Теоретические основы методов диагностики корональной плазмы по рентгеновским спектрам многозарядных ионов

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
В.1. Формулировка проблемы и ее актуальность 7
В.2. Содержание работы 11
В.З. Основные положения, выносимые на защиту 18
В.4. Научная новизна 20
В.5. Научная и практическая ценность работы 22
В.6. Апробация работы 24
Глава 1. Рентгеновское излучение многозарядных ионов в короналыюй плазме
1.1. Введение 26
1.2. Общее описание спектров и методов их моделирования 31
1.2.1. Особенности и механизмы формирования коротко- 31 волновых спектров
1.2.2. Интенсивности спектральных линий 33
1.2.3. Прямая и обратная задачи спектроскопии 39
1.3. Теоретические подходы к задаче о возбуждении и из- 42 лучении атомных кулоновских резонансов
1.3.1. Введение 42
1.3.2. Асимптотический подход в теории электрои-иониых 50 столкновений
1.3.3. Динамика состояний атомных резонансов в электри- 60 ческом ноле
1.4. Спектральные характеристики многозарядных ионов 75
1.4.1. Метод 2-разложений теории возмущений 75
1.4.2. Энергии ионных уровней 76
2
1.4.3. Вероятности радиационных и автоионизационных пе- 78 реходов
1.5. Методы расчета характеристик элементарных процес- 80 сов в корональной плазме
Глава II. Расчет К-спектров излучения многозарядных ионов в корональной плазме
2.1. Введение 83
2.2. Линейчатые спектры корональной плазмы вблизи ре- 86 зонансных линий [Не] ионов
2.2.1. Уравнения баланса и атомная модель 86
2.2.2. Скорости элементарных процессов 88
2.2.3. Результаты и обсуждение расчетов 99
2.3. Спектры диэлектронных сателлитов (ДС) резонансных 102 линий многозарядиых ионов
2.3.1. Общая характеристика ДС 102
2.3.2. Интенсивность резонансных линий 104
2.3.3. Интенсивность ДС, возбуждаемых в процессе диэлек- 106 тронной рекомбинации (ДР)
2.3.4. Интенсивность ДС, возбуждаемых прямым электрон- 110 ным ударом
2.3.5. Результаты численных расчетов 112
2.4. Интенсивности ДС в плотной плазме 115
2.4.1. Уравнения баланса для системы близких автоиони- 115 зационных уровней
2.4.2. Относительные интенсивности ДС [Н) ионов 119
2.4.3. Относительные интенсивности ДС [Не] ионов 124
3
Глава III. Верификация атомных данных и методов рентгеноспектральной диагностики
3.1. Введение 126
3.2. Верификация атомных данных по спектрам Ка - 131 излучения ионов АгХУП в плазме токамака
3.2.1. 1 Остановка задачи 131
3.2.2. Самосогласованный подход 133
3.2.3. Формулировка спектроскопической модели 134
3.2.4. Решение обратной задачи 144
3.2.5. Результаты измерений и расчетов 148
3.2.6. Заключение и выводы 151
3.3. Верификация атомных данных по спектрам К& - 153 излучения ионов АгХУП в плазме токамака
3.4. Верификация скорости ДР по спектрам лазерной плаз- 161 мы
Глава IV. Поляризация рентгеновских линий многозарядных ионов, возбуждаемых электронным пучком
4.1. Физические аспекты и история вопроса 166
4.2. Поляризация линий в К-спектрах излучения многоза- 171 рядных ионов
4.2.1. Постановка задачи и общие выражения 171
4.2.2. Поляризация линий, возбуждаемых нсупругим элек- 175 тронным ударом
4.2.3. Поляризационные свойства излучения диэлектрон- 177 ных сателлитов
4
4.2.4. Результаты расчета степени поляризации рентгенов- 179 ских линий
4.3. Учет эффектов сверхтонкой структуры 183
Глава V. Моделирование и диагностика активных плазменных образований в солнечной короне
5.1. Введение 188
5.1.1. Рентгеновская спектроскопия солнечной короны 188
5.1.2. Исследования рентгеновского излучения Солнца в 190 ФИАНе
5.2. Рентгеновские спектры высокого разрешения 198
5.2.1. Спектры солнечных вспышек вблизи резонансных ли- 198 ний |Н] и [Не] ионов
5.2.2. Спектры активных областей вблизи резонансных ли- 215 ний NeIX, MgXI и SiXIII
5.2.3. Результаты моделирования спектров излучения 223 вспышек и активных областей
5.3. ВУФ-спектры вспышек и активных областей 229
5.3.1. Отождествление спектров крайнего ВУФ-диапазона 229
5.3.2. Диагностика электронной плотности 234
5.3.3. Восстановление дифференциальной меры эмиссии 235
5.4. Моделирование плазмы венышечных образований но 240 спектральным изображениям
Глана VI. Моделирование и диагностика плазмы лабораторных источников
6.1. Введение 266
6.2. Диагностика нетеиловых электронов в плазме вакуум- 270 ной искры
о
6.3. Диагностика, ионного состава в лазерной плазме 281
6.4. Диагностика сверхплотной фемтосекундной лазерной 289 плазмы
Заключение 294
Приложение
Приложение I. Расчет характеристик многоэлектронных ионов методом ^разложений
П. 1.1. Энергии уровней: нерелятивистская часть 298
П. 1.2. Энергии уровней: релятивистская часть 305
П. 1.3. Дипольные матричные элементы 310
ГІ. 1.4. Вероятность автоионизации 314
Приложение II. Таблицы
П.2.1. Характеристики К-спектров излучения многозаряд- 317 ных ионов. Таблицы П5-П17
П.2.2. Каталог ВУФ линий в спектре солнечных вспышек. 328 Таблица П18
Список литературы 333
а
ВВЕДЕНИЕ
Формулировка проблемы и ее актуальность
Диссертация представляет собой теоретическое исследование механизмов образования и спектральных свойств коротковолнового излучения многозарядных ионов в корональной плазме. Рентгеновские и ВУФ спектры излучения содержат многообразную информацию как об элементарных процессах, так и об окружающей среде. Теоретический анализ спектров и спектральных изображений плазменных источников коротковолнового излучения, опираясь на современные методы расчета спектральных и столкновительных характеристик ионов, дает возможность определить температурный и ионный состав, электронную плотность, концентрацию и анизотропию нетепловых (немаксвелловских) электронов и другие физические характеристики области излучения.
Целью диссертации является разработка и обоснование теоретических основ спектроскопических методов, позволяющих определять параметры плазменных образований в астрофизических и лабораторных условиях и их пространственно-временную динамику. Таким образом, многозарядные ионы и их излучательные спектры являются одновременно и объектами исследования и источниками данных о физическом состоянии среды, необходимых для решения фундаментальных проблем астрофизи'ческой и лабораторной плазмы.
