авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 9 |

«ЮБИЛЕЙНЫЙ СБОРНИК КАФЕДРЕ ОПТИКИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА 70 ЛЕТ MCMXXXIV — MMIV УДК ...»

-- [ Страница 5 ] --

2. Переходя теперь собственно к плазмохимическим исследованиям на кафедре оптики, разделим их на две группы: исследования в плазме одноатомных сред (инертных газах и парах металлов) и исследования в плазме смесей, содержащих молекулярные газы. В первом случае мы имеем сравнительно небольшой круг процессов: образование возбужденных молекул А* + А А2* + А, (1) где звездочкой отмечены возбужденные (обычно метаcтабильные) состояния частиц, образование молекулярных ионов А** + А А2+ + е, (2) + А* + А* А2 + е, (3) + + А + А + А А2 + А (4) и их рекомбинация (диссоциативная) А2+ + е А* + А (5) Реакция (2) (А** – атом в достаточно высоком возбужденном состоянии) изучалась А.Н. Ключаревым в парах щелочных металлов, возбужденных резонансным излучением, где в результате образуется так называемая фотоплазма (см. статью А.Н. Ключарева). Процесс (3) исследовался Н.Б. Коло коловым в распадающейся плазме инертных газов методом плазменной электронной спектроскопии [1]. Этот метод был в группе Н.Б. Колоколова доведен до совершенства и превратил исследование распадающейся плазмы в богатейший источник информации о константах элементарных процессов. С его помощью были получены новые данные о константах скорости процесса (3), где А* – метастабильные атомы Не, Kr, Xe (константы для Kr и Хе были найдены впервые). При обработке экспериментального электронного спектра был использован теоретический анализ, проведенный А.З. Девдариани. Процессы (2) и (3) изучались В.С. Егоровым в условиях импульсного разряда в инертных газах (Не, Ne, Ar) [2]. Помимо традиционной для кафедры оптической диагностики, осуществлялся масс-спектрометрический анализ ионов плазмы, что потребовало решения ряда сложных методических проблем. Обнаруженные в плазме молекулярные ионы получались в активной фазе разряда преиму щественно в реакции (2), а в фазе послесвечения – в реакции (3). Получены оценки вероятностей этих процессов.

Исследование реакции (5) связано с разработкой новых перспективных лазеров рекомбинационного типа (так называемых плазменных лазеров), активной средой которых служит плазма смесей инертных газов высокого давления (атмосферного и выше). В такой плазме, несмотря на одноатомный характер составляющих ее газов, принципиальную роль играют молекулярные образования и, прежде всего, гомоядерные и гетероядерные молекулярные ионы, относительная доля которых в ионном составе плазмы в соответствии с общими термодинамическими закономерностями возрастает с ростом давления системы. В отношении гомоядерных молекулярных ионов уже в 50-х – 60-х годах было известно, что они с огромной, по сравнению с атомарными ионами, вероятностью нейтрализуются при столкновении с электронами, что, как уже отмечалось, радикальным образом влияет на баланс числа заряженных частиц плазмы и, следовательно, на ее свойства в целом. К тому же, в процессе рекомбинации появляется возбужденный атом А*, так что этот механизм ведет к появлению интенсивного линейчатого излучения, которое становится основным каналом релаксации энергии, запасенной в ионизованных состояниях частиц плазмы. Это явление и было использовано для создания плазменных лазеров.

Исследования 70-х – 80-х годов показали, что аналогичные процессы разворачиваются и с участием гетероядерных молекулярных ионов. Поэтому особый интерес был проявлен к плазме с гетероядерными ионами как к активной среде квантовых генераторов с накачкой рабочих уровней рекомбинационным потоком. Постановка такой задачи потребовала разработки адекватных методов исследования механизмов образования и разрушения молекулярных ионов и анализа степени селективности заселения возбужденных атомов в процессе рекомбинации молекулярных ионов с электронами. Один из наиболее эффективных методов был развит на кафедре оптики. В его основе лежит спектроскопический анализ релаксационных процессов в распадающейся плазме, вызванных строго дозированным возмущением температуры электронного газа электрическим полем. С помощью этого метода В.А. Ива новым и Ю.Э. Скобло был исследован широкий круг систем и измерен целый ряд констант скоростей процессов с участием гомо- и гетероядерных молекулярных ионов (подробные сведения можно найти в обзорах [3,4]), которые в значительной степени прояснили картину образования инверсии в активных средах плазменных лазеров на смесях инертных газов.

3. Перейдем теперь к рассмотрению исследований плазмохимических реакций в плазме молекулярных газов.

Систематическое изучение плазмы в смесях, содержащих молекулярные газы, началось на кафедре оптики в 1965 г. работами Н.В. Чернышевой под руководством С.Э. Фриша и О.П. Бочковой. Однако плазмохимический аспект в этих работах вначале не затрагивался. Первые результаты в этом направлении были получены О.Д. Цыгиром, аспирантом Н.П. Пенкина. Исследовался стацио нарный тлеющий разряд низкого давления в кислороде, где изучался процесс диссоциации молекулы О О2 + е О + О + е. (6) Главной проблемой при изучении такого рода процессов является детектирование продуктов диссоциации – атомов. В работе Цыгира для этого использовался калориметрический метод (измерение температуры обтекаемого плазмой тела, на поверхности которого происходит рекомбинация атомов).

Одновременно производилось измерение функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) методом зондов. В результате была получена абсолютная количественная характеристика эффективного сечения процесса (6) – угловой коэффициент зависимости сечения от энергии в припороговой области [5].

Следует отметить высокий для своего времени методический и технический уровень этой работы, результатом которой были первые надежные данные о сечении диссоциации О2. К сожалению, трагическая судьба О.Д. Цыгира помешала ему продолжить эти исследования и реализовать свой высокий научный потенциал.

В конце 70-х годов Ю.З. Ионихом и Н.В. Чернышевой с группой аспи рантов и соискателей начались систематические исследования стационарной и распадающейся плазмы низкого давления в гелии с молекулярными добавками (N2, CO, O2). Изучались элементарные процессы, в том числе плазмохимические реакции (см., напр., [6–8]). Одной из основных проблем была диагностика нейтральных невозбужденных продуктов реакций. Решение ее потребовало разработки ряда новых экспериментальных методов.

Для диагностики атомов азота был предложен метод, основанный на измерении времени жизни метастабильных молекул N2*(A3u+), основной механизм дезактивации которых – столкновения с атомами N. Концентрации атомов кислорода и углерода находились из измерений абсолютной яркости спектральных линий, возбуждаемых электронным ударом из основного состояния. Благодаря использованию короткого вспомогательного импульса, этим методом удалось провести диагностику атомов С и в послесвечении разряда. Молекулы углерода С2, образующиеся в плазме в смеси He-CO, диагностировались методом лазерно-индуцированной флуоресценции. Для измерения концентрации углекислого газа, продукта реакций в смесях, содержащих СО, использовался известный метод вымораживания газа, выходящего из разряда. Проводились также измерения и расчеты газовой температуры, электрического поля в разряде, концентрации электронов, концентрации возбужденных атомов и молекул. Использовалась ФРЭЭ, рассчитанная в ИАЭ им.Курчатова.

Анализ результатов, подученных с применением такого комплекса методов, показал, что во всех случаях существенную роль в плазмохимических превращениях играет диссоциация молекулы электронным ударом:

N2 + e N + N + e (7) CO + e C + O + e (8) CO2 + e CO + O + e (9) В смеси Не-N2 реакция (7) является основным механизмом диссоциации. Этот результат не очевиден, так как известно, что в разряде в чистом азоте диссоциация происходит обычно путем ступенчатого возбуждения колеба тельных уровней [9]. В смесях Не-СО, кроме реакций (8) и (9) (где СО2 сам является продуктом реакций) заметную роль в образовании атомарного кислорода играет процесс СО2 + СО*(а3) СО + СО + О, (10) а в смеси Не-СО-О2 к ним добавляется реакция (6).

Атомарный углерод образуется в реакции (8) и СО + СО*(а3) СО2 + С. (11) Эта же реакция (для которой была впервые измерена константа скорости), как оказалось, является также основным механизмом образования молекул СО2 в смесях Не-СО. Вообще вопрос о механизмах образования углекислого газа в разряде в смеси Не-СО, немаловажный для оптимизации СО лазера, имеет непростую историю. В монографии [10] в качестве основного рассматривается процесс рекомбинации СО и О, а в работах группы Капителли (Италия) – столкновение двух колебательно-возбужденных молекул СО.

Исследования, выполненные на кафедре оптики, убедительно показали неправомерность обоих утверждений.

Добавление кислорода в смесь Не-СО заметно увеличивает количество СО2. Как оказалось, это происходит в результате дополнительных процессов СО*(а3П) + О2 СО2 + О (12) (измерена константа скорости этой реакции) и О– + СО СО2 + е, (13) – где О получается при реакции О2 + е О + О– (14) Основным механизмом разрушения молекулы СО2 во всех случаях является совокупность реакций (9) и (10), для которых были определены эффективные константы скорости.

Механизмы образования молекул углерода С2 в СО-плазме и их разрушения были ранее абсолютно неизвестны. Оказалось, что в смеси Не-СО они образуются в результате гетерогенной рекомбинации атомов С, а также реакции С + СО*(а3П) С2 + О. (15) Исчезновение С2 происходит, вероятно, при столкновениях с атомами кислорода.

