- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ......................................................4
Условные обозначения ........................................ 10
ГЛАВА I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ.......................................14
§1.1. Электрооптический фазовый поляриметр. Методика
полного поляризационного анализа ...........................14
§1.2. Экспериментальная установка для исследования спектров излучения стационарных электрических разрядов . . 23
§1.3. Система автоматизации экспериментальной установки. Методика поляризационной спектрометрии слабого
флуктуирующего излучения ................................... 31
§1.4. Оптимизация экспериментальных установок, использующих резонансное рассеяние света на атомах и ионах ... 42
§1.5. Результаты испытаний и калибровок автоматизированной экспериментальной установки ......................... 48
Выводы к Главе I.........................................50
ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЯВЛЕНИЙ АНИЗОТРОПНОГО ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В ПОЛЯРИЗАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ ДУГОВОГО РАЗРЯДА АТМОСФЕРНОГО
ДАВЛЕНИЯ.................................................55
§2.1. Описание поляризации излучения частиц при электронном возбуждении в присутствии электромагнитных полей . . 55 §2.2. Основные методы и результаты диагностики
параметров плазмы аргоновой дуги ........................... 61
§2.3. Измерения поляризации линейчатых спектров собственного излучения. Анализ возможных причин поляризации . . 64
- 3 -
стр.
§2.4. Физическая модель явления выстраивания. Методика поляризационной спектрометрии анизотропного движения
электронов в ионизованных газах ................................ 78
§2.5. Экспериментальное исследование проявлений анизотропии движения электронов в лазерной резонансной флуорес -ценции. Методика поляризационной флуоресцентной спектрометрии анизотропии движения электронов ............................. 92
§2.6. Экспериментальное доказательство сферической симметрии функции распределения тепловых и дотепловых электронов. Исследования столкновительной флуоресценции .............. 103
Выводы к Главе П.................................................106
ГЛАВА ПЬ ИССЛЕДОВАНИЕ АНИЗОТГОПИИ ДВИЖЕНИЯ ВТОГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В КАНАЛЕ ТРАНСПОРТИРОВКИ РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА МИКРОСЕКУЦЦНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ
В РАЗРЕЖЕННОМ АРГОНЕ............................................109
§3.1. Объект исследований и диагностика основных
параметров...................................................... 109
§3.2. Диагностическая аппаратура и результаты измерений поляризации излучения из канала транспортировки РЭП . . . .117
§3.3. Модель физических процессов формирования анизотроп?' ной функции распределения вторичных электронов и проявлений
анизотропии в поляризации излучения ионов...122
§3.4. Оценка пространственного распределения средней энергии радиального потока вторичных электронов по экспериментальным данным. Анализ путей повышения надежности результатов ..................................127
Выводы к Главе Ш............................133
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................134
ЛИТЕРАТУРА..................................139
ПРИЛОЖЕНИЕ..................................149
- 4-
ВВЕДЕНИЕ
Необходимость изучения кинетики электронов в ионизованных газах вызвана разработкой важных научных и технических направлений: созданием мощных электроразрядных источников света и лазеров, магнитогидродинамических и термоэмиссионных преобразователей, развитием электронных и плазменных технологий и, в особенности, усилиями по созданию электрокинетических линий передачи энергии.
В кинетике электронов важную роль играют свойства пространственной симметрии функции распределения по скоростям, в частности, процессы формирования анизотропных потоков электронов, которые могут оказывать заметное влияние на режим работы электрофизических установок: уносить значительную долю тока и энергии, приводить к аномальной проводимости, возбуждать различного рода неустойчивости и, наконец, непосредственно взаимодействовать с элементами конструкции.
В последние годы активно развивается новое направление прикладных физических исследований, целью которого является практическое осуществление способа передачи электрической энергии с помощью пучков релятивистских электронов. Реализация такого проекта сопряжена с преодолением целого ряда принципиальных и технических трудностей, среди которых особое место занимает проблема удержания и транспортировки релятивистского электронного пучка (РЭП) [1,2]. В результате взаимодействия РЭП с остаточным газом в канале транспортировки также возникают процессы, приводящие к потерям энергии, в частности, уход быстрых электронов на стенки трубопровода.
Возможности экспериментальных исследований анизотропии движения электронов в настоящее время ограничены зондовыми ме-
- 5 -
тодами, основным недостатком которых является возмущение параметров объекта в области зондирования. Кроме того, их применение крайне ограничено при исследовании сильноточных электрофизических установок, например, анизотропной ионизованной среды, образующейся при транспортировке РЭП в разреженном газе [3] . Аналогичная ситуация имеет место при исследовании сильноточных электрических разрядов [4].
