СОДЕРЖАНИЕ
Введение...............................................................4
Глава 1. Обзор литературы но сголкношггслыюй ионизации и радиационным процессам в ридбсрговскнх атомах щелочных металлов ....14
1.1. Основные свойства ридбсрговскнх атомов, методы возбуждения, регистрации, процессы ионизации с их участием.....................16
1.2. Базовая теоретическая модель хсмоиопизации ридбсрговскнх атомов (модель ОБМ.!)....................................................23
1.3. Экспериментальные исследования столкковительной ионизации ридбсрговскнх атомов щелочных металлов............................31
1.4. Радиационные переходы в ридберговских атомах, индуцированные тепловым излучением............................................. 37
1.5. Фотоионизация ридберговских атомов тепловым излучением 44
Глава 2. Теоретическая модель ионизации ридберговских атомов в столкновениях и под действием теплового излучения......................48
2.1. Влияние распределения по скоростям в газовой ячейке, эффузионном пучке и скрещенных пучках на скорость столкновительной ионизации.........................................................49
2.2. Эффект закручивания траекторий сталкивающихся атомов.......50
2.3. Перемешивание состояний с различными орбитальными моментами ..................................................................52
2.4. Стохастическая диффузия ридберговского электрона по энергетическому спектру...........................................54
2.5. Влияние перераспределения заселенностей ридберговских состояний под действием теплового излучения на процессы ионизации...........60
2.6. Расчеты скорости прямой фотоионизации ридберговских атомов щелочных металлов тепловым излучением.............................62
2.7. Ионизация высоколежащих ридберговских состояний вытягивающим электрическим полем..................................74
2.8. Расчеты эффективной скорости ионизации ридберговских атомов тепловым излучением...............................................80
2.9. Эффективные константы скорости ассоциативной ионизации в поле теплового излучения...............................................86
2
Глава 3. Методика экспериментального измерения скорости ассоциативной ионизации и тепловой фотоионизации ридберговских атомов натрия 90
3.1. Схема экспериментальной установки...........................90
3.2. Определение концентрации атомов в пучке.....................93
3.3. Атомарные и молекулярные ионизационные сигналы..............96
3.4. Метод измерения скорости ассоциативной ионизации...........102
3.5. Измерение распределения по скоростям в эффузионном пучке 110
Глава 4. Результаты экспериментального и теоретического исследования процессов ионизации ридберговских атомов натрия........................115
4.1. Ионизация ридберговских атомов натрия тепловым излучением... 115
4.2. Ассоциативная ионизация ридберговских атомов натрия в одиночном пучке....................................................119
4.3. Ассоциативная ионизация ридберговских атомов натрия в скрещенных пучках..................................................122
Заключение.............................................................130
Список литературы......................... ;..........................132
3
Введение
Интерес к исследованиям атомов в высоковозбужденных (ридберговских) состояниях связан с их уникальными свойствами - большими временами жизни и геометрическими размерами, и, как следствие, большими дипольными моментами переходов и высокой чувствительностью к электромагнитным полям [1]-[3]. Для ридберговских атомов существуют эффективные методы лазерного возбуждения и регистрации, обеспечивающие высокую селективность и чувствительность, поэтому в экспериментах можно исследовать разнообразные процессы с участием ридберговских атомов, например, изучать спектры переходов или столкновительную ионизацию. Особенностью таких экспериментов является то, что рндберговские атомы всегда находятся в поле фонового теплового излучения, которое из-за большой вероятности дипольных переходов между дискретными ридберговекими состояниями и переходов в непрерывный спектр (фотоионизация) оказывает существенное влияние на эволюцию населенностей уровней во времени.
