лазерное излучение настроено в строгий резонанс с переходом, соответствующим спектральной линии Бальмер-а в водороде. Показано, что если амплитуда лазерного поля Eol удовлетворяет условию (в единицах СГС)

Еоь = 3,9 • 10~10Ü;5,

наиболее интенсивные линии в спектре флюоресценции водорода испытывают дополнительное расщепление, величина которого пропорциональна амплитуде Eos- Указанный эффект можно использовать для локальных измерений величины Eos в плазме по спектру лазерно-индуцированной флюоресценции в атомарном водороде.

В §§ 3,4 представлены результаты теоретической разработки высокочувствительных методов диагностики электрических полей в плазме но спектру лазерно-индуцированной флюоресценции двухатомных полярных молекул. В указанных методах предполагается, что лазерное

излучение возбуждает переход между нижним электронным состоянием молекул !Е и верхним электронным состоянием молекул 1П. Высокая чувствительность спектра флюоресценции двухатомных полярпых молекул к действию электрических полей обусловлена тем, что каждый вращательный уровень верхнего состояния 5П расщеплен на два близко расположенных подуровня (подуровня А-удвоения), связанных диполь-ным матричным элементом. Поэтому даже слабое электрическое поле Р может заметным образом "перемешать" волновые функции этих подуровней. В результате в спектре флюоресценции молекулы могут появиться новые компоненты, которые отсутствуют при Р — 0. Регистрация таких компонент позволяет получить информацию о параметрах электрического поля Г в плазме. В § 3 представлены методы диагностики ОЭП в плазме, а в § 4 представлены методы диагностики квазистатических внутриплазменных электрических полей, имеющих изотропное распределение в пространстве. Примером таких квазистатических полей служат ионные микрополя плазмы. Показано, что измерение ионных микрополей плазмы позволяет одновременно определять и концентрацию заряженных частиц Д., причем начиная от весьма малых значений Нк и Ю10 см-3.

В четвертой главе диссертации содержатся экспериментальные результаты спектроскопического измерения параметров электрических полей в лабораторной плазме, которые были получены при участии автора [ДЗЗ - Д36].

В § 1 представлены результаты спектроскопических исследований процесса взаимодействия СВЧ излучения с плазмой, проведенных в Институте прикладной физики РАН. В качестве источника СВЧ излучения применялся гиротрон на рабочей длине волны / = 0,78 см. Линейно-поляризованная СВЧ волна фокусировалась с помощью те-флоновой линзы в центр вакуумной камеры. Во время импульса СВЧ излучения плотность плазмы увеличивалась и достигала критического значения — 1,85 ■ 1013 см~3. Регистрировался спектр излучения в окрестности двух линий нейтрального гелия: Не! 4922 А (переход 21Р-4гО) и Не! 4471 А (переход 23Р-А30). При наличии СВЧ

волны спектр излучения в окрестности каждой из двух указанных линий гелия состоял из интенсивной линии! соответствующей дипольно-разрешенвому переходу 2 2А'+1Р - 4 25+51>, а также из двух сателлитов /г и /2, расположенных по обе стороны от положения диполъно-запрещенного перехода 2 25+1 р - 4 25+1 р (5 = 0; 1). Интенсивность сателлитов /1 и /2 возрастала при увеличении мощности СВЧ волны.

Измерения амплитуды напряженности осциллирующего электрического поля Е0 были выполнены с помощью методики, изложенной в § 3 главы I. В основе этой методики лежит использование теоретической зависимости отношения интенсивностей сателлитов /1 и /2 от амплитуды осциллирующего поля Ей. Вначале были выполнены калибровочные измерения амплитуды осциллирующего электрического поля Е0 в прозрачной плазме {Ие < А^). Используя экспериментальные данные о спектре излучения в окрестности линии Не1 4922 А, было получено, что в прозрачной плазме при мощности СВЧ волны накачки Р — 60 кВт амплитуда Ео составляет: Ео и 4,6 4- 0,4 кВ/см (это значение Ео согласуется с результатом теоретического расчета величины Ео, получаемым исходя из известной мощности волны накачки Р). После этого были выполнены спектроскопические измерения амплитуды Е0 в области плазменного резонапса (АГе « Было найдено, что при

Л« « происходит усиление амплитуды поля Ео по сравнению со случаем прозрачной плазмы. Наибольшее усиление достигалось при Р = 7,5 кВт, когда амплитуда поля в прозрачной плазме составляла величину Е0 = (2,7 ±0,3) кВ/см, а в области плазменного резонанса она равнялась Е0 = (б, 1 ± 0,4) кВ/см (последнее значение Ео было получено по спектру в окрестности линии Не1 4922 А).

В § 2 содержатся результаты спектроскопических исследований периферийной зопы плазменного шнура токамака Т-10, выполненных в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова. Спектр свечения линий дейтерия регистрировался по центральной хорде в экваториальной плоскости установки. Диагностическая аппаратура позволяла зарегистрировать спектр за один разряд.

Профили линий дейтерия регистрировались при значении магнитно-

го поля установки В0 = 1,65 Т. Главной особенностью этих профилей являлось наличие провала в центральной части профилей Da, D7 и отсутствие такого провала на профиле Dp, причем провалы у линий Da, Dy наблюдались лишь на профилях, соответствующих излучению с поляризацией параллельно вектору Ва (?г-профилях), Наличие провалов у поляризационных профилей дейтерия не было связано ни с эффектом Зеемана, ни с самопоглощением излучения. Единственный физический механизм, который мог быть ответственным за возникновение провалов, - это эффект Штарка в анизотропных электрических полях.

