ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ И ВЕРОЯТНОСТЕЙ РАДИАЦИОННЫХ ПЕРЕХОДОВ ХЕI ПЛАЗМЫ ХОЛЛОВСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Труды МАИ. Выпуск № 92

www.mai.ru/science/trudy/

УДК 533.9.

Определение концентраций возбужденных состояний и вероятностей радиационных переходов Хе1 плазмы холловских двигателей

Криворучко Д.Д.1*, Скрылев А.В.1, Скороход Е.П.2**

1Московский физико-технический институт, Институтский пер.9, Долгопрудный, Московская область, 141701, Россия. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, A-80, ГСП-3, 125993,

Россия

*e-mail: daria. krivoruchko@phystech. edu **e-mail: e.p.skorohod@mail.ru

Аннотация

Исследуется низкотемпературная плазма ксенона Холловского двигателя. Эксперименты проводились в горизонтально расположенной цилиндрической вакуумной камере диаметром 1,8 м. и длиной 4,5 м., оптические измерения — в диапазоне от 250 нм до 1100 нм.

В кулоновском приближении рассчитаны вероятности радиационных переходов (коэффициенты Эйнштейна) для спонтанного излучения атома ксенона (~800 переходов). По линиям спектра с использованием рассчитанных вероятностей фото-переходов определены заселённости атома Хе для четырёх разных случаев положения щели. "Рой-образный" характер распределения заселённостей возбуждённых состояний сохраняется во всех

четырёх случаях, причём относительное расположение значений концентраций в зависимости от энергии возбуждения уровня ( "штрих-код" ) не меняется.

Ключевые слова: плазма ксенона, вероятности фотопереходов (коэффициенты Эйнштейна) Хе I, концентрации возбуждённых состояний плазмы Холловского двигателя.

Введение

Данная работа возникла как результат совместных обсуждений по спектроскопической диагностике неравновесной низкотемпературной плазмы ксенона.

Спектроскопические методы наиболее хорошо разработаны для плазмы, находящейся в локальном термодинамическом равновесии (ЛТР) [1, 2], когда предполагается, что распределение электронов по энергиям, соответствующее распределению Максвелла, устанавливается практически мгновенно; а распределение частиц по возбуждённым уровням соответствует статистике Больцмана

N +<>-1) „ (т-1) Е

1

8 ехр(- ^), (1)

N+(т-1) %(т-1) кТ

где - заселенность 1 - го возбужденного состояния частиц, (т -1) -

ой кратности ионизации (т = 1 для атома), g(im-1 - статистический вес 1 -го

возбужденного состояния, Е - энергия этого состояния, Z(т-1) -статистическая сумма по состояниям частиц. В случае ЛТР концентрации

возбуждённых состояний (в десятичном логарифмическом масштабе) в зависимости от их энергии возбуждения есть прямая линия. Для термической ионизации верна формула Саха

NN+m „ 2т ,ткТ^п , I(т-1)-А!(т-1)

= 2^(^:7 )3/2 ехр(----). (2)

N+(т-1) 2 (т-1) 2лк2' кТе

Здесь Ые- концентрация электронов, I(т-1) - энергия ионизации, А!(т-1) -

снижение энергии ионизации.

В диагностике неравновесной квазистационарной плазмы, как правило, возникают трудности - это: неоднозначность геометрии плазменного объекта по его термодинамическим и оптическим параметрам; не больцмановский характер распределений заселённостей возбуждённых состояний (РВС) и особенности двухтемпературной плазмы, например, случай метаравновесной плазмы инертных газов [3-5, 7,8].

Для большинства используемых плазменных источников диагностика исследуемой плазмы, разработанная в рамках модели ЛТР, не претерпела особых изменений. Это, в какой-то мере, относится и к исследованиям плазмы Холловского двигателя (ХД), интенсивно проводимых в 70-ых годах прошлого века.

Наряду с этим, например, [6], для разреженной плазмы ХД рассматривалась корональная модель, в рамках которой (как подчёркивают авторы [6]) "существует равновесие между ударным возбуждением и спонтанным девозбуждением" Заметим, что это утверждение претерпело некоторые изменения, например, [3,7,8].

Расчёты многоуровневой кинетики ксенона [3,7] показали, что при

-5

концентрациях электронов N ~1016см- (рис.1а) выполняется модель ЛТР и РВС прямая линия.

Рис.1 Распределения возбуждённых состояний Хе! [7].

"5

В случае, когда N ~1014см- , (рис.1б) РВС носит характер ломанных линий. При концентрациях электронов ~ 1011 -1012 см- (рис.1в) заселённости, РВС представляют собой "рой" точек, значения которых лежат в пределах нескольких порядков. Температура электронов задавалась Те = 0.8 эВ для

разных значений концентраций электронов Ые (см-) и плотности ядер N0

-5

(см-3), указанных под графиком.

Таким образом, для разреженной плазмы представления РВС в виде отдельных точек, соединённых отрезками прямых разных наклонов, как желание видеть больцмановскую прямую, ошибочно. Постановка задачи.

Рассчитать вероятности фото-переходов одинаковым способом для всех обрабатываемых линий.

Из полученных спектров (экспериментальных значений интенсивностей линий) найти (с точностью вычисленных вероятностей) концентрации возбуждённых состояний (заселённости), используя выражение для интенсивности спектральной линии

1Я=-Н^М1А1((Л), (3)

1 4тгА 111 ) V У

где N - концентрация верхнего состояния, А - вероятность фотоперехода (коэффициент Эйнштейна), Н - постоянная Планка, (р(Л) - спектральный контур линии.

Построить РВС, аналогичные (рис.1в), для спектров снятых из разных областей. Убедиться, что их характер не меняется. Используя те же самые коэффициенты Эйнштейна, в рамках многоуровневой кинетики рассчитать заселённости тех же фото-переходов. В результате расчётов многоуровневой кинетики добиться совпадения теоретически полученными РВС с экспериментальными и тем самым, "узнать" (подтвердить правильность нами

задаваемых параметров): концентрацию электронов и их температуру, плотность ядер и их температуру.

Иными словами, будем полагать, что подобно тому как в атомной физике для каждого атома существует своя схема уровней (Гротриана), соответствующая длинам волн линейчатого спектра, так и всякая плазма имеет свой "штрих-код" в виде РВС, получаемых из спектров.

1.Расчёты вероятностей радиационных переходов атома ксенона

Одной из характеристик возбуждённых состояний атома являются вероятности радиационных переходов или коэффициенты Эйнштейна для спонтанного излучения

Г 1 \3 />2

Л = —

ёк 2ао

V137)

е

2аг

2

2

ё

/к = 0.829 • 1010 ё- 1—1 /к . (4)

V Яу) ш ёк V Яу)

Сила осциллятора в поглощении перехода I - к равна

/к = ^ ^ г. £ к), (5)

где р(£п£ к) - величина, заданная как функция орбитальных моментов оптического электрона в начальном и конечном состояниях и эффективных главных квантовых чисел уровней (не конфигурации в целом) п* и пк *. При вычислении £ к) использовались атомные функции кулоновского

приближения [9]. 0 - фактор отражает угловую зависимость матричного элемента [10]. В табл. 1 представлены результаты расчёта [10] сил

осцилляторов в поглощении дипольных переходов согласно (4),(5) в порядке возрастания длин волн , а также расчёты вероятностей фотопереходов [10]. Проводится сравнение с данными других авторов [1118].

Таблица 1

Расчёты силы осцилляторов/к и вероятностей переходов Ак1 Хе I.

Сравнение с данными других авторов:

А - [11], В - [12], С - [13], В - [14], G - [18].

