Кинетика оптического пропускания неоднородной плазмы импульсного электрического разряда с полыми электродами в неоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Курбангаджиева Марьям Багаудиновна

• Курбангаджиева Марьям Багаудиновна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Курбангаджиева Марьям Багаудиновна

Введение

Глава 1. Нестационарные оптические процессы в протяженных плавно-неоднородных плазменных средах (Аналитический обзор)

1.1. Протяженные плазменные среды, формируемые быстрыми волнами ионизации

1.2. Волны ионизации в длинных экранированных трубках

1.3. Оптические свойства быстрых волн ионизации в ограниченной плазме

Выводы к Главе

Глава 2. Методика и техника экспериментальных исследований оптических и спектральных характеристик протяженных наносекундных газовых разрядов с полыми электродами

2.1. Методика и техника экспериментального исследования процессов генерации и развития быстрых волн ионизации в наносекундных разрядах

2.1.1. Плазменный реактор коаксиальной конструкции с цилиндрической симметрией

2.1.2. Плазменный реактор с прямоугольным щелевым катодом

2.2. Методика измерения абсолютных значений плотности возбужденных атомов

2.3. Методика измерения поперечной пространственной структуры оптического излучения плазменного столба

2.4. Методика исследования процессов взаимодействия коротких световых импульсов с квазирезонансной протяженной неоднородной плазменной средой

Выводы к Главе

Глава 3. Экспериментальное исследование нестационарных оптических эффектов в плазме наносекундных газовых разрядов в неоне

3.1. Исследование динамики формирования оптических свойств плазмы протяженных наносекундных газовых разрядов в неоне

3.1.1. Измерение фронтов быстрых волн ионизации и оптического излучения

3.1.2. Наносекундный разряд с щелевым катодом

3.2. Экспериментальное исследование динамики поперечной структуры фронтов оптического излучения

3.2.1. Динамика формирования поперечной пространственной структуры плазмы наносекундного разряда в неоне в длинных экранированных трубках

3.2.2. Динамика формирования пространственной структуры оптического излучения разряда с щелевого катодом

3.3. Исследование структуры оптического спектра излучения и динамики наработки возбужденных атомов неона на низколежащих энергетических уровнях

3.3.1. Измерение спектра излучения плазменного столба в длинной цилиндрической экранированной трубке

3.3.2. Измерение спектрального состава излучения плазменного столба поперечного разряда с полым катодом

3.4. Измерение заселенностей возбужденных состояний атомов неона с электронной конфигурацией 2р53s

3.5. Исследование процессов взаимодействия коротких полихроматических световых импульсов с плавно-неоднородным плазменным столбом в неоне

3.5.1. Характеристики распространения коротких полихроматических световых импульсов в плавно-неоднородном протяженном плазменном столбе с цилиндрической симметрией

3.5.2. Оптические спектры пропускания протяженного плазменного столба с щелевым катодом

3.6. Оптическое пропускание плазменного столба на фоне полихроматического излучения Nd:YAG лазера

Выводы к Главе

Глава 4. Динамика формирования и развития нестационарных оптических эффектов в неоднородных протяженных плазменных средах в неоне

4.1. Кинетическая модель формирования и развития пространственных неоднородностей оптических свойств протяженного плазменного столба наносекундного разряда в цилиндрических экранированных трубках

4.2. Кинетическая модель формирования и развития пространственных неоднородностей оптических свойств протяженного плазменного столба наносекундного разряда в щелевом катоде

4.3. Роль динамических пространственных неоднородностей в формировании спектральных характеристик коротких световых импульсов при взаимодействии с протяженной плазменной средой в неоне

4.4. Механизмы асимметрии оптических спектров пропускания протяженного неоднородного плазменного столба в неоне

Выводы к Главе

Заключение

Список цитируемой литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетика оптического пропускания неоднородной плазмы импульсного электрического разряда с полыми электродами в неоне»

Введение

В последние годы активно развиваются новые практические приложения плазмы для разработки оптических технологий. Для управления лазерным светом высокой интенсивности разрабатываются компоненты плазмы, на основе которых создаются плазменные зеркала, плазменные поляризаторы, плазменные оптические модуляторы, плазменные линзы и др. В последние годы на основе исследований в этой области сформировались основы нового научного направления, получившего название «плазменная оптика» [1].

Другое активно развивающееся направление оптических приложений

плазмы связано с исследованиями квантово-оптических эффектов

взаимодействия коротких полихроматических импульсов лазерного

излучения с ансамблем поглощающих свет атомов плазмы, когда ширина

спектра лазерного излучения значительно превышает однородную и

неоднородную ширину спектральных линий поглощения в плазме [2]. Такие

исследования лежат в основе другого быстро развивающегося направления,

связанного с разработкой методов сверхбыстрой обработки широкополосных

оптических сигналов. В последние годы такие исследования выполняются

при взаимодействии коротких лазерных импульсов с парами щелочных

металлов [например, 3], однако использование для этих целей в качестве

квазирезонансной поглощающей среды импульсной плазмы в инертных газах

открывает новые возможности. В такой плазме можно формировать

одиночные или периодические плазменные структуры, влияющие на

пространственное распределение оптических свойств плазменной среды. Это

достигается в результате ионизации газа наносекундными высоковольтными

импульсами напряжения, когда вблизи высоковольтного электрода

генерируется высокоскоростная волна ионизации (ВВИ), фронт которой

выступает в роли источника группы высокоэнергетичных электронов [4-9].

Фундаментальным свойством такой плазмы является формирование на

фронте ВВИ анизотропной части функции распределения электронов по

5

энергиям (ФРЭЭ), и вызванным этим эффектом анизотропия процессов электронного возбуждения атомов. Макроскопически это явление проявляется в виде частичной линейной поляризации спонтанного излучения плазмы ВВИ.

