磁场对原子能级占有数的影响与云南一米太阳塔偏振分析仪设计

【摘要】：磁场，是研究太阳物理乃至天体物理的一个必不可少的课题。而对太阳磁场研究的重要性更为突出，毕竟太阳是离我们最近的一颗恒星，也是唯一一颗可供我们仔细研究的恒星。太阳黑子，作为太阳上的强磁场区域，是磁场在太阳大气中最明显的体现，同时也是一个巨大的磁场实验室。对太阳黑子的研究一方面使我们更了解磁场的本质属性，另一方面也有助于其它物理学科的发展。 本文分为两个部分。在第一部分里，我们首先利用云南天文台的太阳斯托克斯光谱望远镜(Solar Stokes Spectrum Telescope，S~3T)得到的Stokes光谱资料进行分析，借助于原子能级对玻尔兹曼分布偏离的新定义(此定义直接可由连续源函数与线源函数之比得到)，通过反演谱线Fe Ⅰ 6302.5的Stokes轮廓研究了磁场对原子能级占有数的影响。我们定义的偏离因子和磁场间的关系说明了随着磁场增加，中性铁线6302.5(?)(Landé g_(eff)=2.5)的下能级的能级占有数成指数增长。这表明磁场能够对那些Landé因子非零的能级的原子占有数进行再分布。因此这种效应应该包含到统计平衡的计算中。此外，为了进一步证明这一激发关系与温度无关，我们在地面实验室里对发射线Hg Ⅰ 5461(?)也做了磁场强度与能级占有数关系的研究。实验结果也证实了磁致激发的关系。最后通过考虑磁能在波尔兹曼分布中的作用解释了这一指数关系。 第二部分给出了云南1米太阳塔(YunNan Solar Telescope，YNST)偏振仪的设计方案。我们的设计对四条选定的谱线都具有很高的测量效率，这显示了该偏振仪优良的消色差性能。这也保证了我们望远镜的科学目标的实现，即同时测量光球谱线和色球谱线。对于选定的四条谱线Fe Ⅰ 525.06nm，MgI 517.27nm，和Fe Ⅰ(630.15nm、630.25nm)，其总的偏振测量效率分别为1.0，0.9999，0.9691和0.9691。同时我们也考虑了Stokes各偏振分量的测量效率的平衡问题。另一方面，设计中的crosstalk也得到了很好的抑制，仅有Q→U和U→Q的crosstalk存在，但是都比较小。根据我们的设计，偏振测量精度能够达到3.0×10~(-4)。最后我们对该偏振仪和国际上已经投入使用的偏振仪进行了比较，如TIP(或LPSP)以及SOLIS使用的偏振仪。 【关键词】：太阳黑子 磁场 偏离因子 波尔兹曼分布 偏振仪
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（云南天文台）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：P182.9
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目录7-11
• 第一部分 磁场对原子能级占有数的影响11-61
• 第一章 基本概念、理论以及所用仪器13-39
• 1.1 Zeeman效应13-16
• 1.2 Stokes参数的建立16-18
• 1.3 Stokes光谱分析方法18-36
• 1.3.1 偏振辐射转移方程的建立18-22
• 1.3.2 偏振辐射转移方程的解22-24
• 1.3.3 反演方法24-36
• 1.4 Solar Stokes Spectrum Telescope(S~3T)简介36-39
• 第二章 磁场与其它物理量的关系39-45
• 2.1 磁场对太阳大气温度等的影响39-40
• 2.2 居里定律40-43
• 2.3 波尔兹曼分布和磁致激发43-45
• 第三章 对太阳黑子斯托克斯轮廓分析结果45-55
• 3.1 偏离因子45-47
• 3.2 观测数据及数据处理47-51
• 3.3 偏离因子与磁场的关系51-53
• 3.4 讨论53-55
• 第四章 地面实验55-61
• 4.1 实验的地点、时间55
• 4.2 实验装置55-56
• 4.3 实验过程56-58
• 4.4 实验结果58-59
• 4.5 结果分析59-61
• 第二部分 云南天文台1米级太阳塔偏振分析仪的设计61-101
• 第五章 偏振分析仪63-83
• 5.1 偏振分析仪的一般构造63-66
• 5.1.1 双折射棱镜63
• 5.1.2 偏振片63-64
• 5.1.3 玻片64
• 5.1.4 Pizeo-elastic位相调制器64-65
• 5.1.5 液晶(Liquid Crystal)调制器65
• 5.1.6 铁电液晶(Ferroelectric Liquid Crystal,FLC)65-66
• 5.2 偏振分析仪的分类及偏振校正66-67
• 5.2.1 偏振分析仪的分类66-67
• 5.2.2 偏振校正系统67
• 5.3 调制过程及偏振测量效率67-80
• 5.3.1 Müller矩阵及其特性67-70
• 5.3.2 偏振系统分析及偏振测量效率70-72
• 5.3.3 调制矩阵的优化72-74
• 5.3.4 解调矩阵的优化74-75
• 5.3.5 目前国际上的一些偏振分析仪的特征75-80
• 5.4 Crosstalk的定义及其分类80-83
• 第六章 云南天文台1米级太阳塔偏振分析仪的设计方案83-101
• 6.1 望远镜的科学目标以及对偏振分析仪器的要求83-84
• 6.1.1 科学目标的实现对望远镜和偏振分析仪器的要求83
• 6.1.2 实现手段及处理技术83-84
• 6.2 谱线的选择84-85
• 6.3 分析仪的排列及其构成85-87
• 6.4 偏振分析仪的理论测量效率和总的偏振测量效率87-91
• 6.4.1 设计方案一87-90
• 6.4.2 设计方案二90-91
• 6.5 与国外目前投入使用的一些分析仪的比较91-95
• 6.6 结果与讨论95-101
• 参考文献101-111
• 发表及待发表文章目录111-113
• 致谢113

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