В астрофизических источниках многозарядные ионы возникают и проявляют себя в условиях высокотемпературной плазмы или пучков с различным распределением скорости движения ионов. Наиболее распространенными типами таких астрофизических плазм являются:
- Двойные рентгеновские источники, включающие компактный объект двойной системы и аккрецирующий газ. Компактным объектом может быть белый карлик - звезда с массой порядка солнечной и размером порядка радиуса Земли; нейтронная звезда с массой того же порядка, но с радиусом менее ~ 10 км (рентгеновские двойные системы), а также черная
7
дыра. Распространенными примерами двойных систем в двух последних случаях являются пульсары.
- Оболочки остатков сверхновых и горячий межзвездный газ.
- Корона Солнца и звезд.
Солнечная корона, вследствие малой электронной плотности (~ 108-1012 см"3) и широкого диапазона температур (~106-108 К) является уникальным источником для получения информации о спектрах и характеристиках процессов возбуждения многозарядных ионов элементов с зарядом ядра вплоть до £ ~ 30. Она представляет также большой интерес как объект физического исследования благодаря сложной структуре (активные области, корональные дыры, яркие точки и др.) и явлениям активности (вспышки, выбросы корональных масс, джеты и т.п.). Последние, будучи проявлением нестационарных процессов перехода магнитной энергии в другие ее виды, являются характерными для космической плазмы. Их природа остается в большой степени непознанной.
Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в физике солнечной короны в последние десятилетия благодаря интенсивным наземным и космическим исследованиям, задача, связанная с определением механизмов выделения энергии в процессе развития солнечных вспышек и других эруптивных явлений и се преобразования в энергию ускоренных частиц, нагрев и излучение плазмы, ио-прежнему остается актуальной. Построение теоретических моделей, дающих однозначное количественное описание многообразных активных явлений, наблюдаемых в различных спектральных диапазонах коротковолнового излучения, помимо самостоятельного значения для понимания механизмов локальных процессов, важно также для решения проблем глобального масштаба, таких как нагрев короны спокойного Солнца и активных областей, ускорение солнечного ветра и выброс корональных масс.
Мягкое рентгеновское излучение является основным источником информации гп ейи о нестационарных процессах, протекающих в наиболее горячих структурах солнечной короны с температурой от ~3 до 30 МК
8
и более. В результате долговременных внеатмосферных экспериментов с помощью рентгеновской изображающей спектроскопии, выполненных на спутниках GOES, Yohkoh, КОРОНАС и RHESSI, в настоящее время накоплен огромный объем наблюдательных данных о пространственно-временных характеристиках рентгеновского излучения в различных спектральных диапазонах, открывший возможность для количественного моделирования и апробации теоретических сценариев развития вспышечных и других эруптивных явлений на Солнце. Примером такого сценария, принятого во многих работах в качестве "стандартного”, является модель импульсных вспышек, основанная на процессе магнитного перссоединения, приводящего к ускорению электронов до высоких энергий с последующим нагревом и испарением плазмы нижней короны и хромосферы (“хромо-сфернос испарение”). Тем не менее многие вопросы, связанные с механизмами нагрева и энергобюджетом горячей вспышечной плазмы, а также возможность применимости такой модели к эруптивным явлениям другого типа, остаются нерешенными и требуют дополнительного экспериментального и теоретического изучения. В связи с этим особую актуальность приобретает разработка методов комплексного многотемпературного анализа рентгеновских изображений и спектров, полученных одновременно в разных спектральных диапазонах на различных космических аппаратах. Рентгеновская и ВУФ спектроскопия горячей солнечной плазмы, представляет собой как самостоятельное направление фундаментальных исследований, так и весьма эффективный инструмент для изучения таких процессов.
Ряд условий, характерных для астрофизической плазмы, воспроизведены в лабораторных установках с целью изучения свойств коротковолнового излучения многозарядных ионов, а также для верификации атомных данных и методов спектроскопической диагностики (лабораторная астрофизика). Точность спектроскопических методов диагностики и даже сама возможность их использования зависят от точности атомных данных и моделей излучающей плазмы, основанных на уравнениях атомной кине-
9
тики и плазменной динамики. Для многозарядных ионов с зарядом z > 10 прямые (пучковые) измерения столкновительных и радиационных характеристик, необходимых для расчета и интерпретации К-спектров, в настоящее время практически отсутствую'!'. Единственными источниками информации как о бинарных, так и гидродинамических процессах, являются таким образом сами спектры разреженной (корональной) плазмы в установках типа EBIT и токамаках. Знание точности современных методов расчета атомных данных необходимо при решении многих проблем атомной физики, квантовой электроники, ускорительных и термоядерных установок.
Актуальность поставленных в работе задач определяется также многочисленными приложениями в атомной спектроскопии, физике плазмы и астрофизике; потребностями в диагностике плазменных сред, создаваемых с целью получения УТС, рентгеновских лазеров; необходимостью разработки источников коротковолнового излучения для их применения в биологии, медицине, материаловедении и многих других областях современной науки и технологии.
Основная, своего рода стратегическая задача диссертации может быть сформулирована как построение теоретических моделей источников коротковолнового излучения по измеренным спектрам и спектральным изображениям и определение на их основе физических параметров и временной динамики излучающей плазмы. Такая комплексная физическая проблема делится на ряд самостоятельных задач:
1. Первичная обработка полученных данных (деконволюция, калибровка и т.п.).
2. Определение, расчет и верификация характеристик многозарядных ионов в корональной плазме.
3. Моделирование источников излучения.
4. Теоретический анализ, отождествление и физическая интерпретация измеренных спектров.
•5. Разработка методов спектроскопической диагностики горячей коро-
10
нальной плазмы и их применение.
Задачи 3-5 тесно связаны между собой; в их решении существенную роль играют методы теоретической спектроскопии, начиная от обратной задачи и кончая расчетом спектров в рамках различных моделей излучающих областей.
Настоящая работа содержит результаты исследований солнечной и лабораторной плазмы на всех этапах решения основной задачи на основе экспериментальных спектров и спектральных изображений рентгеновского и ВУФ излучения Солнца, полученных в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН), спектров лазерной плазмы (ФИАН, Лаборатория Лос-Аламос, США), плазмы токамака ТЕХ ТОК (К)лих, Германия) и вакуумной искры (Бохумский Университет, Германия). Получение с помощью разработанных в диссертации методов новой информации о структуре и физических свойствах плазменных образований, исследуемых в этих экспериментах, являлось также одной из целей диссертации.
Содержание работы. Работа состоит из Введения, шести Глав, Заключения и Приложение. Общий объем — 356 страниц; диссертация содержит 55 рисунков и 32 таблицы; список литературы включает 341 ссылку. Все главы связаны между собой единой сформулированной выше целью, однако каждая из них посвящена самостоятельной задаче и в вводном разделе содержит ее постановку, краткое описание истории вопроса с указанием соответствующих литературных источников и ссылками на работы автора, в которых получены основные результаты исследования.
Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации, общую постановку проблемы, формулировку цели и предмета исследования, новизны полученных результатов и их научной и практической ценности и основные положения, выносимые на защиту.
Глава I посвящена развитию основных подходов в теории спектров коротковолнового излучения и методов расчета, спектральных и столкно-вительных характеристик многозарядных ионов в корональной плазме. Ее результаты используются в последующих главах для решения постав-
11
ленных в диссертации задач теоретической спектроскопии, направленных на разработку методов диагностики и их применения для исследования плазменных образований в солнечной короне и лабораторных установках.
В разделе 1.2 дается общее описание, особенности и механизмы формирования рентгеновских и ВУФ спектров многозарядных ионов в условиях корональной плазмы, постановка прямой и обратной задачи спектроскопии, формулировка основных принципов спектроскопической диагностики и приводятся основные соотношения, используемые для численного моделирования источников излучения и расчета спектров. Сформулирована корон ал ьная модель для описания спектров и условия ее применимости на основе столкновительного подхода к задаче об излучении многозарядных ионов в горячей плазме. Дано математически корректное определение меры эмиссии (МЭ) и дифференциальной меры эмиссии (ДМЭ), имеющих принципиальное значение в теоретическом анализе излучения коро-налыюй плазмы, с помощью интеграла Стильтьеса. Рассмотрены модели излучающей плазмы - одтютемпературиая (ОТ), многотемпературная параметрическая (МТП) модели и модель негепловых электронов (НЭ), используемых в работе для анализа спектров и восстановления температурных распределений ДМЭ. Развиты методы решения обратной задачи: оптимизационный - на основе МТП модели, и итерационный метод Байеса (ИМБ).
В разделе 1.3 дан краткий обзор, характеризующий состояние теории и основные подходы к задаче о возбуждении и распаде кулоновских резонансов в присутствии электромагнитного поля в применении к процессам неупругого возбуждения рентгеновских линий, радиационного захвата, и ионизации. В рамках временной и стационарной теории столкновений развит формализм оператора сдвига энергии, используемый в теории распада нестабильных состояний. С помощью предложенного в работе точного разложения функции Грина кулоновского поля на потенциальное и резонансное слагаемые определены асимптотические по заряду иона столк-новительные и спектральные характеристики излучения многозарядных
12
ионов через асимтотические разложения матричных элементов оператора сдвига энергии на энергетической поверхности. Показана существенная роль радиационного канала (диэлектронная рекомбинация) в процессе резонансного электрон-ионного рассеяния. Дана постановка и решение столкновительной задачи с перестройкой: получены точные аналитические выражения для амплитуд перехода в состояния непрерывного спектра (стационарные, Волкова-Келдыша и когерентные) и выполнен теоретический анализ динамики резонансного состояния атома в постоянном электрическом поле.
В разделе 1.4 развит метод 7-разложений теории возмущений на ку-лоиовском базисе с учетом релятивистских поправок в рамках оператора Брейта для расчета спектральных характеристик автоионизационных состояний многоэлектронных систем: длин волн и вероятностей радиационных и автоионизационных переходов. Результаты представлены в виде разложений теории возмущений по малому параметру 1/2. В разделе 1.5 дается краткое описание методов и соответствующих пакетов программ, использованных в диссертации для численных расчетов характеристик элементарных процессов в корональной плазме с участием многозарядных ионов.
Глава II посвящена расчетам светимостей и К-спектров излучения ко-роналыюй плазмы вблизи резонансных линий [Не] ионов. В разделе 2.2 формулируется атомная модель для описания светимости основных линий [Не] ионов для элементов, обильных в солнечной короне, приводятся результаты расчета спектральных и столкновительных характеристик ионов с помощью разработанных в ФИАНе программ М2 и АТОМ и аппроксима-ционные формулы для скоростей элементарных процессов. В следующем разделе дана общая характеристика диэлектронкых сателлитов [Н] и [Не] ионов, результаты расчетов их интенсивностей, возбуждаемых в процессе диэлектронной рекомбинации и прямого электронного удара, и их обсуждение. Раздел 2.4 посвящен расчетам спектров диэлектронных сателлитов резонансных линий в разреженной и плотной плазме с использованием ме-
13
тода Z-разложений. Результаты этой главы используются в дальнейшем для отождествления линий и теоретического анализа экспериментальных спектров.
В III главе излагаются методы теоретического анализа спектров то-камакаТЕХТОК (Юлих, Германия) и лазерной плазмы (ФИАН) с целью верификации атомных данных и рентгеноспектральной диагностики ко-рональной плазмы. Результаты диагностики, а также возможность однозначной интерпретации спектров, в значительной степени определяется точностью атомных данных, используемых при моделировании источников рентгеновского излучения. В связи с отсутствием прямых пучковых измерений, суждения об их точности опирается в настоящее время на сравнение либо с наиболее точными (с теоретической точки зрения) расчетами, либо с данными пучково-пленочных экспериментов на установках типа EBIT. Обеспечивая наилучшую точность для длин волн, такие эксперименты не позволяют улучшить точность измерения ~20-30% для столк-иовительных характеристик из-за низкой статистики фотонов. В связи с этим вопрос верификации атомных данных является весьма актуальным как для атомной физики, стимулируя уточнение методов их расчета, так и для решения задач физики плазмы, основанных на результатах рентгеноспектральной диагностики.
В разделе 3.2 сформулирован самосогласованный подход к проблеме верификации на основе решения обратной задачи итерационным методом Байеса в рамках развиваемой в работе полуэмпирической “спектроскопической’ модели. Концепция самосогласованного подхода к задаче верификации атомных данных, включает несколько аспектов или уровней согласования; основным является сформулированное в работе требование самосогласованности ведущих атомных и плазменных параметров модели, полученных с помощью метода Байеса по измеренным спектрам. Как показано в работе, это требование является необходимым и достаточным условием достоверности параметров модели. Другой аспект связан с согласованностью атомных данных в рамках единого метода с целью из-
14
бежать их компиляции (а также экстраполяции); таким образом, верификация атомных характеристик означает в то же время верификацию соответствующего метода расчета атомных данных. Третий уровень касается согласованности параметров плазмы в спектроскопической модели с измеренными другими методами диагностики, а также полученными в рамках плазменной модели транспорта примесных ионов.
