Излучение плазмы

ИЗЛУЧЕНИЕ ПЛАЗМЫ, 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. Излучение плазмы является также одним из главных каналов её энергетических потерь; существенна его роль в установлении термодинамического состояния плазмы - распределения ионов по кратностям ионизации, по возбуждённым энергетическим уровням и т. п.

Излучение плазмы характеризуется интенсивностью элементарных процессов испускания; спектральной излучательной способностью, т. е. распределением по частоте 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).

Основные механизмы излучения плазмы определяются как индивидуальными свойствами заряженных и нейтральных частиц, образующих плазменную систему, так и её коллективными свойствами – колебательно-волновыми характеристиками (смотри Волны в плазме). Индивидуальными свойствами частиц определяются: линейчатое излучение (ЛИ), возникающее при переходе электрона в атоме или ионе между двумя дискретными энергетическими уровнями; фоторекомбинационное излучение (ФИ), образующееся при захвате свободного электрона на один из дискретных энергетических 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 излучения плазмы лежит ускорение электронов во внешнем электрическом или магнитном поле. Характерные частоты излучения плазмы определяются угловыми скоростями w поворота частиц при их движении по криволинейным траекториям. Полная интенсивность излучения определяется величиной I = (2/3)е²w²/с³ (е - заряд электрона, с - скорость света), а распределение интенсивности Ι_ω по спектру частот - фурье-компонентой Ι_ω = (2/3)e²w²_ω/c³. 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 периодического вращения электрона (например, 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 отдельные дискретные энергетические 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 температурой более 10 кэВ к слиянию высоких гармоник ЦИ в непрерывный спектр - континуум.

Излучение плазмы 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 термодинамического равновесия, такое излучение носит спонтанный характер и определяется её диэлектрическими свойствами, а также граничными условиями. Основные типы излучения плазмы в этом случае следующие: черенковское излучение (смотри 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 излучения плазмы 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 - радиационные потери энергии плазмы ограничивают её температуру, т. е. интенсивность движения частиц. В горячей разреженной плазме излучение плазмы 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 так называемого запирания излучения плазмы, 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 так называемому статическому уширению, а быстропеременные поля электронов - к ударному уширению. Неоднородность магнитного поля также приводит к уширению линий ЦИ, которое, например, в плазме токамака может превзойти доплеровское.

Лит.: Бекефи Дж. Радиационные процессы в плазме. М., 1971; Биберман Л. М., Воробьев В.С., Якубов И. Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М., 1982; Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под редакцией В. Е. Фортова. М., 2000. Т. 1; Морозов А. И. Введение в плазмодинамику. М., 2006.