переход X, нм /к [10], другие авторы Лк1,10бс"1 [10] Лк„ 10бс-1 другие авторы Промежуточный тип связи [14, 15]

/к Лк1, 10бс-1

6б[3/2]2—7р[1/2]0 459.12 0,31(+2)

б8[3/2]2---7р[3/2]1 461.19 0,17(-2) 0,89(+0) 0,774(-3) 0,341(-3) 0,239(+2)

б8[3/2]2---7р[3/2]2 462.43 0,15(-1) 0,1(-1)0 0,47(+1) 0,16(-1) 0,508(-2) 0,107(+2) 0,972(+1)

6б[3/2]2—7р[5/2]3 467.12 0,14(-1) 0,1(-1)0 0,3(+1) 0,169(-1) 0,753(-2) 0,392(+2)

б8[3/2]2---7р[5/2]2 469.7 0,3(-2) 0,3(-2)в 0,9(+0) 0,408(-2) 0,157(-2) 0,297(+2)

б8[3/2]2---7р[1/2]1 479.26 0,17(-2) 0,82(+0) 0,398(-3) 0,168(-3) 0,184(+1) 0,23(+1)

6в[3/2] 1—7р[1/2]0 480.7 0,56(-2) 0,5(-2)в 0,48(+1) 0,591(-2) 0,427(-2)

6в[3/2] 1—7р[3/2]1 482.97 0,11(-1) 0,4(-2)в 0,32(+1) 0,453(-2) 0,412(-2) 0,249(+2) 0,224(+2)

6в[3/2] 1—7р[3/2]2 484.33 0,22(-2) 0,4(-2)в 0,37(+0) 0,439(-2) 0,349(-2)

6в[3/2] 1—7р[5/2]3 489.48

6в[3/2] 1—7р[5/2]2 492.32 0,1(-1) 0,42(-2)в 0,16(+1) 0,354(-2) 0,505(-2) 0,192(+0) 0,815(-1)

б8[3/2]1---7р[1/2]1 502.83 0,77(-2) 0,2(+1) 0,123(+1)

б8[3/2]2---6р[1/2]0 765.99 0,475(+0)

6р[1/2]1---ба[3/2]1 783.3 0,19(-2) 0,21(+0) 0,85(-4) 0,345(-3) 0,369(+1) 0,164(+1)

6р[1/2]1---ба[5/2]3 815.08 0,498(+1)

б8[3/2]2---6р[3/2]2 823.16 0,315(+0) 0,31(+2) 0,38(+1) Л 0,253(+0) 0,158(+1)

0,24(+0)в 0,98±0,1(+0) В 0,23(+2) С 0,42(+2) В 0,227(+0) 0,404(+0) 0,178(+0)

6в[3/2] 1—6р[1/2]0 828.01 0,12(+0) 0,35(+2) 0,1(+2) Л 0,153(+0) 0,261(+1)

0,12(+0)в >0,3(+1) В 0,103(+0) 0,137(+1)

G,36(+2) C G,55(+2) D G,196(+2) G,174(+2)

6p[1/2]1-- -6d[5/2]2 834.9 G,242(-2) G,345(-2) G,316(+2)

6p[5/2]2-- -6d[3/2] 1 839.23 G,6(-3) G,94(-1) G,212(-2) G,259(-2) G,263(+2) G,1G6(+2)

6s[3/2]2-- -6p[3/2]1 84G.92 G,35(-1) G,13(-1)G G,55(+1) G,83(+G) A 0,99±0,05(+0) B G,21(+1) C G,4(+1) D G,117(-1) G,146(-1) G,942(+1) G,445(+2)

G,3G1(+2)

6p[1/2]1-- -6d[7/2]3 85G.41

6p[1/2]1-- -6d[7/2]4 858.68

6p[5/2]3-- -6d[3/2] 1 859.68 G,585(+G)

6p[1/2]1-- -6d[3/2]2 873.94 G,99(-1) G,52(+1) G,985(-1) G,989(-1) G,834(+G)

6p[5/2]2-- -6d[5/2]3 875.82 G,13(-2) G,8(-1) G,96(-2) G,125(-1) G,748(+G) G,595(+G)

6s[3/2]2-- -6p[5/2]3 881.94 G,485(+G) G,3(+2) 0,75±0,05(+0) B G,3(+2) C G,477(+2) D G,641(+G) G,129(+1)

G,55(+G)G G,485(+G) G,118(+1) G,512(+1)

6p[1/2]1-- -6d[1/2]1 886.23 G,91(-1) G,77(+1) G,113(+G) G,134(+G) G,369(+1) G,232(+G)

6p[1/2]1-- -6d[1/2]G 89G.87 G,478(-1) G,12(+2) G,579(-1) G,582(-1) G,436(+G) G,279(+G)

6s[3/2]1-- -6p[3/2]2 895.22 G,588(-1) G,2(+G)G G,29(+1) G,11(+2) C G,129(+2) D G,213(+G) G,189(+G) G,45(+G)

6p[5/2]3-- -6d[5/2]3 898.1 G,217(-1) G,18(+1) G,224(-1) G,257(-1) G,287(+G) G,61(+G)

6p[5/2]2-- -6d[5/2]2 898.75 G,284(-1) G,23(+1) G,512(-1) G,554(-1) G,526(-1)

6p[3/2]1-- -6d[3/2] 1 9G2.59 G,166(-1) G,14(+1) G,573(-1) G,5G2(-1) G,25(-1)

6s[3/2]2-- -6p[5/2]2 9G4.54 G,1G2(+G) G,83(+1) 0,85±0,05(+0) B G,1(+2) C G,13(+2) D G,132(+G) G,396(-1)

G,12(+G)G G,119(+G) G,284(-1) G,454(+1)

6s[3/2]1-- -6p[3/2]1 916.26 G,292(+G) G,36(+G)G G,23(+2) G,25(+2) C G,369(+2) D G,398(+G) G,331(+G) G,414(+1) G,543(+G)

6p[5/2]2-- -6d[7/2]3 916.75 G,174(+G) G,98(+1) G,198(+G) G,2(+G) G,524(+G) G,146(+2)

6p[5/2]3-- -6d[5/2]2 922.24 G,16(-2) G,17(+G) G,226(-2) G,235(-2) G,147(+2) G,11(+2)

6p[3/2]2-- -6d[3/2] 1 923.99 G,22(-2) G,29(+G) G,116(-6) G,229(-4) G,113(+2) G,516(+1)

6p[5/2]2-- -6d[7/2]4 926.37 G,518(+1)

6p[5/2]3-- -6d[7/2]3 941.2 G,68(-2) G,51(+G) G,357(-1) G,332(-1)

6p[5/2]2-- -6d[3/2]2 944.15 G,6(-3) G,45(-1) G,425(-2) G,493(-2) G,139(+G) G,198(+G)

6p[3/2]1-- -6d[5/2]3 945.G5

6p[5/2]3-- -6d[7/2]4 951.34 G,2G4(+G) G,12(+2) G,285(+G) G,257(+G) G,923(-2) G,375(-1)

6p[5/2]2-- -6d[1/2]1 958.51 G,721(-2) G,719(-2) G,765(-2)

6p[5/2]2-- -6d[l/2]0 963.94 0,846(-l)

6s[3/2]l-- -6p[5/2]3 965.18

6p[3/2]2-- -6d[5/2]3 968.53 0,993(-l) 0,5(+l) 0,l95(+0) 0,l82(+0) 0,l53(-l) 0,l94(-2)

6p[5/2]3-- -6d[3/2]2 970.1 0,6(-2) 0,59(+0) 0,98l(-2) 0,577(-2) 0,737(+0) 0,766(+0)

6p[3/2]l-- -6d[5/2]2 971.81 0,l4(+0) 0,59(+l) 0,2(+0) 0,l87(+0) 0,742(+0) 0,529(+0)