В течение многих лет большой интерес вызывали аномально яркие молекулы С2 (переход d3Пgа3Пu), начинающиеся полосы системы Свана на шестом колебательном уровне состояния d3Пg (так называемые «полосы высокого давления»). В то же время полосы с более низких уровней этого состояния содержали компоненту вращательного распределения с очень высокой вращательной температурой, на порядок большей газовой. Было предложено несколько вариантов объяснения этих особенностей. Проведенные на кафедре исследования позволили установить, что справедлива модель, включающая последовательность реакций С + СО + Не С2О + Не (16) С2О + С С2* + СО. (17) Найдена константа скорости процесса (17). Энергия этой реакции почти совпадает с шестым колебательным уровнем состояния С2*(d3Пg), что и объясняет как эффективное его возбуждение, так и вращательную аномалию полос с других уровней.

Плазмохимические процессы в тлеющем разряде в воздухе изучались в недавней совместной работе с университетом Paris-Sud (A.Rousseau) [11]. Как уже говорилось во Введении, в такой плазме образуются окислы азота, в частности, NO и NO2. Несмотря на очевидно широкую распространенность разряда в воздухе, однозначного мнения о механизмах образования в нем NO до последнего времени не было. Процессы образования NO2 в таком разряде вообще ранее не изучались. В данной работе концентрация NO и NO измерялась по поглощению излучения диодного лазера, настроенного на колебательно-вращательные переходы исследуемых молекул. Из анализа экспериментальных данных было получено, что основными процессами образования молекул NO являются реакции N2*(A3u+) + O NO + N*(2D), (18) N*( D) + O2 NO + O. (19) Молекулы NO2 образуются в выходящем потоке газа при взаимодействии NO с озоном.

В настоящее время исследования в плазме молекулярных газов проводит Г.М. Григорьян [12]. Исследуется плазма разряда в смесях, содержащих СО, в частности, в активной среде отпаянного СО-лазера. Здесь роль плазмохимических реакций является определяющей, от них зависят мощность и КПД лазера, длительность его работы, а также возможность регенерации лазерной смеси. В работе Г.М. Григорьян изучены механизмы, приводящие к изменению состава смеси рабочих газов, влияние различных продуктов плазмохимических реакций на релаксацию колебательно-возбужденных молекул СО, а также процессы, определяющие возможность восстановления состава смеси в разрядной трубке с графитовым электродом. Впервые проведены расчеты состава активной среды отпаянного СО-лазера и его изменение со временем. Вычисленные концентрации продуктов плазмо химических реакций и молекул СО в разряде сравниваются с эксперимен тальными, полученными в результате спектроскопических и масс-спектро метрических измерений. В результате исследований обнаружена важная роль процессов с участием метастабильных атомов ксенона, входящего в состав рабочей смеси, и гетерогенных процессов на стенке разрядной трубки в поддержании стабильного состава активной среды.

4. Выше уже упоминалось о том, что плазмохимические реакции могут превратить атомные ионы в молекулярные и тем самым увеличить скорость распада плазмы. Этот вопрос был исследован в работе В.С. Егорова и А.А. Пастора [13], изучавших влияние ионно-молекулярных реакций на характер послесвечения импульсного газового разряда в смеси инертных газов с водородом. Было известно, что добавление малых количеств водорода сущест венно ускоряет процесс деионизации разрядного промежутка, однако механизм ускорения рекомбинационных процессов оставался неясным. При выполнении этой работы, помимо традиционных оптических методов, использовалась масс спектрометрическая диагностика ионного состава плазмы. В результате иссле дований удалось установить, что ускорение рекомбинации связано с быстрым преобразованием положительных ионов в ходе ионно-молекулярных реакций Ar+ + H2 ArH+ + H (20) + + ArH + H2 H3 + Ar (21) При этом образующиеся молекулярные ионы гибнут в объеме при диссоциативной рекомбинации с электронами.

Большие значения констант скорости подобных реакций обусловлены как поляризационным взаимодействием, действующим между положительным ионом инертного газа и нейтральной молекулой водорода, так и типом образующейся химической связи. Химическим аналогом положительного иона аргона является атом хлора, поэтому реакция (20) похожа на реакцию образования хлористого водорода при соединении водорода с хлором, которая, как известно, может протекать весьма быстро. Высокую химическую активность имеют и возбужденные атомы инертных газов – их химическим аналогом является атом щелочного металла. В результате, например, реакция Ar* + HCl ArCl* + H (22) протекает по тому же (так называемому ”гарпунному”) механизму, что и реакция щелочного атома с HCl, и имеет столь же большую константу скорости.

Образующиеся при этом эксимерные (то есть устойчивые только в возбужденных состояниях) молекулы являются активной средой эксимерных лазеров – уникальных импульсных когерентных источников света УФ диапазона. Альтернативным механизмом образования ArCl* является реакция Ar+ + Cl– + He ArCl* + He, (23) где ион Cl– образуется в процессе HCl + e H + Cl– (24) В результате выполнения цикла работ в содружестве с исследователями из филиала ИАЭ им.Курчатова удалось выяснить, что при высокой плотности энергии возбуждения преобладающий вклад в образование эксимерных молекул вносит реакция (21) [14].

Исследования процессов образования и разрушения эксимерных молекул проводилось также в работах Н.П. Пенкина, Т.П. Редько и Н.А. Крюкова [15 18]. Исследовался разряд в смеси паров ртути с инертными газами. Оказалось, что яркость излучения в молекулярной полосе, отвечающей переходу A30+X10+ эксимерной молекулы HgXe*, сравнима с яркостью излучения резонансной линии ртути. Дальнейшее изучение температурной зависимости константы скорости образования молекул HgXe*(A30+) позволило всесторонне изучить механизмы элементарных реакций, формирующих заселенности молекулярных и атомарных состояний и показать, что образование их идет как трехчастичная реакция через промежуточный комплекс Hg*(63P1) + Xе + R HgXe*(A30+) + R, (25) где R – атом буферного газа.

Именно изучение температурной зависимости процессов образования эксимерных молекул подтолкнуло исследования к экспериментам в инертных газах, позволяющим расширить температурный диапазон во много раз. Это потребовало осваивать сложную технику ВУФ-спектроскопии. На основе измеренных спектральных распределений и вычисленных А.Л. Загребиным вероятностей молекулярных радиационных переходов исследована зависимость функции распределения эксимерных молекул по колебательным состояниям от давления газовой смеси. В настоящее время исследования по изучению динамики образования эксимерных молекул инертных газов продолжается. Оно нацелено на проведение экспериментов в диапазоне температур от криогенной до сотен градусов Цельсия.

*** Подводя итоги, можно заключить, что более чем тридцатилетний период научной деятельности кафедры оптики в области химии плазмы оказался весьма продуктивным. Исследована плазма в стационарном, импульсном и распада ющемся режимах в широком диапазоне условий в инертных газах и их смесях, в молекулярных газах и их смесях с инертными газами, в парах металлов и их смесях с инертными газами. Получена обширная информация о механизмах и константах плазмохимических процессов и об их влиянии на характеристики плазмы, в том числе плазмы, являющейся активной средой молекулярных, эксимерных и плазменных лазеров.

ЛИТЕРАТУРА 1. Колоколов Н.Б., Благоев А.Б. УФН. 1993. Т.163. В.3. С.55-77.

2. Егоров В.С. Химия плазмы. 1980. В.7. С.187-218.

3. Иванов В.А. УФН. 1992. Т.162. В.1. С.35-70.

4. Иванов В.А. Оптика и спектр. 1995. Т.78. В. 1. С.37-59.

5. Пенкин Н.П., Цыгир О.Д. Вестник ЛГУ.1973. №16. С.34-43.

6. Иванов Е.Е., Ионих Ю.З., Пенкин Н.П., Чернышева Н.В. Химия выс.

энергий. 1984. Т.18. В.2. С.159-164.

7. Иванов Е.Е., Ионих Ю.З., Пенкин Н.П., Чернышева Н.В. Хим. физика. 1988.

Т.7. В.12. С.1694-1702;

1989. Т.8. В.11. С.1527-1531.

8. Ионих Ю.З., Костюкевич И.Н., Чернышева Н.В. Оптика и спектр. 1993. Т.74.

В.3. С.455-463;

1994. Т.76. В.3. С.406-412.

9. Словецкий Д.И. Механизмы химических реакций в неравновесной плазме.

М. Наука. 1980. 310 с.

10. Алейников В.С., Масычев В.И. Лазеры на окиси углерода. М. 1980. 312 с.

11. Мещанов А.В., Руссо А., Рёпке Ю., Ионих Ю.З., Чернышева Н.В. В сб.

«Лазерные исследования в СПбГУ». В.3. 2004.

12. Григорьян Г.М.. В сб. «Лазерные исследования в СПбГУ». В.2. 2003. С.101 117.

13. Абрамова Т.С., Егоров В.С., Зацерковнюк Н.М, Пастор А.А., Старик А.М.

ЖТФ. 1972. Т.42. В.12. С.2479-2485.

14. Демьянов А.В., Егоров В.С., Кочетов И.В., Напартович А.П., Пастор А.А., Пенкин Н.П., Сердобинцев П.Ю., Шубин Н.Н. Квант.электрон. 1986. Т.13.

В.6. С.1250-1254.

15. Крюков Н.А., Пенкин Н.П., Редько Т.П., Оптика и спектр. 1991. Т. 66. В.3.

С.546-549.

16. Крюков Н.А., Пенкин Н.П., Редько Т.П., Федотов О.Г. Хим. физика. 1989.

Т.8. №4.С.442-445.

17. Крюков Н.А., Чаплыгин М.А. Оптика и спектр. 1991. Т. 71. В.6. С.945-947.

18. Загребин А.Д., Крюков Н.А., Савельев П.А. Оптика и спектр. 1999. Т.86. В.5.

С.762-771.