Большие геометрические размеры ридберговских атомов приводят к тому, что роль столкновений с другими атомами становится намного более существенной, чем для атомов в основном или низких возбужденных состояниях [1],[4],[5]. Столкновения могут приводить к рассеянию атомов, перемешиванию ридберговских состояний, а также к ионизации атомов. Процессы ионизации ридберговских атомов играют важную роль в астрофизической и лабораторной плазме, понимание физики столкновений может оказаться существенным при разработке эффективных методов лазерного разделения изотопов [1]. Методы, используемые в теории столкновений с участием ридберговских атомов, принципиально отличаются от тех, что разработаны для изучения столкновений атомов и молекул в основном состоянии. Основное различие заключается в том, что ридберговский атом, сталкивающийся с атомом в основном состоянии, нельзя рассматривать как единое целое. В таких столкновениях система сталкивающихся частиц рассматривается как квазнмолекулярный ион, взаимодействующий с ридберговским электроном. При этом важно отмстить, что столкновительная ионизация ридберговских атомов происходит в поле
4
теплового излучения, которое может перемешивать соседние ридберговские уровни и даже фотоионизовать атомы, и, в результате этого, влиять на измеряемые константы скорости столкновительной ионизации.
Особый интерес для сравнения теории и эксперимента представляю!' процессы ионизации ридберговских атомов щелочных металлов [5]. На внешней электронной оболочке таких атомов находится только один электрон, что позволяет значительно упростить расчеты скорости рассматриваемых процессов и применять для вычислений водородоподобные волновые функции (метод квантового дефекта). Ранее в экспериментах с атомными пучками, в основном, исследовались ридберговские атомы лития, калия и натрия, для возбуждения которых применялись лазеры на красителях. В современных исследованиях холодных ридберговских атомов, в частности, в исследованиях ультрахолодной ридбсрговской плазмы [6]-[16], образующейся при ионизации ридберговских атомов лазерным или тепловым излучением, широко используются атомы рубидия и цезия [9],[12], возбуждаемые полупроводниковыми лазерами.
Квантово-механическая теория столкновительной ионизации ридберговских атомов была разработана Михайловым, Яневым, Думаном и Шматовым [17]-[19] (модель ОБМД). Особый интерес для исследований столкновительной ионизации ридберговских атомов щелочных металлов представляет диапазон главных квантовых чисел п= 10-20, так как теоретические расчеты предсказывают существование максимума для констант скорости столкновительной ионизации в данном диапазоне [17]. Однако при сравнении теории с последующими немногочисленными экспериментами были обнаружены значительные расхождения, как по абсолютной величине, гак и по форме зависимости констант скорости ионизации от главного квантового числа. Одна из возможных причин заключается в том, что модель ОБМ.1 по учитывает стохастической динамики рассматриваемой системы. Для решения этой проблемы Безугловым и др. |20]-[22] были разработаны новые методы расчета скорости ионизации, учитывающие диффузию ридберговского электрона в пространстве энергетических состояний. Для проверки диффузионной модели столкновительной ионизации необходимы новые экспериментальные данные. Кроме того, необходимы новые теоретические расчеты, описывающие процессы ионизации ридберговских атомов в реальных экспериментальных условиях, в
5
том числе - учитывающие влияние теплового излучения. Этим обусловлена актуальность темы настоящей диссертации.
В настоящее время возобновление интереса к процессам ионизации ридберговских атомов связано с последними исследованиями ультрахолодной плазмы, образующейся в результате ионизации облака холодных ридберговских атомов [7]. В ультрахолодной плазме (температура ионов около 1 К) энергия кулоновского взаимодействия заряженных частиц превышает среднюю кинетическую энергию, и вещество находится в сильно связанном состоянии. По своим свойствам ультрахолодная плазма существенно отличается от широко исследованной высокотемпературной плазмы и представляет значительный интерес для проверки основ теории плазмы в более широком диапазоне температур и концентраций вещества. Ионизация ридберговских атомов в столкновениях с атомами в основном состоянии и фотоионизация тепловым излучением при /?<40 являются основными механизмами спонтанной ионизации облака холодных атомов, приводящей4 к возникновению ультрахолодной плазмы. Для более высоких состояний (я>40) значительную роль играет также взаимодействие ридберговских атомов друг с другом.
