Микроскопическая теория переноса резонансного излучения в газоразрядной плазме
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-3-160-170Ключевые слова:
резонансное излучение, газоразрядная плазма, перенос излучения, матричные функции Грина, уравнение Дайсона, уширение спектральных линий, формализм Келдыша, коэффициент поглощенияАннотация
Разработан самосогласованный микроскопический подход к описанию переноса резонансного излучения в плазме, основанный на применении формализма матричных функций Грина и Келдыша к классической электродинамике. В отличие от классического уравнения переноса излучения (УПИ) и феноменологических моделей уширения (профиль Фойгта), предложенный формализм позволяет строго учесть пространственно-временные корреляции между актами поглощения и переизлучения, а также взаимное влияние различных механизмов уширения спектральных линий. Ключевым результатом является единое описание когерентной и некогерентной компонент поля, что критически важно для анализа крыльев спектральных линий, где традиционные подходы систематически занижают яркость излучения. На примере резонансной линии водорода Hα (656,3 нм) показано, что учет корреляций между доплеровским и штарковским уширениями приводит к превышению яркости в крыльях на 1…2 порядка по сравнению с моделью Фойгта, что существенно для точной диагностики плотной плазмы. Предложенная теория не накладывает ограничений на плотность среды и открывает новые возможности для моделирования переноса излучения в оптически плотной и неравновесной плазме.
Библиографические ссылки
1. Hutchinson I.H. Principles of Plasma Diagnostics. Cambridge: Cambridge University Press, 2002.
2. Waymouth J.F. Electric Discharge Lamps. Cambridge: M.I.T. Press, 1971.
3. Роудз Ч., Хофф П., Кросс М. Эксимерные лазеры М.: Мир, 1981.
4. Mihalas D. Stellar Atmospheres. San Francisco: W.H. Freeman & Co., 1978.
5. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2005.
6. Baranger M. Problem of Overlapping Lines in the Theory of Pressure Broadening // Phys. Rev. 1958. V. 111(2). Pp. 494—504.
7. Keldysh L.V. Diagram Technique for Non-equilibrium Processes // Soviet Physics — JETP. 1965. V. 20(4). Pp. 1018—1028.
8. Danielewicz P. Quantum Theory of Non-equilibrium Processes, I // Annals Phys. 1984. V. 152(2), Pp. 239—304.
9. Biberman L.M., Vorob'ev V.S., Yakubov I.T. Kinetics of Non-equilibrium Low-temperature Plasmas. N.-Y.: Springer, 1987.
10. Bohm D., Pines D. A Collective Description of Electron Interactions: III. Coulomb Interactions in a Degenerate Electron Gas // Phys. Rev. 1953. V. 92(3). Pp. 609—625.
11. Blase H., Duchemin I., Jacquemin D., Loos P.-F. The Bethe-Salpeter Equation Formalism: from Physics to Chemistry // J. Phys. Chem. Lett. 2020. V. 11(17). Pp. 7371—7382.
12. Apresyan L.A., Kravtsov Yu.A. Radiation Transfer: Statistical and Wave Aspects. Amsterdam: Gordon and Breach, 1996.
13. Розенберг Г.В. Луч света (К теории светового поля) // Успехи физических наук. 1977. Т. 121. № 1. С. 97—138.
14. Mishchenko M.I. Directional Radiometry and Radiative Transfer: a New Paradigm // J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2011. V. 112(13). Pp. 2079—2094.
15. Budak V.P., Veklenko B.A. Boson Peak, Flickering Noise, Backscattering Processes and Radiative Transfer in Random Media // J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2011. V. 112(5). Pp. 864—875.
16. Sommerfeld A. Die Greensche Funktion der Schwingungsgleichung // Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-vereinigung. 1912. V. 21. Pp. 309—353.
17. Dyson F.J. The S Matrix in Quantum Electrodynamics // Phys. Rev. 1949. V. 75(11). Pp. 1736—1755.
18. Wigner E.P. On the Quantum Correction for Thermodynamic Equilibrium // Phys. Rev. 1932. V. 40(5). Pp. 749—759.
19. Tsytovich V.N. e. a. From Plasma Crystals and Helical Structures Towards Inorganic Living Matter // New J. Phys. 2007. V. 9(8). P. 263.
