В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
Доплеровское уширениее
|
|
|
ω |
|
ν |
|
λ |
|
vk |
|
ω = k v |
v- скорость частицы |
|
= |
= |
= |
|
||||
ω |
ν |
λ |
c |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Для максвелловской плазмы контур является гауссовым
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
ω |
2 |
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
ω |
|
2T |
|||||
|
|
|
I ω |
|
|
|
|
|
J ω = |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
ω0 = |
vT = |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
exp − |
|
|
|
|
|
c |
c |
|
M a |
||||||||||||||
1 |
|
|
|
Imax |
λ1 |
|
|
|
π |
|
ω0 |
|
|
ω0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
0.5 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|||
|
|
|
ШПВ |
|
|
λ |
12 |
|
ln 2 1 |
|
2Ti |
|
|
|
T = M ac |
2 |
|
λ |
12 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
FWHM |
|
|
|
|
|
= 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λ |
|
|
|
c |
M |
|
|
|
|
i |
|
8ln 2 |
|
λ |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
λ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λ |
12 |
2 |
|
|
|
|
Ma |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T =1.68 108 |
μ |
|
|
|
|
[эВ], |
μ = |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
λ0 |
|
|
|
|
|
|
M H |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нα (656.3 нм) → |
λ1 |
= 0.051 |
|
Ti [нм, эВ] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
Измерениеионной температурытуры
ГОЛ-3, ИЯФ
поперечное сечение
вакуумной камеры
вакуумная камера
холодная периферия
горячий центр
Deuterium ene rg y, eV
0 |
150 |
300 |
450 |
600 |
750 |
900 |
10
Эксп. 4700
Dα, t = 220 мкс T = 0.85 кэВ
intensity, a.u. |
1 |
|
0.1 |
||
|
0.01
0 |
0.05 |
0.1 |
0.15 |
0.2 |
0.25 |
0.3 |
0.35 |
0.4 |
0.45 |
Δλ2, nm 2
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
Штарковскоерасщепление линийиний
Эффект Штарка: сдвиг атомных уровней в электрическом поле, создаваемом плазмой
|
E = F M |
F - |
поле, M - дипольный момент излучающей частицы |
|
|
|
|
|
← водород !!! |
M ≠ 0 - линейный по F |
эффект Штарка |
|||
Физический смысл: взаимодействие диполя с внешним электрическим полем
M = 0 - квадратичный по F эффект Штарка
Физический смысл: при появлении поля из-за поляризуемости у атома возникает дипольный момент
Расщепление линии Hα (n=3 → n=2):
n = 3: l = {0,1,2}, степень вырождения 9 → 5 подуровней
n = 2: l = {0,1}, степень вырождения 4 → 3 подуровня
(для +m и –m сдвиг энергии уровня одинаков)
правила отбора дают всего 15 компонент, из них 8 π-компонент и 7 σ-компонент
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
Штарковскоеуширениев плазмеазме
Классический эффект Штарка: расщепление компонентов линии (все излучающие частицы находятся в одинаковом электрическом поле)
Эффект Штарка в плазме: уширение контура линии (каждая из излучающих частиц находится в электрическом поле, создаваемом случайно всей совокупностью частиц)
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
характерный масштаб поля: |
E |
0 |
~ |
~ e n2/ 3 |
E |
0 |
≈ 2.6 e n2/ 3 |
||
r2 |
|||||||||
|
|
|
e |
|
e |
||||
|
|
|
|
av |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Функция Хольцмарка
распределение вероятности того, что частица окажется в поле определённой амплитуды
холодная плазма (медленные частицы): частица возбуждается и излучает в одной и той же точке (в одинаковом электрическом поле)
горячая плазма (быстрые частицы): частица возбуждается и излучает в разных точках (в разном электрическом поле)
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
Использованиеэффекта Штаркатарка
Сгусток плотной плазмы в установке ГОЛ-3 |
ГОЛ-3, ИЯФ |
|
в плазму инжектируется крупинка твёрдого тела, которая быстро испаряется
Координата
1
a.u.Intensity, 0
Длина волны
n = 1.7·1017 см-3
Te = 4 эВ
-эксперимент - подгонка
650 |
660 |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
ЭффектЗеемана В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
В магнитном поле происходит снятие вырождения (расщепление) уровней. Каждый уровень расщепляется на n = 2J+1 состояний, соответствующих магнитному квантовому числу M = -J…J
Разрешённые оптические переходы определяются правилами отбора: L= ±1
|
|
|
|
E = Mgμb B |
|
|
|
[сгс] |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
g =1+ |
J (J +1) + S (S +1) − L (L +1) |
|
- фактор Ланде |