Теоретический анализ показал, что спектральные особенности у совокупности экспериментальных профилей Da, Dp и D1 можно объяснить воздействием суперпозиции высокочастотного квазимоиохромати-ческого ОЭП Е,} cos поляризованного вдоль направления наблюдения, и квазистатического электрического поля F || В о:

E(t) = егЕ0 cos u>t + ezF (5)

ez - орты). В ситуации, когда тах\и)> (nhEnw/тееУ I2} hnF/mee (п - главное квантовое число), при воздействии на [#]-излучатель поля (5) возникает спектроскопический эффект, рассмотренный в § 3 главы II. Этот эффект заключается в том, что поле ezEo cos tot подавляет ортогональную ему квазистатическую составляющую exF. В результате эффективное квазистатическое поле, действующее на уровень п атома дейтерия, равно ехF^jJ, где FjßJ — FJo(ZnhEo/2meLJ) (Jo(tt) -функция Бесселя). Таким образом, наличие провалов на 7г-профилях De, D1 и отсутствие провала на тг-профиле Dp объясняется тогда тем, что поле Er) cos wt частично подавляет квазистатическое расщепление уровней п = 2,3,5 и полностью п = 4: F^J — 0. Поскольку в случае F^j — 0 наиболее интенсивные спектральные тг- и <х-компопенты квазистатического профиля Dp излучаются на несмещенной частоте Ди> = 0, то провал в центре 7г-профиля Dß отсутствует. Количественная обработка совокупности экспериментальных профилей Da, Dp и D1 позволила получить следующую оценку для напряженности внутриплазменных электрических полей: Eq » 14 kB/cm, F « 20 кВ/см.

В § 3 содержатся результаты спектроскопических исследований плотной плазмы токового слоя, выполненных на установке ТС-3 в Институте общей физики РАН. Плоский токовый слой создавался при возбуждении тока вдоль нулевой линии магнитного поля. Проводился анализ профилей спектральных линий литиеподобных ионов примесей CIV, NV и OVI. Для каждого из ионов регистрировались две спектральные линии. Одна линия соответствовала переходу 3s - 3р (CIV 5812 A, NV 4620 A, OVI 3811 А); она служила для определения временной эволюции температуры ионов 7} (на основе эффекта Дошшера): Г; = (40 -г 320) эВ. Другая линия являлась линией типа па (переход n — (n + 1), где п -- главное квантовое число); соответствие между числом п и длиной волны было следующим: CIV 4658 А (переход 5 - 6), NV 4944 А (переход 6 - 7), OVI 5291 А (переход 7 - 8). Полуширина ДЛ1у2(па) линии па в 2 -г 3 раза превышала полуширину соответствующей линии 3.s — 3р, причем величина ААх/2(па) находилась в диапазоне: АХ1р(па) = (2 -г 6,5) А. Основной вклад в уширение спектральных линий По, ионов CIV, NV и OVI вносили два эффекта: эффект Дошшераи эффект Штарка во внутриплазменных электрических полях. Теоретический анализ показал, что для некоторых моментов времени большие полуширины экспериментальных профилей спектральных линий па ионов CIV, NV и OVI нельзя объяснить действием микрополей заряженных частиц плазмы. Единственный механизм, который мог быть ответственным за значительное уширение спектральных линий па ионов CIV, NV и OVI, - это эффект Штарка в неравновесных электрических долях. В работе был выполнен численный расчет профилей спектральных линии па ионов CIV, NV и OVI, в котором учитывались совместно эффект Допплера (использовались данные о температуре ионов 7], полученные из уширения линий 3s - Зр) и эффект Штарка в неравновесных электрических полях, представлявших собой суперпозицию большого числа низкочастотных колебаний со случайными фазами. Сравнение экспериментальных профилей линии па ионов CIV, NV и OVI с набором численно рассчитанных профилей этой линии показало, что в некоторые моменты времени в плазме токового слоя возникают нерав-

новесиые электрические поля со среднеквадратичной напряженностью Я0 » (100 -г 120) кВ/см.

В § 4 изложены результаты применения диагностической методики, основанной на лазерно-индудированной флюоресценции молекул С8, для измерения электрических полей в газообразной среде и тлеющем разряде. Эксперименты проводились в Институте экспериментальной физики Рурского университета (г. Бохум, ФРГ). Молекулы СЭ создавались в радиочастотном разряде {у — 13,56 МГц) путем разложения С82, после чего они направлялись в исследуемую камеру. Для возбуждения флюоресценции в молекулах СБ использовался лазер на красителях (Л к 2576 А) с накачкой эксимерным лазером. В большинстве экспериментов частота лазерного излучения настраивалась на переход между состояниями X 1T,+iv' = 0 и А1П, и" = 0, принадлежащий Я-ветви. В отсутствие электрического поля Р в спектре флюоресценции присутствовали лишь компоненты, принадлежащие К- и Р-ветвям. При наличии поля Р к ним добавлялась третья компонента, принадлежащая <Э-ветви, Причина появления (^-компоненты заключалась в смешивании волновых функций близких подуровней Л-удвоения верхнего вращательного

уровня, принадлежащего состоянию Л1П, и" = 0, в электрическом поле

—*

Я. Принцип измерения электрического поля Р базировался на использовании зависимости отношения интенсивностей ///> от напряженности поля Я, где - интенсивность ^-компоненты, 1р - интенсивность Я-компонепты.

