ИСТИНА

Уширение спектральных линий за счет заряженных частиц (в первую очередь, электронов) возникает благодаря эффекту Штарка – расщеплению уровней атомов и ионов в электрическом поле. Именно поэтому параметры этого уширения – ширина, сдвиг, иногда и асимметрия – исключительно важны для исследования плазменных источников излучения с достаточно высокой плотностью заряженных частиц. Такими источниками являются не только лабораторные плазмы (например, лазерная плазма или плазма тлеющего разряда), но и промышленные плазмы (например, электродуговая плазма при сварке) и плазмы звезд, звездной фотосферы. Параметры Штарковского уширения линий необходимы для корректного расчета коэффициентов поглощения на заданной частоте и оптической глубины, и моделирования контура спектральных линий. Однако, эти параметры экспериментально определены для очень ограниченного круга частиц и их линий. Даже теоретические расчеты не позволяют полностью покрыть все наблюдаемые спектральные линии. При этом особая проблема – линии атомов редкоземельных металлов, представляющих интерес как в геохимическом поиске ценных руд, пород и т.п., так и в некоторых особых типах звезд. К примеру, химически пекулярная звезда Пшибыльского (HD 101065) отличается аномально высоким содержанием стронция, тория, урана, скандия, иттрия, лантана и других лантаноидов – примерно на 3-4 порядка большими содержаниями этих элементов, чем в других типах звезд. Предлагаемый проект нацелен на экспериментальное определение Штарковских параметров спектральных линий одноэлектронных спектров атомов натрия и калия, скандия, иттрия, лантана, лютеция, чтобы заполнить некоторые пробелы в данных об уширении, особенно для редкоземельных металлов. Для щелочных металлов предполагается определить параметры ударного уширения для серий переходов из высоколежащих дублетных состояний [nd] 2D и [ns] 2S в первое возбужденное состояние [3p] 2P° Na I/[4p] 2P° K I и серий дублетных переходов из [np] 2P° в основное состояние [3s] 2S Na I/[4s] 2S K I за исключением резонансных переходов 3p-3s Na I и 4p-4s K I. Для скандия, иттрия, лантана, лютеция впервые экспериментально оцениваются параметры ударного уширения как для сильных переходов в основное дублетное состояние 2D атомов из низколежащих 2P°, 2D° и 2F° состояний, так и для наиболее сильных переходов в низколежащие дублетные состояния из более высоколежащих. Таким образом, основным результатом выполнения проекта будут новые данные о параметрах Штарковского уширения линий одноэлектронных спектров щелочных и редкоземельных элементов.

The broadening of spectral lines due to charged particles (mainly, by electrons) occurs due to the Stark effect, i.e., the splitting of the levels of atoms and ions in an electric field. That is why the parameters of this broadening - width, shift, and, sometimes, asymmetry - are extremely important for studying plasma sources of radiation with a sufficiently high density of charged particles. Such sources are not only laboratory plasmas (for example, laser plasma or glow discharge), but also industrial plasmas (for example, electric arc plasma in welding) and plasma of stars, stellar photosphere, etc. Stark line broadening parameters are necessary to correctly calculate absorption coefficients at a given frequency and optical depth, and to simulate the spectral line profiles. However, these parameters have been experimentally determined for a very limited range of particles and their lines. Even theoretical calculations do not allow us to completely cover all observed spectral lines. In this case, a special problem is the lines of atoms of rare earth metal, which are of interest both in the geochemical exploration for deposits of valuable ores, rocks, etc., and in some special types of stars. For example, chemically peculiar Przybylski's Star (HD 101065) is distinguished by an anomalously high content of strontium, thorium, uranium, scandium, yttrium, lanthanum and other lanthanides, their contents are approximately in 3-4 orders of magnitude higher than in other types of stars. The proposed project aims to experimentally determine the Stark parameters of the spectral lines of single-electron spectra of sodium and potassium, scandium, yttrium, lanthanum, and lutetium atoms in order to fill some gaps in data on broadening, especially for rare earth metals. For alkali metals, we will determine the impact broadening parameters for a series of transitions from high-lying doublet states [nd] 2D and [ns] 2S to the first excited state [3p] 2P° Na I/[4p] 2P° K I and a series of doublet transitions from [np] 2P° to the ground state [3s] 2S Na I/[4s] 2S K I with the exception of the resonant transitions 3p-3s Na I and 4p-4s K I. For scandium, yttrium, lanthanum, lutetium, the Stark broadening parameters will be experimentally estimated for the first time for both strong transitions to the ground doublet state of 2D atoms from low-lying 2P°, 2D° and 2F° states, and for the strongest transitions to low-lying doublet states from higher-lying ones. Thus, the main result of the project will be new data on the parameters of Stark broadening of line in single-electron spectra of alkali and rare earth elements.