6s[3/2]2-- -6p[l/2]l 979.97 0,l6(+0) 0,l8(+2) 0,47±0,05(+0) B 0,2l(+2) C 0,322(+2) D 0,268(+0) 0,l92(+0)

0,24(+0)G 0,207(+0) 0,l29(+0) 0,304(+0)

6p[5/2]3-- -6d[l/2]l 985.27 0,l57(+0)

6p[5/2]3-- -6d[l/2]0 991.01 0,23 l(+l)

6s[3/2]l-- -6p[5/2]2 992.32 0,5(+0) 0,45(+0)G 0,2(+2) 0,l3(+2) C 0,2l8(+2) D 0,483(+0) 0,428(+0) 0,204(+l) 0,834(+l)

6p[3/2]l-- -6d[7/2]3 992.89 0,79l(+l)

6p[3/2]2-- -6d[5/2]2 996.66 0,l0l(-l) 0,68(+0) 0,l69(-2) 0,l6l(-2) 0,872(+0)

6p[3/2]l-- -6d[7/2]4 1004.18 0,87(+0)

6p[l/2]0-- -6d[3/2] 1 1008.48 0,567(-l) 0,l2(+l) 0,374(+0) 0,2l3(+0) 0,326(+0) 0,368(+0)

6p[3/2]2-- -6d[7/2]3 1018.84 0,34(-2) 0,306(-2) 0,ll2(+2)

6p[3/2]l-- -6d[3/2]2 1025.1 0,l83(-l) 0,69(+0) 0,452(-l) 0,372(-l) 0,ll3(+2) 0,422(+l)

6p[3/2]2-- -6d[7/2]4 1030.73 0,458(+l)

6p[3/2]l-- -6d[l/2]l 1042.06 1042.06 0,63(-2) 0,39(+0) 0,229(-3) 0,90l(-3) 0,596(+0) 0,778(+0)

6p[3/2]l-- -6d[l/2]0 1048.48 0,l3(+0) 0,24(+2) 0,628(-2) 0,5l5(-2) 0,335(+0) 0,409(+0)

6p[3/2]2-- -6d[3/2]2 1052.78 0,l04(+0) 0,63(+l) 0,l33(+0) 0,l09(+0)

6p[l/2]0-- -6d[5/2]3 1061.77 0,207(+0)

6p[3/2]2-- -6d[l/2]l 1070.68 0,l98(-l) 0,l9(+l) 0,323(-l) 0,25l(-l) 0,434(+0) 0,302(-2)

6p[3/2]2-- -6d[l/2]0 1077.46 0,206(+0)

6s[3/2]l-- -6p[l/2]l 1083.83 0,522(-l) 0,35(-l)G 0,3(+l) 0,97(+0) C 0,l9(+l) D 0,459(-l) 0,24l(-l) 0,l02(+0) 0,l24(+0)

6p[l/2]0-- -6d[5/2]2 1095.67 0,343(-l)

5d[l/2]0-- -7p[l/2]0 1102.11 0,244(-l)

5d[l/2]0-- -7p[3/2]l 1114.11 0,l(-3) 0,l8(-2) 0,762(-l) 0,839(-l) 0,479(+0) 0,324(+0)

5d[l/2]0-- -7p[3/2]2 1121.37

6p[l/2]0-- -6d[7/2]3 1122.54 0,935(+l)

5d[l/2]l-- -7p[l/2]0 1128.91 0,2(-3) 0,3l(-l) 0,l73(-l) 0,672(-2) 0,8l2(+l)

6p[l/2]0-- -6d[7/2]4 1136.99

5d[l/2]l-- -7p[3/2]l 1141.51 0,l(-3) 0,5l(-2) 0,754(-2) 0,l67(-l) 0,973(+0)

5d[l/2]l-- -7p[3/2]2 1149.12 0,l(-3) 0,3(-2) 0,949(-2) 0,266(-l) 0,573(+0) 0,l63(+2)

5d[l/2]0-- -7p[5/2]3 1149.38 0,l47(+2)

5d[7/2]4-- -7p[l/2]0 1156.34 0,269(+l)

6p[l/2]0-- -6d[3/2]2 1163.89 0,25(+l)

5d[1/2]G-- -7p[5/2]2 1165.12 G,248(+G)

5d[7/2]4-- -7p[3/2]1 1169.55 G,258(+G)

5d[3/2]2-- -7p[1/2]G 1173.45 G,185(+1)

5d[7/2]4-- -7p[3/2]2 1177.55 G,212(+1)

5d[1/2]1-- -7p[5/2]3 1178.56

6p[1/2]G-- -6d[1/2]1 1185.8 G,343(+G) G,54(+1) G,522(-1) G,562(-3)

G,268(-1) G,1G7(-1)

5d[3/2]2-- -7p[3/2]1 1187.G7 G,1(-3) G,75(-2) G,277(-3) G,42(-3)

G,134(-2) G,5G6(-2)

6p[1/2]G-- -6d[1/2]G 1194.12

5d[1/2]1-- -7p[5/2]2 1195.12 G,2G4(-1) G,98(-2)

G,188(-1) G,17(-1)

5d[3/2]2-- -7p[3/2]2 1195.31 G,9(-3) G,4(-1) G,5G8(-2)

G,616(-2) G,681(+G)

5d[7/2]4-- -7p[5/2]3 12G8.48 G,3(-2) G,18(+G) G,171(-1) G,722(+G)

G,2G2(-1)

6p[1/2]1-- -7s[3/2]1 1223.52 G,76(-2) G,34(+G) G,122(-1) G,246(+1)

G,12(-1)G G,118(-1) G,115(+1)

5d[1/2]G-- -7p[1/2]1 1225.77 G,5(-2) G,74(-1) G,239(-1) G,24(+G)

G,378(-1) G,2G5(+G)

5d[7/2]4-- -7p[5/2]2 1225.9 G,574(+1)

5d[3/2]2-- -7p[5/2]3 1227.19 G,28(-2) G,84(-1) G,223(-2) G,524(+1)

G,245(-2) G,114(+1)

5d[3/2]2-- -7p[5/2]2 1245.15 G,1(-3) G,41(-2) G,724(-3) G,938(+G)

G,192(-3) G,141(-1)

5d[1/2]1-- -7p[1/2]1 1259.G2 G,56(-2) G,23(+G) G,474(-1) G,553(-1)

G,686(-1) G,172(+1)

6p[1/2]1-- -7s[3/2]2 1262.34 G,417(-1) G,1(+1) G,181(+G) G,142(+1)

G,17(+G)G G,165(+G)

5d[7/2]3-- -7p[1/2]G 127G

5d[7/2]3-- -7p[3/2]1 1285.96 G,846(+1)

5d[7/2]4-- -7p[1/2]1 1293.22 G,793(+1)

5d[7/2]3-- -7p[3/2]2 1295.64 G,439(-3)

G,997(-5) G,769(+1)

5d[3/2]2-- -7p[1/2]1 1314.67 G,167(-1) G,1(+G) G,563(-2) G,411(+1)

G,647(-2)

5d[7/2]3-- -7p[5/2]3 1333.18 G,7(-3) G,27(-1) G,5G3(-2) G,164(-2)

G,349(-2) G,949(-2)

5d[7/2]3-- -7p[5/2]2 1354.41 G,152(-1) G,78(+G) G,279(-1)

G,175(-1) G,274(-1)

6p[5/2]2-- -7s[3/2]1 1365.7 G,49(-1) G,29(+1) G,14(+G) G,335(-1)

G,14(+G)G G,133(+G) G,5G7(-3)

6p[5/2]2-- -7s[3/2]2 1414.24 G,58(-2) G,19(+G) G,694(-1) G,755(-3)