Еще одной особенностью оптических свойств плазмы ВВИ является формирование в плазменной среде плавно-меняющихся пространственных неоднородностей, обусловленных как процессами генерации и распространением быстрых фронтов ионизации газа, так и процессами нелинейного взаимодействия электронных потоков, генерируемых в разряде, с сильными электрическими полями в разряде [10, 11]. Такие плазменные источники характеризуются наличием в среде одиночных или периодических плазменных структур, генерируемых быстрыми волнами ионизации.

В этой связи актуальным является всестороннее исследование оптических свойств протяженных плазменных сред, созданных быстрыми волнами ионизации.

Обширную информацию об оптических свойствах неравновесных плазменных сред можно получить путем использования время-разрешенных методов оптической эмиссионной и лазерной абсорбционной спектроскопии. При использовании в оптических методах диагностики лазеров с короткими наносекундными импульсами излучения в процессе распространения лазерного излучения в квазирезонансной плазме могут проявляться ряд квантово-оптических эффектов, без учета которых корректная диагностика неоднородной плазмы невозможна. К настоящему времени, насколько нам известно, в литературе имеется лишь небольшое число работ, посвященных исследованиям отдельных аспектов оптических эффектов взаимодействия импульсов полихроматического лазерного излучения с неоднородной плазмой, генерируемой быстрыми волнами ионизации. Между тем такие исследования могут быть сопряжены с необходимостью учета

принципиально новых эффектов, связанных с когерентными процессами

6

квазирезонансного взаимодействием света с ансамблем поглощающих атомов в протяженном плазменном столбе.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование кинетики нестационарных оптических спектров пропускания протяженной плазменной среды в неоне с динамическими неоднородностями, обусловленными генерацией и распространением ВВИ.

Объект исследования - протяженная плазменная среда, создаваемая быстрыми волнами ионизации в наносекундном разряде в неоне в диапазоне давлений газа 0.1-30 Торр.

Задачи, решаемые в данной работе:

- экспериментальное исследование пространственно-временной динамики формирования и релаксации неоднородных динамических пространственных структур из возбужденных атомов неона, формируемых быстрыми фронтами ионизации в цилиндрических экранированных трубках и системах с прямоугольным щелевым катодом;

- экспериментальное исследование оптических спектров пропускания и спектральных характеристик процессов взаимодействия коротких полихроматических импульсов лазерного излучения с протяженными ограниченными стенками плавно-неоднородными плазменными средами в неоне;

- построение кинетической модели формирования динамических пространственных структур возбужденных атомов неона в протяженном плазменном столбе, формируемом быстрыми волнами ионизации.

Научная новизна работы:

1. Впервые в неоне в диапазоне давлений газа 0.1-30 Торр выполнен

комплекс экспериментальных исследований динамики формирования

продольных и поперечных пространственных неоднородностей

протяженной плазменной среды в экранированных цилиндрических

трубках, влияющих на неоднородность оптических показателей такой

среды. Синхронизованно с движением фронта волны ионизации на

7

разных стадиях развития цилиндрического плазменного столба экспериментально измерены абсолютные значения плотности возбужденных атомов неона на энергетических уровнях с электронной конфигурацией Ыв12р53я.

2. Экспериментально и численным моделированием показано, что при давлениях неона около 10 Торр за фронтом волны ионизации формируется область с пониженной плотностью возбужденных атомов неона с размерами около 2-3 мм, а при давлениях неона выше 20 Торр у внутренних поверхностей прямоугольной полости в протяженном полом катоде формируются две плоские плазменные структуры с одновременным образованием минимума плотности возбужденных атомов неона вдоль центра полости в катоде.

3. Впервые экспериментально исследованы условия формирования асимметрии оптических спектров пропускания неоднородного протяженного плазменного столба в неоне вблизи узких резонансов поглощения. Показано, что при зондировании плазмы короткими полихроматическими импульсами лазерного излучения с фокусирующим сферическим волновым фронтом в спектре пропускания плазмы на одном крыле контура спектрального перехода атомов неона с длиной волны 650 нм наблюдается усиление света с одновременным ослаблением света на другом крыле спектрального контура.

4. Экспериментально установлено, что при увеличении мощности зондирующего разряда многомодового лазера на красителе в оптических спектрах пропускания плазмы наблюдается инвертирование усиления света с длинноволнового крыла на коротковолновое крыло контура спектрального перехода Ыв1 с длиной волны 650 нм, в то время как при зондировании той же плазмы полихроматическим излучением МО:УАО лазера усиление света наблюдается только на длинноволновом крыле спектрального контура. В обоих случаях экспериментально проверено,

что спектральная плотность зондирующего лазерного излучения находится ниже порога насыщения для данного спектрального перехода. 5. В оптическом спектре пропускания неоднородного плазменного столба внутри прямоугольной полости протяженного полого катода наблюдается асимметрия относительно резонанса поглощения на спектральном переходе атомов неона с длиной волны 650 нм, в то время как оптический спектр пропускания плазменного столба с низкой степенью неоднородностей между электродами имеет классический симметричный контур.

Положения, выносимые на защиту:

1. При распространении коротких импульсов полихроматического излучения лазера на красителе или МО:УАО лазера в неоднородном протяженном плазменном столбе в неоне вблизи спектрального перехода атомов неона с длиной волны 650 нм наблюдается асимметрия оптического спектра пропускания с усилением света на одном крыле и одновременным ослаблением света на другом крыле спектрального контура.