В первой серии экспериментов были проведены калибровочные измерения электрического поля в газообразной среде. Было обнаружено, что экспериментальная зависимость отношения /д//р от напряженности поля Я существенно отличается от соответствующей теоретической зависимости д%(Р), полученной в работе [6]. Отметим, что теоретическая зависимость д\(Р) не учитывает эффект столкновительного выравнивания населенностей зеемановских состояний, принадлежащих подуровням Л-удвоения. Поэтому в нашей работе была получена новая теоретическая зависимость отношения интенсивностей от напря-

женности электрического поля Я (далее эта зависимость обозначается

функцией д2(Р))> которая учитывает вышеуказанный столновительный эффект. Оказалось, что зависимость <;2( /,п) значительно лучше описывает положение экспериментальных точек по сравнению с зависимостью 91(П

Во второй серии экспериментов было измерено пространственное распределение электрического ноля Р вблизи катода в тлеющем разряде в гелии. Значения напряженности электрического поля Р были найдены из сравнения экспериментальных результатов с теоретической зависимостью <72(Р1)- Полученное таким образом пространственное распределение электрического поля F вблизи катода находилось в согласии с величиной напряжения на электродах и^искагде = 1200 В. Еще одним результатом проведенных экспериментов явилась демонстрация высокой чувствительности спектра лазерно-индуцированной флюоресценции молекул СЭ к действию электрических полей: минимальная детектируемая напряженность электрического поля составила величину порядка 100 В/см.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в настоящей диссертации разработан комплекс спектроскопических методов диагностики электрических полей в плазме. Разработанные методы могут быть использованы не только для измерения напряженности, но также и для измерения частотных и поляризационных характеристик электрических полей. В работе представлены результаты выполненных теоретических исследований модификации спектров спонтанного излучения и лазерно-индуцированной флюоресценции атомов, ионов, молекул под действием внутриплазменных электрических полей. Для многих плазменно-спектроскопических задач найдены решения, существенно выходящие за рамки стационарной теории возмущений (теории возмущений Рэлея-Шредингера) и нестационарной теории возмущений (теории возмущений Дирака) по взаимо-

действию с внутриплазменным электрическим полем. Указанные решения удалось получить, используя резонансное приближение (приближение вращающейся волны), адиабатическое приближение, принцип усреднения Боголюбова-Митропольского, процедуру численной диаго-нализации матрицы энергий и другие подходы. В диссертационной работе получены решения для ряда важных задач о расщеплении уровней энергии и спектральных линий излучения атомарного водорода под действием суперпозиции осциллирующего и статического электрических полей, а также статического магнитного поля. Эти решения были найдены благодаря тому, что гамильтониан взаимодействия атома водорода с вышеуказанными полями удалось свести к гамильтониану, описывающему взаимодествие атома водорода с двумя эффективными статическими полями: электрическим и магнитным. Это позволило воспользоваться известным решением для спектра атома водорода, полученным в работе [4]. В результате были предложены новые спектроскопические методы диагностики относительно слабых осциллирующих электрических полей в ситуации, когда такие осциллирующие поля действуют в плазме на атомы водорода совместно с сильными квазистатическими полями (например, электрическими ионными микрополями).

Значительное место в диссертации занимают также лазерные методы диагностики электрических полей в плазме. В этих методах лазерное излучение используется, во-первых, для увеличения заселенности верхнего энергетического уровня атомов (молекул). Во-вторых, оно может модифицировать саму структуру энергетических уровней атома. Последний факт позволил выявить ряд новых плазменно-спектроскопических эффектов, перекрестным образом зависящих как от параметров лазерного поля, так и от параметров измеряемого впу-триплазменного электрического поля (например, эффект динамического штарковского сдвига резонансной частоты перехода), что можно использовать в диагностических целях.

Основные результаты, полученные а диссертации, состоят в следующем:

I. На основании теоретических исследований предложен и теоретически обосновал комплекс спектроскопических методов диагностики электрических полей в плазме, предназначенных для измерения напряженности поля, частотных характеристик поля, состояния поляризации поля. Разработанные методы были применены для исследования плазмы в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (г. Москва), Институте общей физики РАН (г. Москва), Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород), Институте экспериментальной физики Рурского университета (г. Вохум, Германия).

II. Развита теория формирования спектра спонтанного излучения атомов, ионов, молекул, находящихся в плазме и испытывающих действие внутриплазменных электрических полей. Предсказан и рассчитан ряд плазменно-спектроскопических эффектов, таких как эффект уменьшения полуширин штарк-зеемановских профилей спектральных линий водородонодобных излучателей ([Н]-излучателей) под действием высокочастотного осциллирующего электрического поля, эффект появления резонансных "рельефов" на квазистатических штарк-зеемановских профилях спектральных линий [Н]-излучателей, эффект модификации иптенсивностей сателлитов дипольно-запрещенных спектральных линий неводородоподобных излучателей под влиянием внутриплазменных квазистатических электрических полей и др.

