Введение к работе
1.Актуальность.
Радиационная кинетика как часть общей кинетической теории играет существєннус роль в понимании процессов переноса энергии в пространстве и по энергетическим уровням атомов и молекул в плазме и газах. Заселение и дезактивация возбужденных состояний атомов при участии фотопроцессов и переноса резонансного излучения - это существенные процессы при работе лазерных и других устройств, использующих плазму и неравновестные газы в качестве рабочего вещества. Столь же существенным служит использование резонансного излучения в качестве средств диагностики плазмы. Часто решение теоретических задач радиационной кинетики слишком сложно для аналитического исследования и компьютерное моделирование может дать существенно новую информацию. Поэтому применение численного моделирования к решению задач радиационной кинетики является актуальным.
В связи с этим целью настоящей работы было предложить единый подход к численному моделированию явлений переноса резонансного излучения в неравновесных газах и плазме при неполном перераспределении по частотам, изменении кинетических, оптических и электрических свойств атомарной плазмы в присутствии резонансного излучения и решения обратных, диагностических задач теории переноса резонансного излучения. Алгоритмы решения задач были доведены до уровня пакетов программ для ЭВМ и применены для решения актуальных задач радиационной кинетики. Результаты численных расчетов проанализированы с учетом состояния теории в этой области и проведено широкое сравнение с данными экспериментов.
Основные положения диссертаци, выносимые на защиту.
-Перенос излучения в спектральных линиях многозарядных водородоподобных ионов в плотной плазме происходит при
существенном отклонении от полного перераспределения по частотам в акте рассеяния.
-В плотной плазме, содержащей ионы с зарядом Z>10, нелинейные интерференционные эффекты, вызванные плазменными микрополями, существенно изменяют соотношение интенсивностей компонент тонкой структуры эмиссионных спектральных линий и функции перераспределения по частотам водородоподобных ионов. Область влияния нелинейных j-.нтерференционных эффектов по электронной концентрации 10г1см"3 < N4<1025cm"3.
-Нестабильность электрического микпрополя существенно увеличивает ширину линий водородоподобных ионов с зарядом ядра 10<2<30 при N>10"cm-3.
-В процессе формирования оптогальванического сигнала в плазме разряда низкого давления существенным является положение узкого места на энергетической шкале атома или иона. Накачка уровней через узкое место существенно увеличивает амплитуду оптогальванического сигнала.
-При возбуждении высоколежащих состояний атома в высокочастотном разряде низкого давления отношение интенсивностей линий в оптогальваническом спектре соответствует отношению произведения статистических весов состояний на силу осциллятора перехода.
-В безэлектродном высокочастотном разряде низкого давления существует устойчивый режим горения,, обусловленный скин-эффектом. Механизм эффективен при условии, что минимальный размер разряда больше толщины скин-слоя.
-Мощность, рассеиваемая безэлетродным ВЧ разрядом низкого давления, при наличии скин-слоя С N>10l1cm"3, радиус разрядной трубки >1смЗ пропорциональна напряженности внешнего 'магнитного поля в степени 4/3.
Функции распределения частиц конденсированной дисперсной фазы по скоростям и размерам, а также зависимость скорости запаздывания от размера могут быть определены из пространственно-спектральной картины многоэкспозиционной картины двухфазного потока с помощью решения интегральных уравнений с использованием метода регуляризации..
-Спектры эмиссии, абсорбции и флуоресценции связаны с сигналами магнитного сканирования линейными и нелинейными
интегральными уравнениями. Решение этих уравнений с помощью метода регуляризации дает возможность определить профили спектральных линий без прямого пространственного разложения излучения.
-Применение статистического моделирования к решению обратной задачи уравнения переноса излучения позволило разработать метод решения задач томографии прозрачных и полупрозрачных сред в сложных физических условиях: при использовании неколлинеарных пучков, при наличии непрзрачных включений, для диагностики объектов с большими градиентами, типа ударных волн и границ раздела фаз.
Научная новизна.
1. Предложена, феноменологическая теория перекоса резонансного
излучения при неполном перераспределении по частотам при
доменируюием участии штарковского перемешивания по частотам в
пределах линии. В численном эксперименте получены функция
перераспределения по частотам в приближении "ближайшего соседа",
скорости радиационного распада при различных условиях
перераспределения.