2. При увеличении мощности зондирующего излучения многомодового лазера на красителе в оптических спектрах пропускания плазмы наблюдается инвертирование усиления света с длинноволнового крыла на коротковолновое крыло контура для спектрального перехода Ыв1 с длиной волны 650 нм, в то время как при зондировании той же плазмы короткими полихроматическими импульсами МО:УАО лазера усиление света наблюдается только на длинноволновом крыле спектрального контура.

3. При фиксированной мощности зондирующего излучения многомодового лазера на красителе уменьшение давления газа в плазме неона приводит к инвертированию усиления света с коротковолнового крыла на длинноволновое крыло контура для спектрального перехода Ыв1 с длиной волны 650 нм.

4. Максимальная асимметрия оптического спектра пропускания

неоднородного протяженного плазменного столба приходится на стадию

9

формирования плазменного столба, когда плотность поглощающих атомов принимает максимальные значения.

5. При давлениях неона около 10 Торр за фронтом волны ионизации в полом катоде формируется область с пониженной плотностью возбужденных атомов неона с размерами около 2-3 мм. Практическая и научная ценность работы. Результаты исследований данной работы позволят:

1. Управлять формой импульсов оптического излучения источников света на основе длинных плазменных сред;

2. Регулировать режим оптимального согласования плазменного волновода с коаксиальной передающей линией;

3. Способствовать развитию время-разрешенных лазерных методов диагностики плавно-неоднородных плазменных сред;

4. Полученные в диссертации экспериментальные результаты могут лечь в основу развития теории когерентного взаимодействия коротких полихроматических световых импульсов с квазирезонансными неоднородными плазменными средами.

Обоснованность и достоверность научных результатов работы подтверждается применением нескольких адекватных, независимых методов экспериментального исследования, основанных на прямых измерениях основных характеристик протяженных плазменных сред. Результаты численного моделирования подтверждаются сравнением с соответствующими экспериментальными данными.

Настоящее диссертационное исследование выполнено при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 20-32-90150 - конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными, обучающимися в аспирантуре («Аспиранты»).

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в

следующих статьях в рецензируемых научных журналах:

1. Ashurbekov, N.A. Quantum-optical effects of resonant short laser pulse interaction with neon nanosecond discharge plasma in narrow shielded tubes / N.A. Ashurbekov, K.O. Iminov, M.B. Kurbangadzhieva and G.Sh. Shakhsinov // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. XIV International Conference on Pulsed Lasers and Laser Applications. - 2019. - Vol. 11322. - 113220H-1.

2. Ashurbekov, N.A. Formation of asymmetric optical transmission spectra of a nanosecond discharge in extended shielded tubes upon resonant interaction of short laser pulses with excited neon atoms / N.A. Ashurbekov, K.O. Iminov, G.Sh. Shakhsinov, M.B. Kurbangadzhieva, K.M. Rabadanov // Proceedings SPIE. - The International Society for Optical Engineering. XIV International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers. - 2021. - Vol. 12086. -1208617-1.

3. Ashurbekov, N.A. Numerical simulation of a partially anisotropic electron distribution function in a pulsed discharge with a hollow cathode / N.A. Ashurbekov, M.Z. Zakaryaeva, K.M. Rabadanov, K.O. Iminov, M.B. Kurbangadzhieva, and A.A. Kudryavtsev // Phys. Plasmas. - 2022. -T. 29, No 12. - 123905.

4. Ашурбеков, Н.А. Асимметрия оптических спектров пропускания импульсного разряда с протяженным полым катодом при резонансном взаимодействии коротких полихроматичных лазерных импульсов с возбужденными атомами неона / Н.А. Ашурбеков, М.Б. Курбангаджиева, К.О. Иминов, Г.Ш. Шахсинов, К.М. Рабаданов // Журнал прикладной спектроскопии. - 2022. - Т. 89 . №. 6. - C. 815-819. Ashurbekov, N.A. Asymmetry of the optical transmission spectra of a pulsed discharge with an extended hollow cathode during at resonance interaction of short polychromatic laser pulses with excited neon atoms / N.A. Ashurbekov,

M.B. Kurbangadzhieva, K.O. Iminov, G.Sh. Shakhsinov and K.M. Rabadanov // Journal of Applied Spectroscopy. - 2022. - T. 89. №.6. - pp. 1072-1075.

5. Ashurbekov, N.A. Simulation of the spatio-temporal evolution of the electron energy distribution function in a pulsed hollow-cathode discharge / N.A. Ashurbekov, K.O. Iminov, K.M. Rabadanov, G.Sh. Shakhsinov, M.Z. Zakaryaeva and M.B. Kurbangadzhieva // Plasma Science and Technology. - 2023. - Vol. 25, No 3. - 035405.

6. Курбангаджиева, М.Б. Кинетическая модель формирования поперечной пространственной структуры наносекундного разряда в длинных экранированных трубках с полыми электродами / М.Б. Курбангаджиева, Н.А. Ашурбеков, К.О. Иминов, Г.Ш. Шахсинов, К.М. Рабаданов // Вестник Дагестанского государственного университета. Сер. 1: Естественные науки. - 2023. - Т. 38, №. 2. - С. 14-20.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка используемой литературы.

Актуальность темы диссертационной работы, цель, основные задачи исследования и описание структура работы даны во введении.

Аналитический обзор литературы по новым научным публикациям, посвященным созданию протяженных плазменных сред путем генерации в ограниченной газовой среде быстрых волн ионизации приведен в Главе 1 . Рассмотрены вопросы ускорения электронных потоков и формирования электронных пучков в наносекундных разрядах. Проанализированы -оптические свойства плазменных сред, созданных быстрыми волнами ионизации. Отдельно рассмотрены квантово-оптические эффекты, проявляемые при когерентном взаимодействии коротких световых импульсов с протяженными квазирезонансными средами.

