Odredjivanje parametra plazme proizvedene u T-cevi sa modifikovanim sistemom za pražnjenje

UNIVERZITET U NOVOM SADU 

PRIRODNO-

0$7(0$7,ý.,

FAKULTET 

DEPARTMAN ZA FIZIKU 

Teodora Gajo 

ODRE

,9$1-(3$5$0(7$5$3/$=0(

PROIZVEDENE U T-CEVI SA MODIFIKOVANIM 

6,67(020=$35$ä1-(1-(

– diplomski rad – 

Mentor: 

Dr Zoran Mijatovi

ü

Novi Sad, 2005. 

6 $'5ä$-

UVOD

 .........................................................................  1

GLAVA 1 

TEORIJSKI UVOD .......................................................

2

1.1

(OHNWURPDJQHWQR]UDþHQMHSOD]PH

...

3 

1.2

Mehanizmi širenja spektralnih linija .............................  4 

1.2.1 Osnovni elementi Stark-ovog širenja 
 

spektralnih linija ................................................... 

 
5

1.2.2 Stark-ove širine i pomeraji spektralnih  
 

linija jonizovanih atoma ....................................... 

 
9

1.3

Izvori plazme .................................................................  12 

1.3.1 Elektromagnetna udarna T-cev ............................  13 

GLAVA 2

OPIS IZVORA PLAZME .............................................  18 

2.1

(OHNWULþQLVLVWHP

 18 

2.2

Gasni sistem ..................................................................  21 

2.3

2SWLþNLLPHUQLVLVWHP

 21 

GLAVA 3

OPIS MERENJA I DISKUSIJA REZULTATA ...........

23 

3.1

Karakteristike izvora plazme .........................................

23 

 3.1.1 

-DþLQDVWUXMHSUDåQMHQMD

 ........................................  24 

3.1.2. Srednja brzina fronta udarnog talasa ...................  29 

3.2

Spektroskopska merenja ................................................  32 

=$./-8ý$.

.........................................................  38

LITERATURA

 ........................................................  39

G L A V A    I 

TEORIJSKI UVOD

Plazma po definiciji predstavlja sistem naelektrisanih 

č

estica 

č

ijim 

ponašanjem dominira kolektivna interakcija

1

 uslovljena postojanjem mikroelektri

č

nog 

polja koje poti

č

e od svih prisutnih naelektrisanih 

č

estica [1]. Kolektivna interakcija 

naelektrisanih 

č

estica je prouzrokovana Coulomb-ovim silama i ima niz specifi

č

nih 

posledica, od kojih je najvažnija makroskopska kvazineutralnost, tj. težnja plazme ka 
stanju u kome je zapreminska gustina naelektrisanja jednaka nuli. Uslov 
makroskopske kvazineutralnosti ujedno odre

đ

uje i kriterijume plazmenog stanja. Da 

bi uslov elektroneutralnosti plazme : 
 

0

e n

α α

α

=

∑

          (1.1) 

 
gde je 

e

α

 i 

α

n

 naelektrisanja i koncentracije pojedinih vrsta 

č

estica plazme 

respektivno, bio zadovoljen, dimenzije oblasti koju zauzima plazma moraju biti 
znatno ve

ć

e od dimenzija njene Debye-eve sfere, a razmatrani interval vremena mora 

da bude ve

ć

i od perioda elektronskih plazmenih oscilacija. Drugi kriterijum se može 

formulisati i kao zahtev da uticaj sudara na plazmene oscilacije bude što manji kako 
ne bi došlo do amortizovanja plazmenih oscilacija koje obezbe

đ

uju nastajanje 

makroskopske elektroneutralnosti plazme. Zna

č

i, kriterijumi plazmenog stanja se 

mogu napisati na slede

ć

i na

č

in: 

3

D

V

r

>>

 i 

(1.2) 

p

α

α

ν

ω

<<

gde je 

V

 zapremina oblasti koju zauzima plazma, 

D

r

 Debye-ev radijus plazme 

definisan kao: 

0

2

D

kT

r

e n

ε

=

(1.3) 

α

ν

je totalna koliziona frekvencija, tj. ukupan broj sudara koje jedna 

č

estica vrste 

α

pretrpi u jedinici vremena, a 
 

2

0

p

e n

m

α α

α

α

ω

ε

=

          (1.4) 

 
plazmena frekvencija za istu vrstu 

č

estica. 