2. Проведено численное моделирование контуров линий
испускания, поглощения и рассеяния резонансного излучения
водородоподобными ионами промежуточными значениями зарядов ядер.
Впервые одновременно были учтены процессы ионной динамики в
плазменном микрополе и нелинейные интерференциок.а, э эффекты в
спектре иона.
3. Сформулирована теория оптогальванического эффекта в
атомарной плазме. Указано на существенное влияние т.н. "узкого
места" на ОГЭ при различном выборе длин волн возбуждающего
излучения.
4. Впервые проведено моделирование ОГЭ в плазме ВЧ разряда с
одновременным учетом электрических, кинетических и оптических
свойств плазмы.
5. Рассмотрен широкий спектр обратных задач спектроскопии
излучения, поглощения и светорассеяния в целях диагностики газовых
и плазменных сред.
-S-
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных математических средств моделирования физических . явлений, использованием корректных методов решения обратных задач, сравнением результатов с ранее существовавшими теориями в пределах их области применения, с результатами других авторов по моделирование кинетических явлений при решении смежных проблем, широким сравнением с результатами эксперимента практически по всему спектру рассмотренных задач. Разработанные методы решения задач радиоционной кинетики и переноса резонансного излучения имеют широкую область применения: они могут применяться при моделировании явлений в атомарной и полностью ионизованной, плазме при электронных плотностях не больше 16s см3 и зарядов ионов до 30. Теория и результаты моделирования ОГ явлений справедливы для атомарной газоразрядной плазмы низкого давления Спорядка 1 торр.) и интенсивностях накачки меньше интенсивности насыщения перехода С за исключением специально рассмотренной ситуации ОГЭ в полом разряде в неоне). Методы анализа пространственных спектров справедливы при значительной счетной концентрации частиц к-фазы(>100 в рассматриваемом объеме). Методы анализа данных магнитного сканирования пригодны при погрешностях входных данных <20%.
Научная ценность.
Теория переноса излучения при неполном перераспределении по частотам в плотной плазме и результаты численного моделирования контуров линий позволяют корректно интерпретировать результаты измерений контуров линий водородоподобных ионов .
Методы моделирования задач радиационной кинетики могут быть использованы при решении задач уширения спектральных линий сложных ионов в плотной плазме.
Теория и численные модели высокочастотного разряда позволили корректно описывать экспериментально измеренные оптогальванические спектры применительно к широкому кругу экспериментальных устройств.
Применение методов решения обратных задач позволило существенно повысить информативность спектроскопических
-е-
экспериментов.
Практическая ценность.
Методы моделирования задач радиационной кинетики могут быть использованы для интерпретации рентгеновских спектров в диагностике плазмы в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу, при создании лазеров коротковолнового диапозона. Результаты моделирования оптогальванических явлений в плазме могут быть использованы при создании прецизионных измерителей - следов элементов. Методы моделирования переноса излучения и методы решения обратных задач использовались и могут быть использованы для повышения информативности экспериментальных данных, в частности это данные о заселении возбужденных состояний , электронной плотности и температуре в плотной плазме, получаемые из контуров линий, данные о дисперсном составе и скорости частиц конденсированной фазы в потоках многофазных сред, данные об электронных и ионных функциях распределения из экспериментов по томсоновскому рассеянию, данные об уширениях и сдвигах спектральных линий из экспериментов по магнитному сканированию.
Апробация работы.
Материалы работы докладывались на 13, 18 и 19 международных конференциях по явлениям в ионизованных газах С Берлин, 1977, Сванси- Англия 1987, Белград 19893, 12 SPIG С ШиоЧ'Г'к, Югославия 1984), 19893, 8 Всесоюзном совещании по квантовой химии (Новосибирск, 1978), 1 Всесоюзном совещании по атмосферной оптике СТомск, 1976), 6- Международной конференции по атомной физике СРига, 1978), 5 и 6 Всесоюзной конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Киев, 1979, Ленинград, 1983), 1 и 5 Всесоюзных симпозиумах по вычислительной томографии (Новосибирск, 1983, Звенигород, 1991), 6 Международном симпозиуме по вычислительной томографии (Новосибирск, 1993).
Объем работы. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и Приложения и изложена на 211 стр..содержит 49 рис., список цитируемой литературы включает 141 наименование.
-7 ~