Методики экспериментальных исследований и ключевые для экспериментов характеристики техники эксперимента описаны во второй

главе диссертации. Дано описание методики генерации ВВИ и методики регистрации фронтов быстрых волн ионизации, фронтов оптического излучения волн ионизации, поперечной структуры волн ионизации, оптических спектров поглощения и пропускания плазмы и спектральных характеристик взаимодействия наносекундных лазерных импульсов с плазмой за фронтом быстрых волн ионизации.

Полученные в диссертации результаты экспериментальных исследования описаны в третьей главе. Приведены основные измеренные в диссертации характеристики протяженных плазменных сред двух типов: протяженной цилиндрической плазменной среды в длинных экранированных трубках и плазменного столба с полым катодом с прямоугольной полостью вдоль всего катода. Описаны детальные исследования спектральных характеристик взаимодействия коротких полихроматических импульсов лазерного излучения с протяженными плавно-неоднородными плазменными средами.

В четвертой главе представлена кинетическая модель формирования протяженного плазменного столба с плавно-неоднородным распределением возбужденных атомов неона. Описаны результаты численного исследования кинетических процессов формирования поверхностной и объемной структуры быстрых волн ионизации. Отдельно рассмотрено влияние неоднородностей на оптические спектры пропускания плазмы. Дан анализ изменения спектральных характеристик коротких полихроматических лазерных импульсов после их взаимодействии с протяженной плазменной средой. Рассмотрены механизмы асимметрии оптических спектров пропускания неоднородной плазмы, связанные с процессами квазирезонансного когерентного взаимодействия коротких

полихроматических световых импульсов с протяженной плазменной средой.

Основные результаты и выводы работы сформулированы в Заключении.

Глава 1.

Нестационарные оптические процессы в протяженных плавно-неоднородных плазменных средах (Аналитический обзор)

В этом обзоре литературы систематизированы работы, в которых газовый разряд инициируется импульсами высокого напряжения с наносекундными фронтами, что позволяет получить существенное перенапряжение на разрядном промежутке по сравнению со стационарным разрядом. Как результат быстрого нарастания амплитуды напряжения на высоковольтном электроде, вблизи этого электрода генерируется волна ионизации, фронт которой, как правило, является источником высокоэнергетичных электронов, определяющих спектр и структуру оптического излучения разряда.

Ниже обсуждаются вопросы, связанные с влиянием волновых ионизационных процессов на оптические свойства протяженной плазменной среды, когда продольные и поперечные размеры плазменной области существенно различаются. Отдельно рассмотрены оптические процессы взаимодействия коротких импульсов света с протяженными

квазирезонансными плазменными средами.

1.1. Протяженные плазменные среды, формируемые быстрыми волнами ионизации

За последние 20 лет было проведено много исследований низкотемпературных плазменных сред, как для фундаментального понимания плазменных процессов, так и для их потенциального практического применения, как показано в нескольких обзорах и специальных выпусках [4-7]. Как правило, при создании протяженной плазменной среды в газе за счет коротких высоковольтных импульсов напряжения формируются фронты ионизации газа, в которых в узкой области

локализованы сильные электрические поля. Многие исследования показали, что именно в области усиленного электрического поля генерируются энергичные электроны, способные в протяженном объеме газа создавать газоразрядную плазму. Для этих целей наиболее подходящими оказались наносекундные электрические разряды в газе.

Наносекундный разряд в газах находится в центре интенсивных исследований начиная с 1960-х годов. Это связано наблюдением в наносекундном диапазоне времен электрического пробоя газа интересных физических явлений, имеющих важные практические применения. Плазма, образующаяся при наносекундном электрическом пробое газа, в последующем нашла широкое применение для импульсной накачки газовых лазеров. За последние 20-30 лет было показано, что такая плазма имеет перспективы потенциального применения в биомедицинских методах лечения (плазменная медицина), уже применяется в технологиях, связанных с быстрым горением газовых смесей, в аэродинамике для управления потоками газов и др. Также известно, что сильноточный газовый разряд наносекундного времени сопровождается кратковременным рентгеновским излучением; последнее объясняется генерацией высокоэнергетичных нетепловых убегающих электронов. Уникальной способностью наносекундных разрядов является и то, что в них удается направлять значительную часть входной энергии на электронное возбуждение атомов, молекул и ионов при высоких давлениях газа.

Наносекундные электрические разряды в последние годы исследуются

широко и в связи с их важными практическими приложениями, связанными с

возможностью получения плазменно-пучковых систем без использования

внешних ускорителей электронных пучков. Генерация пучков убегающих

электронов в газах высокого давления является фундаментальным

физическим явлением, которое начали исследовать еще в прошлом веке.

Убегающими электронами обычно называют электроны, ускоренные в

электрическом поле. В формировании и кинетике наносекундных разрядов

15

важную роль играют высокоэнергичные («убегающие электроны») электроны, генерация которых было установлено в многочисленных публикациях (см., например, ссылки 4,5, и ссылки в них). В газовых разрядах «убегающие электроны» - это электроны, которые получают больше энергии от электрического поля на протяжении среднего свободного пробега, чем теряют при неупругих столкновениях. В зависимости от условий эксплуатации, таких как геометрия разряда, рабочее давление газа, время нарастания напряжения и его амплитуда, реализуются различные механизмы генерации «убегающих электронов». Результаты исследований физических процессов генерации убегающих (высокоэнергетичных электронов) в импульсных газовых разрядах описаны в целом ряде работ, например, в обзоре [5] и в ссылках в нем. К настоящему времени в целом известны основные механизмы генерации убегающих электронов в газах высокого давления. Несмотря на то, что на сегодняшний день нет единой теории или программного обеспечения для численного моделирования физических процессов генерации убегающих электронов во всех условиях, тем не менее, существует большой объем экспериментальных результатов и различных моделей, описывающих наблюдаемые в эксперименте закономерности генерации убегающих электронов. К таковым закономерностям относятся следующие [5]:

