ИЗЛУЧЕ́НИЕ ПЛА́ЗМЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ИЗЛУЧЕ́НИЕ ПЛА́ЗМЫ, электромагнитные волны (в диапазоне от радиоволн до рентгеновских), испускаемые частицами плазмы при их индивидуальном или коллективном движении. Интенсивность и спектральный состав излучения отражают состояние плазмы, поэтому используются для её диагностики. И. п. является также одним из гл. каналов её энергетич. потерь; существенна его роль в установлении термодинамич. состояния плазмы – распределения ионов по кратностям ионизации, по возбуждённым энергетич. уровням и т. п.
И. п. характеризуется интенсивностью элементарных процессов испускания; спектральной излучательной способностью, т. е. распределением по частоте $\text{ω}$ фотонов, рождаемых в единице объёма оптически тонкого слоя плазмы; полным потоком излучения плазменной системы с учётом многократного поглощения-испускания излучения в её объёме (для оптически толстой плазмы).
Осн. механизмы И. п. определяются как индивидуальными свойствами заряженных и нейтральных частиц, образующих плазменную систему, так и её коллективными свойствами – колебательно-волновыми характеристиками (см. Волны в плазме). Индивидуальными свойствами частиц определяются: линейчатое излучение (ЛИ), возникающее при переходе электрона в атоме или ионе между двумя дискретными энергетич. уровнями; фоторекомбинационное излучение (ФИ), образующееся при захвате свободного электрона на один из дискретных энергетич. уровней атома или иона; тормозное излучение (ТИ) свободного электрона в поле иона; циклотронное излучение (ЦИ) электрона при его вращении в магнитном поле. В основе этих типов И. п. лежит ускорение электронов во внешнем электрич. или магнитном поле. Характерные частоты И. п. определяются угловыми скоростями $w$ поворота частиц при их движении по криволинейным траекториям. Полная интенсивность излучения определяется величиной $I = (2/3)e^2w^2/c^3$ ($e$ – заряд электрона, $c$ – скорость света), а распределение интенсивности $I_ω$ по спектру частот – фурье-компонентой $I_w = (2/3)e^2/w^2_w/c^3$. Различия в типе поля, вызывающего ускорение электронов, приводят к резким различиям как полных интенсивностей $I$, так и интенсивностей характерных излучаемых частот $I_ω$. В случае периодич. вращения электрона (напр., для ЛИ и ЦИ) спектр излучения дискретен, в противном случае он непрерывен (спектры ТИ и ФИ). Для непрерывного спектра ФИ характерно наличие скачков, отвечающих рекомбинации на отд. дискретные энергетич. уровни иона. В спектре ЛИ вследствие относительно малой скорости атомов и ионов доплеровские сдвиги частоты невелики, и дискретность спектра сохраняется. В спектре ЦИ эти сдвиги обусловлены движением гораздо более быстрых электронов и приводят для типичных условий термоядерной плазмы с электронной темп-рой более 10 кэВ к слиянию высоких гармоник ЦИ в непрерывный спектр – континуум.
И. п. коллективного происхождения обусловлено ускорением электронов, движущихся сфазированно в поле плазменных колебаний и, следовательно, излучающих когерентно. Поэтому излучение оказывается связанным с частотными характеристиками плазменных колебаний, и его можно рассматривать как проявление резонансов во взаимодействиях частиц с волнами. Оно сильно зависит от степени неравновесности плазмы и её устойчивости по отношению к самовозбуждению тех или иных волн. Для устойчивой плазмы, близкой к состоянию термодинамич. равновесия, такое излучение носит спонтанный характер и определяется её диэлектрич. свойствами, а также граничными условиями. Осн. типы И. п. в этом случае следующие: черенковское излучение (см. Вавилова – Черенкова излучение), переходное излучение, излучение, возникающее при нелинейном взаимодействии продольных волн с поперечными, а также при трансформации продольных волн в поперечные на границе плазмы или на её неоднородностях.
Интенсивность коллективных механизмов излучения резко возрастает в неустойчивой плазме. Обычно в таких случаях наблюдается индуцированное излучение того или иного происхождения. Интенсивность И. п. коллективного происхождения определяется конкретным механизмом неустойчивости.
Для излучающей плазмы характерно взаимовлияние излучения и вещества. Действительно, с одной стороны, излучение обусловлено ускорением частиц и его спектр формируется их тепловым движением, но с другой стороны – радиац. потери энергии плазмы ограничивают её темп-ру, т. е. интенсивность движения частиц. В горячей разреженной плазме И. п. имеет определяющее значение также и в формировании распределений ионов по кратностям ионизации. Эти распределения вместе с максвелловским распределением электронов по скоростям образуют «полный набор» излучателей для ЛИ, ТИ, ФИ и ЦИ. В свою очередь, частицы плазмы влияют на форму излучаемых спектров (уширяя спектральные линии) и на распространение излучения в поглощающей среде, что приводит к явлению т. н. запирания И. п., когда излучение выходит не из всего объёма плазмы, а только из её внешних слоёв.
Причинами уширения линий в плазме являются эффекты Доплера, Штарка и Зеемана. Тепловой разброс скоростей излучающих частиц приводит вследствие эффекта Доплера к разбросу излучаемых частот; медленно меняющиеся поля ионов ведут к т. н. статич. уширению, а быстропеременные поля электронов – к ударному уширению. Неоднородность магнитного поля также приводит к уширению линий ЦИ, которое, напр., в плазме токамака может превзойти доплеровское.