III. Развита теория лазерно-индуцированной флюоресценции (ЛФ) атомов и молекул, испытывающих действие внутриплазменных электрических полей. Выявлены и рассчитаны эффекты модификации спектра ЛФ атомов и молекул в плазме под влиянием электрических полей, включая эффект резонансного штарковского расщепления линий в спектре ЛФ атомарного водорода, эффект динамического штарковского сдвига резонансной частоты перехода в атомах водорода, эффект

зависимости параметра насыщения (для взаимодействия атома с лазерным полем) от напряженности внутриплазменного осциллирующего электрического поля и др.

IV. Разработаны спектроскопические методы измерения основных параметров электрических полей в плазме (напряженности поля, частотных и поляризационных характеристик поля). В основе этих методов лежат выявленные новые эффекты в спектрах спонтанного излучения и спектрах ЛФ атомов, ионов, молекул, испытывающих действие внутриплазменных электрических полей. Разработанные методы нашли практическое применение в исследованиях лабораторной плазмы.

V. Применены на практике на различных лабораторных установках новые спектроскопические методы диагностики внутриплазменных электрических полей (при участии автора). Обнаружены и исследованы неравновесные электрические поля в периферийной зоне плазменного шнура токамака Т-10 (по штарковским профилям спектральных линий дейтерия). Измерены параметры неравновесных низкочастотных электрических, полей, возникающих в плотной нагретой плазме токового слоя на установке ТС-3 (по штарковскому уширению спектральных линий литиеподобных ионов примесей CIV, NV, OVI). Измерены параметры осциллирующих электрических полей, возникающих при взаимодействии с плазмой мощного СВЧ излучения (на основе регистрации интенсивностей сателлитов дипольно-запрещенных спектральных линий гелия). Исследовано пространственное распределение электрического поля вблизи катода в тлеющем разряде в гелии (с помощью диагностического метода, основанного на ЛФ молекул CS). Продемонстрирована высокая чувствительность спектра ЛФ молекул CS к действию внутриплазменных электрических полей (Fmin « 100 В/см).

ЛИТЕРАТУРА

[1] U. Rebhan. Investigation of the High-Frequency Stark Effect on Lithium Atoms by Laser-Induced Fluorescence. - J. Phys. B: At. Mol. Phys., 1986. V. 19, N 23, P.3847-3857.

[2] А. Л. Вихарев, О. А. Иванов, A. H. Степанов. Волна пробоя в самосогласованном высокочастотном поле в гелии. - Физика плазмы, 1988, Т. 14, В. 1, С. 53-59.

[3] D. I. Blochinzew. Zur Theorie des Staikeffektes im Zeitveranderlichen Feld. - Phys. Zs. Sow. Union, 1933, Bd. 4, S. 501-515.

[4] Ю. H. Демков, Б. С. Монозон, В. Н. Островский. Уровни энергии атома водорода в скрещенных электрическом и магнитном полях. -ЖЭТФ, 1969, Т. 57, В. 4, С. 1431-1434.

[5] Е. A. Oks, St. Boddeker, H.-J. Kunze. Spectroscopy of Atomic Hydrogen in Dense Plasmas in the Presence of Dynamic Fields: Intra-Stark Spectroscopy. - Phys. Rev. A, 1991, V. 44, N 12, P. 8338-8347.

[6] C. A. Moore, G. P. Davis, R, A. Gottscho. Sensitive, Nonintrusive, In-Situ Measurement of Temporally and Spatially Resolved Plasma Electric Fields. - Phys. Rev. Lett., 1984, V. 52, N 7, P. 538-541.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[Д1] В. П. Гавриленко. Физические основы спектроскопических измерений электрических полей в плазме. - Инженерно-физический журнал, 1992, Т. 62, N 5, С. 753-757.

[Д2] В. П. Гавриленко. Спектроскопический метод определения состояния поляризации осциллирующих электрических полей в плазме. -ЖЭТФ, 1993, Т. 103, В. 2, С. 455-466.

[ДЗ] В. П. Гавриленко. Физические основы поляризационно-снектроско-пических измерений электрических и магнитных полей в ионизованных газах. ~ Измерительная техника, 1992, N 11, С. 45-49. [Д4] А. P. Derevianko, V. P. Gavrilenko. Principle for Spectroscopic

Determination of Statistical Characteristics of Fluctuating Electric Fields in Plasmas. - In: Proc. XXI Intern. Conf. on Phenom. in Ionized Gases, Bochum, 1993, P. 413-414.

¡Д5] M. П. Брижинев, В. П. Гавриленко, С. В. Егоров, В. Г. Еремин, А. В. Костров, Е. А. Оке, Ю. М. Шагаев. Методика квазилокальпых измерений электрических полей в плазме по сателлитам запрещенных спектральных линий гелия. - ЖЭТФ, 1983, Т. 85, В. 3, С. 893-908. [Дб] Е. A. Oks, V. P. Gavrilenko. On the Possibilities of Diagnosing Very Strong Oscillating Electric Fields in Plasma Using Neutral Helium Spectral Lines. - In: Proc. XIV Intern. Symposium on the Physics of Ionized Gases, Sarajevo, 1988, P. 309-312.

[Д7] E. A. Oks, V. P. Gavrilenko. Drastic Influence of Plasma Quasi-Static Electric Fields on Satellites of Helium Forbidden Lines. - Optics Communications, 1986, V. 56, N 6, P. 415-417.