В результате выполнения проекта будут определены параметры Штарковского уширения линий одноэлектронных спектров натрия, калия, скандия, иттрия, лантана и лютеция. В качестве источника излучения будет использоваться лазерно-индуцированная плазма, которую предполагается получать как на воздухе, так и в атмосфере аргона при различных давлениях. Для определения Штарковских параметров критически важным является характеризация источника излучения. Поэтому будет проведена диагностика лазерно-индуцированной плазмы как на воздухе, так и в атмосфере аргона для двух давлений (<10 Торр, 760 Торр) и изучена эволюция температуры и электронной плотности плазмы для различных времен наблюдения плазмы от 0.5 до 10 мкс. Диагностика лазерной плазмы также поможет оценить возможный вклад остальных механизмов уширения линий, а именно Допплеровский, Ван-дер-Ваальса, резонансный. Для щелочных металлов предполагается определить параметры ударного уширения для серий переходов из высоколежащих дублетных состояний [nd] 2D и [ns] 2S в первое возбужденное состояние [3p] 2P° Na I/[4p] 2P° K I и серий дублетных переходов из [np] 2P° в основное состояние [3s] 2S Na I/[4s] 2S K I за исключением резонансных переходов 3p-3s Na I и 4p-4s K I. Для щелочных металлов для многих из указанных переходов отсутствуют экспериментальные оценки Штарковских параметров. В качестве мишеней для лазерного испарения будут использоваться специально синтезированные образцы системы Na3AlF6-KF-NaF с высоким содержанием обоих щелочных металлов. Для скандия, иттрия, лантана, лютеция впервые экспериментально оцениваются параметры ударного электронного уширения как для серий сильных переходов в основное дублетное состояние [nd(n+1)s2] 2D атомов из низколежащих возбужденных 2P°, 2D° и 2F° состояний, так и для серии переходов в низколежащие дублетные состояния разной четности из более высоколежащих состояний. На данный момент, отсутствуют как экспериментальные, так и теоретические оценки этих параметров для Sc I, Y I, La I, Lu I. В качестве мишеней для лазерного испарения будут использоваться чистые металлические образцы скандия, иттрия, лантана и лютеция. В случае необходимости, будут использоваться порошки оксидов этих металлов.

1. Разработан подход к автоматической идентификации линий в спектрах лазерно-индуцированной плазмы, позволяющий учитывать температуру и состав плазмы, а также реабсорбцию эмиссионных линий. Реализован алгоритм моделирования спектров однородной стационарной лазерной плазмы в условиях ЛТР. Учет при моделировании аппаратной функции спектрального прибора позволил корректно оценивать уровень спектральных помех и выбирать наиболее подходящие линии для анализа конкретного объекта. 2. Предложен метод ударного сжатия лазерной плазмы для увеличения чувствительности определения следов-токсикантов в почвах. Для этого была разработана и изготовлена специальная миниатюрная камера (диаметром 4 мм) с небольшим отверстием для входящего лазерного излучения и отверстием для наблюдения эмиссии плазмы для решения проблемы низкой чувствительности ЛИЭС при анализе природных объектов. 3. Продемонстрированы возможности протяженной лазерной плазмы для точного определения штарковских параметров резонансных линий марганца, влияния сверхтонкой структуры линий меди, асимметрии некоторых атомных линий. В данном режиме плазмы показано существенное отличие параметров от «традиционной» точечной плазмы: более низкая температура и электронная плотность, меньшая неоднородность. 4. Обнаружена связь между температурой лазерной плазмы и микротвердостью аблируемых материалов. Так, с ростом твердости увеличивается температура плазмы, в то время как испаренная масса и акустический сигнал уменьшаются. Существование такой взаимосвязи было продемонстрировано для проб различной природы: и для сплавов, и для керамик. 5. Сопоставление эволюции эмиссионных спектров FeO, полученных при испарении сверхчистого железа на воздухе, с термодинамическими расчетами по составу плазменного облака, образовавшегося при горении метеора Бенешов в атмосфере Земли, позволило отнести интенсивные полосы в диапазоне 620-650 нм не к FeO, а к молекуле FeO2 в угловой конфигурации.

Лабораторные исследования плазменных источников излучения, в том числе, лазерно-индуцированной плазмы, в области атомной и молекулярной спектроскопии необходимы как для создания новых методов определения состава неизвестных объектов по спектральным данным, получения точных параметров спектральных линий, совершенствования и проверки алгоритмов моделирования спектров, так и для имитации спектров испускания космических объектов различными лабораторными источниками в тех случаях, когда получение расчетных данных затруднено. С другой стороны, точные значения параметров Штарковского уширения спектральных линий – один из наиболее распространенных инструментов для диагностики как лабораторных плазм, так и плазм астрофизического происхождения. Новые данные о фундаментальных параметрах тех или иных линий, особенно редкоземельных элементов, формирует основы научного задела для исследований как лабораторных и промышленных плазменных источников, так и в изучение космических объектов, в том числе при моделировании вхождения такого объекта в атмосферу Земли.