20. Boyd R.W. Nonlinear Optics. London: Academic Press, 2020.
21. Calisti A. e. a. Model for the Line Shapes of Complex Ions in Hot and Dense Plasmas // Phys. Rev. A. 1990. V. 42(9). Pp. 5433—5440.
22. Березина Г.П., Файнберг Я.Б., Березин А.Л., Назаренко O.K. Использование модулированного электронного пучка для генерации и переноса электромагнитных волн в плотной плазме // Физика плазмы. 1994. Т. 20. Вып. 9. С. 828—835.
23. Talin B. e. a. Frequency-fluctuation Model for Line-shape Calculations in Plasma Spectroscopy // Phys. Rev. A. 1995. V. 51(3). P. 1918.
24. Гавриков М.Б. Основные положения электромагнитной гидродинамики плазмы (ЭМГД) // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2019. № 65. С. 1—36.
25. Zheleznov I.I., Popov O.A. Electrodeless Source of UV Radiation Based on Low Pressure Microwave Mercury Discharge // Light & Eng. 2023. V. 31(3). Pp. 36—42.
26. Грим Х.Р. Уширение спектральных линий в плазме. М.: Мир, 1978.
27. Решенов С.П. Генерация и перенос излучения в плазме. М.: Изд-во МЭИ, 1989.
28. Heisenberg W. Über den Anschaulichen Inhalt der Quantentheoretischen Kinematik und Mechanik // Zeitschrift für Physik. 1927. V. 43. Pp. 172—198.
29. Lorenz L.V. On the Identity of the Vibrations of Light with Electrical Currents // Phil. Mag. 1867. Ser. 4. V. XXVI. Pp. 287—301.
30. Gyenis B. Maxwell and the Normal Distribution: a Colored Story of Probability, Independence, and Tendency Towards Equilibrium // Studies in History and Phil. Modern Phys. 2017. V. 57. Pp. 53—65.
31. Дзялошинский И.Е., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Общая теория Ван-дер-Ваальсовых сил // Успехи физических наук. 1961. Т. 73. № 3. С. 381—422.
32. Stark J. Beobachtungen über den Effekt des Elektrischen Feldes auf Spektrallinien I. Quereffekt // Annalen der Physik. 2006. V. 348(7). Pp. 965—982.
33. Holtsmark J. Über die Verbreiterung von Spektrallinien // Annalen der Physik. 1919. V. 363(7). Pp. 577—630
---
Для цитирования: Будак ВП., Железнов И.И. Микроскопическая теория переноса резонансного излучения в газоразрядной плазме // Вестник МЭИ. 2026. № 3. С. 160—170. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-3-160-170
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Hutchinson I.H. Principles of Plasma Diagnostics. Cambridge: Cambridge University Press, 2002.
2. Waymouth J.F. Electric Discharge Lamps. Cambridge: M.I.T. Press, 1971.
3. Roudz Ch., Hoff P., Kross M. Eksimernye Lazery M.: Mir, 1981. (in Russian).
4. Mihalas D. Stellar Atmospheres. San Francisco: W.H. Freeman & Co., 1978.
5. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2005.
6. Baranger M. Problem of Overlapping Lines in the Theory of Pressure Broadening. Phys. Rev. 1958;111(2):494—504.
7. Keldysh L.V. Diagram Technique for Non-equilibrium Processes. Soviet Physics — JETP. 1965;20(4):1018—1028.
8. Danielewicz P. Quantum Theory of Non-equilibrium Processes, I. Annals Phys. 1984;152(2):239—304.
9. Biberman L.M., Vorob'ev V.S., Yakubov I.T. Kinetics of Non-equilibrium Low-temperature Plasmas. N.-Y.: Springer, 1987.
10. Bohm D., Pines D. A Collective Description of Electron Interactions: III. Coulomb Interactions in a Degenerate Electron Gas. Phys. Rev. 1953;92(3):609—625.