В.С. Сухомлинов Лаборатория голографии и оптики лазеров Создателем и организатором лаборатории «Голографии и оптики лазеров», которая первоначально называлась лабораторией «Сверхвысокой разрешающей силы», был профессор Андрей Григорьевич Жиглинский. Оптик спектроскопист по образованию и основному направлению интересов, глубоко понимавший физику, Андрей Григорьевич всегда находил свой, новый и оригинальный подход к решению научных и научно- технических задач. Все, чем он занимался в фундаментальной науке рано или поздно начинало приносить конкретную пользу. Это и определило на долгие годы основные особенности тематики научных исследований, проводимых в лаборатории.

Лаборатория была создана в 1961 г. Основным направлением научных исследований коллектива лаборатории в то время было связано с развитием методов анализа изотопного состава элементов, повышению точности и чувствительности спектрального анализа за счет развития и применения методов корреляционного анализа.

Проблема создания спектральных приборов высокого разрешения потребовала решения задачи расчета и изготовления многослойных диэлектрических зеркал. Исследования в этой области привели к обобщению на трехмерный случай классической теоремы Ван-Циттера – Цернике и в последующем – к созданию многослойных диэлектрических покрытий с уникальными свойствами и линз, обладающих достоинствами мощных объективов.

Одним из важных вопросов, стоящих перед исследователем в экспери ментальной физике, является вопрос о, так называемой, аппаратной функции тех приборов, с применением которых проводится эксперимент. Знание этой аппаратной функции позволяют свести к минимуму экспериментальные систематические ошибки. А.Г. Жиглинским, совместно с В.В. Кучинским и сотрудниками был проведен цикл исследований по определению аппаратных функций оптических приборов. Эти исследования, в частности, привели к развитию понятия реального интерферометра Фабри – Перо, а в дальнейшем – к разработке и созданию уникального сверхширокополосного полихроматичес кого перестраиваемого лазера.

В начале 70-х годов прошлого века в лаборатории начались исследования в области голографии с целью постановки «полного опыта», при котором были бы записаны не только амплитуды и фаза волны, но также ее частота и состояние поляризации. Решение этой задачи было найдено путем синтеза голографии с традиционной спектроскопией, была продемонстрирована возможность реализации такого опыта с помощью обычных газоразрядных источников света. Одновременно для расширения возможностей метода были созданы специальные многочастотные лазеры. Результаты этих фундамен тальных исследований были применены для решения ряда важных прикладных задач – определение пространственных распределений примесных атомов в плазме различного типа разрядов.

В эти же годы коллектив лаборатории под руководством А.Г. Жиглин ского начал исследования по разработке физических основ новых направлений во внутрирезонаторной лазерной спектроскопии – фазовой, поляризационной и интерференционной ВРЛС. Они открывают новые перспективы в науке и технике, могут привести к созданию высокочувствительных и прецизионных оптических приборов и систем.

Другим научным направлением, связанным с физикой лазеров, являлось создание нового типа лазеров с произвольным спектром излучения. Известно, что основным явлением, препятствующим формированию широкого спектра излучения лазерных систем, является конкуренция мод. Идеей, позволившей создать новый тип лазеров, спектр излучения которых состоял из многих спектральных линий и даже кусков сплошного спектра, была идея о пространственном разделении объемов активной среды лазера, которые ответственны за генерацию различных длин волн. Практическая реализация этой концепции привела к созданию целого класса резонаторов, на основе которых был создан, в том числе, и «белый лазер». Его излучение, обладая всеми свойствами (кроме монохроматичности) лазерного, имело столь широкий спектральный диапазон, что визуально выглядело, как белый свет мощного фонаря.

Еще одна тематика, которая развивалась в разные годы коллективом лаборатории – это изучение процессов взаимодействия плазмы с поверхностью твердого тела. Как и всегда в лаборатории, причиной интенсификации этих исследований явилась важная прикладная задача. При попытке осуществления управляемой термоядерной реакции в реакторах типа «Токамак» было обнаружено, что одной из главных причин того, что не удается достичь нужных температур плазмы, является слишком высокое содержание примесных атомов в плазме реактора. Причина их появления – эрозия частей внутренней поверхности «Токамака». В результате исследований, проведенных в лаборатории, было показано, что разряд с полым катодом удачно моделирует условия вблизи стенки термоядерного реактора «Токамак». Изучение процессов эрозии и перестройки состава поверхности в полом катоде позволило получить представление о свойствах различных материалов, которые предполагалось использовать в таких реакторах. Обобщение полученных результатов, привело к рождению нового понятия — «кольцо массопереноса», удачно отражающего основную суть процессов взаимодействия плазмы газового разряда с поверхностью твердого тела.

В последние годы в лаборатории, которую после смерти А.Г. Жиглинского возглавил B.C. Сухомлинов, активно ведутся исследования взаимодействия различных типов упругих волн с плазмой газового разряда.

Причина повышения интереса к исследованиям в этой области – попытки мирового сообщества создать гиперзвуковой самолет, то есть летательный аппарат, который может осуществлять горизонтальный полет в атмосфере со скоростью 8-10 скоростей звука. Эти попытки наталкиваются на многочисленные проблемы: слишком высок уровень акустического давления, который создает такой летательный аппарат у поверхности земли, слишком велико лобовое сопротивление и мала подъемная сила, которую можно обеспечить традиционными способами за счет лишь оптимизации формы самолета. Для решения этих задач было предложено часть энергии, имеющейся на борту летательного аппарата, расходовать на изменение свойств обтекающего потока. Оказалось, что ионизация этого потока позволяет успешно решить часть из вышеперечисленных задач. В результате этих исследований, например, было обнаружено, что плазма газового разряда может не только усиливать акустические колебания, как считалось раньше, но и ослаблять их.

Плазму также можно использовать и для усиления или ослабления ударных волн.

В разные годы под руководством А.Г. Жиглинского в лаборатории работали талантливые физики – экспериментаторы и теоретики: В.В. Кучин ский, В.В. Бабаев, А.В. Бабаев, Г.Г. Кунд, Э.Н. Фафурина, Т.Н. Хлопина, И.А. Жувикина, В.В. Дунаев, А.О. Морозов и др.

Сотрудниками лаборатории были опубликованы сотни научных статей и тезисов в престижных, в том числе и зарубежных журналах. С их соавторством издано три монографии. Исследования, проводимые в лаборатории, финан сируются Министерством обороны Российской Федерации, Министерством Атомной промышленности Российской Федерации, Международным научно техническим центром, есть совместные проекты и с зарубежными научно исследовательскими и учебными организациями.

В лаборатории много времени посвящается преподавательской деятельности. За время существования лаборатории по материалам исследо ваний, проведенных ее сотрудниками, было защищено более 20 кандидатских и три докторских диссертации. Десятки дипломантов и магистров защищали свои дипломы и диссертации под руководством сотрудников лаборатории.

Г.В. Жувикин Метод крюков Рождественского и его развитие в работах по атомной спектроскопии на кафедре оптики Петербургского университета С именем академика Дмитрия Сергеевича Рождественского в России связано создание и развитие целого ряда крупных научных физических школ.

Начало одной из них, связанной с исследованием сил осцилляторов, вероятностей радиационных переходов и уширением контуров спектральных линий атомов, положили работы Дмитрия Сергеевича по аномальной дисперсии в парах металлов [1,2]. Член-корреспондент АН СССР С.Э. Фриш, давая оценку начальному периоду деятельности Физического института Петербург ского университета, писал: “Кажется, единственной крупной работой, выполненной в институте за все годы до первой мировой войны, была работа Дмитрия Сергеевича Рождественского по аномаль ной дисперсии света” [3].

Д.С. Рождественский родился 7 апреля Академик года в Петербурге. Здесь в 1894 г. он с серебряной Дмитрий Сергеевич медалью закончил Шестую гимназию и поступил в Рождественский Петербургский университет на физико-математи ческий факультет. Закончив его в 1900 г. по спе циальности “физика”, Дмитрий Сергеевич в течение десяти лет продолжал свое образование, работая в университетах России, Германии, Франции. В Германии Д.С. Рождественский работал у известного немецкого физика П.Друде (г. Гес сен), развивавшего в своих трудах электронную теорию металлов и, в част ности, теорию дисперсии. Разработкой теории дисперсии электромагнитных волн в веществе занимались также В. Фогт, Г. Лоренц, М. Планк. Эта область физики особенно привлекла Д.С Рождественского, так как окончательно вернув шись в Петербург в 1903 г. он определяет свои научные интересы изучением дисперсии света в атомах. Такой выбор не был случайным: основные мотивы, двигавшие передовую науч ную идею того времени, были непосредственно связаны со строением атомов и станов лением квантовой механики.

В стенах Физического инсти тута Дмитрий Сергеевич свои Интерференционные полосы, развернутые по основные усилия направил на спектру методом Пуччианти вблизи желтого экспериментальное изучение явления дисперсии света в дублета натрия. крыльях спектральных линий вблизи резонансных частот атомов. Развитая к тому времени в трудах упомянутых ученых классическая теория дисперсии требовала эксперимен тальной проверки. Внимание Д.С.Рождественского привлекла техника спектро скопии, использующая приборы со скрещенной дисперсией. Основным досто инством такого подхода является то, что он позволяет прямым способом наблюдать зависимость коэффициента преломления среды от длины волны света. Следует сказать, что использование двух призм со взаимно орто гональным направлением дисперсии света встречается уже в работах Исаака Ньютона, выполненных в 1666 году [4]. Однако Ньютон преследовал другую цель – исследуя структуру света, он попробовал разложить окрашенные участки сплошного спектра на какие-то другие, более элементарные составляющие. При этом Ньютон в своих трудах по оптике иногда ссылается на работы еще более “старых авторов”, в том числе, античных, но без четкого указания на источник.

