2.2.2 Спектроскопические методы

Использование спектроскопических методов для измерения магнитных полей необходимо в том случае, когда взаимодействие зонда и плазмы настолько существенно, что сами измерения теряют смысл. Эти методы намного более сложны и трудоемки, чем зондовые, поэтому они используются только в особых случаях. Взаимодействие электромагнитного излучения с плазмой полностью описывается показателем преломления и коэффициентом поглощения (или связанным с ним коэффициентом испускания) плазмы. Наличие магнитного поля изменяет обе эти величины. Показатели преломления для право- и левополяризованного света становятся различными, что приводит к вращению плоскости поляризации линейно поляризованного света. В этом заключается фарадеево вращение плоскости поляризации. Зееман-эффект заключается в том, что энергетические уровни атома в плазме смещаются в зависимости от соответствующего магнитного квантового числа М, что приводит к расщеплению излучаемых спектральных линий.

Фарадеево вращение плоскости поляризации

Эффект вращения возникает вследствие взаимодействия магнитного поля со свободными электронами.

При тщательном изучении этого эффекта было обнаружено, что для плазмы с очень высокой плотностью эффект вращения на длинах волн видимого света мал. Поэтому предпочтительнее использовать более длинноволновое излучение, т.е. инфракрасное или микроволновое. Необходимость отличать зондирующее излучение от излучения самой плазмы на той же длине волны требует применения мощного источника, излучающего линейно поляризованный и хорошо коллимированный пучок света. В качестве такого источника можно, например, применить лазер.

Зееман-эффект

Зееман-эффект описывает расщепление спектральной линии на несколько компонент под влиянием внешнего магнитного поля. Расщепление линий происходит вследствие расщепления энергетических уровней атома, излучающего или поглощающего наблюдаемую линию.

Определение магнитного поля из наблюдаемой картины зееман-эффекта возможно только в том случае, когда можно измерить смещение отдельных компонент. Наиболее простой способ – разделение двух сигма-компонент нормального триплета (при наблюдении параллельно магнитному полю).

Главная трудность при использовании зееман-эффекта в качестве диагностического метода для определения индукции магнитного поля возникает вследствие уширения зеемановских компонент.

Все описанные методы дают значение магнитного поля в данной точке в зависимости от времени. Если требуется определить распределение плотности тока или магнитного давления, то следует применять уравнения Максвелла.

Список литературы

1. Ryutov D.D., Derzon M.S., Matzen M.K. // Reviews of Modern Physics. 2000. V. 72. N. 1. P. 167.

2. Spielman R.B., Deeney C., Chandler G.A. et al. // Phys. Plasmas. 1998. V. 5(5). P. 2105.

3. Hammer J. H., Tabak M., Wilks S. C., et. al. // Phys. Plasmas. 1999. V. 6. P. 2129.

4. Grabovsky E., Zukakishvili G., Mitrofanov K. et al. // Advanced Diagnostics for Magnetic and Inertial Fusion. Academic/Plenum Publishers. Proc. of Euroconference (Villa Monastero, Varenna, Italy, September 3 - 7, 2001). Edited by Stott P.E., Woottom A., Gorini G. et al. P. 257.

5. Зукакишвили Г.Г., Митрофанов К.Н., Александров В.В. и др. // Физика плазмы. 2005. Т. 31. № 11. С. 978.

6. Александров В.В., Браницкий А.В.,Волков Г. С. и др. // Физика плазмы. 2001. Т. 27. № 2. С. 99.

7. Alexandrov V.V., Frolov I.N., Fedulov M.V. et. al. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2002. V. 30. N. 2. (April). P. 559.

8. Greenly J., Knapp P., Blesener I. et al. // Dense Z-pinches: Proceedings of the 7^th International Conference on Dense Z-Pinches (12–21 August 2008). AIP Conf. Proc. 1088. P. 53.

9. Xue Feibiao, Yang Jianlun, Xu Rongkun. // 3^rd Symposium on Sino-Russian Joint Z-pinch experiment. 2009. (Частное сообщение).

10. Bland S.N., Ampleford D.J., Bott S.C. et al. // Review of Scientific Instruments. 2006. V. 77. P. 10E315.

11. Ivanov V.V., Sotnikov V.I., Sarkisov G.S. et al. // Phys.Rev.Lett. 2006. V. 97, P. 125001.

12. Александров В.В., Грабовский Е.В., Зурин М.В. и др. // ЖЭТФ. 2004. Т. 126. № 6. С. 1317.

13. Будкер Г.И., Мирнов В.В., Рютов Д.Д. Влияние гофрировки магнитного поля на расширение и остывание плотной плазмы. // Письма в ЖЭТФ, 1971, Т. 14, С. 320.

14. Bernstein B. Smith Aurora – an electron accelerator. // IEEE Trans. Nucl. Sci., 1973, Vol. NS-20, No. 3, P. 294-300.

15. Ковалев Н.Ф., Петенин М.И., Райзер М.Д., Сморганский А.В., Цоп Л.Е. Генерация мощных импульсов электромагнитного излучения потоком релятивистских электронов. // Письма в ЖЭТФ, 1973, Т. 18, Вып. 4, С. 232.

16. Fridman M., Herdon M. Emission of Coherent Microwave Radiation from a Relativistic Electron Beam Propagating in a Spatially Modulated Field. // Phys. Rev. Letters, 1972, Vol. 29, P. 55.

