Строительные исследования
страница - 0
ВЛИЯНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И МИКРОКАПЕЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ НА ИНФРАКРАСНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ В ПЛОТНЫХ
ПАРАХ НАТРИЯ
Леонов А.Г. (leonov@ape.relarn.ru) (1), Руденко А.А. (1), Старостин А.Н.(2), Таран М.Д (2), Чехов Д.И. (1)
(1) Московский физико-технический институт (2) ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования механизмов формирования спектральных линий атомов и ионов и проблемы переноса резонансного излучения в плотных газах и плазме связана, в первую очередь, с необходимостью корректной интерпретации спектров излучения и поглощения плотных плазменных и газовых объектов, в том числе лазерной плазмы, плазмы Z- и X-пинчей и др., плазмы газоразрядных ламп высокого давления и т.д. В случае плотной среды, как было показано ранее [1-4], полная интенсивность ее излучения в значительной мере будет определяться формой контуров далеких крыльев спектральных линий при больших отстройках от резонанса Аю ~ юо (Аю= со - юо, где со - текущая частота, а юо - частота резонансного перехода). Одной из проблем, возникающих при исследовании далеких крыльев линий, является активно обсуждающийся в настоящее время вопрос о происхождении интенсивного свечения и значительного поглощения в ближней инфракрасной области спектра, неоднократно наблюдавшихся в смесях плотных паров щелочных металлов с буферными газами атмосферного и более высокого давления (за пределами полос поглощения димеров Na2, К2 и др., на длинах волн X > 0.9 мкм), в том числе и авторами данной работы [3-12]. Развитая ранее теоретическая модель формирования профиля далекого крыла спектральных линий [1-4], основанная на больцмановском спектральном распределении населенности резонансного уровня, с точностью до порядка величины описывала результаты экспериментов в парах натрия [3,4] в отличие от стандартной теории переноса излучения [13,14], расхождение которой с опытными данными при больших отстройках превышало 4 - 5 порядков.
Как было строго показано в [1,2,4] спектральная интенсивность спонтанного излучения ею в двухуровневом приближении может быть описана следующим выражением:
( У~
sra=(1/4n)hQAo - N2(0),(1)
где Ао - вероятность спонтанного излучения, N2(co) - эффективная спектральная населенность верхнего уровня (подробнее см. [1,2,4]):
N2(g>) = N2a(cu)exp[-h(Q -ш0)/кТ] ,(2)
В (2) Т - температура, k = 1,38Т0-23 Дж/К - постоянная Больцмана, a(co) - формфактор контура линии (J a(co)d(D = 1), а N2 - полная эффективная населенность верхнего уровня. В равновесии будем иметь спектральное больцмановское распределение (g1, g2 - статистические веса уровней, N1 - полная населенность нижнего уровня):
N2 (ш) = g2N1a (co)exp(- Йш /kT)(3)
(в отсутствие равновесия эффективная населенность N2 может быть найдена из уравнений кинетики, приведенных в [1,2]). Из (3) следует, что, строго говоря, даже в равновесии полная эффективная населенность N2 не будет удовлетворять соотношению Больцмана и будет совпадать с истинной только в случае узкой линии ЙГ << T , где Г - ширина линии. Следует отметить, что ранее выражения подобные (1) -(2), но с некорректной нормировкой контура линии было получено из простых физических соображений в работах [15,16].
В случае же широкой линии (подробнее см. [2-4]) интенсивность ее далекого крыла из-за наличия экспоненциального множителя может значительно превышать интенсивность, рассчитанную по стандартной теории [13,14], причем большая часть излучаемой в линии энергии может принадлежать именно ее нерезонансному "красному крылу", а не центральной околорезонансной части (при этом даже возможно возникновение дополнительного низкочастотного максимума в спектре свечения [3,4]), что качественно и объясняет полученные в [3,4] результаты измерений интенсивного теплового излучения паров натрия в инфракрасной области в области длин волн 2 - 3 мкм.
Однако теоретическая модель [4], описывавшая свечение паров натрия на больших отстройках, создавалась в предположении, что контур линии формируется квазистатическим уширением буферным газом в приближении ближайшего соседа, а справедливость такого описания в области больших отстроек неочевидна. Более того, в ряде экспериментальных работ (см., например, [17-20]) было показано, что при длинах волн к, больших 0,64 - 0.7 мкм (в зависимости от типа уширяющего газа), контур «красного» квазистатического крыла D-линий натрия начинает испытывать экспоненциальный спад, что вполне удовлетворительно согласуется с результатами расчетов потенциалов взаимодействия
атомов натрия с атомами различных буферных газов - аргона, ксенона и других. Учет этого эффекта в значительной мере компенсирует влияние больцмановского экспоненциального множителя в (1)-(3) и приводит в рамках модели [4] к существенному отрыву расчетных данных от экспериментально измеренной интенсивности свечения паров натрия при X > 0.7 мкм. Тем не менее, следует отметить, что теория формирования контура спектральной линии на больших отстройках Аю ~ юо в настоящее время практически не развита.
Таким образом, вопрос о природе интенсивного свечения и значительного поглощения в инфракрасном диапазоне спектра в плотных парах щелочных металлов остается открытым. Анализ имеющихся в литературе данных и совокупности полученных нами ранее экспериментальных результатов показал, что, помимо бинарного квазистатического уширения D-линий натрия буферным газом, наблюдаемые особенности в инфракрасных спектрах излучения и поглощения смесей плотных паров щелочных металлов с буферными газами могут быть вызваны поглощением и излучением кластерной компонентой паров, в том числе поглощением и излучением на инфракрасных переходах димеров, триме-ров и более сложных полимеров натрия, а также поглощением и излучением на микроскопических каплях жидкого щелочного металла. Последние в виде тумана неоднократно наблюдались в экспериментах с использованием для создания паров щелочного металла нагреваемых кювет типа «тепловой трубы» [7,8,10,21,22]. Однако влияние кластеров и микрокапель на оптические свойства паров в кюветах ранее не исследовалось, как не исследовались и закономерности возникновения таких микрочастиц, хотя их присутствие априори и выдвигалось в виде причины наблюдавшихся особенностей в спектрах излучения и поглощения. Отметим, что этот вопрос интересен и сам по себе, поскольку кюветы такого типа широко используются в экспериментальной практике [23,24].
Другой возможной причиной наблюдаемых эффектов может быть многочастичное уширение резонансного уровня в совокупности с больцмановским характером спектрального распределения населенностей (3) на резонансном уровне. В этом случае, возможно, с большой вероятностью реализуются такие конфигурации излучающего и нескольких (быть может, многих) возмущающих атомов, при которых каждый возмущающий атом создает лишь небольшой сдвиг уровней энергии излучающего, в то время как совокупность возмущающих атомов создает значительный сдвиг, приводящий к интенсивному излучению на больших отстройках от резонанса. Эта проблема также ранее практически не исследовалась (хотя ее отдельные аспекты и затрагивались в ряде работ - см., например, [25]), в то же время такой механизм вполне может быть существенен при больших давления паров натрия и буферного газа. Этот вопрос будет являться предметом отдельного исследования.
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8]