В разделах 3.2 и 3.3 приведены результаты верификации атомных данных и измерения центральной температуры и относительных ионных обилий, выполненные на основе разработанного подхода с помощью Ка- и Кр спектров ионов аргона, соответственно. В разделе 3.3 указаны также причины расхождений (в 1.5-2 раза) между' измеренными и рассчитанными ранее отношениями К# линий, связанными как с неточными атомными данными, так и неполнотой атомной модели. Для верификации и диагностики были использованы спектры токамака ТЕХТОГ1, измеренные с высокой точностью для широкого диапазона центральной электронной температуры !Г=0.8-2.5 кэВ и плотности ДО=1013-1014 см“3. Показана высокая точность расчета относительных длин волн ~(1-2)*10“4 и определения параметров модели - столкновительных характеристик и центральной температуры (~5-10%). Обнаружено сильное (в 2-5 раз) отличие измеренных ионных концентраций от равновесных (в условиях солнечной короны), связанное с эффектами транспорта и перезарядки ионов аргона на нейтральных атомах водорода.
В разделе 3.4 приводятся результаты верификации скорости диэлек-тронной рекомбинации на основе анализа спектров диэлектронных сателлитов, измеренных в лазерной плазме (ФИАН). Сравнение измеренных скоростей с результатами расчетов по программе АТОМ показывает согласие в пределах ~20%.
Глава IV посвящена теории поляризации рентгеновских линий многозарядных ионов, возбуждаемых электронным пучком. В первом разделе изложена история вопроса и физические аспекты поляризационных измерений линейчатых спектров для диагностических целей. Линейчатое
15
излучение многозарядных ионов возникает в результате двух основных процессов: 1) прямого возбуждения неупругим электронным ударом и 2) радиационного захвата электрона (ДР). Оба эти процесса естественно описывать с единой точки зрения как рассеяние электрона на ионе с рождением фотона в конечных каналах реакций.
В разделе 4.2 в рамках столкновительного подхода получены выражения для фотонной матрицы плотности рентгеновских линий многозарядных ионов, возбуждаемых электронным пучком в корональной плазме. Показано, что излучение линейно поляризовано, причем степень поляризации опорных линий, формируемых неупругим ударом, определяются сечениями возбуждения М-компонент, зависящих от энергии пучка, а их диэлектронных сателлитов - универсальной (для всех ионов одной изоэлектронной последовательности) зависимостью от квантовых чисел резонансного (автоионизационного) состояния и не зависит от энергии. Приведены результаты квантовомеханических расчетов поляризационных характеристик линий, наиболее интенсивных в спектрах |Н| и [Не) ионов, и их диэлектронных сателлитов. Па основе этих расчетов, выполненных впервые автором диссертации, был предложен метод диагностики электронной функции распределения. В этом разделе также исследована роль различных эффектов, влияющих на величину степени поляризации [Не] линий при электрон-ионных взаимодействиях: кулоновского притяжения, обмена и спин-орбитального взаимодействия и радиационных каскадов.
В разделе 4.3 учтены эффекты сверхтонкой структуры. Показано, что учет этих эффектов существенно меняет величину степени поляризации триплетных линий и позволяет описать результаты измерений в рамках экспериментальных ошибок. В разделе 4.4 дается описание метода диагностики пучков анизотропных надтепловых электронов в горячей плазме, основанного на двойных отношениях интенсивностей рентгеновских линий, измеренных с помощью брэгговской поляризационной спектроскопии.
Глава V содержит результаты отождествления, моделирования и ди-
36
агностики плазменных образований в солнечной короне по спектрам и спектральным изображениям, полученным в ФИАНе. В вводным параграфе дается описание особенностей рентгеновской спектроскопии солнечной плазмы и результатов внеатмосферных исследований рентгеновского и ВУФ излучения Солнца, выполненных на спутниках “Интеркосмос”, ракетах “Вертикаль” и орбитальных станциях КОРОН АС.
В разделе 5/2 представлены результаты первичной обработки экспериментальных данных, отождествления и моделирования рентгеновских спектров вспышек и активных областей; там же дается интерпретация поляризационных измерений, выполненных с помощью брэгговской спектроскопии. Определены основные параметры источников излучения - характерные температуры, меры эмиссии, ионизационный состав и характеристики надтепловых электронов.
Раздел 5.3 посвящен относительной калибровке, отождествлению и моделированию УФ спектров вепытиек и компактных активных областей. По наиболее надежно отождествленным линиям итерационным методом Байеса выполнено восстановление распределений дифференциальной меры эмиссии с температурой, что позволило обнаружить в ряде активных областей наличие горячей плазмы с температурой до ~ 10 МК.
В разделе 5.4 па основе комплексного анализа спектральных изображений и временных профилей мягкого рентгеновского излучения исследована пространственно-временная динамика распределений электронной температуры и плотности для вспышечных образований - долговременных градиентных событий (“пауков”), впервые обнаруженных в эксперименте СПИРИТ на орбитальной станции КОРОН АС-Ф. Для вспышечных явлений впервые продемонстрирована важная роль “промежуточной” плазмы с температурой ~ 4-10 МК. Дается сравнение результатов многотемпературного анализа с обычно используемым методом фильтров, основанном на однотемпературиой модели, которое показало существенную ошибку последнего при определении температуры (в несколько раз) и меры эмиссии (на порядок и более).
17
В VI Главу включены результаты моделирования и диагностики лабораторной плазмы. В первом разделе сформулированы задачи в настоящей главе. В разделе 6.2 излагаются результаты диагностики нетепловых электронов в плазме микропинчей вакуумной искры, полученные на основе поляризационных измерений с помощью брэгговской спектроскопии, выполненных в Университете г.Бохум (Германия). Для анализа наблюдавшихся спектров была использована самосогласованная модель, основанная на результатах II и IV глав, что позволило впервые обнаружить присутствие анизотропных быстрых электронов в плазме вакуумной искры. Были определены основные параметры плазмы микропинчей и энергетического спектра и анизотропии нетепловых электронов. Измеренные характеристики пучка, находятся в хорошем согласии с результатом численного моделирования развития плазменной неустойчивости.
В разделе 6.3 приведены результаты диагностики ионизационного состава в плазме низкой (токамак) и высокой (лазерная плазма) плотности и обсуждается возможность применимости квазистациотгарного ионизационного равновесия. В разделе 6.4 представлены результаты расчетов спектров “полых ионов” и предложенный на их основе метод диагностики ионизационного состава. Дана интерпретация не объясненных ранее квазинепрерывных спектров нового типа, измеренных в экспериментах с лазерной плазмой на установке ТШПЕКТ (Лаборатория Лос-Аламос, США). Установлены механизмы образования спектрального состава излучения и определены параметры плазмы.
Заключение содержит основные результаты работы и выводы.
В Приложение дается детальное изложение метода 2-разложений в полевой форме теории возмущений, результаты расчета спектральных характеристик многоэлектронных ионов и каталог линий крайнего БУФ диапазона, отождествленного в спектрах солнечных вспышек.
Основные положения, выносимые на защиту
1. По экспериментальным спектрам солнечных вспышек и лазерной плазмы впервые определен температурный и ионный состав горячих плазмен-
18
ных образований и обнаружены “голубые” диэлектронные сателлиты резонансной линии \IgXII на основе расчетов методом 2-разложений теории возмущений характеристик многозарядных ионов от [Не) до |Р]. Показано, что наблюдавшееся ранее существенное расхождение (~ 30 50%) рассчитанных и измеренных интенсивностей диэлектронных сателлитов устраняется при учете эффекта экранировки заряда ядра электронами ионного остатка.
