Введение к работе
Актуальность темы
Ультрахолодная неравновесная ридберговская плазма (или частично ионизованное неидеальное ультрахолодное ридберговское вещество) - это сильно охлажденная разреженная система, состоящая из атомов, возбужденных до высоких (ридберговских) уровней, свободных электронов и ионов. Эксперименты по получению и исследованию таких систем проводятся с 1999 г. В этих экспе-
4 Я
риментах атомы охлаждаются до температур порядка 10" К при плотностях 10 -10 см" и накапливаются в магнитооптических ловушках. Затем атомы ионизуются при помощи лазера с перестраиваемой длиной волны, при этом кинетическая энергия получившихся электронов может задаваться с хорошей точностью в пределах 1 - 1000 К. Один из важных экспериментальных результатов, несмотря на низкие температуры, рекомбинация в плазме идет аномально медленно - электроны «застревают» на высоковозбужденных состояниях.
Исследование рекомбинации в такой плазме представляет большой интерес, но чрезвычайно затруднено. Основную роль в ультрахолодной плазме играет столкновительная рекомбинация (электрон-электрон-ион), однако в литературе отсутствуют значения сечений процессов тушения и возбуждения уровней атома при столкновении с электроном с энергией меньше 300 К. Применение сечений, полученных для высоких энергий электрона приводят к результатам, несоответствующим эксперименту. Кроме того, ультрахолодная плазма сильно неидеальна. Значение параметра неидеальности для электронов у = е21Тгср (е - заряд электрона, Т - температура электронов, гср - среднее расстояние между частицами) может достигать 10. В этих условиях, высоковозбужденные ридберговские состояния электрона подвержены влиянию соседних частиц и фактически не могут рассматриваться как состояния изолированного атома. Соответственно, статистический вес или плотность этих состояний значительно отличается от плотности ридберговских состояний электрона в изолированном атоме, что должно существенно влиять на процесс рекомбинации.
Аналитический анализ столкновительной рекомбинации в условиях многочастичной задачи при низких температурах затруднен. В связи с этим особое значение приобретают методы численного исследования, позволяющие из первых принципов моделировать кинетические процессы в ультрахолодной рид-берговской плазме.
Цели диссертационной работы:
Разработка алгоритма на основе метода молекулярной динамики, позволяющего моделировать кинетические процессы, происходящие в
ультрахолодной неидеальной ридберговской плазме, проводить расчеты распределения электронов по энергии, плотности электронных состояний, диффузии электронов в пространстве энергий в области границы непрерывного и дискретного спектров, а также проводить анализ процесса рекомбинации в ультрахолодной плазме.
Анализ влияния неидеальности на рекомбинацию в ультрахолодной
ридберговской плазме.
Научная новизна результатов работы:
В диссертации проведено прямое моделирование кинетики заселения высоковозбужденных состояний в ультрахолодной неидеальной системе заряженных частиц в области значений параметра неидеальности у<\.
Получена и исследована зависимость от параметра неидеальности распределения по энергии высоковозбужденных электронных состояний в ультрахолодной ридберговской плазме.
Получены и исследованы зависимости от параметра неидеальности плотности высоковозбужденных электронных состояний, коэффициента диффузии электронов в пространстве энергий и коэффициента рекомбинации в ультрахолодной ридберговской плазме.
Научная и практическая ценность:
Полученные в диссертации плотность высоковозбужденных состояний и коэффициент диффузии электронов в пространстве энергий могут быть использованы для расчета состава неравновесной неидеальной плазмы, расчета кинетических уравнений баланса, расчета коэффициента рекомбинации в плазме. Эти расчеты имеют большое практическое значение в физике низкотемпературной плазмы, физике газовых лазеров, в задачах плазмохимии, при разработке источников излучения, в астрофизике.
Развитая методика также может быть использована для расчета плотности высоковозбужденных состояний электронов и ионного состава в многозарядной неидеальной плазме, образующейся, например, при сильных взрывах и в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу.
Положения, выносимые на защиту:
Численный метод и модель расчета, позволяющие моделировать кинетические процессы в ультрахолодной неравновесной ридберговской плазме и рассчитывать различные кинетические характеристики.
Расчет плотности электронных состояний в ультрахолодной ридберговской плазме в области энергий, соответствующих высоковозбужденным состояниям и зависимость плотности состояний от параметра неидеальности.
Расчет коэффициента диффузии электрона в пространстве энергий в ультрахолодной неравновесной ридберговской плазме в области энергий, соответствующих высоковозбужденным состояниям и зависимость коэффициента диффузии от параметра неидеальности.
Уменьшение коэффициента рекомбинации с ростом параметра неидеальности в ультрахолодной неравновесной ридберговской плазме.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на: Научных сессиях МИФИ 2006 и 2008, Научной конференции Института сверхпроводимости и физики твердого тела 2006, LaserPhysics Workshop '06, XXXIV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, XXI, XXII, XXIII и XXV Международных конференциях "Уравнения состояния вещества" Эльбрус-2006, -2007, -2008 и -2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе в журналах из перечня ведущих периодических изданий ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем составляет 100 страниц, включая 34 рисунка и библиографию из 56 наименований.