Спектроскопия водородной плазмы
Покупка
Тематика:
Электричество и магнетизм. Физика плазмы
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 128
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-7038-5353-5
Артикул: 804692.01.99
Доступ онлайн
В корзину
В учебном пособии приведены теоретические основы атомной и молекулярной спектроскопии водородной плазмы, методики спектроскопических измерений и описание аппаратуры, используемой для диагностики высокотемпературной плазмы.
Предназначено для формирования компетенций, предусмотренных основными профессиональными образовательными программами по направлениям подготовки 16.04.02 «Высокотехнологические плазменные и энергетические установки» (магистратура) и 03.06.01 «Физика и астрономия» (аспирантура, уровень подготовки кадров высшей квалификации). Пособие также может быть использовано при подготовке специалистов, обучающихся по специальности 24.05.02-05 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» (специализация «Проектирование электроракетных двигателей»).
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 16.04.02: Высокотехнологические плазменные и энергетические установки
- ВО - Специалитет
- 24.05.02: Проектирование авиационных и ракетных двигателей
- Аспирантура
- 03.06.01: Физика и астрономия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
К.Ю. Вуколов, А.М. Зимин, В.И. Тройнов Спектроскопия водородной плазмы Учебное пособие Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 © Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-5353-5 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020 УДК 533.9:004 ББК 22.344 В88 Издание доступно в электронном виде по адресу http://bmstu.press/catalog/item/6527/ Факультет «Энергомашиностроение» Кафедра «Плазменные энергетические установки» Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор В.С. Лисица (Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»), д-р техн. наук, профессор А.Т. Комов (Национальный исследовательский университет «МЭИ») Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия Вуколов, К. Ю. В88 Спектроскопия водородной плазмы : учебное пособие / К. Ю. Вуколов, А. М. Зимин, В. И. Тройнов. — Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 126, [2] с. : ил. ISBN 978-5-7038-5353-5 В учебном пособии приведены теоретические основы атомной и молекулярной спектроскопии водородной плазмы, методики спектроскопических измерений и описание аппаратуры, используемой для диагностики высокотемпературной плазмы. Предназначено для формирования компетенций, предусмотренных основными профессиональными образовательными программами по направлениям подготовки 16.04.02 «Высокотехнологические плазменные и энергетические установки» (магистратура) и 03.06.01 «Физика и астрономия» (аспирантура, уровень подготовки кадров высшей квалификации). Пособие также может быть использовано при подготовке специалистов, обучающихся по специальности 24.05.02-05 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» (специализация «Проектирование электроракетных двигателей»). УДК 533.9:004 ББК 22.344
Предисловие В учебном пособии проведено обобщение теоретических основ атомной и молекулярной спектроскопии водородной плазмы, методик спектроскопических измерений, а также изложены представления о современной аппаратуре для спектральной диагностики плазмы и ее использовании. Пособие основано на результатах многочисленных исследований спектров изотопов водорода (в том числе и с участием авторов пособия), а также на курсах лекций, практических и лабораторных занятиях, проводимых авторами в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Учебное пособие предназначено для освоения дисциплины «Высокотемпературная плазма и ядерный синтез» в рамках обучения магистрантов по направлению подготовки 16.04.02 «Высокотехнологические плазменные и энергетические установки», а также дисциплины «Теплофизика и теоретическая теплотехника» по направлению подготовки аспирантов 03.06.01 «Физика и астрономия» (уровень подготовки кадров высшей квалификации). Кроме того, приведенные в пособии учебно-методические материалы могут быть использованы при подготовке специалистов, обучающихся по специальности 24.05.02-05 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» ( специализация «Проектирование электроракетных двигателей»). Авторы надеются, что пособие окажется полезным также широкому кругу инженеров и специалистов, работающих с плазменной техникой в различных НИИ и промышленных организациях, при создании диагностических систем для определения параметров плазмы. Цель и основные планируемые результаты обучения, достигаемые после изучения пособия, — формирование компетенций, предусмотренных профес- сиональными образовательными стандартами по указанным направлениям подготовки. В результате изучения материалов учебного пособия читатели озна- комятся с важнейшими проблемами изучаемой дисциплины. Они смогут: 1) оценить диапазоны параметров высокотемпературной плазмы; 2) сфор- мировать перечень методов спектроскопии плазмы и первичной обработки результатов измерений; 3) сформулировать основные проблемы, возникаю- щие при определении параметров плазмы спектроскопическими методами, и указать пути их преодоления; 4) охарактеризовать параметры плазмы в экспериментальном термоядерном реакторе — токамаке ИТЭР и спектраль- ные методы их определения. После изучения пособия у магистрантов развиваются следующие ком- петенции: они будут знать перечень основных методов диагностики плазмы и компьютерной обработки первичных результатов; уметь анализировать алгоритмы обработки первичных результатов на компьютере, выбирать необходимые методы диагностики плазмы для определения ее характеристик, обосновывать возможности использования различных методов диагностики плазменных систем для создания термоядерных реакторов; владеть основ- ными методами диагностики плазмы для различных типов термоядерных систем и методами обработки первичных результатов диагностики.
