Способ определения электронной концентрации в водородной плазме

 

Использование: астрофизика и спектральный анализ. Сущность изобретения: способ основан на использовании закономерности понижения потенциала ионизации атомов водорода за счет действия ионов и электронов и смещения в спектре плазмы границы водородного континуума в длинноволновую область спектра при уширении линий у предела водородных серий эффектом Штарка и эффектом Допплера. Минимальное значение электронной концентрации в плазме определяют по приведенной формуле, а по номеру водородной линии m_р, с которой начинается рост интенсивности предконтинуума водородной серии, определяют максимальное значение электронной концентрации. Кроме определения по анализу профилей линий оптимальных значений электронной концентрации способ позволяет определить минимальное и максимальное значение n_e в объемах исследуемого образования, которые обеспечивают интенсивность излучения, достаточную для регистрации фотографическим методом.

Изобретение относится к астрофизике и спектральному анализу и применимо к изучению солнечных образований и других астрофизических объектов, а также при изучении лабораторной плазмы.

Известен способ определения электронной концентрации по номеру предельно разрешаемой линии в водородной серии, включающий получение разрешаемой линии, с помощью которого по известной формуле, учитывающей уширение линий эффектом Штарка, вычисляется электронная концентрация в плазме [1].

Известен способ определения электронной концентрации по номеру предельно разрешаемой линии в водородной серии, включающей получение спектра у предела водородной серии и определение номера предельно разрешаемой линии, с помощью которого по формуле, учитывающей уширение линий эффектами Штарка (ионы и электроны) и Допплеры, вычисляется электронная концентрация в плазме [2].

Недостатком способа является его низкая точность определения электронной концентрации в объекте, обусловленная тем, что определяется одно значение электронной концентрации (считается объект однородным) и невозможно получить максимальное и минимальное значение n_e в объекте.

Целью изобретения является повышение точности определения электронной концентрации в объекте, состоящая в том, что по анализу предконтинуума определяется максимальное значение электронной концентрации в исследуемом объекте, что позволяет получить представление о пределах, в которых заключена электронная концентрация в объекте.

Это достигается тем, что в известном способе определения электронной концентрации в водородной плазме, включает регистрацию спектра излучения водородной плазмы в пределах водородной серии, определение номера предельно разрешаемой спектральной линии m_S+D и вычисление величины электронной концентрации по соотношению n_e = 8,0˙10²² (m_S+D + 1)^-7,5 - - 1,3˙10⁷˙n^-3 (m_S+D + 1)^-3 ζ ^3/2, где n - главное квантовое число нижнего уровня водородной серии, n≅3; ζ _(см/с)- вероятнейшая скорость движения атомов водорода в плазме вдоль луча зрения, которую вычисляют по приведенной допплеровской ширине, определяемой по контурам первых линий водородной серии, с целью обеспечения возможности определения предельных значений электронной концентрации в неоднородной по концентрации плазме, дополнительно определяют номер спектральной линии m_р, с которой начинается рост интенсивности предконтинуума водородной серии, и вычисляют максимальное значение электронной концентрации n_е^max по соотношению: n_e^max = 8,0˙10²²/m_p + 5/^-7,5 -1,3˙10⁷˙n^-3/m_p + 5/^-3 ζ ^3/2, а величину минимальной электронной концентрации n_e^min выбирают равной величине n_e.

При неоднородной по электронной концентрации плазме в ее спектре излучения возникает предконтинуум с ростом интенсивности в коротковолновую сторону вплоть до теоретической границы серии, после которой наблюдается обычный континуум серии. В характере распределения интенсивности в предконтинууме содержится информация о характере неоднородности n_е в исследуемой плазме. Это следует из механизма образования предконтинуума. В объемах с самым высоким значением n_еконтинуум серии смещается в длинноволновую область спектра. При меньших n_e континуум приближается к теоретическому, а количество наблюдаемых линий в водородных сериях увеличивается. Суммарное излучение от объемов с разными n_е формирует предконтинуум с ростом интенсивности в коротковолновую сторону по началу которого определяют n_{е max}, а по наибольшему номеру линии, наблюдаемому в спектре, определяют n_{e min}.