2. По спектрам вблизи резонансных линий |Не] ионов, измеренным в поляризационных экспериментах с брэгговскими кристаллами, обнаружены пучки нетепловых электронов с энергией >(3-6)кТ в плазме солнечных вспышек и вакуумной искры и определены их параметры на основе развитой в работе теории поляризации рентгеновских линий многозарядных ионов, возбуждаемых электронным пучком в корональной плазме. Показано, что наблюдаемая деполяризация магнитоквадрупольной и интеркомбинационной линии для ионов с нечетным спином ядра объясняется эффектами сверхтонкой структуры.
3. С помощью К-спектров примесей аргона в токамаке ТЕХТСЖ (Юлих, Германия) установлена точность расчета атомных данных, используемых для моделирования рентгеновского излучения, определена центральная температура и относительные обилия ионов, существенно (в 2-5 раз) отличающиеся от их значений при корональном ионизационном равновесии. Показано, что разработанный в диссертации новый самосогласованный подход к описанию спектров токамака ТЕХТСЖ позволяет определить относительную точность рассчитанных длин волн и столкновительных характеристик многозарядных ионов в пределах точности спектральных измерений 1 —2* 10 1 и 5-10%, соответственно.
4. На основе отождествления и интерпретации коротковолновых спектров и спектральных изображений, полученных на ракете “Вертикаль”, спутниках “Интеркосмос” и КОРОНАС (ФИАН) обнаружены новые явления, специфические для активных плазменных образований:
- Наличие многотемпературного состава и переходной плазмы с темпера-
19
турой 4—10- 10ь К, играющей существенную роль в рентгеновском излучении, энергобюджете и динамике вспышечных процессов.
- Наличие надтепловых электронов с энергией 5-10 кэВ и относительной концентрацией 3-5% в плазме активных областей и вспышек.
- Наличие квазипостоянной электронной плотности ~ 109 см”3 в плазме долговременных градиентных вспытпечных событий (“пауков”) и сильно меняющегося градиента плотности, достигающей величины ~ 1011 см”3 в наиболее горячей области импульсных вспышек, при подобии пространственных распределений температуры для событий различной длительности.
5. Показано, что не объясненные ранее квазинепрерывные спектры излучения фемтосекундной лазерной плазмы в окрестности резонансной линии [Н] ионов кремния определяются линиями многозарядных “полых ионов”, присутствие которых в плазме обусловлено ее сверхвысокой плотностью, возникающей благодаря использованию лазерных импульсов высокого контраста порядка 1010—1011. Спектры, рассчитанные с помощью нового метода диагностики ионного состава плазмы, основанного на композиции спектральных комплексов полых ионов с различными наборами главных квантовых чисел [nl,n2,...], согласуются с измеренными на установке TRIDENT (лаборатория Лос-Аламос, США) при саха-больцмановском распределении с электронной температурой Т= 350 эВ и плотностью N= ОТО23 см"3.
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в постановке и решении ряда задач теоретической спектроскопии многозарядных ионов, позволивших разработать новые методы диагностики горячей корональной плазмы и объяснить ряд явлений, впервые обнаруженных в лабораторных и астрофизических экспериментах. Все положения, вынесенные на защиту, основаны на результатах исследований, которые были получены впервые. Новыми являются также следующие результаты работы:
1. Получено асимптотическое выражение для резонансной амплитуды из-
20
лучения рентгеновских линий многозарядными ионами в рамках стационарной и нестационарной постановки задачи. На основе точного представления функции Грина кулоновского поля определены столкновительные и спектральные характеристики излучения многозарядных ионов; показана существенная роль радиационного канала (диэлектронная рекомбинация) в процессе резонансного электрон-ионного рассеяния. Получены точные аналитические выражения для амплитуд перехода в состояния непрерывного спектра (стационарные, Волкова-Келдыша и когерентные) и выполнен теоретический анализ динамики резонансного состояния атома в постоянном электрическом поле.
Дано математически корректное определение меры эмиссии и дифференциальной меры эмиссии с помощью интеграла Стильтьеса. Развиты методы решения обратной задачи спектроскопии: оптимизационный - на основе многотемпературной параметрической модели, и итерационный метод Байеса.
2. Показано, что рентгеновское излучение ионов линейно поляризовано, причем степень поляризации основных (“опорных”) линий, формируемых неунругим ударом, определяется сечениями возбуждения М-комионент, зависящих от энергии пучка, а их диэлектронных сателлитов - универсальной (для всех ионов одной изоэлсктронной последовательности) зависимостью от квантовых чисел резонансного (автоионизационного) состояния и не зависит от энергии. Впервые выполнены квантовомеханические расчеты поляризационных характеристик линий наиболее интенсивных в спектрах [Н] и [Не] ионов и их диэлектронных сателлитов; обнаружена высокая (до 60%) степень их поляризации. На основе теоретического анализа ряда эффектов электрон-ионных взаимодействий разработан новый метод диагностики функции распределения электронов в горячей плазме.
3. Впервые выполнен расчет спектров диэлектронных сателлитов, излучаемых ионами ГеХУШ-ХХУ, и на их основе определен зарядовый состав плазмы ряда солнечных вспышек и лазерной плазмы.
4. С помощью К-спектров ионов аргона, измеренных на токамаке
21
ТЕХТОЯ (Германия) показано, что относительная точность расчета длин волн методом 2-разложений составляет порядка ~ (1—2)*10~4, а эффективных скоростей возбуждения 5-10%; определена концентрация ионов аргона в центральной части плазменного кора, существенно (в 2-5 раз) отличающаяся от равновесных.
5. Разработаны и впервые реализованы методы диагностики горячей коро-нальной плазмы по относительным интенсивностям рентгеновских линий многозарядных ионов:
- определения 'температуры центральной части плазменного кора по К-спектрам токамака,
- восстановления температурных распределений дифференциальной меры эмиссии, пространственно-временных распределений температуры и плотности и их динамики по рентгеновским и ВУФ-спектрам солнечной короны,
- определения ионизационного состава горячей корональной плазмы по К-спектрам диэлектронных сателлитов, излучаемых ионами различной кратности ионизации,
- определения электронной плотности микропинчей в вакуумной искре по интенсивностям [Ы] сателлитов,
- диагностики пучков анизотропных надтепловых электронов по К-спсктрам солнечных вспышек и микропинчей в вакуумной искре,
- диагностики ионного состава и температуры по спектрам “полых ионов7’ в сверхплотной лазерной плазме.
6. Выполнено отождествление и создан каталог линий солнечных вспышек в области крайнего ВУФ диапазона но данным эксперимента СПИРИТ на борту орбитальной станции КОРОНАС-Ф (ФИАН).