¡Д8] D. A. Volod'ko, V. P. Gavrilenko, E. A. Oks. Calculation of Influence of Plasma Ions Quasista.tic Microfields on Bar anger- Mozer Type Satellites. -In: Proc. IX Intern. Conf. on Spectral Line Shapes. Torun, Poland, 1988, P. A28.

|Д9] V. P. Gavrilenko, E. A. Oks. On New Possibilities of Measuring Electric Fields in Plasmas Using Molecule Emission Spectra. - Optics Communications, 1989, V. 69, N 5,6, P. 384-386.

[Д10] V. P. Gavrilenko. Modification of Spectral Line Profiles of Hydrogen Due to the Impact Broadening and Dynamic Stark Effect in a Plasma. In: Proc. IX Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics. Saint-Petersburg, Russia, 1997, P. 61.

[Д11] В. П. Гавриленко, E. А. Оке. Новый эффект в штарковской спектроскопии атомарного водорода: динамический резонанс. - ЖЭТФ, 1981, Т. 80, В. 6, С. 2150-2162.

[Д12] В. П. Гавриленко, Е. А. Оке. Резонансные эффекты в штарковской спектроскопии кулоновских излучателей в плазме с линейно поляризованным квазимопохроматическим электрическим полем. - В кн.: Методы атомных расчетов. - М.: Научный совет по спектроскопии

АН СССР, 1986, С. 89-143.

[Д13] В. П. Гавриленко, Е. А. Оке. Внутриштарковская спектроскопия кулояовских излучателей в плазме с квазимонохроматическим электрическим полем. - Физика плазмы, 1987, Т. 13, В. 1, С. 39-50. |Д14] В. П. Гавриленко. Резонансные эффекты в спектроскопии атомарного водорода в плазме с квазимонохроматическим электрическим полем, находящейся в сильном магнитном поле. - ЖЭТФ, 1988, Т. 94, В. 5, С. 88-97.

[Д15] В. П. Гавриленко. Резонансная перестройка квазистатических профилей спектральных линий водорода в плазме под влиянием некол-линеарных гармонических электрических полей. - ЖЭТФ, 1991, Т. 99, В. 4, С. 1121-1132.

|Д16] V. P. Gavrilenko, Е. A. Oks. The New Method of Local Measurements of an Amplitude-Angular Distribution of Low-Frequency Plasma Turbulence. - In: Proc. XVII Interm, Conf. on Phenom. in Ionized Gases. Budapest, 1985, P. 1081-1083.

[Д17] Д. А. Володько, В. П. Гавриленко. Спектр водородоподобного атома в статическом магнитном и осциллирующем электрическом полях. - Оптика и спектроскопия, 1988, Т. 64, В. 2, С. 263-268. [Д18] V. P. Gavrilenko, Е. A. Oks. Theory of Stark Broadening of Quasienergy Levels and Corresponding Spectral lines of Hydrogen Atom in Plasmas. - In: Proc. XIX Intern. Conf. on Phenom. in Ionized Gases, Belgrade, 1989, P. 354-355.

[Д19] E. A. Oks, V. P. Gavrilenko. Hydrogen Ion Spectrum in a Field of Elliptically Polarized Electromagnetic Radiation: Diagnostics Possibilities for Tokamaks with UHF Heating. - Optics Communications, 1983, V. 46, N.3,4, P. 205-208.

[Д20] В. П. Гавриленко. Квазистатическое уширение спектральных линий в эллиптически-ноляризованном электрическом поле. - Метрология, 1986, N 8, С. 52-58.

[Д21] В. П. Гавриленко. Спектр водородоподобного атома в поле высокочастотного электромагнитного излучения: аналитическое решение. -

ЖЭТФ, 1986, Т. 90, В. 3, С. 857-865.

[Д22] В. П. Гавриленко. О новых возможностях диагностики электрических полей плазменной турбулентности по спектральным линиям водорода. - Письма в ЖТФ, 1996, Т. 22, В. 20, С. 23-27. ¡Д23] V. P. Gavrilenko. Stark Profiles of Hydrogen Spectral Lines in Electric Fields of Plasma Turbulence. - In: Proc. XXIII Intern. Conf. on Phenom. in Ionized Gases, Toulouse, 1997, Vol. IV, P. 82-83.

[Д24] В. П. Гавриленко, Б. А. Оке. Новый принцип лазерных измерений СВЧ полей в плазме. - Письма в ЖТФ, 1984, Т. 10, В. 23, С. 1443-1446.

[Д25] V. P. Gavrilenko, Е. Oks. Review on Laser-Induced Fluorescence Methods for Measuring RF- and Microwave Electric Fields in Discharges. -In: Proc. 1994 IEEE Intern. Conference on Plasma Science. Santa Fe, New Mexico, USA, 1994, P. 188.

[Д26] V. P. Gavrilenko, E. Oks. Novel Principle for a Tunable Amplification of Microwaves Driven by a Laser Radiation. - Physical Review Letters, 1995, V. 74, N 19, P. 3796-3799.

[Д27] V. P. Gavrilenko, E. Oks. Polarization of a Dipole Gas under a Resonant. Interaction with a Strong Bichromatic Field. - Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 1995, V. 28, P. 1433-1441. [Д28] В. П. Гавриленко, E. А. Оке. Резонансы в полихроматическом поле с сильными низкочастотными компонентами. - В кн.: Процессы во внутренних атомных оболочках, - М.: Научный совет по спектроскопии АН СССР. 1986, С. 213-221.

[Д29] В. П. Гавриленко. Лазерно-флюоресцентная спектроскопия атомарного водорода в присутствии СВЧ волны: плазменно-диагностические возможности. - Физика нлазмы, 1989, Т. 15, В. 1, С. 9096.

