II.Особенности поляризации излучения импульсных плазменных объектов.
Перейдём к рассмотрению процессов поляризации излучения импульсных плазменных объектов. К ним относятся область взаимодействия с газом движущейся плазмы, система РЭП-газ.
В работе /8/ методами поляризационной спектроскопии исследовались нестационарные процессы взаимодействия потока водородной плазмы с облаком нейтрального гелия. Интерес к подобным объектам выходит за рамки чисто лабораторных задач и обусловлен их сходством с астрофизическими системами: рассмотренные в них особенности кинетики частиц и механизмы, приводящие к нагреванию электронов, можно рассматривать как процессы, определяющие образование Солнечной системы .
Объект исследования, плазменный сгусток, формировавщийся в безэлектродной плазменной пушке, распространялся в дрейфовой трубе в постоянном магнитном поле. Напряженность магнитного поля не превышала 5 –кГс и в конце дрейфовой трубы имела направление перпендикулярное оси пучка. Концентрация частиц в пучке составляла 1011-1012см-3, а скорость его вхождения в газ 500 км/с. Гелиевое облако имело размеры 5х5х5 см3 и находилось под давлением 3 мторр. В условиях опыта частота электрон - атомных столкновений была порядка обратного времени взаимодействия плазмы с газом ((1,5 – 50)104с-1), то есть существенными были только столкновения свободных электронов с атомами гелия.
Наблюдаемая в экспериментах поляризация излучения ряда спектральных линий Hel: 501,6 нм 192,2 нм, 171,3 нм, 438,2 нм на переходах 1D-1p составляет 7%. Направление преимущественной поляризации определялось условием возбуждения выстраивания D1-состояний пучком быстрых электронов, движущихся вдоль магнитного поля. Благодаря отсутствию деполяризации излучения магнитным полем, информация об анизотропии движения электронов не искажалась.
|
|
|
Сопоставление результатов эксперимента с независимыми данными по поляризации спонтанного излучения гелия при возбуждении пучком монокинетических электронов показало, что наблюдавшееся отличие зарегистрированной степени поляризации при энергии 5 эВ от предельно возможной для энергии 100 эВ отражает наличие хаотически движущихся электронов промежуточной энергии, находящихся в возбужденной состоянии.
На основе экспериментальных данных можно предложить следующую модель взаимодействия потока плазмы и нейтрального газа: при впрыскивании гелиевого пучка в процессе прямой ионизации образуются ионы гелия, которые стимулируют неустойчивости плазмы, с которыми связаны электрические поля. Ионы, образовавшие в результате вторичной ионизации, ускоряясь в этих полях, поддерживают их существование. Этим можно объяснит торможение плазменного пучка от 500 км/c – 40 км/c. в области взаимодействия. За пределами этой области газ остается нейтральным, на границе скапливаются избыточный заряд, приводящий к появлению там скачков потенциала. В результате образуется потенциальная яма, в которой запираются электроны. Наблюдавшиеся электронные пучки можно объяснить отражением электронов от стенки этой ямы.
|
|
|
Изучение релятивистских электронных пучков (РЭП) и создаваемой ими плазмы связаны с необходимостью их инжекции в газ.
Одной из важных характеристик системы пучок-плазма является функция распределения электронов по скоростям, исследования анизотропных свойств которой были до недавнего времени ограничены возможностями зондовых методов. Результаты первых экспериментов по исследованию анизотропии ФРЭ в плазме РЭП методами поляризационной спектроскопии представлены в работе/8/. Эксперименты проводились на релятивистском электронном пучке со следующими параметрами: энергия электронов 350 кэВ, ток 15А; длительность импульса 40 мкс.
Для объяснения полученных результатов предлагается следующая простая модель. При инжекции электронного пучка в разряженный газ происходит процесс ионизации атомов. Вторичные электроны каскада первого поколения вылетают преимущественно поперек направления пучка и покидают область его локализации, ускоряясь в радиальном направлении под действием электрического поля пространственного заряда. В это время ионы захватываются в потенциальную яму. Этот процесс продолжается, пока не наступит динамическое равновесие между скоростями их образования. В установившемся режиме наступает зарядовая нейтрализация, уменьшается расталкивание частиц радиальным электростатистическим полем. В длинноимпульсном пучке при рассматриваемых плотностях газа может наступить полная зарядовая нейтрализация. При этом на оси пучка оказывается избыточным отрицательный заряд. Следовательно, в приосевой области пучка электроны по-прежнему будут испытывать действие радиальной электростатической силы, а на границе в основном, тепловое и магнитное давление.
|
|
|
Вторичные электроны более эффективно ионизируют газ, так как из-за меньшей энергии, чем у электронов пучка, им соответствует значительно большое сечение ионизации. В ионизации с возбуждением основную роль играют электроны каскада первого поколения, столкновения атомов с которыми являются сильными. При этом рассеяние электронов каскада происходит на малые углы, в результате чего угловая часть их функции распределения изменяется слабо, а энергия уменьшается.
|
|
|
Что касается магнитного поля, то по мере достижения необходимой плотности плазмы электрические и магнитные поля индуцируют обратный ток, приводящий к токовой и, следовательно, к магнитной нейтрализации. С течением времени (обычно спустя десятки наносекунд) эта нейтрализация ослабевает, однако магнитное поле по прежнему не оказывает заметного действия на угловую часть ФРЭ. Таким образом, интегрально за импульс тока функция распределения вторичных электронов анизотропна с осью вдоль радиуса пучка.
Для определения анизотропии из поляризационных характеристик необходимо установить каналы возбуждения 4р-состояний аргона ArII. Оценки показали, что из двух возможных механизмов: прямого электронного удара из основного состояния атома иона, а также каскадных переходов с выше лежащих уровней, прямой электронный удар с одновременной ионизацией и возбуждением атома аргона является наиболее вероятным. Очевидно в этом же процессе происходит выстраивание ионных состояний. Отличительной особенностью вышеупомянутых импульсных плазменных объектов является образование поляризации возбужденных состояний частиц за счёт внутренних анизотропных процессов. Основными процессами, ответственными за поляризацию атомного ансамбля этих объектов являются оптическое или электронное возбуждения. Исследование поляризационных характеристик излучения проводились с применением Фурье-поляриметра и методами одновременной регистрации интенсивностей в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Несмотря на это, в настоящее время метод поляризационной спектроскопии импульсных процессов не получил ещё должного распространения в экспериментальной практике. Её широкое применение позволит подтвердить гипотезу авторов этой методики об универсальности явления и позволит исследовать нелинейные неравновесные процессы в анизотропной плазме.
Лекция 13
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 200; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!