1

Parne interakcije dolaze do izražaja samo u slu

č

ajevima kada se dve 

č

estice na

đ

u na tako malom 

me

đ

usobnom rastojanju da njihovo uzajamno dejstvo bitno uti

č

e na njihovo dalje kretanje.

Glava I

  Teorijski uvod 

3

Kolektivna interakcija prisutna u plazmi uslovljava i odigravanje razli

č

itih 

elementarnih procesa me

đ

u njenim konstituentima. Najvažniji su ekscitacija 

kvantiranog sistema (atom, molekul ili jon) koji se može odvijati sudarima sa drugim 
atoma, elektronima ili kao fotoekscitacija uz apsorpciju fotona, zatim jonizacija 
posredstvom neelasti

č

nog sudara sa elektronom, apsorpcijom fotona dovoljno velike 

energije ( 

ion

h

W

ν

≥

, gde je 

ion

W

 energija jonizacije) ili kao termalna jonizacija 

sudarom sa drugim atomima, itd. Svaki od ovih procesa ima svoj inverzni proces 
(ekscitaciji inverzan proces je deekscitacija, a jonizaciji rekombinacija). Usled 
elementarnih procesa dolazi do promene koncentracija razli

č

itih vrsta 

č

estica u 

jedinici vremena, što uti

č

e i na bitan parametar plazme, tzv. stepen jonizacije 

X

. 

Naime, kona

č

no stanje jonizacije u plazmi odre

đ

uje se konkurencijom direktnih i 

inverznih procesa i na

č

inom uspostavljanja jonizaciono-rekombinacione ravnoteže. 

Stepen jonizacije je odnos koncentracije jonizovanih atoma jedne vrste i koncentracije 
prvobitno prisutnih neutralnih atoma iste vrste. Zavisnost stepena jonizacije od 
pritiska (koncentracije) i temperature plazme je data Saha-jedna

č

inom koja daje dobre 

rezultate pri malim stepenima jonizacije (

4

10

X

−

<

): 

3/ 2

2

(

1, )

2

( , )

(

1, )

2

exp

( , )

( , )

e

e

e

ion

e

n Z

i n

m kT

W

Z i

g Z

i

n Z i

g Z i

h

kT

π

⎛

⎞

+

+

⎛

⎞

=

−

⎜

⎟

⎜

⎟

⎝

⎠

⎝

⎠

          (1.5) 

gde je 

Z

 višestrukost jonizacije, a  (

1, )

g Z

i

+

stepen degeneracije 

Z+1

 puta 

jonizovanog atoma u osnovnom stanju 

i

. 

Dakle, parametri koji karakterišu plazmu su njen sastav, tj. vrste 

č

estica koje 

se u njoj javljaju (elektroni, pozitivni i negativni joni, neutralni atomi i molekuli) i 
koncentracije i temperature njenih konstituenata, jer ovi parametri odre

đ

uju 

elementarne procese u plazmi. Naj

č

eš

ć

e koriš

ć

en eksperimentalni metod za 

odre

đ

ivanje ovih parametara je spektroskopija plazme, tj. prou

č

avanje osobina 

zra

č

enja plazme. 

1.1. Elektromagnetno zra

č

enje plazme 

Mehanizmi emitovanja zra

č

enja u plazmi se dele na individualne i kolektivne. 

U prvom slu

č

aju do emisije fotona dolazi usled prelaska jednog elektrona iz po

č

etnog 

kvantnog stanja u krajnje kvantno stanje, tj. svaki elektron (atom) zra

č

i kao potpuno 

izolovana 

č

estica, a ukupno zra

č

enje se dobija sumiranjem zra

č

enja pojedina

č

nih 

elektrona. U drugom slu

č

aju zra

č

enje emituje ceo kolektiv naelektrisanih 

č

estica na 

frekvencijama bliskim elektronskim plazmenim frekvencijama i ovo zra

č

enje se 

obi

č

no javlja kod nestabilnih plazmi [1]. 

