Расчет и моделирование К-спектров многозарядных ионов для диагностики горячей плазмы и верификация атомных данных по спектрам токамака TEXTOR

• Автор: Горяев, Фарид Фагимович
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 147 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ

1.1. Интенсивности спектральных линий излучения атомов и ионов в плазме

1.2. Модели состояния излучающей плазмы

1.3. Диагностика горячей плазмы на основе методов рентгеновской спектроскопии многозарядных ионов

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ АТОМНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК [Не]

и Рл] ИОНОВ АРГОНА

2.1. Расчет энергий и вероятностей радиационных переходов в ионе АгХУП

2.2. Возбуждение и ионизация многозарядных ионов электронным ударом
2.3. Излучательная и диэлектронная рекомбинация. Процесс перезарядки
2.4. Диэлектронные сателлиты резонансных линий [Не] ионов
ГЛАВА 3. РЕШЕНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ БАЛАНСА:
РАДИАЦИОННО-СТОЛКНОВИТЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ
3.1. Постановка задачи
3.2. Эффективные скорости возбуждения К-линий ионов АгХУП и АгХЧ. Распределение ионов аргона в корональном равновесии
3.3. Интенсивности К-линий ионов аргона в стационарной изотермической
плазме
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ К-СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ В ПЛАЗМЕ ТОКАМАКА ТЕХТОЛ: САМОСОГЛАСОВАННЫЙ ПОДХОД
4.1. Рентгеновская спектроскопия на токамаке ТЕХТОЛ
4.2. Спектроскопическая модель и формулировка самосогласованного подхода
4.3. Исследование К-спектров примесных [Не] и [1л] ионов аргона в плазме токамака ТЕХТОЛ
ГЛАВА 5. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЛИНИЙ ИЗЛУЧЕНИЯ ИОНОВ АгХУП,
ВОЗБУЖДАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ
5.1. Постановка задачи
5.2. Эффективные сечения возбуждения ЛТ/-компоненг уровней иона АгХУП
5.3. Результаты расчета степени поляризации линий иона АгХУП, возбуждаемого пучком электронов: влияние радиационных каскадов