Во второй половине девятнадцатого – начале двадцатого века в работах Леру (1862 г., пары йода), Христиансена (1870 г., раствор фуксина), Кундта (1880 г., пары натрия), Вуда (1902 г., пары натрия) техника скрещенной дисперсии использовалась уже непосредственно с целью изучения явления преломления света в средах вблизи резонансных частот [5]. Однако слою исследуемого вещества при этом требовалось придавать форму преломляющей призмы, что являлось существенным недостатком упомянутых работ.

Схема экспериментальной установки Д.С.Рождественского, приведенная им в своей магистерской работе 1912 г.

Схема двухлучевого интерферометра, скрещенного со спектрографом, предложенная в 1875 г. Махом, и заново открытая в 1901 г. Пуччианти, была свободна от этого недостатка. Она не только оказалась более удобной в работе, но и обеспечивала более высокую точность измерений. В литературе метод исследования аномальной дисперсии на основе данной схемы получил название метода Пуччианти. Положив в основу своего экспериментального метода схему интерферометра, скрещенного со спектрографом, Д.С. Рождественский в ранних опытах использовал интерферометры типа Жамена и Майкельсона.

Однако интерференционные полосы в них постоянно смещались из-за темпе ратурных влияний. Поиски других, температурно-стабильных оптических схем привели Д.С. Рождественского к интерферометру типа Маха-Цендера. На его основе была разработана конструкция, специально приспособленная для работы с высокотемпературной печью, необходимой для получения поглощающего слоя паров исследуемого вещества. Созданная разновидность интерферометра Маха-Цендера, обладающая повышенной механической и температурной стабильностью, получила название интерферометра Рождественского.

В базовой оптической схеме Рождественского ABA’B’ – равноплечный двухлучевой интерферометр, в котором каждая пара зеркал установлена на собственной массивной платформе;

T и T’ – две идентичные трубки, в одной из которых (Т), создается поглощающий слой исследуемого вещества. С помощью такого интерферометра методом Пуччианти можно было проводить исследо вания аномальной дисперсии в парах металлов в усло виях высокой тем пературной стаби льности оптичес кой системы. Од нако главной зас лугой Дмитрия Сергеевича, при несшей ему миро вую известность, стало создание Базовая оптическая схема с интерферометром нового, более Рождественского для исследования аномальной удобного и точ- дисперсии света.

ного метода исследования дисперсии вблизи спектральных линий, получившего название метода “крюков” Рождественского.

Высокая точность метода крюков заключалась в использовании прин ципа компенсации дисперсии в исследуемом веществе с помощью специальной эталонной пластинки К, вводимой во второе плечо двухлучевого интерферо метра. При этом интерфе ренционные полосы вбли зи линии поглощения приобретали характерный вид, напоминающий крю Крюки Рождественского вблизи одиночной ки. Д.С. Рождественский спектральной линии нашел, что расстояние ik между вершинами крюков непосредственно связано с силой осциллятора линии соотношением fik = k ik2/NL, где k – параметр метода, N – концентрация поглощающих атомов, L – длина поглощающего слоя. Таким образом, измеряя всего лишь один параметр – расстояние между крюками, можно было гораздо проще и с большей точностью, чем в методе Пуччианти, определять величину N fik L для данной спектральной линии.

Метод крюков Рождественского получил высокую оценку современ ников. За работу “Аномальная дисперсия в парах натрия”, представленную в ученый совет Петербургского университета в 1912 году, Д.С. Рождественскому была присвоена ученая степень магистра. Вскоре он был утвержден в должности приват-доцента Петербургского университета, а в 1915 году, после защиты им докторской диссертации на тему “Простые соотношения в спектрах щелочных металлов”, Д.С. Рождественский стал директором Физического института. В 1916 году он был избран профессором Петербургского университета. Одним из наиболее важных результатов, приведенных Д.С. Рож дественским в докторской диссертации, было установление экспериментального факта, состоящего в том, что отношение сил осцилляторов спектральных линий в головном дублете щелочных металлов близко к числу 2. Это открытие получило объяснение лишь в рамках развитой впоследствии квантовой теории.

После 1917 года Д.С. Рождественский много сил и энергии отдал созданию и деятельности расположившегося по соседству с Университетом Оптического института (ГОИ), директором которого он был с момента его создания в 1918 году по 1932 год. В 1936 году, по его инициативе, в Академии наук была создана комиссия по редким землям, которую он и возглавил. Одной из важнейших задач Дмитрий Сергеевич считал исследование спектров редкоземельных элементов, нашедших впоследствии столь широкое применение в различных областях науки и техники. В полной мере вернуться к теме аномальной дисперсии Дмитрий Сергеевич смог лишь в 1939 году, когда он был вынужден вновь перенести свои основные исследования в университет, где к тому времени уже действовала основанная в 1934 году кафедра оптики.

Обстоятельства, связанные с таким перемещением, подробно описал в своих воспоминаниях ученик Д.С. Рождественского со студенческой скамьи Сергей Эдуардович Фриш, который в то время уже исполнял обязанности директора Физического института и одновременно декана физического факультета.

Постановлением Совнаркома, подписанным Молотовым, из ГОИ в университет была переведена вся лаборатория Дмитрия Сергеевича с полным оборудованием и штатом 6-7 человек [3]. Заместителем Дмитрия Сергеевича по лаборатории стал Григорий Соломонович Кватер, а проводить эксперимен тальную работу ему помогал молодой лаборант Николай Петрович Пенкин, впоследствии – профессор университета, проректор университета по научной работе, заведующий кафедрой оптики. Основной темой исследований новой лаборатории должно было стать систематическое изучение сил осцилляторов атомов, причем экспериментальное определение этих важнейших атомных характеристик должно было проводиться методом крюков Рождественского. По сравнению с ранними исследованиями аномальной дисперсии новые работы планировались широко и основательно с целью охватить большое число химических элементов. В работах ближайшего времени планировалось изучить спектры ряда металлов: Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn. Экспериментальный метод был распространен в область тугоплавких и трудноиспаримых элемен тов, для чего была создана специальная модификация высокотемпературной печи Кинга. Однако в 1940 году жизнь Дмитрия Сергеевича трагически обор валась, а научным исследованиям, продолженным его учениками, помешала Великая Отечественная война 1941 – 1945 гг. Все же, в этот период из печати вышло несколько работ сотрудников лаборатории – Д.С. Рождественского (посмертно) в соавторстве с Н.П. Пенкиным (1941) и Г.С. Кватера (1941, 1942, 1945).

Оценивая результаты исследований по аномальной дисперсии, выпол ненные в Физическом институте со времени его основания в 1901 году до начала 40-х годов, отметим, что за это время был создан и апробирован новый, получивший мировую известность метод исследования дисперсии света в крыльях спектральных линий атомов – метод крюков Рождественского. В рабо тах Д.С. Рождественского и его учеников было проведено измерение сил осцил ляторов переходов главных серий щелочных металлов, а также кальция и таллия. Была создана экспериментальная техника, позволяющая проводить исследования в атомных парах практически всех тугоплавких металлов. С ее помощью были получены первые результаты по спектрам железа и хрома.

Необходимо также сказать, что в период становления квантовой механики Д.С. Рождественский с помощью разработанного им метода провел важнейшие исследования характера дисперсии в крыльях спектральных линий атомов, подтверждавшие квазиупругий тип связи электрона в атоме. На ранние работы Д.С. Рождественского по атомной спектроскопии ссылается Нильс Бор в своей работе 1921 года по строению атомов [6]. По-видимому, это вообще един ственная ссылка Бора на какие-либо работы того периода, выполненные в России.

По окончании Второй мировой войны исследования сил осцилляторов атомов с помощью метода крюков Рождественского в Физическом институте продолжил Николай Петрович Пенкин с сотрудниками. В начале 50-х к этим исследованиям Николай Петрович привлек студентов физического факультета Юрия Исаевича Островского и Людмилу Николаевну Шабанову, впоследствии ставшие известными специалистами в области оптической спектроскопии. В 60-х годах в группу Н.П. Пенкина, занимавшуюся систематическим исследо ванием сил осцилляторов атомов различных химических элементов, вошел еще один выпускник кафедры оптики – Владимир Афанасьевич Комаровский. Ему было поручено исследование сил осцилляторов редкоземельных элементов. На различных этапах в исследованиях принимали участие также другие сотрудники и аспиранты кафедры оптики. К концу 80-х годов XX века на кафедре оптики была выполнена обширная программа по экспериментальному определению сил осцилляторов атомов большого числа химических элементов [7]:

Таблица 1. Химические элементы, силы осцилляторов которых были исследованы в Физическом институте методом крюков Рождественского.

I II III IV V VI VII VIII 2 Li Ne 3 Na Mg Al Si Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge 5 Rb Sr Ag Cd In Sn 6 Cs Ba *) Au Hg Tl Pb *) – – Nd – Sm Eu Gd – Dy Ho Er Tm Yb – Результаты этих работ имели большое значение для атомной спектроскопии. Они не только существенно пополнили табличные данные атомных констант, необходимые для решения различных задач науки и техники, но и способствовали также развитию теории и вычислительных методов квантовой механики многоэлектронных атомов. Однако исследования, прово димые на кафедре оптики с использованием метода крюков, не ограничились измерениями одних лишь сил осцилляторов.

В работах сотрудников кафедры идеи Д.С. Рождественского по исследо ванию аномальной дисперсии получили дальнейшее развитие – как в направ лении совершенствования методики, так и в расшире нии круга физических явле ний, изучаемых с его по мощью.