Несмотря на то, что взаимодействие ридберговских атомов щелочных металлов с тепловым излучением исследуется довольно давно [23], процессу фотоионизации излучением черного тела уделялось недостаточно внимания и систематических исследований зависимости скорости фотоионизацни ридберговских атомов щелочных металлов от главного квантового числа, но имеющимся у нас данным, не проводилось. До сих пор для оценки скорости фотоионизации тепловым излучением применяется простое выражение из работы [24], в котором пренебрегастся зависимостью от орбитального момента, что неприменимо для лЭ, п? и иИ состояний щелочных металлов с большими квантовыми дефектами. Необходимы точные расчеты скорости фотоионизации ридберговских атомов щелочных металлов, имеющие экспериментальное подтверждение, и приближенные формулы, пригодные для достаточно точных оценок.
Целью диссертации являлось экспериментальное и теоретическое исследование процессов ионизации тепловым излучением и столкновительной ионизации ридберговских атомов щелочных металлов.
6
Научная новизна полученных результатов заключается во впервые проведенном систематическом измерении констант скорости ассоциативной ионизации и тепловой фотоионизации ридбсрговских /гё и «Э атомов натрия в диапазоне главных квантовых чисел я=8-20, и теоретическом расчете зависимости скорости тепловой фотоионизации ридбсрговских «8, яР и /Ю атомов лития, натрия, калия, рубидия и цезия от п в более широком диапазоне /?=8-65- Для измерения констант скорости ассоциативной ионизации был использован оригинальный метод, основанный на измерении отношения скоростей образования атомарных и молекулярных ионов, что позволило связать константы скорости ассоциативной ионизации и скорость тепловой фотоионизации, которая также была измерена в эксперименте. Разработанный нами метод обладает большей надежностью при измерении формы зависимости констант скорости ионизации от главного квантового числа я, по сравнению с методами, применяемыми в других работах. Впервые был проведен количественный анализ вклада в измеряемые ионизационные сигналы от процессов перемешивания ридбсрговских состояний тепловым излучением и полевой ионизации высоко лежащих состояний электрическими импульсами при регистрации ионов. Эго позволило провести корректное сравнение теории столкновительной ионизации с экспериментом. Полученные аналитические формулы позволяют быстро выполнять оценку скорости ионизации любых ридбсрговских атомов тепловым излучением.
Практическая значимость полученных результатов заключается в разработке новой теоретической модели, позволяющей болсс адекватно описывать ионизационные и радиационные процессы с участием ридбсрговских атомов. Эти процессы интенсивно исследуются в экспериментах по физике плазмы, в том числе и ультрахолодной ридбсрговской плазмы. Разработанный нами метод измерения констант скорости ассоциативной ионизации может быть применен для систематических измерений в различных диапазонах квантовых чисел для ридбсрговских состояний любых щелочных металлов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная модель ассоциативной ионизации ридбсрговских атомов щелочных металлов позволяет улучшить согласие между теорией и экспериментом по абсолютной величине и форме
7
зависимости от главного квантового числа для скорости ионизации ридберговских дБ и пО атомов натрия (и=8-20) в одиночном атомном пучке и скрещенных пучках, по сравнению с базовой моделью ОБМЗ.
2. Учет перемешивания соседних ридберговских состояний полем теплового излучения, а также заселения этим нолем высоколежащих ридберговских состояний даст значительный вклад (до 50%) в измеряемые скорости ионизации ридберговских атомов тепловым излучением и константы скорости ассоциативной ионизации.
3. Использование сигнала от атомарных ионов, образованных вследствие ионизации ридберговских атомов тепловым излучением, в качестве опорного сигнала позволяет измерять абсолютные значения скорости ассоциативной ионизации в одиночном и скрещенных атомных пучках без измерения количества ридберговских атомов в объеме возбуждения. В случае скрещенных пучков этот метод позволяет выделить вклад от внутренних столкновений в каждом из двух пучков.
4. Разработанная модель ионизации ридберговских атомов тепловым излучением, учитывающая перемешивание соседних ридберговских состояний тепловым излучением и ионизацию вытягивающими электрическими импульсами высоколежащих ридберговских состояний, заселенных тепловым излучением, хорошо согласуется с экспериментом для пГ) состояний (и=8-20) и дБ состояний (д=8-15) в атомах натрия.