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ЭЛЕМЕТАРНЫЕ АТОМНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ К-СПЕКТРОВ ИОНОВ АгХУП и АгХУІ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ КИНЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕТИМОСТЕЙ К-ЛИНИЙ ИОНОВ АгХУП и АгХУІ В ГОРЯЧЕЙ КОРОНАЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ЭФФЕКТИВНЫЕ СЕЧЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ УРОВНЕЙ И МАГНИТНЫХ ПОДУРОВНЕЙ ИОНА АгХУП, ПОЛУЧЕННЫЕ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММ и ЛОМ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Темой настоящей диссертации является развитие методов прецизионной спектроскопической диагностики высокотемпературной плазмы и расчет атомных данных, которые используются при построении моделей и выяснении механизмов явлений, протекающих в плазме. Исследования высокотемпературной плазмы методами спектроскопической диагностики получили широкое развитие в связи с необходимостью решения важных прикладных задач, таких, как получение управляемого термоядерного синтеза, создание рентгеновских лазеров, исследования процессов, протекающих на Солнце и в атмосферах других астрофизических объектов. С возникновением внеатмосферных экспериментов появилась возможность регистрировать излучение космических источников в рентгеновской и ультрафиолетовой области спектра, причем коротковолновое излучение оказывается основным источником информации о процессах, протекающих в наиболее разогретых областях плазмы. Спектроскопическим методам в исследованиях горячей плазмы лабораторных источников часто отдается предпочтение перед контактными методами диагностики, так как в этом случае отсутствует возмущающее воздействие на объект наблюдения и в то же время информация, содержащаяся в линейчатых спектрах, весьма велика. Таким образом, в достаточно широком диапазоне параметров плазменных источников спектроскопические методы исследования являются наиболее универсальными, а в ряде случаев (например, для астрофизических объектов) спектральные данные оказываются единственным источником информации о структуре и динамике плазменных образований.
Исследование рентгеновских спектров многозарядных ионов, которые формируются в плазме с температурой выше миллиона градусов, методами рентгеновской спектроскопии позволяет получать данные как об элементарных процессах, протекающих в плазме, так и о физических параметрах в источнике излучения - температуре, плотности, химическом составе, наличии равновесия и др., т.е. выполнить диагностику плазмы. В исследованиях лабораторной и астрофизической плазмы с температурой ~1 кэВ и выше широко используются К-спектры многозарядных ионов (обусловленные переходами и/ - 1ь оптического электрона при заполнении вакансии в Ь-оболочке) с зарядом ядра ^ «10-5-30 в диапазоне длин волн Я «1-5-30 X. Методы рентгеновской спектроскопии, основанные на анализе относительных интенсивностей в измеренных К-спектрах, позволяют определять температуру и плотность электронов, распределение по стадиям ионизации и другие параметры, необходимые при решении фундаментальных и прикладных задач физики плазмы. Однако, несмотря на то, что К-спекгры многозарядных ионов уже более четверти века используются для целей диагностики горячей плазмы, вопрос о погрешности измеряемых параметров остается до сих пор весьма актуальной проблемой.
Следует подчеркнуть, что достоверность спектроскопических методов диагностики плазмы и даже сама возможность их использования зависят от: (1) полноты учета элементарных процессов, ответственных за формирование линий в рассматриваемых спектрах, (2) точности расчетов атомных данных и (3) моделей излучающей плазмы, основанных на уравнениях атомной кинетики и плазменной динамики.
Для численного моделирования спектров излучения многозарядных ионов и рентгеновской диагностики высокотемпературной плазмы требуется, как правило, большое количество атомных данных, таких как длины волн, вероятности радиационных переходов и автоионизационных распадов, скорости элементарных актов взаимодействия электронов и ионов (возбуждение, ионизация, фото- и диэлектронная рекомбинация, трёхчастичная рекомбинация и т.п.), а также ионизованных атомов между собой и с молекулами (возбуждение и ионизация, перезарядка, диссоциативная рекомбинация и др.). В связи с большими трудностями экспериментального определения атомных характеристик элементарных процессов в плазме, а часто и с невозможностью постановки прямых экспериментов, весьма актуальным является обеспечение требуемой точности в теоретических расче-
которая преобразует матричные элементы Т-матрицы от Г-представления к представлению Д = (А; ^ // К/ (5/ =1/2) / Л/;), где К-, = //+/;,/= А/ + 5,- (У — полный момент системы «ион+электрон»). Использование схемы Jl К, -связи подразумевает то, что мы пренебрегаем релятивистским поведением свободного электрона. После этого, используя Т-матрицу в Д-представлении и ортогональное преобразование, элементами которого являются коэффициенты Клебша-Гордана, можно получить элементы Т-матрицы в у - представлении, с помощью которых определяются сечения возбуждения переходов между уровнями иона (более подробно соответствующие формулы рассмотрены в Главе 5, где представлены расчеты сечений возбуждения уровней и магнитных подуровней иона АгХУП, выполненные с помощью программ БУ и ЛОМ).
Кулон-борновское приближение с обменом - КБО (АТОМУ В кулон-борновском приближении для получения радиальной функции свободного электрона используется уравнение вида (2.2.21), в котором потенциал К,(г)=(2-1)/г. т.е. функция /*Т является кулоновской и удовлетворяет граничным условиям (2.2.22) с Гг=0. Для волновой функции полной ион-электронной системы в программе АТОМ [45] используется одноконфигурационное приближение. В этом случае сечение возбуждения перехода а] —> dJ можно представить в следующем виде (см. формулу (2.1.33)):
а(а/->а'Г) = Хк>/,лТ)-б; + *>/,«'/-)•£] . (2.2.23)

Здесь Qк и <2* - угловые факторы, зависящие от угловых моментов системы и числа электронов, а (Тк и ед" - одноэлектронные сечения для перехода и/ - п'Г за счет взаимодействия мультипольности 2 к, которые фактически представляют радиальные части сечения. При этом о* включает прямую и смешанную (интерференционную) части сечения, а о" - чисто обменную часть.
Учет обмена в программе АТОМ осуществляется в рамках метода ортогонапизован-ных функций [59]. Согласно этому методу кулоновские функции свободного электрона заменяются на функции :
Рц ~ ~ (Рц I ^»/) 'Рп1 >
(2.2.24)
При этом прямые радиальные интегралы, через которые выражаются парциальные сечения сг*', вычисляются с кулоновскими функциями Т)/ внешнего электрона, тогда как обменные интегралы, которые входят в выражения для и ед", - с ортогонализованными функциями Ри. Наконец, для учета взаимодействия термов возбуждаемого иона в программе АТОМ используются коэффициенты промежуточной связи Су, полученные в результате диагона-лизации энергетической матрицы в программе М2,
2.2.2. Потенциальное возбуждение иона АгХУП электронным ударом: результаты расчетов и обсуждение
Расчеты сечений возбуждения электронным ударом переходов в ионе АгХУП были выполнены с помощью рассмотренных выше программ и АТОМ. В приближении БУ