ANÁLISIS DE PERFILES STARK DE LAS TRES PRIMERAS LINEAS

ANÁLISIS DE PERFILES STARK DE LAS TRES PRIMERAS LINEAS DE LA
SERIE PASCHEN DEL HeII
F. Rodríguez1, J. A. Aparicio1, V. R. González1, J. A. del Val2 y S. Mar1.
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Departamento de Óptica y Física Aplicada, Facultad de Ciencias, Universidad de
Valladolid. [email protected]
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Departamento de Física Aplicada, EP Superior, 05071 Avila, Universidad de Salamanca
1. Introducción
Este trabajo aporta datos sobre los perfiles Stark de las tres primeras líneas de la serie
Paschen del HeII. Los datos recogidos en este trabajo corresponden a densidades
electrónicas en torno a 0.6x1023 m-3 y a temperaturas de excitación en torno a los 2 eV .
Incluye además ensanchamientos Stark de la Pγ (λ = 273.3 nm), de los cuales sólo existe
un dato previo en la literatura, y anchuras a altura mitad, 1/4 y 1/8 de las tres líneas, así
como el hundimiento de la Pβ (λ = 320.3 nm).
2. Montaje experimental y medidas
El dispositivo experimental se describe en detalle en las referencias [1] y [2]. Las medidas
han sido realizadas en una lámpara de descarga pulsada, en la que se ha introducido helio
puro a una presión constante de 1160 Pa, estando conectados sus electrodos a una batería
de condensadores con una capacidad de 20 µF y una tensión de carga de 8000 voltios.
La lámpara se sitúa en uno de los brazos de un interferómetro Twyman-Green.
Medidas interferométricas y espectroscópicas han sido respectivamente realizadas en dos
volúmenes cilíndricos de plasma de 3 mm de diámetro situados simétricamente respecto al
eje de la lámpara, a una distancia de 2 mm de éste. Las medidas interferométricas
realizadas a dos longitudes de onda [3] (543.0 y 632.8 nm) permiten determinar la
evolución de la refractividad del plasma, y, por tanto, la de la densidad electrónica, Ne.
Los perfiles medidos abarcan las tres líneas de la serie Paschen del HeII y las líneas más
intensas del espectro visible del HeI todas ellas en primer orden de difracción en tres
instantes distintos de la vida del plasma. Todos los espectros han sido registrados por un
espectrómetro compuesto por un monocromador Jobin-Yvon de 1.5 m y 1200 líneas/mm
equipado con un OMA. de 512 canales. Las medidas de espectros de HeI han sido
utilizadas para el diagnóstico de la temperatura de excitación Texc por Boltzmann-plot y
las del HeII para el cálculo de los parámetros Stark citados en el apartado anterior. A
partir de la anchura Stark de la línea de HeI 501.6 nm se ha obtenido una determinación
independiente de la densidad electrónica. Para ello se han utilizado los datos de una
calibración en longitud de onda e intensidad realizada previamente [4].
Los valores de Texc del HeI en los instantes 25, 40 y 60 µs (aquellos en los que se
registraron los espectros del HeI y HeII) fueron respectivamente 1.85, 2,43 y 1.71 eV. En
dichos instantes el diagnóstico interferométrico de la densidad electrónica permitió
cuantificar ésta en 0.54, 0.64 y 0.55x1023 m-3. Ambos parámetros del plasma, densidad
electrónica y temperatura, se han determinado con incertidumbres en torno al 10%.
3. Análisis de resultados
Una vez comprobada la no existencia apreciable de autoabsorción, se obtuvieron las
anchuras Stark ω de las líneas Paschen medidas. Para ello se ha considerado tanto el
efecto de la anchura aparato como el del ensanchamiento Doppler. Ambos mecanismos de
ensanchamiento han sido descontados de las medidas experimentales a partir de
procedimientos standard en los que se asume, como así es de hecho, que el grueso del
perfil es lorentziano y debido al efecto Stark.
Tabla 1. Anchuras Stark medidas en este trabajo
En la tabla adjunta se muestran los valores en picómetros de las anchuras Stark medidas
después del procesado, así como el valor del hundimiento o dip de la Pβ en los tres
instantes considerados. Comparaciones de nuestros resultados con los de otros autores
pueden verse en la Figura 1. Nuestro datos se muestran con barras de error del 15%.
Fig. 1. Anchura Stark (FWHM) vs. densidad electrónica (Ne) para la Pα (izquierda)y la Pβ (derecha)
En el caso de la Pα, los datos de anchuras Stark a altura mitad reflejan un muy buen acuerdo
con las medidas de Pittman [5]. En relación con los modelos teóricos, el de Kepple [6] y,
particularmente, el de Stehle [7] son los que hacen predicciones que mejor se ajustan a los
resultados obtenidos en este experimento, a pesar de que estos fueron realizados a
temperaturas muy diferentes de las aquí alcanzadas (3.4 eV y 8.6 eV respectivamente). En el
caso de la Pβ, el acuerdo es óptimo con las medidas de Pittman [8], siendo las diferencias
entre sus resultados a esas densidades y los nuestros inferiores al 10%. En este caso, la
comparación con los cálculos teóricos predice un muy buen acuerdo con los distintos
modelos, lo que ha demostrado desde hace tiempo una notable insensibilidad de la anchura
Stark a altura mitad de esta línea a las diferencias entre los distintos modelos.
De cara a una comparación más precisa con dichos modelos teóricos, se han calculado las
anchuras fraccionales (αn) Stark a altura mitad, ¼ y 1/8 en unidades normalizadas α. Para la
transformación a estas unidades se ha utilizado como hipótesis que el grueso de los
perturbadores cargados de helio son HeII. Unos sencillos cálculos a partir de las ecuaciones
de equilibrio revelan que la proporción HeIII:HeII es inferior al 1%. Los resultados para las
tres líneas Paschen medidas se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Comparación de la anchuras Stark fraccionales de las líneas Paschen con las predichas por ciertos
modelos teóricos. Los datos corresponden a temperaturas de 2.4eV y densidades electrónicas de 0.64x1023 m-3.
Los datos de la Tabla 2 reflejan cuán pobre puede llegar a ser la simple comparación de
anchuras a altura mitad. Como se aprecia en el caso de la Pα, el acuerdo inicialmente bueno
entre nuestros datos y los de Kepple a 3.4 eV empeora a medida que descendemos en el perfil,
siendo nuestras medidas hasta un 20% inferiores en el caso de las anchuras fraccionales α8.
En el caso de la Pβ, son los cálculos de Griem [9] a 3.4 eV los que mejor predicen la forma
global del perfil, diferiendo sus cálculos de nuestras medidas en menos del 5%.
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Agradecimientos
Los autores agradecen a S. González por su colaboración, al DGICYT (Ministerio de
Educación y Ciencia) y a la Consejería de Educación y Cultura de la Junta de Castilla y León
por su ayuda bajo los contratos No. BFM2002-01002 y VA130-02 respectivamente. El Dr.
Aparicio desea agradecer a la ONCE su colaboración con las ayudas prestadas.