G,65(-1)G G,61G(-1) G,684(-2)

6p[5/2]3-- -7s[3/2]1 142G.68 G,1G3(-1)

5d[7/2]3-- -7p[1/2]1 1437.G7 G,114(+1)

5d[5/2]2-- -7p[1/2]G 1445.37 G,114(+1)

5d[5/2]2-- -7p[3/2]1 1466.G8 G,139(-1) G,72(+G) G,28(-1) G,6G1(-2)

G,112(-1) G,199(-2)

6p[5/2]3-- -7s[3/2]2 1473.28 G,61(-1) G,26(+1) G,217(+G) G,377(+1)

G,2(+G)G G,189(+G) G,315(+1)

5d[5/2]2-- -7p[3/2]2 1478.67 G,17(-2) G,52(-1) G,483(-4) G,324(+1)

G,555(-4) G,29(+1)

6p[1/2]1-- -5d[3/2] 1 15G9.97 G,41(-1) G,12(+1) G,135(-2)

G,973(-3) G,313(+1)

5d[5/2]2-- -7p[5/2]3 1527.77 0,6(-3) 0,l2(-l) 0,l08(-2) 0,438(-3) 0,244(+l) 0,799(+l)

6p[3/2]l-- -7s[3/2]l 1541.84 0,5l8(-l) 0,2(+0)G 0,l4(+l) 0,205(+0) 0,l87(+0) 0,654(+l)

5d[5/2]2-- -7p[5/2]2 1555.71 0,l(-l) 0,28(+0) 0,l94(-l) 0,777(-2) 0,l54(+0) 0,l4l(+0)

5d[5/2]3-- -7p[l/2]0 1559.13 0,ll4(+0)

5d[5/2]3-- -7p[3/2]l 1583.26 0,l08(+0)

5d[5/2]3-- -7p[3/2]2 1597.95 0,238(-l) 0,87(+0) 0,47l(-l) 0,226(-l) 0,989(+l) 0,925(+l)

6p[3/2]l-- -7s[3/2]2 1603.99 0,l2(-l) 0,l4(-l)G 0,l7(+0) 0,l54(-l) 0,l32(-l) 0,l5l(-4) 0,297(-2)

6p[3/2]2-- -7s[3/2]l 1605.33 0,65(-2) 0,72(-l)G 0,28(+0) 0,75l(-l) 0,674(-l) 0,34(+0)

5d[5/2]3-- -7p[5/2]3 1655.44 0,l26(-l) 0,3l(+0) 0,l24(-l) 0,456(-2) 0,559(+0)

5d[5/2]2-- -7p[l/2]l 1665.76 0,l95(-3) 0,l7l(-7)

6p[3/2]2-- -7s[3/2]2 1672.81 0,62(-l) 0,l4(+0)G 0,l5(+l) 0,l58(+0) 0,l32(+0) 0,l36(+l) 0,l5(+l)

5d[5/2]3-- -7p[5/2]2 1688.3 0,7(-3) 0,23(-l) 0,429(-2) 0,l0l(-2) 0,362(-5)

6p[5/2]2-- -5d[3/2] 1 1732.57 0,82(-2) 0,3(+0) 0,82l(-2) 0,425(-2) 0,9l2(-3) 0,l99(+l)

5d[5/2]3-- -7p[l/2]l 1818.7 0,289(+l)

6p[5/2]3-- -5d[3/2] 1 1822.02 0,57(+0)

6p[l/2]0-- -7s[3/2]l 1878.81 0,744(-l) 0,23(+0)G 0,47(+0) 0,26l(+0) 0,208(+0) 0,527(+0)

6p[l/2]l-- -5d[5/2]3 1937.05 0,288(+0)

6p[l/2]0-- -7s[3/2]2 1971.91 0,806(+0)

5d[3/2]l-- -7p[l/2]0 2018.71 0,422(-l) 0,2l(+l) 0,997(-2) 0,l98(-l) 0,386(+0) 0,854(+0)

6p[3/2]l-- -5d[3/2] 1 2026.22 0,ll(+0) 0,l8(+l) 0,l52(+0) 0,707(-l) 0,272(+l) 0,l05(+l)

5d[3/2]l-- -7p[3/2]l 2059.34 0,46(-2) 0,72(-l) 0,l95(-l) 0,887(-2)

5d[3/2]l-- -7p[3/2]2 2084.27 0,48(-2) 0,44(-l) 0,l96(-3) 0,239(-3)

6p[3/2]2-- -5d[3/2] 1 2137.3 0,l27(-l) 0,3l(+0) 0,247(-3) 0,8l9(-4)

6p[l/2]l-- -5d[5/2]2 2147 0,606(-2) 0,288(-2) 0,l64(+l)

5d[3/2]l-- -7p[5/2]3 2183.16 0,l3l(+l)

5d[3/2]l-- -7p[5/2]2 2240.67 0,58(-2) 0,46(-l) 0,l83(-2) 0,347(-3) 0,825(+0)

6p[5/2]2-- -5d[5/2]3 2319.33 0,37(-2) 0,33(-l) 0,2l7(+0) 0,l46(-l) 0,423(+0)

5d[3/2]l-- -7p[l/2]l 2476.31 0,l72(-l) 0,l9(+0) 0,682(-3) 0,256(-2)

6p[5/2]3-- -5d[5/2]3 2482.47 0,49(-l) 0,53(+0) 0,443(-l) 0,299(-l)

6p[5/2]2-- -5d[5/2]2 2626.9 0,429(-l) 0,4l(+0) 0,767(-l) 0,548(-l) 0,8l7(+l) 0,466(+l)

6p[l/2]0-- -5d[3/2] 1 2651.08 0,l65(+0) 0,52(+0)

6p[l/2]l-- -5d[7/2]3 2701.01

7s[3/2]2-- -7p[1/2]G 2736.37 G,1(+)

7s[3/2]2-- -7p[3/2]1 2811.55 G,493(-1) G,69(+G) G,17(-1) G,133(-1) G,119(+1)

6p[5/2]3-- -5d[5/2]2 2838.15 G,2(-2) G,23(-1) G,296(-2) G,21(-2)

7s[3/2]2-- -7p[3/2]2 2858.22 G,444(+G) G,36(+1) G,339(+G) G,265(+G) G,362(+G) G,416(+G)

6p[3/2]1-- -5d[5/2]3 2877.59 G,311(-1)

7s[3/2]1-- -7p[1/2]G 2938.43 G,165(+G) G,38(+1) G,156(+G) G,145(+G) G,828(-2) G,7G6(-1)

7s[3/2]1-- -7p[3/2]1 3G25.3 G,414(+G) G,3(+1) G,377(+G) G,362(+G) G,776(-1) G,237(+G)

7s[3/2]2-- -7p[5/2]3 3G47.54 G,681(+G) G,35(+1) G,828(+G) G,672(+G) G,287(+G) G,218(-1)

7s[3/2]1-- -7p[3/2]2 3G79.4 G,82(-1) G,35(+G) G,364(+G) G,35(+G) G,1G5(+G)

6p[3/2]2-- -5d[5/2]3 31G6.92 G,139(+G) G,68(+G) G,232(+G) G,232(+G) G,142(+1)

7s[3/2]2-- -7p[5/2]2 316G.78 G,143(+G) G,95(+G) G,2G2(+G) G,167(+G) G,889(+G) G,189(+G)

6p[1/2]1-- -5d[3/2]2 3273.92 G,778(-1) G,33(+G) G,769(-1) G,163(+G) G,131(+G) G,244(-1)

7s[3/2]1-- -7p[5/2]3 33GG.29 G,554(-3)

6p[3/2]1-- -5d[5/2]2 3366.66 G,127(+G) G,45(+G) G,193(+G) G,2G5(+G)