Научная и практическая ценность работы
Научная и практическая ценность работы определяется актуальностью тематики в области как фундаментальных, так и прикладных исследований. Теоретическая значимость диссертации состоит в разработке единого асимптотического подхода к задаче о формировании спектров излучения
22
многозарядных ионов в короналыюй плазме. На его основе определены спектроскопические и столкновительные характеристики ионов, используемые для расчета рентгеновских спектров. Верификация рассчитанных атомных данных с помощью самосогласованного подхода, предложенного для описания спектров токамака TEXTOR (Германия), позволила создать надежную базу для применения методов спектроскопической диагностики астрофизических и лабораторных источников коротковолнового излучения. Полученные в диссертации результаты расчетов атомных данных и спектров, использовались для интерпретации экспериментов, выполненных в ФИАНе, Ливерморской лаборатории (США), Принстонском университете, Университете г. Белфаст (Ирландия), Бохумском университете (Германия).
Развитая в диссертации теория поляризации линейчатого излучения корональной плазмы и разработка на ее основе метода диагностики электронных пучков стимулировала постановку серии лабораторных экспериментов с лазерной плазмой, плазмой токамака, вакуумной искрой, на плазменно-пучковой установке EBIT, и заложило основы нового направления экспериментальных и теоретических исследований плазменной спектроскопии - поляризационной спектроскопии рентгеновских линий многозарядных ионов. Признание ценности работ в этом направлении нашло отражение в организации серии международных симпозиумов, проведенных в 1994-2004 г.г. в США и Японии.
Разработан шло в диссертации методы диагностики позволили определить физические параметры плазменных образований в плазме солнечной короны и ряде лабораторных установок, необходимые для исследования механизмов их образования и развития теории нестационарных процессов, протекающих в условиях высокотемпературной плазмы. С помощью этих методов были обнаружены пучки электронов в плазме солнечных вспышек, вакуумной искре и лазерной плазме; дана интерпретация не объясненных ранее спектров нового тина, измеренных в экспериментах с лазерной плазмой на установках NIKE (Исследовательская морская ла-
23
боратория, США) и TRIDENT (Лаборатория Лос-Аламос, США).
Результаты исследований рентгеновских и ВУФ-спектров Солнца использовались при планировании научной программы наблюдений на межпланетной станции “Фобос”, спутниках КОРОНАС-И и КОРОНАС-Ф и спутнике КОРОН АС-ФОТОП, запуск которого предполагается в 2008 гг. Методы рентгеноспектрального анализа горячей плазмы могут быть использованы в прикладных исследованиях по литографии, УТС, материаловедении. медицине и др.
Ряд полученных результатов был использован в теоретических и экспериментальных работах российских и зарубежных ученых. Численные расчеты атомных характеристик многозарядных ионов нашли применение в банках атомных данных CHIANTI, ВНИИФТРИ и других.
Апробация работы
Результаты работ, составившие основу диссертации, опубликованы в рецензируемых журналах и неоднократно были представлены в качестве приглашенных докладов на отечественных и международных конференциях:
Европейском симпозиуме по спектроскопии EGAS (Munich, 1978); Международном совещании Интеркосмос (Дебрецен, 1979); Международном коллоквиуме но физике высокотемпературной плазмы (Grenoble, 1979); Международных конференциях по физики Солнца (Berkley, 1987, Кисловодск, 1989); Международном симпозиуме по физике солнечных вспышек (Tokyo, 1990), Международных симпозиумах по поляризационной спектроскопии плазмы (Kyoto, 1998; 2001; 2004), Всероссийских съездах по спектроскопии (Киев, 1979; Звенигород, 2003); Всероссийской конференции по физике атомных спектров (Звенигород, 2005)
Результаты диссертации были также доложены на:
Международной конференции по атомной физике VI ITAMP (Riga, 1978); Международной конференции по физике ионизованных газах XIV ICPIG (1979); Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений XII ICPEAC (Tennesi, 1981), Всесоюзной конфе-
24
ренции по физике электронных и атомных столкновений (Ленинград, 1981), Советско-Британских симпозиумах по спектроскопии многозарядных ионов (Троицк, 1986; Москва, 1991), Международном семинаре по атомным данным ASOS 7 (Belfast, 2001), Международных конференциях COSPAR (1974, 1980, 1982, Paris, 2004), Российской конференции по актуальным проблемам физики солнечной и звездной активности (Нижний Новгород, 2003), Международной конференции по УТС (Toki, 2004). Российской конференции посвященной орбитальной станции КОРОНАС-Ф (Троицк, 2005), Международной конференции по солнечной физике (КрАО, 2006).
Результаты неоднократно докладывались на семинарах в научных центрах: Физическом институте РАН, Институте космических исследований РАН, Институте спектроскопии РАН. Ленинградском университете, Новосибирском институте физики Солнца, ГАО (Пулково), Рижском институте физики, Вильнюсском университете, Рурском университете г.Бохум (Германия). Исследовательском центре г.Юлих (Германия), Парижской обсерватории (Франция), Обсерватории г. Турин (Италия), Мюллардов-ском космическом центре (Англия), Космическом центре гЛЪкио (Япония), Национальном центре ядерных исследований (Япония), Годдардов-ском центре космических полетов (США), Стэнфордском, IIыо-Йоркском, Питсбургском, Гарвардском и Принстонском университетах (США), Ли-верморской лаборатории (США) и других.
Ряд полученных результатов вошли в обзоры и монографии (“Возбуждение атомов и уширение спектральных линий”, Наука, 1979; “Physics of highly charged ions”, Springer. 1985; “Элементарные процессы с участием мкогозарядных ионов”, Энергоатомиздат, 1986). Основные результаты диссертации, представленные в 58 работах, приведены в конце автореферата в хронологическом порядке.
25
ГЛАВА I. РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ В КОРОНАЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ
1.1. ВВЕДЕНИЕ
Настоящая глава посвящена теоретическому исследованию процессов взаимодействия многозарядных ионов в условиях высокотемпературной корональной плазмы, приводящих к формированию рентгеновских спектров излучения, используемых в работе для решения поставленных во Введении задач диагностики.
Словом “корональная” обозначается плазма, близкая но своим излучат тельным свойствам к солнечной короне, давшей название целому ряду терминов: “корональный предел”, “корональное равновесие”, “корональная мо-дел”. Для формирования рентгеновских спектров Солнца определяющими являются условия, при которых образование (“накачка”) ионных состояний происходит в процессе электрон-ионных столкновений (возбуждение и ионизация), а их распад - благодаря процессу спонтанной релаксации в результате взаимодействия связанных электронов иона с электромагнитным полем (излучение) или рассеянным электроном (автоионизация). В стационарных условиях, когда потеря энергии на излучение в заданном объеме компенсируется притоком тепловой энергии (от окружающего “термостата”) возникает баланс между столкновительными скоростями заселения ионных уровней и скоростями их распадов, приводящий к коронально-му равновесию. Такое локальное - корональное равновесие для ионных состояний (по отношению к основному состоянию излучающего иона), в отличие от локального термодинамического (ЛТР), имеющего место при высокой плотности электронов, возможно в горячей плазме при относительно низкой электронной плотности плотности Ае < А* (корональный предел), где критическая плотность А* меняется в широких пределах от ^ 1013 до ~ 1022 см“3 в зависимости от их времени жизни, заряда излучающего иона и электронной температуры [1]-[5].