- многие экспериментальные и теоретические исследования показывают, что амплитуда тока убегающих электронов увеличивается с увеличением амплитуды напряжения, однако, при значительном увеличении напряжения генератора амплитуда тока убегающих электронов падает из-за ранних процессов ионизации в межэлектродном зазоре во время повышения напряжения;

- как правило, сокращение длительности фронта импульса высокого напряжения на электродах увеличивает амплитуду тока убегающих электронов;

- снижение давления газа в разряде увеличивает интенсивность рентгеновского излучения и количество убегающих электронов. Это связано с увеличением параметра приведенного электрического поля Е/Ы, где Е = им - напряженность электрического поля, а N - плотность частиц газа в межэлектродном промежутке длиной

- при переходе от легких газов к тяжелым количество убегающих электронов уменьшается, что связано с увеличением потерь энергии электронов при столкновениях с атомами;

- с уменьшением порога эмиссии электронов из металлических электродов ток убегающих электронов растет;

- эксперименты показывают, что большинство убегающих электронов в газовом разряде генерируются в направлении его анода из области максимального электрического поля. Однако при достаточно высоких напряжениях такие электроны могут появляться и в направлении стенок разрядной камеры;

- во фронте ионизационной волны или стримера возможны электроны с энергией, превышающей максимальный электрический потенциал еит, когда скорость волны ионизации в определенной точке совпадает со скоростью электронов, набирающих энергию. Доказательство этого факта получено как теоретически, так и экспериментально - экспериментально обнаружены электронов с аномальными энергиями в разрядах атмосферного давления.

За счет плазмы убегающих электронов формируются диффузные разряды в различных газах без источника дополнительной предионизации. Для генерации эмитирующей заряженные частицы плазмы, что является одной из ее основных и важнейших свойств, используют газовые разряды с холодными катодами.

Особенно перспективными выглядят разряды с полым катодом.

Подобные разряды способны существовать при относительно более низких

давлениях газа и образуют плотную неоднородную плазму. В обзоре [4]

представлены исследования разрядов с ускоренными электронами,

формируемыми в газоразрядных системах с полым катодом, выполненные за последние годы.

В настоящее время активно развиваются исследования импульсных, в том числе, наносекундных газовых разрядов с использованием методов численного моделирования. Например, в работе [12] описана трехмерная модель для плазмы, в которой интегрированы жидкостная модель в объемной плазме и модель Монте-Карло для электронов пучка.

В работах по численному исследованию высокоскоростных волн ионизации, в частности, показано, что убегающие электроны, которые генерируются перед фронтом ионизации в сильном электрическом поле, играют важную роль в формировании разряда, они создают предварительную ионизацию газа перед быстрой волной ионизации, несмотря на то, что их плотность невелика.

Таким образом, плазменная среда, формируемая высоковольтными газовыми разрядами, обладает рядом фундаментальных свойств, в частности:

- ФРЭЭ в такой плазме содержит ускоренные надтепловые («убегающие») электроны, формирующие при определенных условиях электронные пучки непосредственно в ионизованном газе. ФРЭЭ таких разрядов состоит из группы ускоренных «убегающих» электронов и другой группы вторичных плазменных электронов с более низкой средней энергией;

- с ускоренными «убегающими» электронами связана анизотропия ФРЭЭ, что может существенно изменить оптические свойства такого плазменного столба [10, 13].

1.2. Волны ионизации в длинных экранированных трубках

В литературе описано большое разнообразие установок для создания быстрыми волнами ионизации протяженных плазменных сред с различной геометрией разрядной системы электродов и различными генераторами высоковольтных импульсов напряжений. Кроме того, использовались

различные газы в широком диапазоне изменения давлений. Изучены важнейшие характеристики таких волн ионизации, как, например, время запаздывания и формирования разрядов, ионизации газа, перемещение фронтов электрического потенциала вдоль трубки. Особое внимание им уделяется в работах Э.И. Асиновского с сотрудниками, А.Н. Лагарькова и И.М. Руткевича, О.А. Синкевича и Ю.В. Трофимова, Л.М. Василяка, А.Ю. Стариковского, С.М.Стариковской, И.В.Адамовича, Н.Л.Александрова, Ю.З.Иониха, описанные в обзорных работах [6-11, 14] и ссылках в них.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Курбангаджиева Марьям Багаудиновна, 2024 год

Список цитируемой литературы

1. Michel, P. Plasma photonics: Manipulating light using plasmas / P. Michel // Technical Report. No. 818220, Lawrence Livermore National Laboratory. -2021. -Vol. 26. - 818220.

2. Bagayev, S.N. Resonant nonstationary amplification of polychromatic laser pulses and conical emission in an optically dense ensemble of neon metastable atoms / S.N. Bagayev, V.S. Egorov, I.B. Mekhov et al. // Physical Review A: Atomic, Molecular, and Optical Physics. - 2003. - Vol. 68, No 4.

- 043812.

3. Багаев, С.Н. Одновременная генерация N когерентных импульсов с различной площадью при самодифрпкции в парах 87Rb / С.Н. Багаев, И.Б. Мехов, И.А.Чехонин, М.А. Чехонин // Оптический журнал. - 2023.

- Т. 90, № 5. - С. 41-49.

4. Korolev, Y.D. Low-pressure discharges with hollow cathode and hollow anode and their applications / Y.D. Korolev, N.N. Koval / Journal of Physics D: Applied Physics. - 2018. - Vol. 51, № 31. - 323001.