[Д30| V. P. Gavrilenko. Theory for Diagnostics of Oscillating Electric Fields in a Plasma on the Base of Fluorescence Spectroscopy of Diatomic Molecules. - Physica Scripta, 1996, V. 53, N 1, P. 37-40. [Д31] В. П. Гавриленко, E. А. Оке. Новый принцип измерений ква-

зимонохроматических полей в низкотемпературной плазме на основе возбуждения молекулярной флюоресценции. - Метрология, 1988, N 3, С. 57-61.

[Д32] V. P. Gavrilenko, Е. A. Oks. A Proposal for Charged Particle Density Measurements in Dilute Low-Temperature Plasmas by the Laser-Excited Molecular Fluorescence. - In: Proc. XX European Sectional Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases, Orleans, France, 1990, P. 74-75.

[ДЗЗ] В. П. Гавриленко, E. А. Оке, В. А. Ранцев-Картинов. Обнаружение и анализ осциллирующих электрических полей в периферийной плазме токамака на основе нового спектроскопического эффекта. -Письма в ЖЭТФ, 1986, Т. 44, В. 7, С. 315-317.

[Д34] A. G. Frank, V. P. Gavrilenko, Ya. О. Ispolatov, N. P. Kyrie, E. Oks. Anomalous Electric Fields Inside a Dense Plasma of a Current Sheet. -Contributions to Plasma Physics, 1996, V. 6, N 6, P. 667-678. [Д35] S. Maurmann, H.-J. Kunze, V. P. Gavrilenko, E. Oks. Effect of an Electric Field and Collisions on the Laser-Induced Fluorescence of CS Molecules. - Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 1996, V. 29, P. 25-34.

[дав] S. Maurmann, V. P. Gavrilenko, H.-J. Kunze, E. Oks. Use of Fluorescence Spectroscopy of CS for Measurements of Electric Fields in a Discharge Plasma. - Journal of Physics D: Applied Physics, 1996, V. 29, P. 1525-1531.

ГАВРИЛВНКО ВАЛЕРИЙ ПЕТРОВИЧ

УДК 533.9.08

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭМИССИОННОЙ И ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ПЛАЗМЕ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва, - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 9

Глава I. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ПЛАЗМЕ НА ОСНОВЕ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВ НЕВОДОРОДОПОДОБНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ............ 29

§1. Спектроскопический метод определения состояния поляризации осциллирующих электрических полей в плазме................................................................................................. 23

1.1. Расчет поляризации и интенсивности сателлитов з а-прещенных спектральных линий........................................... 31

1.2. Метод определения состояния поляризации электрического поля..........................................................................

§2. Принцип определения статистических характеристик осциллирующих электрических полей в плазме................................................................................................. ^

§3. Методы диагностики сильных линейно поляризованных осциллирующих электрических полей............................. ^ ^

3.1. Случай умеренно сильных полей. Модификация интенсивностей ближнего и дальнего сателлитов запрещенной спектральной линии. Поляризация сателли-

кР>

TOB............................................................................................... по

A. Расчет интенсивностей ближнего и дальнего сателлитов запрещенной спектральной линии................................. 4 8

Б. Методы измерения напряженности сильного осциллирующего электрического поля на основе сателлитов запрещенных линий............................................................................

B. Поляризация сателлитов и определение направле-

ния сильного осциллирующего электрического поля............. 57

3.2. Случай очень сильных полей. Многосателлитная структура вблизи запрещенной и разрешенной спектральных

линий................................................ .......................................... 58

§4. Модификация интенсивностей сателлитов диполь но запрещенных спектральных линий под влиянием внутриплазменных квазистатических электрических полей.............................................................................................. 68

§5. Метод диагностики электрических полей в низкотемпературной плазме по спектрам излучения двухатомных полярных молекул........................................................................

Глава И. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ПЛАЗМЕ НА ОСНОВЕ ЭМИССИОННЫХ СПЕКТРОВ ВОДОРОДОПОДОБНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ.................ВО

§1. Спектр излучения водородоподобноп) атома, взаимодействующего с осциллирующим электрическим полем в плазме: переход от динамического к квазистатическому режиму.......................................................................................... 80

§2. Резонансные эффекты в штарковской спектроскопии водородоподобных атомов в плазме, обусловленные присутствием в плазме осциллирующих электрических полей................................................................................................38

2.1. Резонансные рельефы на квазистатических штарковских профилях спектральных линий водородоподобных атомов, взаимодействующих с линейно поляризованным осциллирующим электрическим полем в плазме................................................................................................

А. Расщепление спектральных линий водородоподоб-

ного атома в условиях многоквантового резонанса................ 89

Б. Спектральная линия La с учетом расстройки от резонансных частот...................................................................

В. Проявление резонансных эффектов на результирующем штарковском профиле спектральной линии водоро-доподобных атомов в плазме. Диагностические рекомендации...............................................................................................

2.2. Проявление резонансных эффектов на квазистатических штарк-зеемановских профилях спектральных линий водородоподобных атомов, взаимодействующих с линейно поляризованным осциллирующим электрическим полем в плазме.........................................................................................

A. Сущность резонансных эффектов при совместном воздействии на водородоподобный атом квазистатических электрического и магнитного полей, а также осциллирующего электрического поля.............................................................

Б. Расчет расщепления спектральных линий водоро-доподобного атома в условиях резонанса................................