При этом следует иметь ввиду, что при заданной электронной концентрации возникает собственный короткий (по длинам волн) предконтинуум, образующийся в результате суперпозиции протяженных крыльев линий. Всестороннее исследование этого эффекта показало, что протяженность собственного предконтинуума по длинам волн разная при разных значениях n_e, но практически во всех случаях в пределах точности метода он отстоит от предельно разрешаемой линии на расстоянии 4-6 линий.

Следовательно, если предконтинуум начинается на расстоянии на пяти, а десяти, двадцати или большего числа линий от предельно разрешаемой, то это является прямым доказательством неоднородности n_е в обеъкте. Более того, если из наблюдений определен номер линии m_р, начиная с которой регистрируется предконтинуум водородной серии, то можно считать, что примерно на протяжении четырех - шести линий регистрируют собственный предконтинуум объемов, характеризующихся максимальными значениями электронных концентраций в объекте, величина которых определяется по приведенной выше формуле.

На практике, когда производится регистрация излучения от всего объекта и на соответствующую интенсивность настроены приемники излучения, слабое излучение между линиями, номер которых на 4-6 единиц меньше предельно разрешаемой, как правило теряется на фоне излучения от всего объекта и регистрируется излучение между линиями, находящимися несколько ближе к предельно разрешаемой. Учитывая это, предлагается считать, что для объемов с высокой электронной концентрацией предконтинуум начинается на расстоянии четырех номеров линий от предельно разрешаемой, хотя протяженность собственного предконтинуума определяется как чувствительностью приемника излучения, так и номером предельно разрешаемой линии m_S+D (в случае уширения линий эффектами Штарка и Допплера). Учитывая сказанное примем, что при фотографическом методе регистрации спектра m_S+D = m_p + 4.

П р и м е р. На спектрографе горизонтального солнечного телескопа Государственного астрономического института им. Штернберга, был получен спектр спокойного солнечного протуберанца. Хорошее качество спектрограмм дало возможность обнаружить в этом протуберанце довольно протяженный бальмеровский предконтинуум и измерять характер нарастания его интенсивности начиная от линии Н₂₂ до Н₄₂. На фоне предконтинуума, интенсивность которого постепенно нарастает до длины волны линии Н₄₂, наблюдается двадцать эмиссионных линий серии Бальмера.

По линиям серии Бальмера Н₇-Н₁₅, на величине полуширин которых не сказывается эффект Штарка, величина = 3,5·10^-5 , а ζ = 10,4 км/с. В этом случае в исследуемом протуберанце объемы с наименьшим значением электронной концентрации и достаточной протяженностью, обеспечивающей заметную эмиссию протуберанцев в линиях водорода, характеризуются n_еmin= 1,5˙10¹⁰ см^-3 (способ-прототип). В то же время по началу бальмеровского предконтинуума определяют величину m_p = 22. По заданным величинам m_р и с помощью приведенной формулы находим, что n_emaх = =1,4˙10¹² см^-3.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ВОДОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ, включающий регистрацию спектра излучения водородной плазмы в пределах водородной серии, определение номера предельно разрешаемой спектральной линии m_S+D и вычисление величины электронной концентрации по соотношению n_e = 8,0˙10²²(m_S+D + 1)^-7,5 - - 1,3˙10⁷˙n^-3(m_S+D + 1)^-3 ζ ^{3 / 2} , где n ≅ 3 - главное квантовое число нижнего уровня водородной серии;
ζ - вероятнейшая скорость движения атомов водорода в плазме вдоль луча зрения, которую вычисляют по приведенной доплеровской ширине, определяемой по контурам первых линий водородной серии, см/с,
отличающийся тем, что, с целью определения предельных значений электронной концентрации в неоднородной по концентрации плазме, дополнительно определяют номер спектральной линии m_р, с которой начинается рост интенсивности предконтинуума водородной серии, и вычисляют максимальное значение электронной концентрации n_e^max по соотношению
n_e^max = 8,0˙10²²(m_p+5)^-7,5-
- 1,3˙10⁷n^-3(m_p+5)^-3 ζ ^{3 / 2} ,
а величину минимальной электронной концентрации n_e^min выбирают равной величине n_е.