В 1953 году Н.П. Пен кин, Ю.И. Островский и Л.Н. Шабанова предложили новый метод исследования дисперсии, позволяющий на ходить также радиационные и столкновительные ширины линий. Метод основывался на измерении величины N f l методом крюков и одновре менном измерении эквива лентной ширины линии пог лощения A в условиях выполнимости “закона кор ня” [8, 9]:

Установка Ю.И. Островского, Н.П. Пенкина e и Л.Н. Шабановой для работы o N f l A= комбинированным методом. 3 )1 / (m c Эквивалентная ширина линии поглощения, связанная с коэффициентом поглощения k() выражением A = [1 e k ( ) l ]d, определялась по отношению интенсивностей I2 и I1 света, прошедшего через участок спектра шириной, содержащий линию поглощения и через участок спектра такой же ширины вне линии поглощения, соответственно:

I A = 1 I Комбинация результатов интерферометрических и абсорбционных измерений давала лоренцевскую ширину спектральной линии mc 3 A = e 2 4 Nfl o Для работы новым методом, названного “комбинированным”, оптическая кювета заполнялась нейтральным буферным газом, приводящим к уширению спектральных линий атомов исследуемого химического элемента, и последующему измерению зависимости ширины линии от давления буферного газа. В условиях применимости комбинированного метода центр линии полностью поглощен и пропускание определяется в основном лоренцевскими крыльями спектральной линии:

e2 2 Nf k ( ) = o 2mc ( o ) При этом ширина линии складывается из трех величин – естественной ширины 0, ширины линии, обусловленной резонансным взаимодействием атомов res и ширины линии, обусловленной столкновениями с атомами буферного газа buf :

= 0 + res + buf.

Экстраполируя зависимость от давления уширяющих газов к нулевому давлению, можно находить естественную ширину линии, непосредственно выражающуюся через силу осциллятора.

Кроме того, такие измерения позволяют определять сечения ударного уширения спектральных линий при атомных столкновениях, по которым, в свою очередь, можно находить параметры взаимодействия атомов в рамках определенных потенциальных функций, например, Ван-дер-Ваальса или Леннарда-Джонса.

В 1956 году А.М.Шухтин и В.С.Егоров предложили использовать метод крюков Рождественского для изучения нестационарных и кратковременно протекающих процессов, таких как взрывы проволочек, импульсный разряд, ударные волны, процессы установления в газовом разряде и др. [10]. Метод состоял в применении импульсного источника излучения сплошного спектра большой яркости, синхронизованного с изучаемым явлением.

Первая созданная авторами установка предназначалась для экспери ментального изучения импульсного разряда в неоне. В качестве импульсного источника света использовалась вторая разрядная трубка, заполненная водо родом или воздухом при давлении в несколько тор. Время экспозиции интерференционной картины определялось длительностью вспышки источника света и не превышало нескольких микросекунд. Изменяя длительность задержки вспышки относительно начала разряда в неоне, и фотографируя крюки Рождественского в крыльях различных спектральных линий поглощения возбужденных атомов, можно было непрерывно наблюдать за изменением параметров неоновой плазмы. Еще одним важным приложением данного метода было то, что он позволял определять методом крюков Рождественского силы осцилляторов атомов и ионов, большие концентрации которых не удавалось получать иначе, чем при кратковременном импульсном воздействии.

Установка В.С. Егорова и А.М. Шухтина для работы методом крюков Рождественского с временным разрешением.

В 1976 году Г.В. Жувикин и Л.Н. Шабанова предложили метод исследования аномальной дисперсии с помощью интерферометра Рождест венского, наст роенного на ну левую разность хода по всему световому по лю [11]. Это позволяло осу ществлять про стую фотоэлек трическую ре гистрацию ин терференцион ной картины.

Использование эталонной плас тинки позволя ло работать в одном из трех режимов – ну левой, суммар ной или разнос Автоматизированная установка, реализующая метод тной фазы. При Г.В. Жувикина и Л.Н. Шабановой фотоэлектрической этом режим ну регистрации интерферограмм. левой фазы яв лялся одномерным аналогом метода Пуччианти, режим разностной фазы – одномерным аналогом крюков Рождественского, а режим суммарной фазы позволял работать методом сдвига интерференционных полос, предложенного примерно в то же время С.Э. Фришем с сотрудниками. Фотоэлектрическая регистрация интерференционной картины впервые позволила полностью автоматизировать метод крюков Рождественского. Для этого использовался компьютер, работающий в режиме реального времени. Новый метод позволил сократить время определения величины N f l до нескольких секунд по сравнению с несколькими часами при традиционной фотографической регистрации интерферограмм.

Созданная на кафедре оптики автоматизированная установка исполь зовалась в исследованиях эффектов уширения контуров спектральных линий и потенциалов взаимодействия атомов. Дальнейшие исследования, выполненные в работах Г.В. Жувикина, Н.П. Пенкина, Л.Н. Шабановой, показали, что условие применимости комбинированного метода может нарушаться даже при малом давлении буферного газа.

Причиной этого является сложный характер взаимодействия атомов, способный приводить к сильному отклонению формы далеких крыльев линии от лоренцевского профиля. В связи с этим возникла необходимость создания универсального экспериментального метода, пригодного для изучения различ ных механизмов уширения спектральных линий.

Такой метод, получивший название амплитудно-фазового, был разработан Г.В.Жувикиным и Л.Н.Шабановой в конце 70-х годов. Амплитудно фазовый метод состоит в одновременном измерении контура линии поглощения путем сканирования спектра и величины N f l фотоэлектрическим вариантом Контур линии поглощения бария 553.5 нм. Интерферограмма – одномерный аналог крюков Рождественского.

Работа амплитудно-фазовым методом.

метода крюков Рождественского [12]. Здесь следует сказать, что спектральная линия, форма которой отличается от дисперсионной, не мо жет быть охарактеризована одним числом – си лой осциллятора. В таких случаях необходимо привлекать понятие спектрального распределе ния – спектральной плотности сил осциллято ров или сечения поглощения:

f () = f0 a(), где функция a(), нормированная на единицу:

a( )d = 1, описывает форму контура спектральной линии.

Иногда более удобно использовать понятие сечения поглощения:

() = k()/N0, которое связано с силой осциллятора соотно Влияние расстройки шением:

интерферометра на вид () = 22e2 f0 a()/mc.

интерферограммы в области образования крюков. Амплитудно-фазовым методом были ис следованы сечения поглощения, индуцирован ные атомными столкновениями в крыльях резонансных линий атомов магния, кальция и бария. Для этих линий были впервые наб людены сателлиты, вызванные присутствием тяжелых инертных газов – аргона, криптона и ксенона. Проведенные измерения позволили на основе модельных представлений о характере взаимодействия атомов металлов с атомами инертных газов определить глубину потен циальных ям, а также параметры C3, C6, C адиабатических термов квазимолекул, состав ленных из атомов элементов II группы (Mg, Ca, Ba) и атомов инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe). Сведения о параметрах уширения спектральных линий, а также о потенциалах межатомного взаимодействия, полученные Вид интерферограмм, комбинированным и амплитудно-фазовым аналогов крюков методами на кафедре оптики, включены в базы Рождественского, при данных крупных исследовательских центров различной ширине аппаратной мира, доступные в настоящее время через функции монохроматора.

компьютерную сеть Интернет.

На кафедре оптики разрабатывались также и другие схемы использования интерферометра Рождественского в целях исследования аномальной дисперсии – метод наложения интерференционных картин, развернутых по спектру (1961, А.М.Шухтин), метод сдвига интерферен ционных полос (1977, Н.С.Рязанов, С.Э.Фриш), метод четырехлучевой интер ференции (1978, Н.С.Рязанов) [13], метод двухлучевой внутрирезонаторной интерференции света с использованием импульсного лазера на красителе (1983, А.Г.Жиглинский, Н.С.Рязанов, И.В.Кузнецов и др.)[14,15].

Разработанный почти сто лет назад, метод крюков на протяжении всего 20-го века широко использовался в научных лабораториях всего мира – России, США, Великобритании, Японии, Австрии и др. Не потерял он своего значения и в настоящее время. Помимо своей ценности для научных исследований, метод крюков с необычайной наглядностью демонстрирует явление аномальной дисперсии, вызывая неизменный интерес со стороны студентов. Этим определяется его большая популярность в учебных лабораториях. Развитая в настоящее время техника регистрации изображений с помощью матричных фотоприемников, а также повсеместное распространение компьютерных методов управления экспериментом делают метод крюков Рождественского весьма эффективным средством демонстрации явления аномальной дисперсии.

ЛИТЕРАТУРА 1. Д.С. Рождественский. Работы по аномальной дисперсии в парах металлов.

Под ред. С.Э. Фриша. Л., АН СССР, 1951, -394 с.

2. Д.С. Рождественский. Избранные труды. М.-Л., Наука, 1964, -349 с.

3. С.Э. Фриш, Сквозь призму времени. М.: Политиздат, 1992. - 430 с.

4. Исаак Ньютон, Лекции по оптике. Изд. АН СССР, 1946. - 294 с.

5. Б.И. Степанов, Введение в современную оптику. - Минск, Наука и техника, 1989. -359 с.

6. Нильс Бор, Избранные научные труды. В 2-х томах. М.: Наука, 1970, т.1, с.

350.

7. N.P. Penkin, Experimental determination of electronic transition probabilities and the lifetimes of the excited atomic and ionic states. Proc. Of the Sixth Intern.

Conf. On Atomic Physics,1978, Riga, USSR, p.33-64.

8. Н.П. Пенкин, Определение сил осцилляторов спектральных линий атомов. В кн.: Спектроскопия газоразрядной плазмы. Л., Наука, 1970, с.63 - 109.