В высокотемпературной плазме рентгеновское излучение генерируется преимущественно при электрон-ионных столкновениях: при рассеянии
26
электронов ядрами легких элементов (протонами, а-частицами) и многозарядными ионами возникает непрерывное - тормозное и рекомбинационное, а также линейчатое излучение, вызванное переходами между ионными уровнями. Спектры содержат информацию как об излучателях, так и состоянии окружающей их плазмы; вид спектров определяется многочисленными факторами: энергетической структурой излучателей - многозарядных ионов, характером взаимодействия при столкновении иона с электроном (приводящим к возбуждению, ионизации, рекомбинации и другим процессам) и, наконец, состоянием плазмы в целом (например, стационарным или переходным - неравновесным). Непрерывное излучение в основном содержит информацию об электронной компоненте - распределении электронов по энергиям и в пространстве, в то время как линейчатое излучение определятся особенностями “тяжелой” компоненты - строением электронных оболочек ионов и характером взаимодействия электронов с ионами в процессе столкновения.
В корональной модели, оправданной при относительно низкой электронной плотности, интенсивность излучения определяется накачкой за счет бинарных процессов и вследствие этого линейно зависит как от электронной плотности, так и плотности ионов. Интенсивности линий в такой модели определяются столкновительными (эффективными сечениями и скоростями прямых столкновительных переходов) и спектральными характеристиками многозарядных ионов (длины волн и коэффициенты ветвления) и может быть описана в рамках квантовой теории столкновений как процесс резонансного рассеяния, протекающего через возбуждение и распад нестабильного состояния (атомных или “кулоновских” резонансов) в результате реакции с образованием фотонов. Условия корональной модели реализуются во многих астрофизических объектах [б]; она также часто оказывается применима для описания ряда рентгеновских линий, наблюдаемых во многих лабораторных установках, например, токамаках, лазерной плазме, пинчах и др. (см., например, [7; 8]). С увеличением электронной плотности наиболее долгоживущие (метастабильные) состояния начи-
27
нают испытывать столкновительное “перемешивание” или ионизацию, что приводит к перераспределению излучаемой энергии в линейчатом спектре. Для расчета интенсивностей линий в этом случае необходимо использовать модели, основанные на уравнениях атомной кинетики, учитывающих эффекты многократного рассеяния. Важно отметить, что и при достаточно большой плотности электронов, когда корональная модель не применима для отдельных состояний, в этих моделях используются столкно-вительные характеристики бинарных процессов, определенные в пределе низкой плотности, в связи с чем определение последних является весьма актуальной задачей теоретической спектроскопии. При дальнейшем увеличении плотности возбужденные уровни приходят в термодинамическое равновесие, при котором реализуются распределения Саха, Больцмана и Максвелла, а распределение интенсивности излучения определяется температурой электронов. Таким образом в предельных случаях - при низкой и достаточно высокой плотности электронов, относительные светимости линий не зависят от Ne, а в промежуточном случае умеренных плотностей - зависят и могут быть использованы для ее определения.
Для решения основной спектроскопической задачи - отождествления и интерпретации линейчатых спектров короиалыюй плазмы, необходимо знание большого числа атомных характеристик, а также данных о свойствах источников. С другой стороны, имея надежно отождествленные спектры, можно строить модели излучающей плазмы и с их помощью определять макропараметры плазмы - распределения в пространстве температуры, плотности, ионного состава и других ее характеристик и их временную динамику, т.е. решать другую задачу спектроскопии -диагностику плазмы. Обе задачи тесно связаны между собой; солнечные и лабораторные исследования, теоретическое моделирование и расчеты, дополняя друг друга создают надежную основу для физического обоснования методов диагностики, основанных на рентгеновской спектроскопии высокотемпературной плазмы.
Для определения плазменных характеристик по спектрам излучения
28
возможны два основных подхода: ab initio и полуэмпирический, основанный на решении обратной задачи спектроскопии. В первом подходе теоретические спектры, полученные с использованием результатов численного моделирования плазменных процессов, сравниваются с измеренными и по степени их совпадения определяется адекватность плазменной модели; плазменные характеристики в таком подходе определяются путем решения соответствующих уравнений плазменной динамики. В полу-эмпирическом подходе, используемом в настоящей работе, теоретический (называемый также “синтетическим”) спектр строится на основе моделей излучающей плазмы, параметрами которых являются плазменные характеристики, подлежащие определению при сравнении с измеренным. Например, “измерение” температуры плазмы возможно только в “изотермической” модели, в которой предполагается максвелловское распределение электронов по скоростям и отсутствие температурных градиентов. При этом применяется метод последовательных приближений: первичный анализ и отождествление спектров проводится с помощью наиболее простых моделей с минимальным количеством свободных параметров (например, в одпотемпературной (изотермической) моделях); если расхождение рассчитанного таким образом синтетического спектра превышает ошибки измерения, используются многонараметрические модели (многотемпературная, модель с учетом немаксвелловских электронов и другие) до тех пор, пока не будет достигнуто требуемое согласие с экспериментом. Отметим, что в работе используется ряд терминов, имеющих различный смысл и употребление в литературе, на которые во избежание недоразумений обращено особое внимание в следующем разделе 1.3.
В настоящей работе рассматриваются методы диагностики, основанные на относительных интенсивностях спектральных линий. Использование этих методов требует, помимо детального расчета атомных данных, также и учета особенностей проводимого эксперимента - спектрального разрешения, диапазона длин волн, величины потоков излучения и т.п., и возможной дополнительной информации об источнике излучения, исобхо-
29
димых для выбора модели и построения синтетического спектра. В связи с этим описание и обоснование эих методов дается в применении к конкретной экспериментальной ситуации. В главе III, посвященной верификации методов расчета атомных данных по спектрам токамака и лазерной плазмы, предложен также метод измерения температуры и ионных концентраций в центральной области плазменного кора токамака; в V главе развиты методы определения температурного и ионизационного состава, разработай метод диагностики электронной функции распределения и пространственно-временной динамики электронной температуры и плотности для плазменных образований в солнечной короне; в VI рассмотрены методы диагностики электронных пучков, ионизационного состава и электронной плотности, разработанные для плотной плазмы в применении, соответственно, к вакуумной искре и наносекундной лазерной плазме, и метод определения ионизационного состава и других характеристик сверхплотной (фемтосекундной) лазерной плазмы.