6p[1/2]1-- -5d[7/2]4 3414.96 G,78(-2)

7s[3/2]1-- -7p[5/2]2 3433.51 G,71(+G) G,24(+1) G,545(+G) G,536(+G) G,685(-6) G,536(+G)

6p[5/2]2-- -5d[7/2]3 35G7.G2 G,133(+G) G,5(+G) G,19(+G) G,198(+G) G,214(+G) G,221(-1)

7s[3/2]2-- -7p[1/2]1 365G.83 G,223(+G) G,19(+1) G,215(+G) G,191(+G) G,894(-2) G,147(-2)

6p[1/2]1-- -5d[1/2]1 3678.87 G,48(-1) G,24(+G) G,566(-1) G,914(-1) G,169(-2) G,145(+1)

6p[3/2]2-- -5d[5/2]2 3684.87 G,78(-2) G,38(-1) G,139(-2) G,2G9(-2) G,579(+G)

6p[5/2]3-- -5d[7/2]3 3893.95 G,42(-2) G,18(-1) G,231(-1) G,282(-1) G,14(+G)

6p[1/2]1-- -5d[1/2]G 3995.51 G,215(-1) G,27(+G) G,185(-1) G,348(-1) G,33(-1) G,3G2(+G)

7s[3/2]1-- -7p[1/2]1 4G19.61 G,722(-1) G,3(+G) G,493(-1) G,466(-1) G,111(+G) G,172(+1)

6p[1/2]G-- -5d[5/2]3 4325.49 G,825(+G)

6p[5/2]2-- -5d[3/2]2 4538.12 G,3(-3) G,12(-2) G,472(-2) G,6G1(-3)

7p[1/2]1-- -6d[3/2] 1 4749.22 G,59(-1) G,17(+G) G,249(-2) G,888(-3) G,741(-2) G,278(-1)

6p[5/2]2-- -5d[7/2]4 4813.7 G,146(-1)

6p[3/2]1-- -5d[7/2]3 4962.88 G,276(-2)

6p[5/2]3-- -5d[3/2]2 52G7.75 G,23(-2) G,96(-2) G,878(-3) G,598(-1) G,181(-2)

6p[5/2]2-- -5d[1/2]1 5355.22 G,198(-2) G,218(-1) G,22(-2) G,3G7(+G)

6p[1/2]G-- -5d[5/2]2 5533.87 G,139(+G)

6p[5/2]3-- -5d[7/2]4 5573.94 G,7G3(-1) G,12(+G) G,124(+G) G,489(+G)

0,26(+0) 0,972(+0)

6p[3/2]2—5d[7/2]3 5686.81 0,345(-3) 0,5l3(-3) 0,l8(+l) 0,l6(+l)

7p[5/2]2—6d[3/2]l 5949.07 0,ll(-l) 0,35(-l) 0,l28(-l) 0,443(-2) 0,l35(+l) 0,lll(+l)

6p[5/2]2—5d[l/2]0 6053.54 0,425(+l)

7p[l/2]l—6d[5/2]3 6219.36 0,345(+l)

6p[5/2]3—5d[l/2]l 6313.16 0,277(+l)

7p[5/2]3—6d[3/2]l 6396.43 0,2l6(+l)

6p[5/2]3—5d[l/2]0 7306.83 0,24(+0)

6p[3/2]l—5d[3/2]2 7314.8 0,43(-2) 0,42(-2) 0,l3l(-l) 0,228(-l) 0,l87(+0)

7p[3/2]2—6d[3/2]l 7429.27 0,l68(-l) 0,34(-l) 0,l24(-3) 0,332(-3) 0,203(+0) 0,l92(+0)

7p[l/2]l—6d[5/2]2 7595.95 0,806(-5) 0,l29(-3) 0,l85(+l) 0,l82(+l)

7p[3/2]l—6d[3/2]l 7764.25 0,l35(+0) 0,l5(+0) 0,l32(+0) 0,744(-l) 0,l54(+l)

6p[3/2]l—5d[7/2]4 8058.41 0,l48(+l)

7p[l/2]0—6d[3/2]l 8401.74 0,234(+0) 0,75(-l) 0,534(+0) 0,273(+0) 0,275(+l) 0,264(+l)

7p[5/2]2—6d[5/2]3 8451.58 0,5(-2) 0,33(-2) 0,333(-l) 0,24(-l) 0,362(+l) 0,336(+l)

6p[3/2]2—5d[3/2]2 9004.25 0,5(-l) 0,57(-l) 0,333(-l) 0,407(-l) 0,278(-l) 0,629(-l)

7p[l/2]l—6d[7/2]3 9106.94 0,306(-l)

7p[5/2]3—6d[5/2]3 9383.97 0,66(-l) 0,5(-l) 0,52(-l) 0,275(-l) 0,56l(-l) 0,356(-l)

6p[3/2]l—5d[l/2]l 9700.53 0,29(-2) 0,2l(-2) 0,592(-3) 0,7l3(-2) 0,49l(-l)

7p[l/2]l—6d[7/2]4 10154.01

6p[3/2]2—5d[7/2]4 10158.11 0,559(-5)

7p[5/2]2—6d[5/2]2 11213.03 0,523(-l) 0,28(-l) 0,873(-l) 0,626(-l) 0,896(-4)

6p[l/2]0—5d[7/2]3 11741.1 0,737(-2)

7p[3/2]2—6d[5/2]3 11788.26 0,l9(+0) 0,65(-l) 0,282(+0) 0,23(+0) 0,263(-2)

6p[3/2]l—5d[l/2]0 12263 0,585(-l) 0,78(-l) 0,422(-3) 0,804(-2) 0,l08(-3) 0,l29(-2)

7p[3/2]l—6d[5/2]3 12654.54 0,23l(-3)

7p[l/2]l—6d[3/2]2 12795.1 0,l02(+0) 0,25(-l) 0,l46(+0) 0,20l(+0) 0,587(-3)

6p[3/2]2—5d[l/2]l 12913.79 0,87(-2) 0,58(-2) 0,246(-2) 0,l42(-l) 0,529(-l) 0,694(-l)

7p[5/2]3—6d[5/2]2 12915.63 0,24(-2) 0,l3(-2) 0,305(-2) 0,246(-2) 0,463(-l) 0,332(-l)

7p[l/2]0—6d[5/2]3 14440.33 0,222(-l)

7p[5/2]2—6d[7/2]3 14850.18 0,l88(+0) 0,4l(-l) 0,245(+0) 0,32l(+0) 0,l6(-l) 0,40l(-l)

7p[l/2]l—6d[l/2]l 16056.12 0,644(-l) 0,l7(-l) 0,ll8(+0) 0,2l7(+0) 0,l39(-l)

7p[l/2]l—6d[l/2]0 17729.18 0,3(-2) 0,l9(-2) 0,437(-l) 0,988(-l) 0,l26(-3)

7p[5/2]2—6d[7/2]4 17852 0,775(-3)

6p[3/2]2—5d[l/2]0 17890.49 0,l86(-l)

7p[3/2]2-- -6d[5/2]2 17956.22 G,9(-2) G,19(-2) G,494(-3) G,174(-2) G,418(-1) G,6G7(-2)

7p[5/2]3-- -6d[7/2]3 17991.15 G,57(-2) G,12(-2) G,295(-1) G,41(-1) G,844(-2) G,171(-2)

7p[3/2]1-- -6d[5/2]2 2GG46.58 G,88(-1) G,87(-2) G,822(-1) G,461(-1) G,138(-2) G,394(-1)

7p[5/2]3-- -6d[7/2]4 22593.88 G,7G8(+G) G,72(-1) G,183(+G) G,411(+G) G,2G8(-1)