5. Tarasenko, V.F. Runaway electrons in diffuse gas discharges // Plasma Sources Science and Technology. - 2020. - Vol. 29, №3. - 034001.

6. Василяк, Л.М. Высокоскоростные волны ионизации при электрическом пробое / Л.М. Василяк, С.В. Костюченко, Н.Н. Кудрявцев, И.В. Филюгин // УФН. - 1994. - Т.164, №3. - С. 263-285.

7. Ионих, Ю.З. Электрический пробой в длинных разрядных трубках при пониженном давлении (обзор) // Физика плазмы. - 2020. - Т. 46, № 10. -С. 928-960.

8. Akishev, Yu.S. On the slow ionization waves forming the breakdown in a long capillary tube with helium at low pressure / Yu.S. Akishev, et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2022. - Vol. 55, № 14. - 145202.

9. Yifei, Zhu. Scaling of pulsed nanosecond capillary plasmas at different specific energy deposition / Zh. Yifei, S.M. Starikovskaia, N.Yu. Babaeva, and M.J. Kushner // Plasma Sources Sci. Technol. - 2020. Vol. 29, No 12. -125006.

10. Ашурбеков, Н.А. Кинетика возбужденных атомов и оптическое излучение при волновом механизме пробоя инертных газов (обзор) / Н.А. Ашурбеков, В.С. Курбанисмаилов, О.А. Омаров, Н.О. Омарова //ТВТ. - 2000. - Т.38, №5. - С.823-839.

11. Ашурбеков, Н.А. Оптимизация параметров пеннинговского плазменного лазера на смеси неон-водород продольным наносекундным разрядом / Н.А. Ашурбеков, В.Б. Борисов, В.С. Егоров, В.Р. Кардашов // Оптика и спектроскопия. - 1995. - Т. 78, № 6. - С. 999-1003.

12. Rauf, Sh. Three-dimensional model of electron beam generated plasma / Sh. Rauf, A. Balakrishna, A. Agarwa, L. Dorf, K. Collins, D. R. Boris, S. G. Walton // Plasma Sources Sci. Technol. - 2017. - Vol.26, № 6. - 065006.

13. Александров, Е.Б. Интерференция атомных состояний / Е.Б. Александров Г.И. Хвостенко, М.П. Чайка // М.: Наука. - 1991. - 256 с.

14. Lagarkov, A.N. Ionization Waves in Electrical Breakdown of Gases / A.N. Lagarkov, I.M. Rutkevich // New York: Springer Verlag. -1994. - 232p.

15. Демкин, В.П. О механизме поляризации состояний атома гелия при возбуждении электронным пучком в электрическом поле / В.П. Демкин, Н.Л. Купчинский, И.И. Муравьев // Физика плазмы. - 1992. - Т.18, №10.

- С. 1352-1357.

16. Ashurbekov, N.A. The Interaction of Broadband Laser Irradiation with Plasma of Electric Discharges near Narrow Resonances // N.A. Ashurbekov, K.O. Iminov, G.Sh. Shakhsinov // Proc. SPIE - The International Society for Optical Engineering. XII International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers . - 2015. - Vol. 9810. - 98101Q-1.

17. Ашурбеков, Н.А. Роль высокоэнергетичных электронов при формировании нестационарных оптических спектров излучения и пропускания плазмы за фронтом высокоскоростных волн ионизации / Н.А. Ашурбеков, К.О. Иминов, Г.Ш. Шахсинов, А.Р. Рамазанов // ТВТ.

- 2015. - Т. 53, №5. - С.664-675.

18. Mekhov, I.B. Quantum optics with ultracold quantum gases: towards the full quantum regime of the light matter interaction / I.B. Mekhov // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. - 2012. - Vol. 45, № 10.

- 102001.

19. Mazzucchi, G. Quantum measurement-induced dynamics of many-body ultracold bosonic and fermionic systems in optical lattices / G.Mazzucchi, W. Kozlowski, S. Caballero-Benitez, Th. J. Elliott, I. B. Mekhov // Atoms -2015. - Vol. 3. - pp. 392-406.

20. Багаев, С.Н. Светоиндуцированные поляритонные кластеры и их применение в оптическом информационном процессинге / С.Н. Багаев, B.C. Егоров, В.Г. Николаев, И.А. Чехонин, С.Н. Чехонин // Химическая физика. - 2015. - Т. 34, № 8. - С. 83-87.

21. Egorov, V. S. Coherent interaction of laser pulses in a resonant optically dense extended medium under the regime of strong field-matter coupling // V.S. Egorov, V. Lebedev, I.B. Mekhov, P.V. Moroshkin, I.A. Chekhonin, S. N. Bagayev //Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. -2004. - Vol. 69, No 3. - 033804.

22. Andreas, P. Dynamic transition from complete population transfer to self-induced transparency / P. Andreas, M. H. Joachim, H. Ortwin // Physical Review A. - 2012. - Vol. 85, No 4. - 043807.

23. Багаев, С.Н. Наблюдение параметрического неадиабатического возбуждения кооперативных резонансов при фемтосекундной оптической накачке плотного резонансного протяженного вещества без инверсии заселенностей в условиях сильной связи электромагнитного поля и вещества / С.Н. Багаев, В.С. Егоров, А.А. Пастор, Д.Ю. Преображенский, А.А. Преображенская, П.Ю. Сердобинцев, И.А. Чехонин, М.А. Чехонин // Оптика и спектроскопия. - 2016. - Т. 121, № 3. - С. 425-429.

24. Holger, F. H. Quantum Maxwell-Bloch equations for spatially inhomogeneous semiconductor lasers / F. H. Holger, Hess Ortwin // Phys. Rev. A - 1998. - Vol. 59, № 3. - 2342.