Предисловие У аспирантов после изучения пособия развиваются следующие компе- тенции: они будут знать типы спектральных приборов, принципы их работы и основные характеристики, принципы удаленной спектральной диагностики, физические основы атомной и молекулярной спектроскопии; уметь выбирать спектральный прибор для определения качественного и количественного состава излучающей среды, использовать основные приемы обработки ре- зультатов для получения параметров излучающей среды; владеть методами корректной регистрации дискретных и непрерывных спектров, алгоритмами и программами первичной обработки спектров. Изучение дисциплины «Высокотемпературная плазма и ядерный синтез» магистрантами и дисциплины «Теплофизика и теоретическая теплотехника» аспирантами предполагает предварительную успешную аттестацию студентов по программе вступительных испытаний в магистратуру по направлению подготовки 16.04.02 «Высокотехнологические плазменные и энергетические установки». Для усвоения материала учебного пособия являются обязатель- ными знания по курсам общей физики, физики и диагностики низкотемпера- турной плазмы, плазмодинамики. Желательны знания и навыки по основам информатики, основам термоядерного синтеза, конструированию плазмен- ных установок и управлению техническими системами. В пособии обсуждаются классификация методов и особенности диаг- ностики высокотемпературной плазмы, роль спектроскопии в диагностике плазмы, ее достоинства и недостатки. Проанализированы построение и ме- тодики экспериментального определения параметров плазмы с помощью спектроскопии на действующих токамаках. Для проекта ИТЭР рассмотрены методы спектроскопической диагностики плазмы и инженерные проблемы их реализации, принципы работы, а также задачи спектроскопии водород- ных линий и активной спектроскопии с использованием пучков водорода. В пособии проводится обобщение изложенного учебного материала, отмечается его роль в образовательной программе, фиксируются логические связи с другими дисциплинами, а также рассматривается применимость пред- ставленного материала для решения практических профессиональных задач. Учебное пособие содержит введение, три главы и заключение. Во вве- дении дан краткий обзор проблематики. В нем показаны актуальность и значимость спектроскопии водородных линий для изучения физики высоко- температурной плазмы. В главе 1 учебного пособия рассмотрены физические основы спектраль- ной диагностики водородной плазмы по атомным спектрам, а также прин- ципы работы и основные характеристики используемой для исследований спектральной аппаратуры. Глава 2 посвящена молекулярной спектроскопии водородной плазмы. В ней описаны методы определения параметров плазмы по молекулярным спектрам. В главе 3 пособия даны конкретные примеры применения спектроско- пии водородной плазмы в термоядерных установках. Здесь представлены методики определения параметров плазмы по линиям атомов изотопов во- дорода на действующих токамаках. Рассмотрены особенности спектральной
диагностики высокотемпературной плазмы в экспериментальном термоядерном реакторе ИТЭР. Приведена информация о каналах диагностики плазмы в его порт-плагах и проанализированы проблемы диагностики. Глава 1 обязательна для изучения на всех уровнях подготовки и носит фундаментальный характер. В ней приведены определения физических явлений, параметров плазмы, раскрыты используемые термины. Глава 2 имеет самостоятельное значение, в ней представлен уникальный материал для практического изучения молекулярной спектроскопии. Глава 3 обязательна для изучения, приведенные в ней сведения необходимы для приобретения компетенций, предусмотренных основной профессиональной образовательной программой. Кроме того, глава 3 является основой для изучения одной из последующих дисциплин — «Конструирование и расчет термоядерных установок» в приложении к конструированию диагностических спектральных комплексов современных и перспективных плазменных установок. В конце каждой главы пособия приведены контрольные вопросы. В дальнейшем углубление знаний по указанным учебным дисциплинам возможно в рамках изучения курсов «Конструирование и расчет термоядер- ных установок» и «Управление плазменными установками», где применение систем с обратными связями основано на использовании диагностических комплексов. Изложенные в пособии материалы могут служить основой для реше- ния профессиональных задач по созданию различных типов плазменных установок. Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность аспи- ранту И.А. Земцову за неоценимую помощь в описании методики цифровой обработки сигналов активной спектроскопии. Им написана первая часть подраздела 3.3.4. Предисловие