Pri prou

č

avanju individualne emisije, obi

č

no se razlikuju tri tipa prelaza elektrona iz 

po

č

etnog u krajnje stanje: 

1.  Slobodno-slobodni prelazi, kod kojih je elektron i u po

č

etnom i u krajnjem 

stanju slobodan. Do emisije zra

č

enja dolazi ili u toku sudara sa nekom drugom 

č

esticom (zako

č

no zra

č

enje) ili usled ciklotronske rotacije elektrona u 

spoljašnjem magnetnom polju (ciklotronsko zra

č

enje). U oba slu

č

aja 

mehanizam zra

č

enja je isti, ono nastaje usled neravnomernog kretanja 

elektrona, a emitovano zra

č

enje ima kontinuiran spektar. 

2.  Slobodno-vezani prelazi, kod kojih je elektron u po

č

etnom stanju slobodan, 

dok je u krajnjem ugra

đ

en u atomski omota

č

. U ovom slu

č

aju se kineti

č

ka 

Glava I

  Teorijski uvod 

5

ovaj efekat je da ne dolazi do pomeranja linije ( 

0

0

λ

λ

∗

=

, ukoliko ne postoji 

makroskopsko kretanje plazme kao celine), i da profil ima oblik Gauss-ove krive 

č

ija je poluširina: 

1/ 2

0

2 2 ln 2

T

k
c

m

α

α

λ

λ

Δ

=

          (1.6) 

 
iz 

č

ega se zaklju

č

uje da je Doppler-ovo širenje dominantno kod spektara lakih 

atoma u plazmama visoke temperature. 
3.  Širenje usled pritiska 

č

iji je uzrok interakcija emitera sa okolnim neutralnim i 

naelektrisanim 

č

esticama. Ovo širenje se prema vrsti perturbera deli na: 

- Van der Waals-ovo širenje koje nastaje usled interakcije emitera sa neutralnim 
atomima. Potencijal ove interakcije opada sa šestim stepenom rastojanja izme

đ

u 

č

estica, tako da 

ć

e se u zavisnosti od rastojanja menjati i energetska razlika 

izme

đ

u nivoa atoma emitera, što se odražava na talasnu dužinu emitovanog fotona 

[2]. 
-  Rezonantno širenje

koji nastaje usled interakcije emitera sa perturberima iste 

vrste kao i emiter [3]. 
-  Stark-ovo širenje, gde do širenja dolazi usled interakcije emitera sa 
naelektrisanim 

č

esticama. 

Eksperimentalno posmatrani profili spektralnih linija emitovanih iz plazme se 

naj

č

eš

ć

e objašnjavaju kombinovanim uticajem Doppler-ovog i Stark-ovog efekta

2

 . 

Ako uvedemo veli

č

inu 

0

ξ λ λ

∗

= −

, tj. rastojanje od centra linije, i sa 

( )

D

I

ξ

 i 

( )

S

I

ξ

ozna

č

imo funkcije koje opisuju Doppler-ovo i Stark-ovo širenje profila, onda se 

rezultuju

ć

i profil dobija kao konvolucija gornjih dveju funkcija, i naziva se Voigt-ov 

profil [1]: 
 

( )

( ) (

)

D

S

I

I

I

d

ξ

η

ξ η η

+∞

−∞

=

−

∫

          (1.7) 

 
Osim ovih uzroka dodatno instrumentalno širenje spektralnih linija unosi i spektralni 
ure

đ

aj. Instrumentalni profili su približno Gauss-ovog tipa. 

Kako je u eksperimentu koja je tema ovog diplomskog rada 

dominantan efekat Stark-ovog širenja, sledi detaljniji opis teorije Stark-ovog širenja. 
 
 

1.2.1. Osnovni elementi Stark-ovog širenja spektralnih linija 
 

Stark-ov efekat se ispoljava u promeni energije i cepanju energijskih nivoa 

atoma emitera pod dejstvom promenljivog mikroelektri

č

nog polja plazme, pri 

č

emu 

dolazi do širenja i pomeranja spektralnih linija. 

Teorije Stark-ovog širenja razvile su se u dva pravca. Unificirane teorije 

razmatraju profil linije kao celinu i daju dobre rezultate za linije koje se ne mogu 

2

 Me

đ

utim, iako Van der Waals-ovo i rezonantno širenje imaju obi

č

no mali uticaj (jer su laboratorijske 

plazme obi

č

no toliko jonizovane da je elektronska koncentracija uporediva sa koncentracijom neutrala, 

tako da je širenje usled sudara sa elektronima dominantno, dok sa neutralnim 

č

esticama daje mali 

doprinos ukupnoj širini linije), i taj uticaj treba proveriti.