Диссертация (1150536), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Анализ влияниянеоднородного разогрева газа и пленения излучения на вольт-амперные характеристики и радиальные профили концентрации возбужденных атомови заряженных частиц.4. Анализ оптических схем, позволяющих выполнять измерения пространственных распределений возбужденных атомов с высоким пространственным разрешением путем регистрации потока излучения от объёмного источника.5. Модификация метода Line Ratios для измерения радиальных заселенностейметастабильных и резонансных атомов в положительном столбе разряда варгоне и его сравнение с классическим методом поглощения.6.
Измерение радиальных профилей 1 и 2 уровней аргона при давлениив десятки Торр методами эмиссионной и абсорбционной спектроскопии.Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными.8Научная новизна и практическая ценность работы:1. Предложен оригинальный метод решения уравнения Холстейна-Бибермана,который позволяет рассматривать области произвольной трехмерной конфигурации, что делает возможным его применение в широком спектре задач,связанных с моделированием источников неравновесной газоразряднойплазмы. Предложен эффективный алгоритм параллельного расчета задачи сиспользованием графических вычислительных процессоров (GPU).2.
Впервые предложена многоуровневая столкновительно-радиационная модель плазмы в аргоне, позволяющая корректно учесть пленение резонансногоизлучения.3. Проанализировано влияние переноса резонансного излучения на пространственные распределения резонансных, метастабильных и высоковозбужденных атомов в дуговой плазме.4. Впервые выполнено самосогласованное моделирование контракции положительного столба с учетом пленения резонансного излучения и неоднородногоразогрева газа. Продемонстрированы преимущества используемого подходав сравнении с традиционным методом установления решения нестационарной задачи.5.
Проанализирован круг вопросов, связанных с измерениями распределенийвозбужденных атомов с высоким пространственным разрешением в объёмных источниках плазмы. Выполнено сравнение способов регистрации спомощью фотоумножителей и CCD/CMOS-камер.6. Выполнены модификация и сравнение методов классической абсорбции иметода Line Ratios для измерения заселенностей метастабильных и резонансных атомов по излучению и поглощению спектральных линий. Выясненыдостоинства и недостатки данных методов применительно к пространственным измерениям.7. Показано влияние радиационного переноса на радиальные распределенияпараметров контрагированного шнура и непрерывную вольт-амперную ха-9рактеристику разряда.
Выполнена валидация модели путем сравнения сэкспериментом.8. Cистематизирована имеющаяся информация по матричному методу дляспектральных линий в геометриях плоского слоя и бесконечного цилиндра. Выведены формулы для расчетов коэффициентов матрицы переносадля этих геометрий как в предположении однородного коэффициента поглощения, так и при наличии неоднородности, а также для произвольныхкоэффициентов поглощения.Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались наследующих международных конференциях:1. 33rd International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), Lisbon,Portugal, July 9-14, 2017.2.
22nd Symposium on Physics of Switching Arc, Nové Město na Moravě, CzechRepublic, September 4-8, 2017.3. 23rd Europhysics Conference on Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases(ESCAMPIG), Bratislava, Slovakia, July 12-16, 2016.4. 21st International Conference on Gas Discharges and Their Applications, Nagoya,Japan, September 11-16, 2016.5.
32nd International Conference on Phenomena in Ionized Gases (ICPIG), Iasi,Romania, July 26-31, 2015.6. 21st Symposium on Physics of Switching Arc, Nové Město na Moravě, CzechRepublic, September 7-11, 2015.7. 20th International Conference on Gas Discharges and Their Applications, Orléans,France, July 6-11, 2014.8. 78th DPG Annual Conference and Spring Meeting of the AMOP Section, Berlin,Germany, March 17-21, 2014.9.
Peterhof Workshop on Laser Physics, Saint Petersburg, Russia, April 21-25, 2014.1010. 4th International Student’s Conference «Science and Progress», Saint Petersburg,Russia, 2013.11. 3rd International Student’s Conference «Science and Progress», Saint Petersburg,Russia, 2012.Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 7 статьяхв рецензируемых журналах, индексируемых Web of Science и Scopus [1–7] .Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,заключения и двух приложений.
Полный объем диссертации составляет 200 страниц с 91 рисунком и 6 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 218 наименований.11Глава 1Обзор литературы1.1Пленение излучения в неравновесной газоразрядной плазмеВ 20-х годах прошлого века астрофизик Милн предложил описывать пленениерезонансного излучения по аналогии с процессом диффузии [8]. Однако, многочисленные эксперименты, проводившиеся в средах высокой оптической плотности,показали несостоятельность такого подхода.