|||||||
|
||||||||||||
|
|
|
|
2J (J +1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
μb = 0.93·10-20 эрг/Гс |
|
|
|
|
- магнетон Бора |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
λ = const λ2 B |
|
λ / λ = const λ B |
|
|||||||
M = 0 – π-компоненты излучения, |
M = ±1 – σ-компоненты излучения |
|||||||||||
Нормальный (простой) эффект Зеемана при S=0 (g=1) |
|
|
||||||||||
наблюдается для атома водорода в сильном магнитном поле |
|
|
|
|||||||||
|
Eσ = μb B |
|||||||||||
линия расщепляется на 3 компонента излучения (1π и 2σ) |
|
|||||||||||
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
Диагностикалокального магнитногоного поляполя
окно камеры с поляризаторами
σ
B
π
Расщепление дублета Na I
σ
π
ГОЛ-3, ИЯФ
Свечение линии Dα
656.1 нм
π - измерение
σ - расчет 
σ - измерение
655.6 |
655.8 |
656.0 |
656.2 |
656.4 |
, нм |
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
Излучениеплазмысатомными пучкамипучками
Использование пучков нейтральных атомов для целей диагностики
Beam Emission Spectroscopy (BES) – спектроскопия атомных пучков измерение спектральных линий атомов пучка, изменившихся под воздействием плазмы
Motional Stark Effect (MSE) – эффект Штарка в движении
разновидность BES, измерение локального магнитного поля по штарковскому расщеплению линейчатого излучения атомов пучка
Charge eXchange Recombination Spectroscopy (CXRS) – перезарядная рекомбинационная спектроскопия
изучение свечения атомов и ионов примесей основной плазмы, возникших в результате рекомбинации на атомах пучка
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
MSE-диагностикана установкеке ГДЛГДЛ
ГДЛ, ИЯФ
для движущейся частицы появляется |
|
|
|
1 |
|
|
лоренцевская добавка от магнитного поля |
E |
|
= E + |
|
υ × B |
|
|
c |
|||||
B
v
А.В. Аникеев и др., XXX Звенигородская конф. по физике плазмы и УТС, 2003
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
MSE-диагностиканаустановке ГДЛГДЛ (2)(2)
ГДЛ, ИЯФ
эксперимент
модель
А.В. Аникеев и др., XXX Звенигородская конф. по физике плазмы и УТС, 2003
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
Молекулярныеспектрыв плазмеазме
Молекулы в плазме
•Термоядерная плазма: воздействие горячей плазмы на стенку установки
•Плазменные технологии: модификация поверхности плазмой
•Астрофизика: молекулярные спектры в космической плазме
Структура молекулярных переходов
• Электронные: ~1 эВ
• Колебательные: ~0.1 эВ
• Вращательные: ~0.001 эВ
из-за большого количества переходов молекулярные линии образуют полосы
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
МолекулярнаяполосаС22
ГОЛ-3, ИЯФ
Излучение C2 Swan band ( v = -1)
300 |
|
|
|
|
200 |
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
530 |
540 |
550 |
560 |
570 |
|
|
wavelength, nm |
|
|
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 4
Конецтемы 4
Излучение плазмы. Тормозное и рекомбинационное: характерные зависимости от параметров плазмы, спектр (максимум в зависимости от температуры, ширина). Линейчатое излучение: интенсивность, отношение интенсивностей линий; доплеровское уширение, штарковское расщепление, использование этих эффектов в диагностике плазмы. Линии в системах с атомарными пучками. Линии в турбулентной плазме. Циклотронное излучение: частота, запирание излучения, интенсивность излучения черного тела. Молекулярные спектры в низкотемпературной плазме.
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 5
Новаятема 5
Теоретические модели, используемыезуемые приисследовании плазмыы.. Кинетическое уравнениее
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 5
Иерархиятеоретических моделейделей
Полный и точный учёт всех полей и взаимодействий частиц в плазме обычно невозможен, поэтому для её описания применяют одну из упрощённых моделей.
Расчёт движения частиц
Кинетический подход (расчёт функции распределения)
Магнитная гидродинамика (расчёт макроскопических параметров)
переход к модели более высокого уровня обычно означает, что приходится пренебрегать частью физических эффектов, т.е. модели более высокого уровня ограничивают классы описываемых физических явлений!
В.В.Поступаев * Физика плазмы, тема 5
Кинетическоеуравнение сс
самосогласованным полемем
fb (υb ) |
vz |
кинетический подход уже использовался |
|
при выводе силы торможения пробной |
|||
|
|||
|
частицы в плазме |
vy
vx
fb (υb )- функция распределения частиц сорта b по скоростям