9. Ю.И. Островский, Н.П. Пенкин, Л.Н. Шабанова, ДАН СССР, 120, 66 (1958).


10. А.М. Шухтин, В.С. Егоров. Вестник ЛГУ, 16, 61, 1959.

11. Г.В. Жувикин, Л.Н. Шабанова, Исследование аномальной дисперсии с помощью интерферометра Рождественского с нулевой модой в режиме разностной фазы. Труды XVIII Всесоюзного съезда по спектроскопии. М., 1977, с.42 - 45.

12. Г.В. Жувикин, Л.Н. Шабанова, Амплитудно-фазовый метод определения сечения поглощения в крыльях спектральных линий. Вестник ЛГУ, 1982, №22, с. 21 - 28.

13. Н.С. Рязанов, Измерение аномальной дисперсии с помощью четырехлучевого интерферометра Рождественского. // Оптика и спектроскопия, т.47, вып.2, 1979, с. 367 - 374.

14. О.Е. Денчев, А.Г. Жиглинский, Н.С. Рязанов, А.Н. Самохин. Оптика и спектроскопия, 1983, т.54, вып.6, с.1087.

15. Н.С. Рязанов. Новые спектроинтерференционные методы исследования фазовых объектов. Л., ЛГУ, 1987, -15 с.

Ю.Б. Голубовский ФИЗИКА ПЛАЗМЫ НА КАФЕДРЕ ОПТИКИ Научное направление, связанное с исследованием физики газоразрядной плазмы, было инициировано на кафедре оптики профессором С.Э. Фришем еще в довоенные годы. В классических работах по спектроскопии, которые выполнялись в то время, в качестве источников излучения использовались разнообразные газоразрядные устройства – тлеющий, дуговой, искровой разряды, разряд с полым катодом, высокочастотный разряд, разряд в магнитном поле и т.д. Естественно, что происходящие в этих источниках физические процессы не могли не привлечь внимания настоящего ученого, каким был С.Э. Фриш. Он начал развивать с помощью своих сотрудников и аспирантов планомерные исследования в этом направлении.

В прикладном отношении с использованием газоразрядных источников возбуждения аналитических линий был разработан спектральный анализ газовых смесей (Е.Я. Шрейдер, О.П. Бочкова, Н.В. Чернышева). Интересная тема была предложена С.Э. Фришем его аспиранту Ю.М. Кагану – «Спектро скопический метод измерения направленных скоростей ионов в плазме по допплеровскому сдвигу спектральных линий». Развивая эту тему в после военные годы в Петрозаводске с помощью молодого выпускника физического факультета физика-теоретика В.И. Переля (в настоящее время академик РАН) Ю.М. Каган подготовил докторскую диссертацию «О движении ионов в плазме». В этой работе была развита кинетическая теория движения ионов в одновременно существующих в газоразрядных трубках продольных и радиальных полях, а также рассмотрена форма контура спектральных линий, формирующихся в результате этих движений.

Качественно новый этап в исследованиях по физике плазмы начался в 1958 г., когда на кафедре Оптики была организована лаборатория Физики низкотемпературной плазмы, которую возглавил проф. Ю.М. Каган. С одной стороны, было начато комплексное экспериментальное исследование газового разряда зондовыми и спектроскопическими методами, с другой стороны, интенсивно развивалась кинетическая теория неравновесной плазмы, над которой работал молодой теоретик Р.И. Лягущенко. Были разработаны новые зондовые методы диагностики, которые получили широкое распространение благодаря опубликованному в 1963 г. в журнале «Успехи физических наук»

обзору Ю.М. Кагана и В.И. Переля. Большой резонанс получили пионерские работы по прямому измерению функций распределения электронов по энергиям путем двойного дифференцирования зондового тока по потенциалу (В.М. Ми ленин, Н.А. Воробьева).

В результате систематических и дружных исследований, сочетавших эксперимент и теорию, вопреки существовавшим тогда представлениям был установлен неравновесный характер функции распределения. Это заставило пересмотреть существовавшие в то время точки зрения на положительный столб газового разряда, базировавшиеся на предположении о максвелловской функции распределения электронов в плазме. Выполненный теоретический анализ кинетического уравнения Больцмана для плазмы в электрическом поле с учетом основных типов столкновений – упругих, неупругих, межэлектронных – позволил количественно описать наблюдаемые в экспериментах явления (Р.И. Лягущенко).

К началу 60-х годов исследования газоразрядной плазмы ограничива лись, главным образом, низкими давлениями (порядка нескольких миллиметров ртутного столба и ниже), либо достаточно высокими (атмосферное и выше) давлениями и большими токами, когда плазма переходит в состояние локального термодинамического равновесия и может быть описана на основе формул типа Максвелла, Больцмана, Саха. В промежуточной области давлений и токов наблюдалось контрагирование разряда – стягивание плазмы в светящийся шнур вблизи оси, что затрудняло понимание и без того сложных механизмов, управляющих разрядом. В лаборатории началось планомерное наступление на область средних давлений в десятки и сотни Торр, которая оставалась в то время практически белым пятном в науке. На основе систематических измерений яркостей спектральных линий в видимой, ближних УФ- и ИК- областях спектра в совокупности с зондовыми измерениями была построена картина процессов возбуждения и ионизации в инертных газах.

Основным результатом этих исследований можно считать доказательство того, что при электрическом разряде в инертных газах превалируют ступен чатые механизмы возбуждения и ионизации, причем заселенность мета стабильных и резонансных состояний, через которые идут ступенчатые процессы, определяется резко неравновесной функцией распределения. Отличие измеренных заселенностей уровней и степеней ионизации от равновесных, рассчитанных по формулам Саха и Больцмана, составляло порядки величины (А.Д. Хахаев).

Эти экспериментальные данные послужили стартовой площадкой для построения самосогласованной модели положительного столба, которая явилась обобщением модели Шоттки для случая реальной плазмы с немаксвелловской функцией распределения при наличии ступенчатых процессов ионизации и гибели заряженных частиц как на стенках разрядной трубки, так и в объеме плазмы. Самосогласованная теория положительного столба была построена на базе замкнутой системы уравнений движения заряженных частиц, уравнений теплового баланса электронов и атомов, переноса тока с использованием кинетического уравнения для расчетов скоростей реакций возбуждения и ионизации при учете ступенчатых процессов. Развиваемый подход позволил количественно описать такие интересные физические явления, как плавное сжатие свечения положительного столба при протекании тока через все сечение разрядной трубки (оптическая контракция разряда), скачкообразное сжатие разряда в узкий, ярко светящийся шнур при достижении критических значений давления и тока, наличие гистерезиса при переходе из диффузного состояния в контрагированное и обратно и т.д. (Ю.Б. Голубовский).

Интересный круг физических явлений был обнаружен в послесвечении плазмы, распадающейся после прекращения тока, в результате систематических измерений функций распределения электронов по энергиям в импульсном разряде (Н.Б. Колоколов). Были разработаны тонкие методы измерений с большим временным разрешением функций распределения в плазме с периодически изменяющимися параметрами. Методы основывались на кратко временной коммутации зондового тока с помощью появившихся к тому времени достаточно высоковольтных кремниевых полупроводниковых триодов.

Разработанная схема позволяла измерять функцию распределения в бестоковой плазме.

На электронном спектре были обнаружены характерные максимумы в области высоких энергий порядка 15-20 эВ, в то время как средняя энергия основной массы электронов не превышала 0.1 эВ. Было выяснено, что эти максимумы связаны с появлением быстрых электронов в результате ударов второго рода с метастабильными и резонансными атомами и процессов хемоионизации – столкновений возбужденных атомов с образованием атомар ных или молекулярных ионов и быстрых электронов. Исследование этих процессов заложило новое направление – плазменную электронную спектро скопию (ПЛЭС). Это направление оказалось весьма перспективным при иссле довании таких тонких эффектов, как поведение сечений столкновений в припороговой области, измерение констант элементарных процессов с участием возбужденных атомов и их температурных зависимостей и т.д.

Был обнаружен и интерпретирован ранее неизвестный эффект возникновения аномального пристеночного скачка потенциала и сплошного электронного спектра, проанализирована роль ступенчатых процессов в послесвечении, обусловленных нагревом электронов за счет реакций хемоионизации и ударов второго рода. Интересные результаты были получены и при измерениях функций распределения в послесвечении молекулярных газов. Оказалось возможным определять колебательную температуру молекул по электронному спектру. Была сильно продвинута техника зондовых изме рений для классического ленгмюровского режима зонда, корректно учиты вались аппаратные эффекты. Была разработана методика измерений функций распределения в случае диффузионного движения электронов в поле зонда, что позволило существенно расширить область измерений в сторону высоких давлений. Итоги этих работ были подведены в монографии, написанной В.И. Демидовым, Н.Б. Колоколовым и А.А. Кудрявцевым «Зондовые методы исследования низкотемпературной плазмы», в которой обобщено современное состояние зондовых методов диагностики.

Научное направление, связанное с исследованием процессов рекомбинации, в частности, диссоциативной рекомбинации, в инертных газах и их смесях, было предложено В.А. Ивановым. Им был разработан оригинальный метод спектроскопического исследования процессов рекомбинации в после свечении с управляемым нагревом электронов и измерения коэффициентов рекомбинации, приводящих к заселению каждого конкретного возбужденного уровня атома (парциальных коэффициентов рекомбинации с возбуждением).

Для этого после выключения разряда и остывания электронов на плазму накладывалось дополнительное подогревающее поле, амплитуда которого могла изменяться в широких пределах. Этот метод позволял в одном эксперименте получать температурные зависимости констант скорости рекомбинации и других элементарных процессов с участием гомо- и гетероядерных молеку лярных ионов.