5. Полученные аналитические формулы для скоростей прямой фотоионизации и ионизации высоколежащих ридберговских состояний правильно описывают форму зависимости скорости ионизации ридберговских пЪ, п? и /?1) состояний щелочных металлов с различными квантовыми дефектами от главного квантового числа п и согласуются с точным численным расчетом при п<50.
8
Краткое содержание работы по главам
Во »ведении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и научная новизна работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертации обсуждаются основные свойства ридберговских атомов и проведен обзор современного состояния теоретических и экспериментальных исследований столкновительной ионизации ридберговских атомов и радиационных процессов, индуцированных фоновым тепловым излучением.
Во второй главе диссертации представлена стохастическая модель столкновительной ионизации, обоснована необходимость учитывать в расчетах констант скорости ионизации различие распределений по скоростям сталкивающихся частиц в газовой ячейке, атомном пучке и скрещенных пучках; закручивание траекторий движения сталкивающихся атомов, связанное с их поляризацией; перемешивание состояний с различными орбитальными моментами в результате столкновений, а также заселение соседних и высоколежащих ридберговских состояний под действием теплового излучения. Рассчитаны скорости ионизации ридберговских атомов щелочных металлов тепловым излучением в широком диапазоне главных квантовых чисел.
В разделе 2.1 рассматривается влияние распределения но скоростям сталкивающихся атомов в эффузионном пучке и скрещенных пучках на скорость столкновительной ионизации. Распределения по скоростям столкновений в одиночном атомном пучке и скрещенных пучках отличаются от распределения по скоростям в газовой ячейке, что приводит к существенному изменению средних энергий столкновений, для которых измеряются константы скорости столкновительной ионизации [25].
В разделе 2.2 обсуждается эффект закручивания траекторий сталкивающихся атомов в притягивающем потенциале и его влияние на константы скорости ассоциативной иопизациии [26]. Закручивание приводит к уменьшению максимальных значений прицельных параметров сталкивающихся
9
атомов, при которых возможна столкповительиая ионизация. Показано, что учет закручивания необходим при теоретическом анализе столкновений в одиночном пучке и менее важен для скрещенных пучков.
В разделе 2.3 рассматривается процесс перемешивания состояний с различными орбитальными моментами, предшествующий столкновителыюй ионизации. Прежде чем сталкивающиеся атомы натрия сблизятся до расстояний, при которых ионизация становится возможной, ридберговские лБ состояния в результате /.-перемешивания превратятся в водородоподобный набор состояний с орбитальными моментами Ь<п [27]. Для ридберговских пЪ состояний натрия /-перемешиванием можно пренебречь.
В разделе 2.4 описывается явление стохастической диффузии ридбер-говского электрона по энергетическому спектру [20]-[22]. Уровни энергии квазимолекулы, образованной сталкивающимися атомами, имеют многочисленные пересечения. Во время сближения сталкивающихся атомов в результате диполь-дипольного взаимодействия ридберговского электрона с квазимолекулярлым ионом, образованным остовом ридберговского атома и атомом в основном состоянии, происходят переходы между пересекающимися уровнями энергий ридберговского электрона, который стохастически дрейфует по собственному энергетическому спектру к границе ионизации.
В разделе 2.5 исследуется влияние перераспределения заселенностей ридберговских состояний под действием теплового излучения на процессы ионизации. После первоначального возбуждения состояния лазерным импульсом, индуцированные тепловым излучением переходы приводят к заселению соседних состояний. Кроме того, тепловое излучение также индуцирует переходы в высоколсжащие ридберговские состояния. В реальных экспериментах эти состояния могут ионизоваться электрическими импульсами, применяемыми для вытягивания ионов в область детектора заряженных частиц. Полученные нами результаты показали, что эти процессы влияют как на абсолютную величину скорости индуцированной тепловым излучением ионизации, так и на форму ее зависимости от главного квантового числа.