B. Диагностические рекомендации.............

...................ИЗ

2.3. Резонансная перестройка квазистатических профилей спектральных линий водородоподобных атомов в плазме, вызванная влиянием неколлинеарных осциллирующих электрических полей.........................................................................Мб

А. Резонансные эффекты в штарковском спектре водородоподобных атомов, вызванные влиянием неколлинеарных осциллирующих электрических полей..........

...................U7

Б. Резонансные эффекты в зеемановском спектре водородоподобных атомов, вызванные влиянием неколлинеарных осциллирующих электрических полей.............................

В. Рекомендации по диагностике суперпозиции не-коллинеарных осциллирующих электрических полей в плазме.................................................................................................

§3. Влияние высокочастотного квазимонохроматического электрического поля на штарк-зеемановские профили спектральных линий водородоподобных атомов..............................132

3.1. Спектр излучения водородоподобного атома при совместном действии статического и высокочастотного электрического полей....................................................................... 135

3.2. Спектр излучения водородоподобного атома при совместном действии высокочастотного осциллирующего электрического поля и статического магнитного поля.................................................................................................

3.3. Модификация спектра водородоподобного атома, вызванная влиянием суперпозиции высокочастотного осциллирующего электрического поля и электрического поля пролетающих заряженных частиц................................................. 1*13

§4. Модификация спектра водородоподобного атома в эллиптически поляризованном электрическом поле: плазменно-диагностические возможности............................... ^50

4.1. Спектральные линии водородоподобного атома в эллиптически поляризованном электрическом поле. Динамический режим.............................................................................151

A. Резонансные эффекты в эллиптически поляризованном поле............................................................................... 151

Б. Модификация спектра Ьа водородоподобного атома под влиянием эллиптически поляризованного электрического поля. Нерезонансный случай...........................................156

B. Поляризационно-спектроскопические эффекты в

эллиптически поляризованном поле........................................158

Г. Принципы измерений параметров высокочастотного эллиптически поляризованного электрического поля в плазме.........................................................................................

4.2. Квазистатическое уширение спектральных линий водородоподобных атомов в низкочастотном эллиптически поляризованном электрическом поле......................................

4.3. Спектроскопия водородоподобных атомов, взаимодействующих с высокочастотным эллиптически поляризованным электромагнитным излучением..................................

A. Эффективный оператор взаимодействия водородо-подобного атома с высокочастотным электромагнитным полем..............................................................................................

Б. Квазиэнергетические состояния водородоподобно-го атома в монохроматическом высокочастотном эллиптически поляризованном электромагнитном поле...........................16 8

B. Границы применимости результатов. Диагностические рекомендации................................................................. '

§5. Принципы диагностики стохастических осциллирующих электрических полей плазменной турбулентности по спектральным линиям водорода...............................................

Глава III. ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ПЛАЗМЕ.........................................

§1. Методы диагностики осциллирующих электрических полей в плазме, основанные на интегральном по спектру сигнале лазерной флюоресценции................................................. 181

1.1. Использов ание водородоподобных излучателей... .....\ЬЪ

А. Модификация результатов Карплюса-Швингера

в осциллирующем электрическом поле. Зависимость интенсивности флюоресценции от параметров осциллирующего

электрического поля.................................................................. 183

Б. Динамический штарковский сдвиг квазиэнергетических уровней в лазерном и низкочастотном электрических

полях...........................................................................................

1.2. Использование неводородоподобных излучателей.... §2. Лазерно-спектроскопический принцип диагностики осциллирующих электрических полей в плазме, основанный на модификации спектра флюоресценции атомарного водорода.............................................................................................13 о

§3. Методы диагностики осциллирующих электрических полей в плазме по спектру лазерно-индуцированной флюоресценции полярных молекул...................................................203

3.1. Нерезонансный случай................... .............................206

3.2. Резонансный случай...................................................212

§4. Метод диагностики квазистатических электрических

полей в плазме, имеющих изотропное распределение в пространстве. Принцип измерений концентрации заряженных

216

частиц для разреженных плазменных сред.............................. А1 и

Глава IV. ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЛАБОРАТОРНОЙ ПЛАЗМЫ....................225

§1. Диагностика сильных осциллирующих электрических полей в эксперименте "СВЧ пучок - плазма" по сателлитам запрещенных спектральных линий гелия................................. 225

1.1. Экспериментальное определение амплитуды осциллирующего электрического поля в плазме.............................. 226

1.2. Поляризационный анализ сателлитов запрещенных спектральных линий................................................................. 230

§2. Спектроскопическое исследование осциллирующих

электрических полей в периферийной плазме токамака..., .....232

§3. Спектроскопическое исследование неравновесных электрических полей в плотной плазме токового слоя..... ...... 235

3.1. Особенности штарковского уширения линий типа Нпа ионов С/У, NV, OVI в межчастичных электрических микрополях................................................................................ 238

3.2. Штарковское уширение спектральных линий типа Нпа ионов СIV, NV, OVIb обусловленное влиянием неравновесных электрических полей.....................................................242

§4. Диагностика электрических полей на основе лазерно-индуцированной флюоресценции молекул CS.......... ............... 245

4.1. Калибровочные измерения электрического поля в газе..............................................................................................

