Методологические проблемы дистанционного исследования плазмы астрофизических объектов

УДК 537.538

А.С.МУСТАФАЕВ, А.П.МЕЗЕНЦЕВ

Санкт-Петербургский государственный горный институт

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЫ АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Исследование функции распределения электронов в анизотропной плазме выполнено с применением зондовой методики и магнитно-поляризационной техники Ханле. В гелиевом плазменно-пучковом разряде измерены моменты анизотропной функции распределения электронов, определена константа скорости разрушения выстраивания атомов гелия в состоянии 4:D2 в результате столкновений с заряженными частицами.

Экспериментально апробирован новый метод исследования анизотропных свойств удаленных плазменных объектов, недоступных для контактных методов диагностики. Измерены анизотропная функция распределения электронов, сечение выстраивания полных угловых моментов возбужденных атомов гелия электронным ударом и степень анизотропии электронного давления. Достоинством нового метода является прямое измерение анизотропной функции распределения электронов в удаленных плазменных объектах, оценка которой ранее осуществлялась только теоретически.

We performed investigation of the electron distribution function in anisotropic plasma within probe technique and Hanle magnetic polarisation technique. In helium plasma - beam discharge, we measured moments of the anisotropic electron distribution function, and determined the constant of the alignment decay rate for helium atoms in 4:D2 state as a result of collisions with charged particles.

We experimentally tested a new method for diagnostics of anisotropic properties of inaccessible plasma objects, measured electron distribution functions, the degree of the electron pressure anisotropy, the cross-section of alignment of total angular moment of excited helium atoms by electron collision. The advantage of the new method is direct measurement of anisotropic parameters of inaccessible plasmas, whose assessment was performed previously only theoretically.

Интерес к исследованиям анизотропной плазмы возрос в настоящее время не только в связи с новыми областями ее практического применения в современных плазменных технологиях, задачах энергетики, но и с необходимостью разработки новых методов исследований - «удаленных» астрофизических плазменных объектов.

Большинство объектов астрофизики характеризуется анизотропией параметров плазмы и недоступностью ее для контактных методов диагностики. Исследование таких объектов требует применения неконтактных методов диагностики. Как правило, для этих целей используются оптические методы, которые являются интегральными и не обеспечивают локальность диагностики плазмы, тем более анизотропной.

В работе предлагается принципиально новая методическая возможность дистанционных исследований анизотропной плазмы путем одновременного применения оптического и разработанного авторами зондового методов.

Методы исследования. Моменты анизотропной функции распределения (ФРЭ) электронов fj(eU) определялись экспериментально методом плоского одностороннего зонда [4] по результатам серии измерений второй производной от плотности зондового тока по потенциалу зонда ГЦГ (eU, а) при различных его ориентациях относительно оси симметрии плазмы (рис.1):

f (eU ) =

(2 j + l)m2 4nq 3S

Санкт-Петербург. 2005

x

IU (eU, x) + JIU (s, x)Ri (eU, s)ds

eU

Lj (x)dx,

где x = cos a ; a - угол между нормалью к поверхности зонда и осью симметрии плазмы.

Бесконтактные оптические исследования выполнены поляризационным методом, основанным на связи поляризации линейчатого спектра с квадрупольным моментом f2. Использована оптико-магнитная техника эффекта Ханле, основанная на исследовании зависимости поляризации спонтанного излучения атомного ансамбля от напряженности магнитного поля Н, приложенного к исследуемому участку разряда [1].

Реконструкция анизотропной ФРЭ астрофизических плазменных объектов. Степень линейной поляризации спектральной линии Р есть функция заселенности основного состояния р0 и определителя тензора выстраивания р2 [Там же]:

P = f (Р2/ Ро).

Компоненты тензора характеризуют анизотропию возбуждения атомов прямым электронным ударом из основного состояния. Величина р2 определяется анизотропным моментом f2: N n

Р2 =—— j8Q2(8, slim)f2(s)ds,

У 2

slim

4

Рис.1. Общая схема измерений в плазменно-пучковом разряде. Ось г направлена от катода к аноду, п - нормаль к поверхности зонда 1 - плазма пучкового разряда; 2 - поляризационный Ханле-спектрометр; 3 - вращающийся односторонний плоский зонд; 4 - детектор функции распределения электронов по скоростям

где у2 - постоянная релаксации выстраивания; slIm - пороговая энергия возбуждения данной спектральной линии; Q2 - сечение выстраивания; f2 - квадрупольный момент ФРЭ.