Аспирант, а в последующем – профессор, Б.П.Лавров начал физические исследования моно- и дуоплазматронов и получил интересные результаты по спектроскопической и зондовой диагностике плотной плазмы в магнитном поле.

Усилиями многих аспирантов интенсивно развивались работы по кине тике электронов и спектроскопии в таком перспективном для многочисленных приложений источнике излучения, каким является полый катод.

Руководитель лаборатории Физики низкотемпературной плазмы Ю.М. Каган очень большое внимание уделял работе со студентами и аспиран тами. Школа физики газового разряда, которую создал Ю.М.Каган, заняла в этой области лидирующие позиции и заслуженно пользовалась международным признанием, несмотря на трудности, связанные с изоляцией советской науки в то время.

После эмиграции Ю.М. Кагана в 1977 г. начался новый этап в жизни лаборатории. Его ученики, ставшие известными учеными и защитившие доктор ские диссертации, успешно продолжали исследования по физике газоразрядной плазмы. В настоящее время в лаборатории активно функционируют пять науч ных групп, каждую из которых возглавляет доктор физ.-мат. наук, один из учеников Ю.М. Кагана. Каждая группа имеет свое научное лицо и четко выраженное направление научных исследований. Так, группа профессора В.М. Миленина занимается исследованием импульсно-периодического разряда, которое открывает новые возможности управления характеристиками газораз рядных источников света. Ведутся поиски новых экологически чистых и высокоэффективных рабочих сред для источников излучения.

Группа проф. Ю.Б. Голубовского работает над фундаментальными проблемами самоорганизации плазмы, которые проявляются в виде формиро вания своеобразных пространственно-временных структур – контракции и стратификации разряда.

В группе проф. Н.Б. Колоколова начато исследование бистабильных состояний, наблюдаемых в послесвечении. Проводятся исследования свойств плазмы с высокой концентрацией возбужденных частиц (плазма послесвечения разряда, фотоплазма). Ведутся работы по исследованию возможностей прямого преобразования концентрированного светового излучения в электрическую энергию при помощи плазменных технологий.

Проф. В.А. Иванов, наряду с традиционными исследованиями по физике рекомбинирующей плазмы, разработал уникальный источник питания и соответствующую схему регистрации для спектрального анализа, которая решила многие проблемы в этой области.

Группа проф. Б.П. Лаврова успешно работает над созданием банка данных по вероятностям электронно-колебательно-вращательных переходов в двухатомных молекулах. Им разработаны полуэмпирические методы определения этих величин, а также предложены методы восстановления потенциальных кривых в молекулах.

Сохраняются научные традиции по подготовке кадров высшей квалификации. Многочисленные аспиранты успешно и в срок защищают кандидатские диссертации. Пять выпускников лаборатории в последнее время защитили докторские диссертации, причем двое из них – В.О.Некучаев и Н.А.Тимофеев – по работам, выполненным непосредственно в лаборатории физики плазмы. О высоком научном потенциале лаборатории свидетельствуют многочисленные публикации в самых престижных физических журналах и доклады на международных конференциях. Активно работающие студенты и аспиранты получали гранты фонда Сороса. Фонд Сороса выделял нам также гранты на научную работу. Имеет место широкая международная кооперация с университетами Германии, Франции, США.

Б.П. Лавров ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ И КИНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ С УЧАСТИЕМ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ ВОДОРОДА 1. Введение. Настоящая статья посвящена юбилею кафедры оптики и представляет собой попытку краткого обзора исследований, проводившихся на кафедре по указанной в названии тематике за последние 35 лет. Ранее отдельные направления этих работ рассматривались более подробно в обзорах [1-13]. Наиболее важные конкретные результаты, представлены в оригинальных статьях [14-112]. В объемной и разноплановой работе принимало участие большое количество людей. Это, прежде всего, работавшие со мной студенты, аспиранты и сотрудники кафедры оптики: Асташкевич С.А., Бублина Н.В., Грязневич М.П., Демидов В.И., Драчев А.И., Калачев М.В., Кирбятьева Т.В., Кокина Н.В., Компаниец Е.В.(Kning E.), Мельников А.С., Овчинников В.Л., Оторбаев Д.К., Пипа А.В., Поздеев Л.Л., Просихин В.П., Рейнганд Л.М., Рязанов М.С., Симонов В.Я., Токарев Н.В., Тютчев М.В. др. В отдельных работах принимали участие аспиранты и сотрудники кафедры: Богданова И.П., Бурштейн М.Л., Голубовский Ю.Б., Ефремова Г.В., Каган Ю.М., Колоколов Н.Б., Куликов В.В., Лягущенко Р.И., Скобло Ю.Э., Соловьев А.А., Юргенсон С.В., Яковлев В.Н., Яковлева В.И. Чрезвычайно полезными оказались совместные работы с сотрудниками кафедры квантовой механики ЛГУ (Островский В.Н., Устимов В.И.) и ряда сторонних организаций: Государ ственного оптического института (Логинов А.В., Шишацкая Л.П.), Государст венного института прикладной химии (Дмитриев А.Л., Петров М.Ю.), Ленин градского горного института (Мезенцев А.П., Мустафаев А.С.,), института физики низкотемпературной плазмы Грайфсвальдского университета (M. K ning, A. Ohl, J. Rpcke) и с отдельными учеными: Аброян М.А. (НИИ электро физической аппаратуры), Гребеньков В.С. (НИИ «Зенит», Зеленоград), I.Kovacs (Hungarian Academy of Sciences), P.B.Davies (Cambridge university, Great Britain), M.Osiac (Inst. Atom. Phys., Bucharest, Romania).

2. Исследование водородной плазмы в лаборатории Ю.М. Кагана. Эти работы начались под руководством моего учителя в конце 1970-х годов. Никакой конкретной «дебютной идеи» у Ю.М. Кагана не было. Были только общие соображения, о которых мне рассказывал сам Юрий Максимович. К этому времени он пришел к выводу о том, что плазма разрядов в атомарных газах изучена достаточно хорошо как в отношении происходящих в ней элемен тарных процессов, так и в смысле её теоретического описания. Ю.М. Каган считал, что недалеко то время, когда изучение плазмы атомарных газов потеряет познавательную, общефизическую ценность и перейдет в область прикладных исследований в интересах конкретных технических задач. Плазма молекулярных газов казалась ему мало изученным и весьма соблазнительным объектом исследования. Огромные перспективы сулило использование молекулярной плазмы в качестве активной среды лазеров. Много говорилось о рождении новой науки – плазмохимии. Все это подтверждалось большим количеством новых научных результатов, особенно в лазерной физике. Ведя широким фронтом исследования плазмы атомарных газов, Ю.М. Каган думал о будущем и хотел создать некий плацдарм в новой для него области.

Надо сказать, что в это время Ю.М. Каган был одним из ведущих специалистов СССР в области физики плазмы. Его работы были хорошо известны и за границей. На мой взгляд, успехи лаборатории Ю.М. Кагана определялись, прежде всего, его личными качествами: талантом ученого и педагога, целеустремленностью, высокой работоспособностью, солидным бага жом знаний и умений. Научные исследования были для него не работой, а увлечением. Практически все его ученики не только подпадали под обаяние Юрия Максимовича, но и неизбежно заражались жаждой исследований. Следу ет отметить три особенно важных обстоятельства. Во-первых, Ю.М. Каган был прекрасным спектроскопистом, достойным представителем научной школы по атомной спектроскопии С.Э. Фриша1. Это обстоятельство позволяло делать хорошие спектроскопические работы всем его ученикам, многие из которых не имели специальной подготовки в области спектроскопии. Во-вторых, к началу 1960-х годов Ю.М. Каган стал ведущим в СССР специалистом в области теории и практического применения электрических зондов. Опубликованный в УФН обзор Ю.М. Кагана и В.И. Переля [114] стал настоящей библией для нескольких поколений «зондистов». Его лаборатория была единственной в СССР (и одной из немногих в мире), имеющей возможность измерять функцию распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) методом электронного двойного дифференци рования зондовых характеристик, созданном на кафедре оптики студентом В.Л. Федоровым и аспирантом Г.М. Малышевым [115]. В третьих, Юрий Максимович имел склонность к теоретической работе, любил и умел работать с профессиональными теоретиками. Он много сотрудничал с будущими академи ками В.И. Перелем и В.Е. Голантом, покровительствовал молодому Л.Д. Цен дину. Особенно плодотворным было сотрудничество с Р.И. Лягущенко, который начал работать в лаборатории в конце 1950-х годов. Им удалось разработать методы расчета ФРЭЭ, показать важность межэлектронных соударений, создать теорию контракции положительного столба разряда при средних давлениях, разработать теорию ФРЭЭ в полом катоде и отрицательном свечении, а также решить ряд более частных, но важных для экспериментаторов задач. Наличие в лаборатории своего теоретика высокого класса существенно повышало уровень всех работ коллектива. К концу 1960-х годов аспирантские работы были «поставлены на поток» и проводились по очень простой схеме. Аспиранту давался какой-то конкретный объект исследования (разряд или какая-либо часть разряда в некотором газе и диапазоне условий). Измерялось все, что можно было измерить имеющимися средствами, рассчитывалось все, что можно было рассчитать, а затем проводилось сравнение измеренных и вычисленных величин (концентрации электронов, ФРЭЭ, интенсивностей спектральных линий и др.).

Особое внимание уделялось анализу связи между электрокинетическими и оптическими характеристиками плазмы. Полученные результаты печатались в самых престижных журналах и трудах международных конференций, а аспиранты защищались в срок и «на ура».