А. Эксперимент.............................................................. 247

Б. Теоретический анализ экспериментальных данных. Учет столкновительного выравнивания населенностей зеемановских состояний подуровней Л-удвоения..................... 248

4.2. Измерение электрического поля в тлеющем разряде

в гелии......................................................................................... 254

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 261

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 266

ЛИТЕРАТУРА........................................................................... 266

ИЛЛЮСТРАЦИИ......................................................................306

Актуальность работы

Во многих физических процессах в плазме важную роль играют электрические поля. Такие электричекие поля могут возникать в плазме вследствие развития в ней различных неустойчивостей. Возможные причины, вызывающие развитие плазменных неустойчивостей, это взаимодействие с плазмой пучков заряженных частиц [1, 2, 3], пропускание через плазму сильных токов [4, 5, 6], перезамыкание магнитных силовых линий [7, 8, 9], воздействие на плазму мощного электромагнитного излучения [10, 11]. Обзор различных типов неустойчивостей содержится также в книгах [12, 13, 14, 15, 16, 17]. Наряду с электрическими полями, связанными с развитием плазменных неустойчивостей, электрические поля в плазме могут являться также полями проникающего в плазму извне электромагнитного излучения. Такое излучение используется, например, в экспериментах по дополнительному нагреву плазмы электромагнитными волнами (см., например, [18, 19]). Еще одним примером электрических полей в плазме служит радиальное электрическое поле в токамаках. Такое радиальное поле играет важную роль в переходах между Ь- и Н-режимами удержания плазмы (см., например, [20, 21,22]). Наличие электрических полей является также характерной особенностью плазмы газовых разрядов (в частности, тлеющих разрядов, дуговых разрядов, СВЧ разрядов, оптических разрядов), причем свойства таких разрядов зависят от параметров и пространственного распределения электрических полей. Подробный обзор разрядов различных типов содержится в книге [23]. Кроме того, в плазме всегда присутствуют электрические поля, создаваемые отдельными заряженными частицами (электронами, ионами). Такие поля существенно отличаются по своим статистическим свойствам от электрических полей,

указанных выше.

В настоящей работе мы будем использовать термин "микроскопические электрические поля" (для краткости - "микрополя") для обозначения электрических полей, создаваемых отдельными заряженными частицами, и термин "крупномасштабные электрические поля" для обозначения всех других типов внутриплазменных электрических полей, включая поля, примеры которых указаны выше. Отметим здесь, что микроскопическое электрическое поле заряженной частицы (иона, электрона) в плазме экранируется на расстояниях г > гд, где г о - радиус Дебая: г в — (Т/8 тгА^е2)1/2 [И - плотность заряженных частиц, Т -температура частиц). В то же время характерный геометрический размер области существования рассмотренных выше крупномасштабных электрических полей в плазме, как правило, существенно превышает величину гд.

Измерение микроскопических электрических полей не представляет в большинстве случаев самостоятельного интереса в задачах диагностики плазмы. Однако свойства таких микроскопических электрических поляй и характер их воздействия на излучающие атомы (или ионы) имеют важное значение для многих спектроскопических методов измерения концентраций и температур заряженных частиц плазмы. В основе таких методов лежат эффекты модификации профилей спектральных линий квантовых излучателей (атомов или ионов), обусловленные влиянием на излучатели внутриплазменных микроскопических электрических полей. Воздействующее на излучающие атомы (или ионы) вну-триплазменное микроскопическое электрическое поле можно разделить на две составляющие: низкочастотную и высокочастотную. Низкочастотная составляющая микроскопического электрического поля представляет собой электрическое поле, создаваемое отдельными ионами плазмы, а высокочастотная составляющая является электрическим по-

лем, создаваемым отдельными электронами. Для многих практически важных ситуаций влияние ионного микрополя на формирование профиля спектральной линии излучающего атома можно рассматривать в квазистатическом приближении, в то время как влияние электронного микрополя - в рамках ударного приближения. Подробный обзор различных эффектов, связанных с модификацией профилей спектральных линий атомов и ионов, обусловленной влиянием микроскопических вну-триплазменных электрических полей, а также обзор соответствующих спектроскопических методов диагностики плазмы представлены в большом количестве работ (см., например, [24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32]). Следует отметить, что к настоящему времени диагностические методы, основанные на модификации профилей спектральных линий атомов и ионов под влиянием микроскопических внутриплазменных электрических полей, получили широкое распространение для измерения параметров как лабораторной, так и космической плазмы.

Значительно меньшее распространение нашли до сих пор спектроскопические методы диагностики крупномасштабных внутриплазменных электрических полей (хотя практическая потребность в измерении таких полей велика). Это обусловлено, с одной стороны, сложностью теоретического описания взаимодействия излучающего атома с крупномасштабным внутриплазменным электрическим полем. Действительно, крупномасштабное электрическое поле в какой-либо точке плазмы может характеризоваться набором большого количества параметров, которые влияют на проведение спектроскопической диагностики этого поля. Важнейшими из таких параметров являются: среднеквадратичная напряженность поля, частотный состав поля, направление вектора напряженности поля (для статического поля), амплитудно-угловое распределение электрического поля (для полей низкочастотной плазменной турбулентности), состояние поляризации электриче-

ского поля (если электрическое поле является полем высокочастотных волн, распространяющихся в плазме). С другой стороны, крупномасштабные электрические поля всегда действуют на излучатели в плазме совместно с электрическими микрополями, что также может затруднить получение информации о характеристиках крупномасштабных полей. Поэтому актуальной является задача разраб