В 1947 году Холстейн [9, 10] и, независимо от него, Биберман [11] предложили новое интегро-дифференциальноеуравнение для описания пленения резонансного излучения в спектральных линиях. Это уравнение являлось частным случаем обобщенного уравнения переносаизлучения. Изучению обобщенного уравнения переноса излучения посвященымногочисленные статьи и монографии, частичный обзор которых можно найти, кпримеру, в книгах [12, 13].
Уравнение Холстейна-Бибермана рассматривало толькопроцесс излучения и его последующего поглощения в пределах объёма плазмы.Холстейн рассматривал нестационарную задачу и получил решение для распада фундаментальной моды интегрального оператора. В свою очередь, Биберманрассматривал стационарную задачу о возбуждении и разрушении резонансногосостояния в плазме и получил решение в виде эффективной вероятности излучательного перехода.Теоретическому исследованию уравнения Холстейна-Бибермана, его решениюи обобщению посвящено большое число статей и монографий второй половины XX века.
Достаточно полный обзор этих работ по состоянию на 1998 год былвыполнен в книге [14]. Простейший, и, соответственно, наиболее широко использу-12емый в физике плазмы, аналитический метод решения стационарного уравнениябыл предложен Биберманом [11]. Он заключается в замене интегрального членана фактор (⃗), определяемый в литературе как эскейп-фактор [15–17]. Эскейпфактор по Биберману позволяет ввести понятие эффективной вероятности перехода eff = · (⃗), где - вероятность спонтанного перехода. Такой подходописывает только пленение фотонов, не учитывая пространственного перераспределения резонансных атомов. Традиционно в подавляющем большинстве работ помоделированию применяется эскейп-фактор для центра плазменного объёма.
Егоиспользование представляется целесообразным в термической плазме в состояниилокального термодинамического равновесия (ЛТР) [18], а также в неравновеснойплазме в случаях, когда градиент плотности возбужденных атомов слабее, чемизменение ядра интегрального оператора [19]. Также стоит отметить активное использование эскейп-фактора в спектроскопической диагностике плазмы [20–23].В литературе существует направление, посвященное аналитическому исследованию уравнения Холстейна-Бибермана в виде разложения по модам интегрального оператора.
Ван Тригт исследовал решение уравнения с помощью асимптотических разложений для больших значений оптической плотности [24–28]. Вработах [29, 30] проводилось разложение в ряды Неймана, а в [31, 32] было предложено решать уравнение с помощью подгоночных функций (Fitting Functions).Стоит упомянуть, что в вышеупомянутых работах для описания контуровизлучения и поглощения использовалось так называемое приближение полногоперераспределения по частотам (Complete Frequency Redistribution, CFR). Оно основано на предположении, что между двумя последовательными актами излученияи поглощения атомы испытывают некоторое количество столкновений и, такимобразом, «забывают», на какой частоте был поглощен фотон.
То есть, становитсяневажно, на какой частоте в пределах контура одной линии фотон был поглощен ииспущен. Данное предположение справедливо для достаточно большого диапазонаразрядных условий, характерных для лабораторной низкотемпературной плазмы, где давление газа достаточно высоко, чтобы обеспечить частые столкновениямежду частицами.Пэйн [33] показал, что в определенном диапазоне давлений (когда уширение линий описывается фойгтовским контуром) CFR плохо согласуется с экспериментом,и необходимо рассматривать случай неполного перераспределения по частотам13(Partial Frequency Redistribution, PFR). Он модифицировал уравнение ХолстейнаБибермана, включив в него корреляционную функцию.
Позднее, Пост [34, 35]усовершенствовал уравнение, рассмотрев более поздние моменты времени в распаде начального распределения атомов, а также провел тщательные экспериментыдля разряда в ртути, где учет расщепления линий критически важен.В работах Безуглова [36–38] использовался метод геометрического квантования, основанный на сведении рассматриваемого уравнения к эквивалентномууравнению Шрёдингера. Предложенный подход позволял аналитически получатьфакторы пленения излучения для различных профилей спектральных линий, учитывать неполное перераспределение по частотам, а также получать собственныемоды и собственные числа оператора в различных модельных геометриях.Длярешениясамосогласованныхзадач,учитывающихразличныестолкновительно-радиационные процессы и перенос частиц, возникла необходимость в применении численных методов для решения сложных систем уравнений.Стоит выделить две основные группы методов, которые используются в настоящеевремя.Методы с дискретизацией на элементарных объёмах можно отсчитывать отработ Голубовского и Лягущенко [39–41], где впервые было предложено сводитьинтегральный оператор переноса к системе линейных алгебраических уравнений.В работе Апруцезе [42] строилась сетка в пространстве координат, состоящая из элементов, и, таким образом, приводившая к решению системы линейных уравнений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