Именно этот подход Ю.М. Каган решил распространить на тлеющий разряд в молекулярных газах, а начать решил с самого простого газа – Особую известность приобрели пионерские работы С.Э.Фриша и Ю.М.Кагана, а позднее Ю.М.Кагана и В.М.Захаровой, по спектроскопическому исследованию движения ионов в плазме, часто цитируемые даже в учебных пособиях (см., например, [113]).

молекулярного водорода. Аспиранту Н.К. Митрофанову было поручено провес ти систематические измерения пространственных распределений ФРЭЭ в стоячих стратах положительного столба тлеющего разряда в чистом водороде при пониженном давлении2. Автор этих строк (тогда студент) должен был в тех же условиях исследовать оптические характеристики: аксиальные распредел ения интенсивностей спектральных линий. Обе эти работы закончились неудачно. Измерения ФРЭЭ [116] не дали ничего нового по сравнению с результатами аналогичного исследования, опубликованными на десять лет раньше [117]. Результаты измерений интенсивностей спектральных линий интерпретировать не удалось вследствие недостаточности наших знаний о строении и спектре молекулы водорода и о столкновительных процессах с участием электронов, атомов и молекул водорода. В результате работы по водородной плазме были прерваны, и возобновились только в 1971 году после моего поступления в аспирантуру.

На сей раз изучалась водородная плазма в источнике ионов, разработанном в НИИ электрофизической аппаратуры для инжектора И- Серпуховского синхротрона. В так называемом моноплазмотронном режиме дуговой разряд низкого давления (Р=0.02–0.5 торр) сжимался соплом дополнительного электрода, расположенного между катодом и анодом. В дуоплазмотронном режиме между соплом и анодом создавалось сильное неоднородное магнитное поле, ещё больше сжимающее разряд, доводя его до узкого пучка плазмы. В обоих случаях концентрация ионов у анода получается гораздо большей, чем в обычном дуговом разряде. Ионы извлекаются в вакуум через малое отверстие в аноде. Для исследований была создана эксперимен тальная установка [14], которая позволяла производить зондовые и оптические измерения с пространственным разрешением 0.1 мм. Особенно успешным было изучение моноплазмотронного разряда. Зондовые измерения показали, что на катодной стороне сопла образуется двойной слой объемного заряда полусфери ческой формы с резким скачком потенциала (20-60 эВ) [16]. В результате ФРЭЭ оказывается сильно немаксвелловской и чрезвычайно богатой быстрыми элек тронами. Была обнаружена частичная анизотропия3 распределения электронов по скоростям и предложен метод измерения ФРЭЭ в этих условиях с помощью сферического зонда [18]. Анализ экспериментальных данных позволил устано вить механизм формирования ФРЭЭ [16,18], разработать нелокальную кинети ческую модель и дать количественное объяснение измеренных ФРЭЭ [19].

Качественно картина процессов в прианодной плазме моноплазмотрона выглядит следующим образом [16,18]. В слое объемного заряда электроны фокусируются и ускоряются, причем в водороде скачок потенциала настолько резок, что электроны проходят его практически без столкновений. Поэтому на анодной стороне слоя формируется пучок монокинетичных электронов, энергия которых в вольтах равна величине падения потенциала в слое. По мере продвижения к аноду эти первичные электроны релаксируют по энергии и Стратификация (расслоение) положительного столба является широко распространенной формой существования тлеющего разряда. Специфика разрядов в водороде состоит в том, что страты неподвижны относительно катода или слоя в сужении разрядной трубки. Несмотря на большие усилия и полуторавековую историю исследований это явление до сих пор не получило количественного объяснения.

Этим термином названа ситуация, при которой большинство более медленных электронов изотропны, а небольшая добавка быстрых электронов имеет произвольное анизотропное распределение по скоростям.

импульсу за счет столкновений с частицами плазмы, а также генерируют медленные вторичные электроны за счет ионизации атомов и молекул. В результате аксиальное распределение ФРЭЭ по анодную сторону от слоя определяется величиной скачка потенциала в слое (энергией первичных электронов), током и концентрациями атомов и молекул. Важно подчеркнуть, что механизм формирования ФРЭЭ носит принципиально нелокальный характер: ФРЭЭ в каждой точке на оси зависит от ФРЭЭ во всех предшест вующих по ходу электронного тока точках.4 Одновременные измерения ФРЭЭ и интенсивностей линий серии Бальмера позволили проанализировать роль различных элементарных процессов в заселении и дезактивации возбужденных уровней атомов, а также оценить степень диссоциации водорода в плазме [17].

Последующее изложение удобно разбить на тематические разделы, поскольку исследование элементарных и кинетических процессов с участием атомов и молекул водорода проводилось по нескольким взаимосвязанным направлениям. Дело в том что, задача спектроскопии плазмы состоит в изучении связи наблюдаемых спектров с внутренними параметрами плазмы 5.

Установление этих связей состоит в выяснении основных элементарных процессов, определяющих исследуемый спектр, и в разработке соответ ствующих теоретических моделей заселения и опустошения уровней. Делать это можно, только если известны характеристики элементарных процессов: сечения и коэффициенты скорости различных столкновений, вероятности оптических переходов (коэффициенты Эйнштейна) и радиационные времена жизни уров ней. В случае атома и молекулы водорода многие из требуемых данных отсутствовали. Поэтому параллельно с исследованиями по спектроскопии плазмы пришлось заниматься разработкой методов и получением необходимых данных об элементарных процессах. Для этого, в частности, потребовалось разработать новые методы определения энергетических характеристик двух атомных молекул: электронно-колебательно-вращательных (ЭКВ) термов, коле бательно-вращательных постоянных и потенциальных кривых. 3. Исследования энергетических характеристик двухатомных молекул. Одной из важнейших характеристик молекулы является спектр значений энергии стационарных состояний – совокупность ЭКВ термов. Термы связаны с наблюдаемыми волновыми числами ЭКВ спектральных линий простым соотношением – комбинационным принципом Ритца, соответствующим прави лу частот Бора в квантовой механике. При традиционном подходе к анализу спектров [118] из волновых чисел находят не сами ЭКВ термы, а так Позднее более детальные исследования аксиальных и радиальных распределений электрокинетических параметров в плазме со слоями проводились в водороде [23,30,60] и гелии [21,47,66,68]. Обнаружено качественное различие как в распределении потенциала (резкий скачок в водороде и плавное нарастание в гелии), так и в ходе деформации ФРЭЭ от слоя к аноду.

Заметим, что задача физики газового разряда состоит в установлении связи между внешними, задаваемыми экспериментатором параметрами (геометрия разрядного устройства, давление и состав газа, ток, вкладываемая мощность и др.) и внутренними параметрами ионизованной среды (плазмы и слоев объемного заряда).

Постановка наших работ была обусловлена чисто практическими причинами. Эти данные были необходимы для: 1) идентификации линий в спектрах молекул H2,HD,D2 и BH;

2) нахождения адиабатических колебательных волновых функций и коэффициентов разложения полных волновых функций по Борн-Оппенгеймеровскому (БО) базису при полуэмпирическом определении вероятностей ЭКВ радиационных и столкновительных переходов.

называемые молекулярные константы – коэффициенты разложения в ряд зависимости энергии от колебательных и вращательных квантовых чисел.

Наиболее часто применяют ряд Данхэма со стандартным набором констант – Te, e, exe, eye, Be, e, De, e. Именно эти данные содержатся в справочниках и современных базах данных.

Достоинства традиционного подхода заключаются в том, что он позволяет проводить анализ ещё не расшифрованных спектров, прост в реализации и даёт компактную форму представления результатов (для каждого электронного состояния сотни ЭКВ термов могут быть представлены десятком молекулярных констант). Его недостатки (в частности, многоступенчатость процедуры, ведущая к неоптимальности набора констант) рассмотрены в наших статьях [54,111]. В работе [54] предложена и реализована одноступенчатая методика нахождения оптимального набора констант и погрешностей их определения. На примере нижних электронных состояний молекулы водорода показано, что новая методика обеспечивает гораздо лучшее описание ЭКВ термов, поскольку устраняет часть недостатков традиционных методов. Однако в той же работе на основе численных экспериментов показано, что молекулярные константы имеют весьма условный характер, являясь характеристикой не только молекулы, но и теоретической модели и даже объема экспериментальных данных. Более того, различные конкретные процедуры неизбежно страдают субъективизмом. Видимо по этой причине ЭКВ термы молекул H2 [119] и D2 [120] были найдены из комбинационных разностей волновых чисел (см. [118]), однако с помощью ряда дополнительных предположений.

В нашей работе [111] предложен метод нахождения ЭКВ термов двухатомных молекул, основанный только на принципе Ритца. Показано, что связь между совокупностями абсолютных значений ЭКВ термов и волновых чисел ЭКВ линий появляется при наличии трёх и более различных ЭК состояний, связанных радиационными переходами, содержащими линии R- и P ветвей. Новый метод позволяет получить набор ЭКВ термов, не связанный с какими-либо представлениями о строении молекулы. Важно, что конечный результат (набор термов) является наилучшим из возможных (оптимальным) как с точки зрения принципа максимального правдоподобия, так и в отношении имеющегося экспериментального материала. Получаемые значения ЭКВ термов целиком определяются количеством измеренных волновых чисел и точностью измерений.7 Поэтому их можно считать вторичными экспериментальными данными. Необходимым условием для применения данного метода является предварительная идентификация линий ЭКВ спектра, то есть нахождение соответствия наблюдаемых ЭКВ линий и конкретных ЭКВ переходов. Для этой цели сохраняется необходимость использования традиционных методов, поэтому новый метод является дополнительным по отношению к ним.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 9 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.