25. Архипов, Р.М. Излучение резонансной среды, возбуждаемое лазерным излучением с периодической фазовой модуляцией в режиме сильной связи поля и вещества / Р.М. Архипов, М.В. Архипов, В.С. Егоров, И.А. Чехонин, М.А. Чехонин, С.Н. Багаев // Оптика и спектроскопия - 2019. -Т. 127, № 12. - С. 967 - 975.

26. Xudong, Yu. Multi-normal mode-splitting for an optical cavity with electromagnetically induced transparency medium / Yu. Xudong, Zh. Jing // Optics Express - 2010. - Vol. 18, № 5. - pp. 4057- 4065.

27. Wu, H. "Splitting of atom-cavity polariton peaks for three-level atoms in an optical cavity," / H. Wu, J. Gea-Banacloche, M. Xiao // Phys. Rev. A - 2009. - Vol. 80, № 3. - 033806.

28. Lien, Y.-H. Observing coherence effects in an overdamped quantum system / Y.-H. Lien, G. Barontini, M. Scheucher, M. Mergenthaler, J. Goldwin, E.A. Hinds// Nature Communications. - 2016. - Vol. 7. - 13933.

29. Simon, J. Single -photon bus connecting spine-wave quantum memories / J. Simon, H. Tanji-Suzuki, S. Ghosh, V. Vuletic // Nature Phys. - 2007. - Vol. 3, No 11. - P. 765-769.

30. Dudin, S. Entanglement of a Photon and an Optical Lattice Spin Wave / R. Dudin, S. D. Jenkins, C. J. Zhao, Y. O. Campbell, D. N. Matsukevich, T. A. B. Kennedy, A. Kuzmich // Phys. Rev. Lett. - 2009. - Vol. 103, № 2. -120505

31. Imamoglu, A. Observation of electromagnetically induced transparency / A. Imamoglu, K. Boller, and S. E. Harris // Quantum Electronics and Laser Science Conference. - 1991. - Vol. 11, № 66. - pp. 2593-2596.

32. Albert, M. All-cavity electromagnetically induced transparency and optical switching: semiclassical theory. / M. Albert, M. Drewsen // Phys. Rev. A. -2012. - Vol. 85, No 1. - 013840.

33. Alam, Sh. Lasers without inversion and electromagnetically induced transparency /Sh. Alam // SPIE, Bellingham. - 1999. - 468 p.

34. Ашурбеков, Н.А. Асимметрия оптических спектров пропускания импульсного разряда с протяженным полым катодом при резонансном взаимодействии коротких лазерных импульсов с возбужденными атомами неона / Н.А.Ашурбеков, М.Б.Курбангаджиева, К.О.Иминов, Г.Ш.Шахсинов, К.М.Рабаданов // Журнал прикладной спектроскопии. -2022. - Т. 89, № 6. - С. 815-819.

35. Ashurbekov, N.A. Generation of high-energy electrons in the nanosecond gas discharges with a hollow cathode / N.A. Ashurbekov, K.O. Iminov // Generation of runaway electron beams and X-Rays in high pressure gases,

142

edited by V.F.Tarasenko. Nova Publishers, New York. - 2016. - Vol. 1. -421 p.

36. Фриш, С.Э. Оптические спектры атомов / С.Э. Фриш // 2-е издание. Санкт-Петербург, Издательство ЛАНЬ. - 2010. - 640 с.

37. Ашурбеков, Н.А. Способ измерения плотности возбужденных атомов в продольном наносекундном разряде / Н.А. Ашурбеков, Н.О. Омарова, К.Т. Таибов // Патент на изобретение RU 2082963 C1. - 1997. - Заявка № 94018720/25 от 24.05.1994

38. Закарьяева, М.З. Пространственно-временная динамика ионизационных процессов в наносекундных разрядах в инертных газах с протяженным полым катодом диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" - 2023. - 291 c.

39. Держиев, В.И. Пеннинговские плазменные лазеры на переходах гелия и неона / В.И. Держиев, В.Ф. Тарасенко, С.И. Яковленко, А.М. Янчарина // Труды ИОФ АН. - 1989. - Т.21. - С.5-43.

40. Chernyshov, A. K. Measurement of pressure shift and broadening coefficients for Ne 3s[3/2]2—^3p[5/2]3 transition in Ne and He using diodelaser absorption spectroscopy / A. K. Chernyshov, P. A. Mikheyev, N. I. Ufimtsev // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. -2021 - Vol. 258. - 107368

41. Copley, G.H. A comparison of self -broadening and shift of helium, neon and argon emission lines / G.H. Copley // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. - 1976. - Vol. 16, No 7. - P. 553-558.

42. Kuhn, H. G. Self -broadening and f-values in the spectrum of neon/ H. G. Kuhn, E. L. Lewis // Proc. R. Soc. A. - 1967. - Vol. 299. - pp. 423-433.

43. Srivastava, R. P. Complete line shape for the impact, static, and the intermediate regions / R. P. Srivastava, H. R. Zaidi // Can. J. Phys. - 1975. -Vol. 53, № 1. - pp. 84-92.

44. Kramida, A. NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.11) / A. Kramida, Yu.Ralchenko, J. Reader, NIST ASD Team // National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. - 2023.

45. Ashurbekov, N.A. Formation of asymmetric optical transmission spectra of a nanosecond discharge in extended shielded tubes upon resonant interaction of short laser pulses with excited neon atoms / N.A. Ashurbekov, K.O. Iminov,

G.Sh. Shakhsinov, M.B. Kurbangadzhieva, K.M. Rabadanov // Proceedings SPIE - The International Society for Optical Engineering. XIV International Conference on Atomic and Molecular Pulsed Lasers. - 2021. - Vol. 12086. -1208617-1.