11. Blase H., Duchemin I., Jacquemin D., Loos P.-F. The Bethe-Salpeter Equation Formalism: from Physics to Chemistry. J. Phys. Chem. Lett. 2020;11(17):7371—7382.
12. Apresyan L.A., Kravtsov Yu.A. Radiation Transfer: Statistical and Wave Aspects. Amsterdam: Gordon and Breach, 1996.
13. Rozenberg G.V. Luch Sveta (K Teorii Svetovogo Polya). Uspekhi Fizicheskih Nauk. 1977;121(1):97—138. (in Russian).
14. Mishchenko M.I. Directional Radiometry and Radiative Transfer: a New Paradigm. J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2011;112(13):2079—2094.
15. Budak V.P., Veklenko B.A. Boson Peak, Flickering Noise, Backscattering Processes and Radiative Transfer in Random Media. J. Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2011;112(5):864—875.
16. Sommerfeld A. Die Greensche Funktion der Schwingungsgleichung. Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-vereinigung. 1912;21:309—353.
17. Dyson F.J. The S Matrix in Quantum Electrodynamics. Phys. Rev. 1949;75(11):1736—1755.
18. Wigner E.P. On the Quantum Correction for Thermodynamic Equilibrium. Phys. Rev. 1932;40(5):749—759.
19. Tsytovich V.N. e. a. From Plasma Crystals and Helical Structures Towards Inorganic Living Matter. New J. Phys. 2007;9(8):263.
20. Boyd R.W. Nonlinear Optics. London: Academic Press, 2020.
21. Calisti A. e. a. Model for the Line Shapes of Complex Ions in Hot and Dense Plasmas. Phys. Rev. A. 1990;42(9):5433—5440.
22. Berezina G.P., Faynberg Ya.B., Berezin A.L., Nazarenko O.K. Ispol'zovanie Modulirovannogo Elektronnogo Puchka dlya Generatsii i Perenosa Elektromagnitnyh Voln v Plotnoy Plazme. Fizika Plazmy. 1994;20(9):828—835. (in Russian).
23. Talin B. e. a. Frequency-fluctuation Model for Line-shape Calculations in Plasma Spectroscopy. Phys. Rev. A. 1995;51(3):1918.
24. Gavrikov M.B. Osnovnye Polozheniya Elektromagnitnoy Gidrodinamiki Plazmy (EMGD). Preprinty IPM im. M.V. Keldysha. 2019;65:1—36. (in Russian).
25. Zheleznov I.I., Popov O.A. Electrodeless Source of UV Radiation Based on Low Pressure Microwave Mercury Discharge. Light & Eng. 2023;31(3):36—42.
26. Grim H.R. Ushirenie Spektral'nyh Liniy v Plazme. M.: Mir, 1978. (in Russian).
27. Reshenov S.P. Generatsiya i Perenos Izlucheniya v Plazme. M.: Izd-vo MEI, 1989. (in Russian).
28. Heisenberg W. Über den Anschaulichen Inhalt der Quantentheoretischen Kinematik und Mechanik. Zeitschrift für Physik. 1927;43:172—198.
29. Lorenz L.V. On the Identity of the Vibrations of Light with Electrical Currents. Phil. Mag. 1867;4(XXVI):287—301.
30. Gyenis B. Maxwell and the Normal Distribution: a Colored Story of Probability, Independence, and Tendency Towards Equilibrium. Studies in History and Phil. Modern Phys. 2017;57:53—65.
31. Dzyaloshinskiy I.E., Lifshits E.M., Pitaevskiy L.P. Obshchaya Teoriya Van-der-Vaal'sovyh Sil. Uspekhi Fizicheskih Nauk. 1961;73(3):381—422. (in Russian).
32. Stark J. Beobachtungen über den Effekt des Elektrischen Feldes auf Spektrallinien I. Quereffekt. Annalen der Physik. 2006;348(7):965—982.
33. Holtsmark J. Über die Verbreiterung von Spektrallinien. Annalen der Physik. 1919;363(7):577—630
---
For citation: Budak V.P., Zheleznov I.I. Microscopic Theory of Resonant Radiative Transfer in Gas-discharge Plasma. Bulletin of MPEI. 2026;3:160—170. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-3-160-170
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