Настоящая глава посвящена общетеоретическим вопросам. В следующем разделе дается общее описание спектров, исследуемых в диссертации, определены атомные и плазменные характеристики и сформулированы основные модели излучающей плазмы и методы решения обратной задачи, используемые для определения их параметров. В разделе 1.3 рассмотрена задача о возбуждении и излучении кулоновских резонансов в рамках основных подходов - теории распада и квантовой теории столкновений, и развита асимптотическая по заряду столкновитслытя теория линейчатых спектров многозарядных ионов, используемая для определения их столкиовительпых и спектральных характеристик на основе формализма оператора сдвига энергии. В разделе 1.4 изложен метод 7,-раз.пожений теории возмущений; детали определения коэффициентов разложения в ряд по заряду ядра, необходимых для расчета спектральных характеристик многоэлектронных автоионизационных состояний ионов, вынесены в Приложение. В последнем разделе 1.5 дается краткое описание пакетов программ, использованных для расчета атомных данных.
30
Результаты настоящей главы используются в главе II для расчета светимостей и спектров и в IV главе, посвященной теории поляризации рентгеновских линий, возбуждаемых пучками электронов в плазме, и ее применения для диагностики электронной функции распределения. Основные результаты главы изложены в работах [9]—[22].
1.2. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ СПЕКТРОВ И МЕТОДОВ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ
1.2.1. Особенности и механизмы формирования коротковолновых спектров коропальной плазмы
С увеличением температуры атомы теряют все больше электронов и наиболее информативная область спектра, несущая основную энергию, смещается в коротковолновый диапазон длин волн. Линейчатые спектры ионов качественно воспроизводят спектры нейтральных атомов соответствующих изоэлектронных последовательностей. Однако в одном принципиальном отношении они отличаются от спектров нейтральных атомов. Каждую линию, излучаемую ионом, сопровождает большое число сателлитов - линий, соответствующих переходам того же типа, что и основная, “опорная” линия, но происходящим в присутствии дополнительных “электронов-зрителей” Сателлиты образуются из возбужденных состояний, лежащих в непрерывном спектре электрои-ионной системы. Такие состояния являются автоионизационными (АИС) и либо содержат вакансию во внутренней оболочке, либо два (или более) возбужденных электронов во внешней оболочке. Для нейтральных атомов и ионов низкой зарядности сателлиты совпадают с известными характеристическими рентгеновскими линиями, а при наличии большего числа вакансий (например, при отсутствии электронов в К-оболочки) - с линиями, излучаемыми “полыми” атомами или ионами.
Сателлитные линии в основном излучаются в процессе диэлектрон-ной рекомбинации (ДР) - захвате электрона, сталкивающегося с ионом, при одновременном возбуждении одного из электронов последнего (резонансный радиационный захват); в этой связи их принято называть “ди-
31
электронными” сателлитами (ДС), хотя механизм ДР не является единственным для возбуждения сателлитных линий. В горячей корональной плазме единственным процессом, заметно конкурирующим с ДР для ряда линий, является прямое возбуждение внутренних оболочек электронным ударом. Сателлиты, образуемые преимущественно за счет столкновений, часто называют “столкновительными” сателлитам. ДС обладают рядом специфических свойств, которые делают их незаменимыми для диагностических целей. Благодаря различным механизмам возбуждения, включая резонансный, их относительные интенсивности являются функциями различных плазменных параметров, что дает возможность диагностировать температурный и ионный состав, наличие нетепловых электронов и другие величины [9]-(12]. Кроме того, все сателлиты, соответствуюшие одной опорной линии и излучаемые ионами различной кратности, занимают узкий спектральный интервал длин волн, составляющий, например, для железа 0.05 А, в связи с чем удастся исключить ошибки в измерении относительных интенсивностей. К характеристикам спектров ДС мы вернемся в следующей главе, а принципы диагностики, основанные на относительных интенсивностях ДС, будут рассмотрены ниже.
Наиболее важной спектральной областью с точки зрения информативности и относительной простоты (и, в связи с этим, точности) теорети-
<1
чсского описания является область длин волн 1^ А < ЗОЛ, содержащая резонансные линии |Н) и [Не] ионов элементов с зарядом ядра 2 = 8 - 30. Функции светимости этих линий чувствительны к электронной температуре Те и имеют резкие максимумы при Те = Т,п, причем значения Тт для разных ионов охватывают широкий диапазон ~ 1-100 МК. Важно отметить, что в узкий интервал спектра (ДА/А ~ 0.1) вблизи резонансной линии [Не] иона, являющейся, как правило, наиболее сильной в спектре, попадает также значительное число линий ионов раличных кратностей. Сюда относятся: интеркомбинационная и запрещенная линии того же иона, соответствующие переходам с уровней '2ЛР\ и 2351, в основное состояние 1б2 Кроме того, в этом же интервале находится большое
32
число ДС, испускаемых ионами всех кратностей ионизации и обусловленных тем же переходом 2р-1э при наличии электронов на оболочках с п> 2. Для ионов низкой зарядности с заполненной Ь оболочкой сателлиты совпадают с Ка-линиями. Для ионов с большим спектроскопическим символом г (z=Z-^^+l, где N - число электронов иона. X - заряд ядра) они образуют сателлиты резонансных линий |Н] (при N=2) и [Не] (N=3) ионов.
В работе для диагностики солнечной короны используются также спектры излучения в крайнем ВУФ диапазоне от 175 до 335 А, которые содержат наиболее интенсивные линии ионов, практически всех наиболее обильных на Солнце элементов, соответствующих переходам между уровнями Ь и М оболочек.Такие спектры дают дополнительную информацию о температурном и ионизационном составе плазмы, электронной плотности и обилиях элементов, необходимую при построении количественных моделей излучающей плазмы.
1.2.2. Интенсивности спектральных линий
Спектральная интенсивность потока излучения /(А, АТ) [Ват*м~2А_1| от источника с температурой Т[МК] в интервале АТ = То — Тш. определяется объемным интегралом вида:
/(Л, АТ) = С [ а(А,Т(?))Л*(У)<*?, С = [Ю3#2]"1, (1)
Ну)
где Т—ф(Т) - однозначная функция в объеме V, Лге(7*)[см~3] -распределение электронной плотности, Н - расстояние до источника, (д(Л17')[эрГ'См3сек’'1А"1стерад“1] - нормированная (на один атом и один электрон) спектральная светимость, определяемая спектром излучения (спектральной мощностью излучения ) /ДА.Т, Лу единичного объема с температурой Т и электронной плотностью Лге:
С(А,Г) = ^А,Т,У\у/л£. (2)
Функцию /ДА, Т, лу можно представить в виде суммы линейчатого Р1(А.Т, ЛУ и непрерывного .ГС(А,Т, Лу спектра
33