Измерение плотности плазмы по Штарковскому уширению линий

Лазерная штарковская спектроскопия

Смещение уровней атома в электрическом поле можно измерить также и по поглощению лазерного излучения. Перестраиваемый лазер в инфракрасной области как раз подходит для измерений смещения верхних (Ридберговских) уровней в водороде и других атомах и ионах. В литературе можно найти достаточно подробные расчеты для Не, Li, Ne, Ar.

Номер уровня n в этих измерениях выбирается как компромисс между величиной эффекта Штарка (~ n²) и падением силы осциллятора f ~ n^-3, определяющей коэффициенты поглощения и возбуждения. Обычно n ~ 10 - 15,

Мощность лазера ограничена эффектами насыщения и ионизации.

Кроме макроскопических в плазме есть и микроскопические поля от кулоновского взаимодействия заряженных частиц.

Эти поля вызывают сдвиг уровней и соответствующее изменение длины волны излучения.

И величина и направление этих полей флуктуируют из-за теплового движения частиц. Поэтому сдвиг уровней проявляется в уширении линии. Величина этого уширения пропорциональна n^2/3.

Для линии Н_b Ǻ

Для линии Н_a Ǻ

Отсюда можно найти

и

Минимальная величина плотности, которую можно измерить этим методом, зависит от аппаратной ширины прибора и доплеровской ширины линии. Δl_апп ~ 0,5 Ǻ.

Доплеровская ширина зависит от температуры

Для линии Н_a Ǻ.

Для линии Н_b Ǻ.

Сравнивая ширины линий Н_a и Н_b легко определить какой механизм уширения преобладает: если Δλ(Н_a) > Δλ(Н_b), то механизм уширения – Доплеровский и, значит, по ширине линий можно определить температуру. Если наоборот Δλ(Н_a) < Δλ(Н_b), то механизм уширения – Штарковский и можно измерить плотность плазмы.

При Т ~ 2 эВ минимальная измеримая величина плотности получается около 10¹⁴ см^-3 для линии Н_b и 10¹⁵ см^-3 для линии Н_a.

Дата добавления: 2014-01-20