Из сказанного вытекает актуальность работ, направленных на создание бесконтактных методов исследования анизотропного движения электронов в ионизованных газах и необходимой для этого аппаратуры.
Бесконтактные оптические методы исследования [5-7] основаны на использовании энергетических и спектральных характеристик собственного и рассеянного излучений для определения параметров плазмы. С Другой стороны, известно, что информация об анизотропии физических процессов содержится в поляризационных характеристиках излучения [8,9] .
Частичная поляризация линий излучения оптически тонкой не-замагниченной среды является результатом квадрупольной упорядоченности угловых моментов ансамбля возбужденных частиц. Такая упорядоченность возникает вследствие анизотропии оптического
[8] или электронного возбуждения [9] состояний и характеризуется квадрупольным моментом атомной матрицы плотности - тензором выстраивания [10] , При прямом электронном ударе поляризация линий излучения несет информацию о квадрупольном моменте функции распределения электронов по скоростям - тензоре потока импульса [II].
В 1975 - 79 г.г. впервые был поставлен цикл работ [12-15] , в которых измерялась поляризация излучения сильноточного дуго-
- 6 -
вого разряда атмосферного давления. Аномально высокие значения поляризации флуоресценции, зарегистрированные в ходе экспериментов, не могли быть объяснены влиянием столкновений и ошибками измерений. Однако, поскольку работы были посвящены, в основном, другим вопросам, физическая природа эффекта так и не была выяснена.
История изучения выстраивания электронным ударом в разрядах низкого давления представляется следующей. В работе [16] впервые сообщается о наблюдении поляризации излучения ВЧ разряда, приписываемой анизотропии движения быстрых электронов . Отсутствие необходимой теории и данных о кинетике электронов не позволили доказать происхождение эффекта. В [17] наблюдалась значительная поляризация линий излучения цезиевого диода. Была построена модель физических процессов, однако неудачный выбор математического аппарата описания явления и ряд осложняющих обстоятельств (магнитное поле, реабсорбция) не позволили достичь согласия эксперимента с теорией. В работе [18] зарегистрирована поляризация линий излучения гелия в плазменно-пучковом разряде. Проведен лишь качественный анализ, показавший, что в происхождении эффекта решающую роль играет анизотропия движения электронов в ВЧ полях. Принимая во внимание все многообразие физических процессов, проявляющихся в поляризации линейчатого излучения, можно констатировать, что перечисленные работы дали их авторам в основном интуитивные представления о связи наблюдаемых явлений с анизотропией функции распределения электронов.
Экспериментальное доказательство электронной природы поляризации излучения получено в работе [19], где в положительном столбе постоянного тока обнаружено различие ориентаций осей оптического и электронного выстраиваний.
- 7 -
Возникшие трудности с интерпретацией данных прямых поляризационных измерений связаны с несколькими причинами: отсутствием у экспериментаторов, занимающихся исследованиями в этой области, прецизионного инструмента и методики поляриметрии слабого флуктуирующего излучения, отсутствием стройной и доступной теории выстраивания угловых моментов частиц, а также недостаточным количеством данных о кинетике электронов и параметрах плазмы, с которыми можно было бы связать наблюдаемые явления .
Таким образом, целью работы являлось :
1. Создание экспериментальной установки для исследования поляризационных спектров собственного и рассеянного излучений стационарных электрических разрядов.
2. Экспериментальные исследования поляризационных спектров собственного и флуоресцентного излучений лабораторного источника
- сильноточного дугового разряда, и на их основе создание методик поляризационной спектрометрии анизотропного движения электронов.
3. Применение разработанной аппаратуры и методик к исследованию условий распространения релятивистского электронного пучка микросекундной длительности в разреженном нейтральном газе.
Первая задача, которую необходимо было разрешить, состояла в создании экспериментальной установки. Поскольку в арсенале современных средств поляриметрии не оказалось прибора для полного анализа слабого флуктуирующего излучения, был предложен новый электрооптический поляриметр, совместимый со спектральным прибором высокого разрешения. На основе поляриметра была создана автоматизированная установка для исследования поляризационных спектров излучения стационарных электрических
- 8 -
разрядов. Автоматизация установки осуществлена на базе микро-ЭВМ "Электроника-60" и системы сопряжения "КАМАК". С целью изучения возможностей оптимизации экспериментальных установок, использующих резонансное рассеяние света на атомах и ионах, был проведен теоретический анализ эффективности возбуждения флуоресценции в зависимости от параметров исследуемого объекта и зондирующего излучения. Результаты анализа, в частности, показали, что параметры созданной экспериментальной установки близки к оптимальным.