7p[1/2]G-- -6d[5/2]2 2493G.61

7p[5/2]2-- -6d[3/2]2 28G2G.8 G,8(-3) G,68(-4) G,272(-2) G,691(-2)

6d[1/2]G-- -7p[1/2]G 28462.85

5d[1/2]G-- -6p[1/2]G 28752.9

7p[3/2]2-- -6d[7/2]3 29543.56 G,7G2(-4) G,148(-3) G,79(-6)

6d[1/2]1-- -7p[1/2]G 3418G.85 G,66(-2) G,11(-2) G,319(-3)

7p[3/2]1-- -6d[7/2]3 35661.88

6d[1/2]G-- -7p[3/2]1 3943G.57 G,46(-1) G,66(-3) G,383(-5)

7p[5/2]3-- -6d[3/2]2 41786.G6 G,179(-1) G,95(-3) G,235(-2) G,145(-1) G,8G7(-5) G,1G2(-3)

7p[3/2]2-- -6d[7/2]4 44394.7 G,36(-3)

6p[1/2]G-- -5d[3/2]2 49G58.22 G,967(-1)

7p[5/2]2-- -6d[1/2]1 5G468.24 G,248(-2) G,295(-1) G,788(-1) G,25(-3)

6d[1/2]G-- -7p[3/2]2 5114G.82 G,667(-3)

6d[1/2]1-- -7p[3/2]1 51325.G5 G,7(-3) G,18(-4)

7p[1/2]G-- -6d[7/2]3 54738.56

7p[3/2]1-- -6d[7/2]4 59815.65

7p[5/2]2-- -6d[1/2]G 71751.G9

6d[1/2]1-- -7p[3/2]2 73118.22 G,33(-2) G,25(-4) G,818(-2)

6d[3/2]2-- -7p[1/2]G 74722.69 G,458(-2)

5d[1/2]1-- -6p[1/2]G 75539.66 G,92(-2) G,32(-3) G,1G3(-3) G,26(-1) G,145(+G)

7p[5/2]3-- -6d[1/2]1 124G98.92 G,823(-1)

6p[1/2]G-- -5d[7/2]4 12872G.38

7p[1/2]G-- -6d[7/2]4 143977.2

6d[3/2]2-- -7p[3/2]1 276983.24 G,78(-2) G,11(-4)

7p[3/2]2-- -6d[3/2]2 455196.47 G,25(-1) G,8(-5) G,246(-2) G,999(+G) G,168(+G)

7p[5/2]3-- -6d[1/2]G 458564.56 G,892(-1)

6p[5/2]3-- -8s[3/2]2 Ill G,14(-1)G

6p[5/2]2-- -8s[3/2]2 G,6(-2)G

6p[3/2]1-- -8s[3/2]2 G,34(-2)G

6p[3/2]1-- -8s[3/2]1 G,1 (-1)G

6p[3/2]2-- -8s[3/2]2 G,13(-1)G

6p[3/2]2-- -8s[3/2]1 G,4(-2)G

2. Схема экспериментальной установки

Исследование неравновесной низкотемпературной ксеноновой плазмы холловского двигателя (ХД) осуществлялось в лаборатории плазменных двигателей МФТИ (рис 2). Экспериментальный стенд включает в себя горизонтально расположенную цилиндрическую вакуумную камеру диаметром 1,8 м и длиной 4,5м. Высоковакуумная откачная система обеспечивает остаточное предельное давление 2 10-7 мбар. Рабочее давление на номинальном режиме работы двигателя составляло 8 10-5 мбар. Внутри камеры расположен макет ХД с ускоряющим напряжением 300 В. Рабочим телом является тяжелый инертный газ - ксенон высокой очистки. Упрощенная схема данного типа двигателя приведена на рис 3.

Рис.2 . Фотография ТМВУ-11. Рис.3. Схема холловского

двигателя.

Основными конструктивными элементами ХД являются катод-компенсатор (1) и анод (2), между которыми создается разность потенциалов таким образом, чтобы электрическое поле было направленно по оси двигателя. Через отверстия в аноде в канал поступает нейтральный газ.

Катод-компенсатор вследствие нагрева эмитирует электроны, которые под действием электрического поля устремляются частично в стркю, а частично в

сторону анода где попадают в область сильного магнитного поля В . В качестве магнитопровода выступает корпус анодного блока (3) изготовленный из магнитомягкого материала. Внутри корпуса расположены электромагнитные катушки (4), создающие неоднородное радиальное магнитное поле, максимальная напряженность которого находится у среза двигателя. Под действием силы Лоренца электроны начинают азимутальное движение по циклоиде, ионизуя нейтральный газ. Образовавшиеся ионы ускоряются электрическим полем вдоль оси двигателя, создавая тягу и образуя плазменную струю.

Схема оптических измерений приведена на рисунке 4. Излучение ХД принималось по двум различным оптическим путям. Основные измерения производились 7-и сантиметровым объективом, установленным внутри вакуумной камеры в струе плазменного двигателя рис. 4. Основные измерения производились 7 см объективом, установленным внутри вакуумной камеры на манипулятор с 6-тью степенями свободы рис. 5, позволяющий осуществлять линейное и вращательное движение относительно 3х координатных осей. Для того чтобы избежать запыления оптических элементов, объектив защищен сменным стеклом. Оптика приемной системы выполнены из кварца, что позволяло проводить измерения от 250 нм до 2000нм.

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

Рис.5. Оптическая система в сборе установленная внутри вакуумной камеры Сигнал с объектива передавался по оптоволокну и фокусировался согласующей оптической системой на входную щель монохроматора М 266. На выходе из монохроматора световой сигнал подается на ПЗС линейку серии Hamamatsu или Toshiba. Альтернативной собирающей оптической схемой является линза D=10см, установленная перпендикулярно струе ХД напротив измерительного окна вакуумной камеры и поворотное зеркало для заведения излучения в монохроматор. Ширина входной щели монохроматора составляла 35 мкм. Калибровка монохроматора по частоте осуществлялась

дуговой ртутно-гелиевой лампой ДРГС-12. При сканировании в длинноволновой области для исключения наложения разных порядков дифракционной решетки использовались фильтры.

3. Обработка результатов Измерения проводились при давлении ниже 8 10-5 мбар, что позволяет пренебречь влиянием остаточного газа в вакуумной камере (кислорода, азота, водорода) на исследуемое излучение, поскольку суммарная его концентрация меньше 1,3 % от ксенона. Измерения, проводимые на разном расстоянии от среза разрядной камеры ХД показали, что в первом приближении плазма струи ХД может считаться оптический прозрачной для исследуемого диапазона длин волн. При обработке сигнала была учтена аппаратная функция монохроматора, которая вносит искажения в имеющийся спектральный контур, а так же тот факт, что ионы имеют направленное движение, поэтому в зависимости от угла наблюдения профиль линии будет иметь различный сдвиг и уширение.

Исследуемый спектр плазменной струи ХД, представлен на рис.6. Линии атомов ксенона проявляются более ярко ближе к длинноволновому участку, излучение же ионов наблюдается в основном в видимом диапазоне.

Оценка общей энергии теряемого излучения производилась интегрированием интенсивностей с выбранного объема по всем измеренным спектральным линиям и экстраполированием полученной величины на всю плазменную струю ХД в предположении ее однородности. В данных приближениях теряемая энергия составила порядка 0,5 Вт. Стоит отметить,

что излучение в ультрафиолетовой области, ответственное за переходы в основное состояние, и дальнем ИК диапазоне, в котором лежит значительная часть переходов нейтрального ксенона, не учитывались, что связанно с техническими сложностями в измерении этих диапазонов.