Основные обозначения A — массовое число ядра A — эрмитов самосопряженный оператор Apq — вероятность спонтанного перехода с верхнего уровня p на нижний уровень q Апт, Впт, Вп′т — эйнштейновские вероятности переходов а — малая ось эллиптической орбиты a(ω) — амплитуда затухающей волны b — большая ось эллиптической орбиты CDop — ширина линии Cp — постоянная взаимодействия с — скорость света D — коэффициент диффузии Dо — обратная линейная дисперсия спектрального прибора Е — энергия частицы Ee — электронная энергия Erot — вращательная энергия Evib — колебательная энергия е — элементарный заряд FJ — вращательный терм f — сила осциллятора Gv — колебательный терм g — фактор Ланде g(E) — кратность вырождения уровня энергии gi — статистический вес i-го уровня H — напряженность магнитного поля H — оператор Гамильтона h = 2ph — постоянная Планка I — интенсивность излучения IHα — интенсивность свечения пучка на линии Нα в выделенном объеме плазмы IZ CXRS — интенсивность свечения на линии перезарядки J — вращательное квантовое число j — внутреннее квантовое число (квантовое число полного момента импульса) k — константа Больцмана kу — коэффициент усиления L — момент импульса электрона LR — суммарный угловой момент всех ядер молекулы Lz — оператор проекции суммарного электронного углового момента l — азимутальное (орбитальное) квантовое число; расстояние вдоль хорды наблюдения lср — средняя длина свободного пробега
M — масса ядра Mp — масса протона me — масса электрона mj — магнитное квантовое число N — квантовое число, соответствующее общему моменту N Nam — шум, который создает аналого-цифровой преобразователь камеры при усилении сигнала Nk — населенность k-го уровня Nro — шум считывания n — главное квантовое число ni — концентрация вступающих в реакцию частиц ne — концентрация электронов nH — концентрация атомов водорода np — населенность атомов или ионов с электроном на уровне p (населенность уровня p) nZ — концентрация ионов примеси с зарядом Z P(Dω) — профиль линии в интервале частот Dω p — импульс электрона; параметр взаимодействия Qexc — скоростной коэффициент возбуждения электронным ударом атомов пучка QZ CXRS — скоростной коэффициент реакции перезарядки атомов водо- рода на ионах примеси с зарядом Z R — расстояние между ядрами RH, Ry — постоянная Ридберга Rун — универсальная газовая постоянная r — радиус круговой орбиты S — спиновое квантовое число Sл — линейный размер пиксела Sп — полезный сигнал s — время свободного пробега T — температура Te — электронный терм Tg — газовая температура плазмы изотопов водорода Ti — температура ионов Тп — терм n-го состояния Trot — вращательная температура верхнего возбужденного состояния un — плотность энергии поля излучения v — скорость W — полная энергия Z — зарядовое число α — постоянная тонкой структуры α0 — угол вращения плоскости поляризации на 1 см длины αp — постоянная взаимодействия g — постоянная затухания e0 — диэлектрическая постоянная для вакуума Основные обозначения
Основные обозначения enn — электронно-колебательно-вращательная энергия молекулы Dl — полуширина линии dlDop — полуширина доплеровского контура линии h — сдвиг фазы L — квантовое число, описывающее квадрат спина Λ — проекция момента количества движения электронов на межъ- ядерную ось l — длина волны m — молярная масса mB — магнетон Бора n — частота излучения; колебательное квантовое число nl — волновое число r — прицельный параметр s — сечение взаимодействия tE — энергетическое время жизни (удержания) tki — постоянная времени затухания ω — частота ωexe — коэффициент ангармоничности