Вторая задача состояла в экспериментальном исследовании проявлений анизотропии движения электронов в поляризационных спектрах излучения, разработке методик и практическом осуществлении поляризационной спектрометрии анизотропного движения электронов в объекте с предельно слабой анизотропией -
Т7 -Я
дуге атмосферного давления (Т^-1 эВ, ІІ^ІО см ).
Впервые были зарегистрированы и детально исследованы поляризационные спектры собственного излучения, резонансной и столкновительной флуоресценции в неоне, аргоне и неоне с добавками аргона. На основании экспериментальных данных была построена модель физических процессов, объясняющая явление поляризации излучения как результат возбуждения спектральных линий быстрыми электронами с анизотропной функцией распределения по скоростям. По результатам экспериментальных и расчетно-теоретических исследований предложены новые методики изучения кинетики электронов: методика поляризационной спектрометрии анизотропного движения электронов в ионизованных газах и методика поляризационной флуоресцентной спектрометрии локальной анизотропии движения электронов с пространственным разрешением из-
£? О
мерений до 10 см .
- 9 -
С применением разработанных методик впервые экспериментально исследованы радиальные распределения потока импульса быстрых электронов в диапазоне энергий 13-20 эВ в аргоновой дуге атмосферного давления. Получено также прямое экспериментальное доказательство сферической симметрии функции распределения тепловых и дотепловых электронов.
В ходе исследований получены новые данные об элементарных столнновительных процессах: оценены сечения деполяризации трех 4р состояний иона АгП атомами аргона и электронами, а также измерены сечения перемешивания этих состояний.
И, наконец, третья задача состояла в исследовании условий распространения релятивистского электронного пучка микросекун-дной длительности в разреженном нейтральном газе.
С этой целью был создан комплект диагностической аппаратуры и впервые проведены комплексные исследования условий транспортировки РЭП с параметрами 350 кэВ,15 А, 40мкс в аргоне при начальном давлении 25 Па, включавшие: многократную электроннооптическую визуализацию пространственно-временных характеристик свечения канала транспортировки, многократную спектроскопию в диапазоне длин волн 570-600 нм, поляризационную спектрометрию линии 488,0 нм иона АгП.
Впервые обнаружена частичная линейная поляризация излучения линий иона АгП в спектре свечения канала транспортировки РЭП и измерено радиальное распределение степени поляризации линии 488,0 нм. Выявлена решающая роль вторичных электронов с энергией до I кэВ в возбуждении оптических спектров и с использованием предложенных методик в рамках модельных представлений получена оценка пространственного распределения средней энергии радиально движущихся потоков вторичных электронов.
- 10 -
Автор выносит на защиту:
-результаты экспериментальных исследований поляризационных спектров собственного излучения, резонансной и столкновитель-ной флуоресценции в дуговом разряде атмосферного давления, а также созданную на их основе модель физических процессов проявлений анизотропного движения быстрых электронов в поляризации излучения ;
-методики поляризационной спектрометрии анизотропного движения электронов и результаты их применения к исследованию дугового разряда атмосферного давления ;
-результаты измерения пространственного распределения средней энергии радиально движущихся потоков вторичных электронов в канале транспортировки релятивистского электронного пучка (350 кэВ, 15 А, 40 мкс) в аргоне с начальным давлением 25 Па, методом поляризационной спектрометрии.