Рис.6 - Спектр плазменной струи ХД

Для определения заселенности частиц спектры снимались для различных частей плазменной струи под разными углами (рис 7). В положении 1 объектив устанавливался соосно струе ХД и "смотрел" на центр канала. Положение 2 снималось внешней линзовой системой перпендикулярно оси двигателя на расстоянии 1 см от среза, положение 3 — под углом 14о к оси ХД начиная от среза канала. 4-ое положение было снято в другой плоскости, отстоящей от положения 1 на 12о вниз.

Для определения заселенностей исследовались переходы атома ксенона, вероятности которых представлены в табл.1. Для более полного изучения заселённостей, используемые данные дополнены другими типами переходов [19-22].

Рис. 7. Размещение оптической приёмной системы относительно струи двигателя. Полный перечень рассматриваемых длин волн Л , вероятностей А,

стат.весов ^ и измеренных интенсивностей N, вероятностей и измеренных

интенсивностей представлен в табл. 2.

Таблица 2

Л, нм Ли, с-1 С, 14 пол.1 14 пол.2 14 пол.3 14 пол.4 Еверх ,эВ

407.882 4.90Е+05 1 2.18Е+06 8.99Е+06 1.55Е+06 1.88Е+06 11.47473

450.0978 3.90Е+05 3 9.24Е+05 1.46Е+07 8.50Е+05 3.51Е+06 11.06852

458.2747 3.90Е+05 1 6.28Е+06 2.29Е+07 1.49Е+06 6.12Е+06 11.14059

462.4276 4.70Е+06 5 1.13Е+06 4.10Е+06 7.22Е+05 1.57Е+06 10.9951

467.1226 3.00Е+06 7 2.52Е+06 9.16Е+06 1.50Е+06 3.93Е+06 10.96816

469.7021 9.00Е+05 5 1.28Е+06 5.31Е+06 5.79Е+05 1.99Е+06 10.95359

473.4152 9.00Е+04 5 1.92Е+07 6.68Е+07 6.89Е+06 2.16Е+07 11.0541

479.2619 8.20Е+05 3 5.49Е+05 2.00Е+06 2.96Е+05 9.65Е+05 10.90096

480.7019 4.80Е+06 1 7.22Е+05 3.35Е+06 6.23Е+05 1.24Е+06 11.01441

482.9708 3.20Е+06 3 5.72Е+05 2.37Е+06 8.64Е+05 8.66Е+05 11.0023

484.3293 3.70Е+05 5 6.18Е+06 2.25Е+07 7.85Е+06 10.9951

492.3152 1.60Е+06 5 2.23Е+06 4.11Е+06 1.67Е+06 1.92Е+06 10.95359

556.6615 2.90Е+06 3 7.74Е+04 2.82Е+05 4.12Е+04 1.05Е+05 11.80615

558.1784 3.22Е+06 1 3.18Е+04 1.32Е+05 1.99Е+04 2.35Е+04 11.8001

581.4505 9.30Е+05 5 7.44Е+04 3.07Е+05 11.81669

587.5018 2.42Е+06 5 3.04Е+05 1.12Е+06 2.38Е+05 6.19Е+05 11.68927

619.826 6.60Е+05 5 3.51Е+05 2.55Е+06 2.19Е+05 1.03Е+06 11.57925

622.4168 1.29Е+06 5 9.92Е+04 4.10Е+05 11.81185

626.1212 1.37Е+06 7 7.96Е+04 2.14Е+05 2.81Е+05 11.69973

631.8062 2.70Е+06 9 1.75Е+06 6.05Е+06 1.28Е+06 3.66Е+06 11.68191

653.3159 1.03Е+06 3 3.54Е+05 2.61Е+06 2.66Е+05 3.01Е+05 11.58221

663.2464 1.94Е+06 5 6.86Е+04 5.07Е+05 5.24Е+05 11.68927

684.6613 3.00Е+04 5 2.13Е+07 1.44Е+08 1.21Е+07 6.98Е+07 11.49535

688.2155 6.40Е+06 7 3.32Е+06 7.56Е+06 2.61Е+06 5.52Е+06 11.48601

697.6182 1.91Е+06 7 9.00Е+05 5.01Е+06 2.62Е+05 2.69Е+06 11.49685

711.9598 6.60Е+06 9 3.59Е+06 1.30Е+07 3.32Е+06 8.49Е+06 11.46106

738.6003 1.25Е+06 5 3.48Е+05 6.65Е+06 9.79Е+05 11.25769

739.3793 4.89Е+06 7 5.30Е+05 4.67Е+06 2.91Е+05 1.85Е+05 11.49685

788.7393 1.04Е+06 1 1.43Е+08 5.11Е+08 1.31Е+08 2.72Е+08 11.14059

796.7342 3.00Е+05 3 9.66Е+07 3.46Е+08 8.60Е+07 2.62Е+08 11.0023

823.1634 3.10Е+07 5 3.60Е+07 1.70Е+08 3.49Е+07 7.99Е+07 9.820539

828.0116 3.20Е+07 1 2.58Е+07 1.22Е+08 2.66Е+07 7.02Е+07 9.932924

840.9189 5.50Е+06 3 5.40Е+06 7.77Е+07 3.70Е+06 2.56Е+07 9.788747

873.9372 5.20Е+06 5 7.64Е+06 3.30Е+07 6.07Е+06 2.27Е+07 10.99783

881.9411 3.00Е+07 7 1.90Е+08 2.69Е+08 1.84Е+08 9.720191

886.232 7.70Е+06 3 5.96Е+06 2.03Е+07 6.36Е+06 1.47Е+07 10.97815

890.873 1.20Е+07 1 2.20Е+06 4.99Е+06 2.94Е+06 10.97087

895.2251 2.90Е+06 5 1.25Е+08 6.43Е+08 3.06Е+08 3.91Е+08 9.820539

898.757 2.30Е+06 5 1.32Е+07 4.28Е+07 1.06Е+07 9.21Е+06 11.06413

902.598 1.40Е+06 3 9.92Е+06 2.96Е+07 1.81Е+07 11.16193

904.5447 8.30Е+06 5 1.14Е+08 2.30Е+08 9.06Е+07 1.44Е+08 9.685073

916.2652 2.30Е+07 3 9.99Е+06 2.50Е+07 1.81Е+07 2.16Е+07 9.788747

916.752 9.80Е+06 7 5.94Е+06 1.24Е+07 2.02Е+06 5.31Е+06 11.03706

941.201 5.10Е+05 7 5.64Е+07 3.39Е+08 2.48Е+07 1.13Е+08 11.03706

944.146 4.50Е+04 5 2.97Е+08 1.78Е+09 4.11Е+08 3.07Е+08 10.99783

951.3377 1.20Е+07 9 2.32Е+07 4.83Е+07 1.19Е+07 8.39Е+07 11.02302

968.532 5.00Е+06 7 3.67Е+07 9.12Е+07 3.85Е+06 3.51Е+07 11.10024

970.099 5.90Е+05 5 1.82Е+07 2.21Е+08 1.29Е+07 10.99783

971.816 5.90Е+06 5 5.23Е+06 7.89Е+06 7.17Е+06 2.71Е+06 11.06413

979.9697 1.80Е+07 3 7.14Е+07 7.74Е+07 1.44Е+08 2.09Е+08 9.579611

992.3198 2.00Е+07 5 1.96Е+08 3.90Е+08 1.09Е+08 2.60Е+08 9.685073

1008.479 1.20Е+06 3 2.68Е+07 9.94Е+07 2.58Е+07 11.16193

1025.107 6.90Е+05 5 1.18Е+07 4.28Е+07 10.99783

1052.786 6.30Е+06 5 4.88Е+06 1.78Е+07 3.86Е+06 6.19Е+06 10.99783

1083.834 3.00Е+06 3 1.06Е+07 3.87Е+07 9.40Е+06 1.62Е+07 9.579611

4. Обсуждение результатов

По результатам обработки спектров (табл.2) построены зависимости концентраций возбужденных состояний, как функции энергий этих состояний для каждого положения 1-4, рис. 8, а также заселённости, нормированные на статистический вес каждого состояния соответственно, рис.9. Из-за неоднородности плазменной струи ХД данные по различным измерениям имеют отличие абсолютных интенсивностей, но тип зависимости сохраняется.