В разделе 2.6 приведены результаты численных и аналитических расчетов скорости прямой фотоионизации ридберговских атомов щелочных металлов тепловым излучением. Для точных численных расчетов была использована
10
квазиклассическая модель, разработанная Дьячковым и Панкратовым [28],[29]. Для менее точных аналитических расчетов использовались аналитические формулы для сечений фотоионизации, опубликованные Гореславским, Делоне и Крайновым (модель ГДК) [30]. Нами получено простое выражение для скорости прямой фотоионизации ридберговских атомов щелочных металлов тепловым излучением.
В разделе 2.7 рассматривается ионизация заселенных тепловым излучением высоколежащих ридберговских состояний вытягивающим электрическим полем.
В разделе 2.8 приведены результаты расчетов полной скорости ионизации ридберговских атомов тепловым излучением. Показано, что индуцированное тепловым излучением перемешивание может приводить к значительному увеличению измеряемой скорости ионизации, особенно для дБ состояний лития.
В разделе 2.9 показано, что аналогично полной скорости ионизации тепловым излучением рассчитываются эффективные константы скорости ассоциативной ионизации в поле теплового излучения.
В третьей главе диссертации описана экспериментальная установка, подробно изложена методика измерений констант скорости ассоциативной ионизации и тепловой фотоионизации ридберговских атомов натрия, приведены результаты экспериментов но измерению констант скорости ассоциативной ионизации и распределения по скоростям в атомном пучке.
В разделе 3.1 приведена схема экспериментальной установки.
В разделе 3.2 описан способ определения концентрации атомов в эффузионном пучке. Концентрация рассчитывалась но геометрическим характеристикам пучка с применением надежных формул Браунинга и Поттера для давления насыщенных паров натрия [31].
В разделе 3.3 обсуждаются наблюдаемые в эксперименте атомарные и молекулярные Ыаг+ ионизационные сигналы. Показано, что ионизация ридберговских атомов тепловым излучением является основным источником атомарных ионов, в то время как молекулярные ионы образуются в результате ассоциативной ионизации ридберговских атомов в столкновениях с атомами в основном состоянии.
11
13 разделе 3.4 описан разработанный нами новый метод измерения констант скорости ассоциативной ионизации в одиночном пучке и скрещенных пучках по измеренным отношениям молекулярного N32* и атомарного N3" ионизационных сигналов в одиночных и скрещенных пучках. Предложенный метод позволяет исключить из рассмотрения такой трудно определяемый параметр, как число первоначально возбужденных ридбсрговских атомов.
В разделе 3.5 приведены результаты измерения распределения по скоростям в эффузиоином пучке времяпролетным методом. Показано, что измеренное распределение совпадает с распределением Максвелла [32], поэтому разработанная теоретическая модель соответствует условиям эксперимента.
В четвертой главе диссертации экспериментальные данные сравниваются с теорией и проведен детальный анализ полученных результатов.
В разделе 4.1 приведены измеренные скорости ионизации ридбсрговских атомов натрия тепловым излучением и сравнение эксперимента с теорией. Обнаружено хорошее согласие теории с экспериментом для пТУ состояний и для «Б состояний с //<15.
В разделе 4.2 приведены результаты измерений констант скорости ассоциативной ионизации ридбсрговских атомов натрия в одиночном пучке и сравнение эксперимента с модифицированной моделью Э8М1 и диффузионной моделью. Учет стохастической диффузии ридберговского электрона по энергетическому спектру позволил улучшить согласие теории с экспериментом по абсолютной величине и форме зависимости от главного квантового числа.
В разделе 4.3 приведены результаты измерений констант скорости ассоциативной ионизации ридберговских атомов натрия в скрещенных пучках и сравнение эксперимента с теорией. Нами были отдельно измерены суммарные константы скорости АИ в столкновениях атомов, происходящих как в скрещенных пучках, гак и внутри каждого из отдельных пучков и константы скорости АИ в столкновениях атомов из разных пучков. В первом случае в столкновениях участвуют атомы, движущиеся как перпендикулярно, так и параллельно друг другу'. Во втором случае в столкновениях участвуют только атомы, движущиеся в перпендикулярных направлениях. Сравнение эксперимента и теории показало, что применение стохастической модели
12
- Київ+380960830922