46. Цендин Л.Д. Нелокальная кинетика электронов в газоразрядной плазме / Л.Д. Цендин // УФН. - 2010. - T.180, №2. - C.139-184.

47. Ashurbekov N.A. Numerical Simulation of a Partially Anisotropic Electron Distribution Function in a Pulsed Discharge with a Hollow Cathode / Zakaryaeva M.Z., Rabadanov K. M., Iminov K.O., Kurbangadzhieva M.B., Kudryavtsev A.A. // Phys. Plasmas. - 2022. - Vol. 29, No 12 -123905.

48. Ashurbekov, N.A. Simulation of the spatio-temporal evolution of the electron energy distribution function in a pulsed hollow-cathode discharge/ Iminov K.O., Rabadanov K.M., Shakhsinov G.S., Zakaryaeva M.Z. and Kurbangadzhieva M.B. // Plasma Sci. Technol. - 2023. - Vol. 25, №.3 -035405.

49. Курбангаджиева, М.Б. Кинетическая модель формирования поперечной пространственной структуры наносекундного разряда в длинных экранированных трубках с полыми электродами/ М.Б. Курбангаджиева,

H.А. Ашурбеков, К.О. Иминов, Г.Ш. Шахсинов., К.М. Рабаданов // Вестник Дагестанского государственного университета Серия 1. Естественные науки. - 2023. - Т. 38, №. 2. - С. 14-20.

50. Ashurbekov, N.A. Quantum-optical effects of resonant short laser pulse interaction with neon nanosecond discharge plasma in narrow shielded tubes / N.A. Ashurbekov, K.O. Iminov, M.B. Kurbangadzhieva and G.Sh. Shakhsinov // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. XIV International Conference on Pulsed Lasers and Laser Applications. - 2019. - Vol. 11322. - 113220H-1.

51. "COMSOL Multiphysics Reference Manual, version 5.5", COMSOL, Inc, www.comsol.com.

52. Tejero-del-Caz, A. The LisbOn Kinetics Boltzmann solver / A. Tejero-del-Caz , V. Guerra, D. Gonfalves, M. Lino da Silva, L. Marques, N. Pinhao, C.D. Pintassilgo, L.L. Alves // Plasma Sources Sci. Technol. - 2019. - Vol. 28, № 4. - 043001.

53. Альтшулер, Г. Б. Нелинейные линзы и их применения / Г. Б. Альтшулер, М. В. Иночкин // УФН. - 1993. - Т.163, № 7. - C. 65- 84.

54. Derbov, V. L. Influence of the resonant self-action and nonstationary coherent effects on the characteristics of a frequency-modulated laser beam. / V. L. Derbov, V. V. Serov, I. L. Plastun, A. V. Trofimov // Proc. SPIE. - The International Society for Optical Engineering. VII Saratov Fall Meeting Laser Physics and Photonics, Spectroscopy and Molecular Modeling, - 2007. - 653704.

55. McCall, S. L. Self-Induced Transparency / S. L. McCall, E. L. Hahn // Phys. Rev. -1969. - Vol.183, N 2. - pp. 457-485.

56. Maimistov, A. I., Present state of self-induced transparency theory / A. M. Basharov, S. O. Elyutin, Y. M. Sklyarov // Phys. Rep. -1990. - Vol. 191, №. 1. - pp. 1-108.

57. Bullough, R. K. A general theory of self-indused transparency / R. K. Bullough, P. J. Caudrey, J. C. Eilbeck, J. D. Gibbon // Opt. Quantum Electron. -1974. -Vol. 6. - pp. 121-1974.

58. Аллен, Л. Оптический резонанс и двухуровневые атомы / Л. Аллен, Дж. Эберли // М.: Мир - 1978. - 222 с.

59. Козлов, В.В. К теории самоиндуцированной прозрачности в сфокусированном световом пучке/ В.В. Козлов, Э.Е. Фрадкин // Письма в ЖЭТФ. - 1991. - Т. 54, № 5. - С. 266 - 269.

60. Egorov, V.S. Characteristics of coherent propagation of a superradiant pulse through an optically dense resonantly absorbing medium / V.S. Egorov, N.M. Reutova // Opt. and Spectrosa -1989. - V. 66, № 6. - pp. 716-718.

61. Багаев, С.Н. Полностью оптическое формирование свойств трехмерного солитона самоиндуцированной прозрачности в парах 87Rb / С.Н. Багаев,

145

И.Б. Мехов, И.А. Чехонин, М.А. Чехонин // Оптический журнал. - 2023. - Т. 90, № 5. - С. 3-9.

62. Kocharovskaya, O. Amplification and lasing without inversion / O. Kocharovskaya // Phys Rep. - 1992. - Vol. 219, № 3. - pp. 175-190.

63. Fleischhauer, M. Lasing without inversion and enhancement of the index of refraction via interference of incoherent pump processes / M. Fleischhauer, CH. Keitel, MO. Scully, C. Su. // Opt. Commun. - 1992. - Vol. 87. - pp. 109-114.

64. Farmer, C. I. Time-resolved stimulated emission spectra of an organic dye laser/ C. I. Farmer, B. C. Huth, L. M. Taylor, M.R. Kagan // Applied physics letters. - 1968. - Vol. 12, № 4. - pp.136-138.

65. Vinogradov, S.E. Nonlinear dynamics of a multimode day laser an adjustable resonator dispersion and implications for the sensitivity of in-resonator laser spectroscopy/ S.E. Vinogradov, A.A. Kachanov, S. Kovalenko, E.A. Sviridenkov // JETP Lett. - 1992. - Vol. 55, № 10. - pp. 581-585.