Рис. В. РВС, положение 1-4.

10" 10" ю10 10'

N¡/6 (см-3)

ю7 10е ю5 10'

ю'2-,

10" п

10"

10' N¡/£1 ,

(см-3) -10'1

10° 1

10*1

104

Положение 1

■

■ ■ ■ ■ ■■ И ♦V :

■ ■

.ь" ■ Ч | . ■

• ■ ■ 1 ■

Е (еВ)

Положение 2

Л1

10

11

Е, (еВ)

||: ■ |

12

Рис.9 . РВС с учётом стат. весов: полопжение1, полопжение2.

Это говорит о неком общем характере плазмы за срезом канала ХД, что позволяет составлять единый алгоритм в расчётах многоуровневой кинетики.

Выводы

Для дальнейшего освоения космоса необходимы двигательные установки с импульсом тяги, превышающим 2500 с, и ресурсом не менее 6000 [23]. Однако, до сих пор не создано какой-либо универсальной теоретической модели работы ускорителей с замкнутым дрейфом электронов. Поэтому возникает необходимость проверять работоспособность двигателей и производить их модификации эмпирическими методами, что достаточно не эффективно и дорого [24,25]. Для более детального понимания

процессов происходящих в ХД, необходимо качественное описание его плазменной компоненты.

Оптические исследования подтвердили непригодность в целях диагностики плазмы ХД как модели ЛТР, так и коронального приближения. Значения концентраций возбуждённых состояний, получены с использованием рассчитанных вероятностей в кулоновском приближении для дипольных переходов.

Для более полной обработки спектра, также рассматривались коэффициенты Эйнштейна, приведенными другими авторами. В работе получено, что РВС атома ксенона, как результат обработки спектров плазменной струи ХД, представляют собой "рой" точек, плохо аппроксимирующийся линейными зависимостями. Измерения спектральных интенсивностей различных участков струи ХД, показали, что полученные РВС сохраняют свой детальный характер в независимости от исследуемого положения, при незначительном уменьшении концентраций возбужденных состояний атомов ксенона от положения один к четыре.

Таким образом, первая часть поставленной задачи выполнена. Далее, в рамках многоуровневой кинетики можно рассчитать заселённости этих же фото-переходов, используя те же коэффициенты Эйнштейна (что принципиально). Добиться совпадения теоретически полученной РВС с экспериментальной и тем самым, определить концентрацию электронов и их температуру, плотность ядер и их температуру.

Библиографический список

1. Грим Г. Спектроскопия плазмы. - М.: Атомиздат, 1969. - 452 с.

2. Методы исследования плазмы /ред. Лохте - Хольтгревена. - М.: Мир, 1971.— 552 с.

3. Гаврилова А.Ю., Киселёв А.Г., Скороход Е.П. Диаграммы метаравновесных состояний тяжёлых инертных газов // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52. №2. С.174-185.

4. Войницкий С.О., Скороход Е.П. Расчёт заселённостей аргона в проточной дуге // Труды МАИ, 2012, № 50: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=28694

5. Гаврилова А.Ю., Кули-заде М.Е. Скороход Е.П. Распределения возбуждённых состояний атомов в плазменной струе аргона // Труды МАИ, 2012, № 50: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=28604

6. Бугрова А.И., Ермоленко В.А., Калихман Л.Е. Излучательнные характеристики ксенона в разреженной плазме // Теплофизика высоких температур. 1979. Т.17. №5. С. 916-921.

7. Скороход Е.П. Спектроскопические методы исследования физико-химических и тепловых процессов в плазменных устройствах: дисс... доктора техн. наук. М.: 2003.

8. Гаврилова А.Ю., Киселёв А.Г., Скороход Е.П. Распределения заселенностей атомных уровней в квазистационарной плазме аргона // Теплофизика высоких температур. 2016. Т.54. №2. С.171-179.

9. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Сечения возбуждения атомов и ионов электронами. - М.: Наука, 1973. - 143 с.

10. Гаврилова А.Ю., Скороход Е.П. Сечения и константы скоростей плазмохимических реакций инертных газов. - М.: Изд-во МАИ, 2011. - 192 с.

11. Miller M.H., Roig R.A. Transition Probabilities of Xe I and Xe II // Phys. Rev., 1973, A8, p. 480-487.

12. Davis C.C., King T.A. Upper Level Lifetimes of High-gain Laser Transitions in Xe // Phys. Letters, 1972, A39, p. 186-189.

13. Chen C.J., Garstang R.H. Note Transition Probabilities for Xe I // J. Quant. Spectr. Radiat. Transf., 1970, 10, p. 1347-1351.

14. Логинов А.В. Радиационные времена жизни уровней в спектрах атомов инертных газов и изоэлектронных ионов: дисс...канд. физ-мат наук. - Л.: 1975.

15. Aymar M., Coulombe M. Theoretical transition probabilities and lifetimes in Kr I and Xe I.// Atom. Data Nucl. Data Tabl, 1978, v.21, N 6, p.537-566.

16. Земцов Ю.К., Скороход Е.П. Оптические свойства ксеноновой плазмы. Силы осцилляторов и вероятности переходов Хе I // Межвузовский сборник трудов «Элементарные процессы при столкновениях атомных и молекулярных частиц». Чебоксары, ЧГУ, 1987. - С. 18-27.

17. Горчаков Л.В., Дёмкин В.П., Муравьёв И.И., Янчарина А.М. Излучение атомов инертных газов в электрических полях. - Томск, ТГПУ, 1984, - 167 с.

18. Груздев П.Ф. Вероятности переходов и радиационные времена жизни уровней атомов и ионов. - М.: Энергоатомиздат, 1990, - 223 с.

19. Wiese, W.L. and Martin, G.A. "Wavelengths and Transition Probabilities for Atoms and Atomic Ions, Part II: Transition Probabilities," United States National Bureau of Standards NSRDS-NBS 68, 1980.

20. Martin, P., Cabrera, J.A., and Campos, J., "TransitionProbabilitiesof 6p-nd (n=7,8,9) Lines of Xel," Phys Rev A, Vol 32, No 5, 1985, p 3110.

21. Peraza, C., Martin, P., and Campos, J.,"Transition Probabilitiesof 6p-ns (n=7,8,9,10,I1,12,13) Lines of Xe('I),"JQSRT, Vol 46, 1991, p 455.

22. Sadeghi, N. and Sabbagh, J., "Collisional Transfer Between the 6s'[l/2]0j and 6p[1/2]] Xenon Levels," Phys Rev A, Vol 6, No 6, 1977, p 2336.

23.Гусев Ю.Г., Пильников А.В. Роль и место электроракетных двигателей в Российской космической программе // Труды МАИ, 2012, № 60: http: //www.mai .ru/science/trudy/published.php?ID=3 5385

24. Потапенко М.Ю. Разработка и исследование стационарного плазменного двигателя с полым магнитным анодом малой мощности // Труды МАИ, 2014, № 74: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=49261

25.Островский В.Г., Смоленцев А.А., Соколов Б.А. Опыт создания электроракетных двигателей большой мощности в ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева» // Труды МАИ, 2012, № 60: http://www.mai.ru/science/trudy/published.php?ID=35380