17. Gerardo J.B., Gerber R.A., Wayne Johnson A., Paterson E.L. // Ann. N.Y. Acad. Sci., 1975, Vol. 251, P. 590.

18. Альбиков З.А. и др. Импульсный термоядерный комплекс “Ангара-5-1” // Атомная энергия, 1990, Т. 68, Вып. 1, С. 26-35.

19. Айвазов И.К., Вихарев В.Д., Волков Г.С. и др. Экспериментальное исследование образования осевого форплазменного канала на начальном этапе сжатия многопроволочной системы мегаамперным током. // Физика плазмы, 1988, Т. 14, № 2, С. 197-202.

20. Бехтев М.Б., Вихарев В.Д., Захаров С.В. и др. Электродинамическое сжатие многопроволочных лайнеров. // ЖЭТФ, 1989, Т. 95, С. 1653-1667.

21. Айвазов И.К., Бехтев М.Б., Булан В.В. и др.Сжатие многопроволочных лайнеров на многомодульном комплексе “Ангара-5-1”. // Физика плазмы, 1990, Т. 16, № 6, С. 645-654.

22. Боброва Н.А., Разинкова Т.Л., Сасоров П.В. Гетерогенные равновесные состояния излучающих Z-пинчей. // Физика плазмы, 1988, Т. 14, № 9, С. 1053.

23. Zakharov S.V., Smirnov V. P. et. al., Collision of Current Driven Cylindrical Liners. Kurchatov Institute of Atomic Energy. Moscow. Preprint 4587/6, 1988.

24. Smirnov V. P., Grabovskii E.V., Zaitsev V. I., Zakharov S.V. et. al. Progress in Investigations on a Dense Plasma Compression on ANGARA-5-1. Proc. of BEAMS’90. World Scientific, 1991, Vol. 1, P. 61 (I.07).

25. Zakharov S.V., Smirnov V. P., Tsarfin V. Ya. ANGARA-5 High Intensity Soft X Ray Source with Imploding Liner Cascade for Inertial Confinement Fusion. Proc. of 14th Int. Conf. on P1.Phys. and Cont. Nuc. Fus. Res. Wurzburg, 1992. IAEA. Vienna, 1993, Vol. 3, P. 481 (IAEA-CN-56/G-3-9).

26. Sanford T.W.L., Allshouse G.O., Marder B. M., et al. Improved Symmetry Greatly Increases X-Ray Power from Wire-Array Z-Pinches. // Phys. Rev. Lett., 1996, Vol. 77, P. 5063.

27. Spielman R.B., Deeney C., Chandler G.A. et. al. Tungsten wire-array Z-pinch experiments at 200 TW and 2 MJ. // Phys. Plasmas, 1998, Vol. 5(5), P. 2105.

28. Glukhikh V.A., Velikhov E.P., Azizov E.A., Smirnov V.P. et. al. Perspective of kiloterawatt soft X-ray source based on the slow inductive store with energy of 1 gigajoul. // 12^th International Conference BEAMS`98, 1998, Haifa, Israel, P.71.

29. Grabovsky E.V., Azizov E.A., Alikhanov S.G. et. al. The improvement of pulse power scheme for “BAIKAL” project. // 14^th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-2003), 2003, Dallas, Texas, USA, June 15-18, Vol. 2, P.921-924.

30. Don Cook Z, ZX and X-1: realistic path to high fusion yield. // 12^th IEEE International Pulsed Power Conference (PPC-1999), 1999, Monterey, California, USA, June 27-30, P. 33-37.

31. Spielman R.B., C. Deeney, Douglas M.R. et. al. Wire-array z pinches as intense x-ray sources for inertial confinement fusion. // Plasma Phys. Control. Fusion, 2000, 42, P. 157 (B164).

32. Branitskii A.V., Grabovskii E.V., Frolov M.V., et. al. Peculiarities of wire resistance behavior on initial stage of explosion. // 12^th Int. Conference on High-Power Particle Beams (BEAMS'98), 1998, Haifa, Israel, June 7-12, proсeedings, P. 599-602.

33. Lebedev S.V., Beg F.N., Bland S.N. et.al. Effect of discrete wires on the implosion dynamics of wire array Z pinches. // Physics of Plasmas, 2001, Vol. 8, No. 8, P. 3734.

34. Peterson D.L., Bowers R.L., Matuska W., et. al. Insights and applications of two-dimensional simulations to Z-pinch experiments. // Physics of Plasmas, 1999, Vol. 6, No. 5, P.2178-2184.

35. Benattar R., Zakharov S.V., Nikiforov A.F., Novikov V.G., Gasilov V.A., Krukovskii A.Yu., Zakharov V.S. Influence of magnetohydrodynamic Rayleigh-Taylor instability on radiation of imploded heavy ion plasmas. // Physics of Plasmas, 1999,Vol. 6, P. 175.

36. Alexandrov V.V., Frolov I.N., Fedulov M.V., Grabovsky E.V., Mitrofanov K.N., et. al. Prolonged plasma production at current-driven implosion of wire arrays on Angara-5-1 facility. // IEEE Transactions on PLASMA SCIENCE, 2002, Vol. 30, No. 2, APRIL, P. 559-566.

37. Грабовский Е.В., Митрофанов К.Н., Кошелев А.Ю., Олейник Г.М. Препринт ТРИНИТИ №143-А. Троицк, 2010.