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
А у- -коэффициент Эйнштейна для спонтанной эмиссии ;
С -ширина лазерной линии ; С]т^т -коэффициент Клебша-Гордана;
I) -коэффициент насыщения оптического перехода ;
£ -напряженность внешнего электрического поля;
£ -фокусное расстояние ; -компоненты тензора возбуждения;
С? -коэффициент усиления фотоэлектронного умножителя ;
Н -напряженность магнитного поля ; Р£а -гамильтониан изолированного атома;
I -интенсивность излучения: 1^ -лазера, 15 -насыщающая оптический переход, 1ц -с поляризацией, параллельной оси квантования, 1Х -с поляризацией, перпендикулярной оси >с а
- II -
квантования ; 1и(ш,и1ь) -спектр интенсивности лазерного излучения ; [II -матрица интенсивности ;
^ -угловой момент состояния ; -функция Бесселя ;
К -изменение волнового вектора электрона (в ед. сС^ ) ;
£ -длина канала дугового разряда ; е^А^-лоренциан с шириной Г;
[Ж -матрица Мюллера: [МА] -анализатора, [М$1 -фазового модулятора;
N -населенность: № -до включения внешнего возмущения, -приращение;
Иа1е-концентрация атомов, ионов, электронов; А1еб -концентрация электронов пучка;
Р -степень поляризации излучения: Рп -пороговая, Роо -предельная ; Рм - при модуляции тока разряда;
фГ*-сечение возбуждения поляризационного момента ранга Эе ;
Р -радиус: Я0 -канала разряда ; [Р(оО] -матрица поворота ;
[5] -вектор Стокса ; 5; -параметр Стокса ;
Та{е-температура атомов, ионов, электронов; [Т] -матрица передачи поляриметра ;
и -напряжение: 1/т -амплитудное значение на фазовом модуляторе;
V -зондируемый объем электрического разряда ;
V/ -мощность: ЦгС -резонансной, столкновительной флуоресценции;
У ^ -сферические функции ;
а -коэффициент неидеальности поляризатора; Я0 -боровекий радиус ;
С -скорость света ;
с/ -приведенный матричный элемент дипольного момента перехода; оо,ёол -элементы телесного угла ;
е -заряд электрона; в -вектор поляризации: б^-его компонент; -функция распределения электронов по скоростям: -ее
мультипольные моменты ; ^ij -сила осциллятора перехода;
- 12 -
£ I -статистический вес состояния ; к, к -постоянная Планка ;
I -ток дугового разряда или РЭП; j -плотность электрического тока ;
к -постоянная Больцмана; к -волновой вектор электрона: к0 -падающего, V -рассеянного ; б -средняя длина свободного пробега электрона;
Ш -масса электрона ; Ма.,1 -масса атома, иона ;
П -главное квантовое число ; р -начальное давление газа ; i -время ; дЬ -временной интервал ; и -дрейфовая добавка к скорости электрона;
Ир -нормированная амплитуда напряжения на фазовом модуляторе;
V -скорость:V -наивероятнейшая (тепловая), 1Гп -пороговая ;
£ -нормированная скорость движения электронов ;
Г -обратное время жизни уровня: радиационное, -полное;
Д -нормированная расстройка лазерной линии ;
А -волновой вектор вторичного электрона (в ед. О-'о ) ;
0 -телесный угол сбора излучения ;
Ф ^матрица наблюдения рассеянного излучения ;
& -частота Раби (скорость накачки) ; сС -азимутальный угол ;
Р -коэффициент поглощения: Ро "в слабом поле,$ -нормированный; ■у -скорость релаксации: ^^-поляризационного момента рангам ; $2 -скорость тушения электронным ударом ;
-фазовый угол электрооптического модулятора; ш -дельта-функция;
& -энергия электрона: &п -пороговая; р -относительная скорость возбуждения состояний ;
- ІЗ -
0 -угол наклона плоскости поляризации к оси разряда;
ЗЄ -ранг поляризационного (мультипольного) момента;
Я -длина волны: Л0 -оптического перехода;
V -частота: V0 -оптического перехода, ^еа^еі -столкновений
электронов с атомами, ионами ;
Сдв)
р -матрица плотности: р у -ее поляризационные моменты ;
-когерентность между состояниями і и ] ; р -нормированное выстраивание возбужденного состояния:рп -
О-»
пороговое ; _рм - при модуляции тока разряда ; б -сечение: флуоресценции, б(г) -деполяризации, -тушения, б0 -томсоновское ; СІб -дифференциальное сечение рассеяния электронов ;
V -поляризационный коэффициент пропускания ;
СО -циклическая частота: СО0 -оптического перехода,СОь -лазера, СОр -модуляции поляриметра ;
ЛСО -ширина линии: АСОц -лазера, Д(Ов -допплеровская, А(О0 -лорен-цовская ; Сп А0-кулоновский логарифм ;
- 3] -символы Вигнера ;
- 6j -символы Вигнера .
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
РЭП- релятивистский электронный пучок ;
ФРЭ - функция распределения электронов по скоростям;
СГ - столкновительная флуоресценция ;
РГ - резонансная флуоресценция ;
Я5 - релеевское рассеяние ;
- смещенная резонансная флуоресценция .
- Київ+380960830922