Связь заселенности основного состояния с функцией распределения электронов имеет ту же структуру:

N n

Ро jsQ0(S, 8iim)f0(S)dS,

То 8iim

где Q0 - сечение возбуждения; у0 - постоянная естественного затухания. Если известны f0, f2 и степень поляризации R-й и T-й спектральных линий Р « р2/р0, то для плазменного объекта с определенным атомным составом получаем систему уравнений

Pr Jsßo(s,s(R)f0(s)ds= Jsß2(s,sfmU^ds;

sRh

sRh

PT JsQ0(s,s(Tm)f0(s)ds = JsQ2(s,s((2)f2(s)ds.

ST th

ST th

Решая данную систему уравнений, находим атомные константы Q0 и Q2.

Таким образом, суть предлагаемого метода исследования плазмы астрофизических объектов сводится к следующему:

• в лабораторных условиях создается модельный плазменный объект с атомами того же химического элемента, что и в «удаленном» астрофизическом объекте; одновременно измеряются /о, / и степени поляризации двух линий спонтанного излучения и из системы уравнений определяются сечение выстраивания Q2 и сечение возбуждения Qо;

• на завершающей стадии в систему уравнений подставляются степени линейной поляризации тех же двух спектральных линий спонтанного излучения атомов «удаленного» плазменного объекта и по известным Q0 и Q2 и вычисляются /0, / и относительная анизотропия электронного давления в «удаленном» плазменном объекте.

Предлагаемый метод апробирован экспериментально [2]. В качестве модельного

х

зо

зо

190 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.163

Q2, 10-17 см2

Рис.2. Энергетическая зависимость сечения выстраивания Q2 полных угловых моментов возбужденных атомов гелия электронным ударом, X = 4922

Рис.3. Энергетическая зависимость квадрупольного момента / для плазмы положительного столба в гелии : рНе = 2 • 10-2Тор, 1р = 0,4 А. Сплошная кривая - данные полученные предложенным методом; Ф - независимые зондовые измерения

5

0

объекта в лабораторных условиях создан гелиевый плазменно-пучковый разряд низкого давления. В нем зондовым методом измерены моменты / и /2, одновременно проведены измерения степени поляризации линий гелия.

В результате восстановлена энергетическая зависимость сечения выстраивания полных угловых моментов возбужденных атомов гелия электронным ударом (рис.2).

Астрофизический плазменный объект моделировался положительным столбом электрического разряда в гелии, ФРЭ которого кардинально отличается от плазменно-пучкового разряда. Измерена степень поляризации излучения и с использованием Qo и Q2 определена функция распределения электронов (рис.3).

Достоверность полученных результатов убедительно подтверждена независимыми зондовыми измерениями. В «удаленном» плазменном объекте определена анизотропия электронного давления р1 / р = 2,74 • 102.

Таким образом, разработан электронно-поляризационный метод исследования анизотропной плазмы астрофизических объек-

тов. Измерена анизотропная функция распределения электронов, сечение выстраивания полных угловых моментов возбужденных атомов гелия электронным ударом и степень анизотропии электронного давления [3]. Достоинством метода является прямое измерение анизотропной функции распределения электронов астрофизических объектов в условиях минимума априорной информации о степени анизотропии плазмы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Казанцев С.А. Деполяризация заряженными частицами состояния 41D2 гелия в пусково-плазменном разряде / С.А.Казанцев, А.С.Мустафаев, А.П.Мезенцев // Оптика и спектроскопия. 1994. Т.76. № 6. С.909-918.

4. Mustafaev A.S. Probe investigations of anisotropic EVDF in plasma / A.S.Mustafaev, A.P.Mezentsev, V.L.Fedorov. NY.:NATO ASI. Series B: Phys., 1998. V.367. P.531-545.

2. Мустафаев А.С. Электронно-поляризационные исследования функции распределения электронов в анизотропной плазме / А.С.Мустафаев, А.П.Мезенцев // ЖТФ. 2000. Т.70. № 11. C.24-30.

3. Мустафаев А.С. Методы диагностики анизотропной плазмы в термоэмиссионных приборах электроэнергетики / Автореф. ... докт. физ.-мат. наук. Обнинск: ОНТИ ФЭИ, 2003. 63 с.

- 191

Санкт-Петербург. 2005