Принятые сокращения АПОС — аппаратура предварительной обработки сигнала АЦП — аналого-цифровой преобразователь ИТЭР — см. ITER ЛТР — локальное термодинамическое равновесие МРС — магнетронная распылительная система РДС — рассеянный диверторный свет СВЛ — спектроскопия водородных линий СВР — спектроскопия высокого разрешения СОЛ — см. SOL СУБД — система управления базами данных токамак — тороидальная камера с магнитными катушками ТЯУ — термоядерная установка УСО — устройство сопряжения с объектом ФЭУ — фотоэлектронный умножитель ЦАП — цифроаналоговый преобразователь ЧЛТР — частичное локальное термодинамическое равновесие ЭКВ — электронно-колебательно-вращательный (переход) CCD (charge-coupled device) — прибор с зарядовой связью CXRS (charge exchange recombination spectroscopy) — спектроскопия на основе перезарядки ELM (edge localized mode) — краевая локализованная неустойчивость ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) — Международный экспериментальный термоядерный реактор NPA (neutral particle analyzer) — анализатор нейтральны х частиц SNR (signal-to-noise ratio) — отношение сигнал/шум SOL (scrape-off-layer) — пристеночный слой
Введение При изучении свойств сред, находящихся в различных состояниях, очень важными являются методы их исследования [1]. Объект, которому посвящено настоящее пособие, — плазма — это четвертое состояние вещества, встреча- ющееся как в природе, так и в многочисленных устройствах, которые применяются не только в различных областях науки и техники, но и в быту. Понимание протекающих в плазме физических процессов очень важно как с чисто научной точки зрения [2], так и при использовании их для создания методик разработки и оптимизации многочисленных плазменных систем, к которым относятся источники высокоинтенсивного света, электродуговые нагреватели газа — плазмотроны, мощные плавильные печи, сварочные системы, электрические ракетные двигатели, плазменные энергетические установки и др. Состояние материальной среды, находящейся в полном термодинамическом равновесии, как известно, можно описать небольшим числом величин: температурой, плотностью и концентрациями составляющих элементов. К сожалению, для плазмы ситуация является существенно более сложной, так как она никогда не может находиться в полностью равновесном состоянии и для ее описания используются другие приближения (локальное — ЛТР и частичное локальное термодинамическое — ЧЛТР равновесие, неизотермическая модель, корональная модель и др.). Экспериментальному определению перечисленных выше и ряда других параметров, характеризующих состояние и важнейшие свойства плазмы, по- священ один из фундаментальных разделов физики — диагностика плазмы. Эта наука обосновывает и описывает применение различных диагностических методов (зондовые, корпускулярные, оптические, рентгеновские, высокоча- стотные, лазерные и т. п.) для определения параметров исследуемой среды в плазменных системах [1]. Само понятие «диагностика плазмы», как отмечено в учебном пособии [3], было сформулировано более полувека назад при исследовании «горячей» плазмы c температурой выше 1 млн К [4–6]. Первоначально это понятие включало лишь методы измерения температуры и концентрации электронов в высокотемпературной плазме. Однако вскоре его стали применять и к плазме низкотемпературной. Номенклатура методов, область их применимости и круг решаемых с их помощью задач с течением времени расширялись, и возникла разноречивость трактовок понятия «диагностика плазмы» различными авторами. Особенности терминологии довольно подробно анализируются в ряде научных и учебных публикаций по данной тематике. В учебном пособии [3] обобщены результаты такого рассмотрения на момент выхода этой книги (2007) и отмечено, что в настоящее время диагностика плазмы — это много- значное понятие, трактуемое следующим образом: 1) раздел физики плазмы, предметом которого являются методы экспе- риментального определения параметров этой среды; обоснование и форму- лировка методов, определение условий и границ их применимости, разра-
Доступ онлайн
В корзину