Экспериментальное исследование проявления интерференции атомных состояний в магнитогальваническом эффекте в плазме в неоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Горбенко Анна Петровна

Экспериментальное исследование проявления интерференции атомных состояний в магнитогальваническом эффекте в плазме в неоне

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фшико-магемашческих наук

Санкт-Петербург 2008 год

1 8 о

• • ^ - J

003172243

Работа выполнена на кафедре общей физики I Санкт-Петербургского государственного университета

Научные руководители, доктор физико-математических наук (Чайка Мария Павловна] доктор физико-математических наук Ноли!цук Владимир Анатольевич

Официальные оппоненты' доктор физико-математических наук, Баранов Александр Васильевич, кандитат физико-математических наук, Брюховецкий Александр Павлович

Ведущая организация. Санкт-Петербургский

государственный университет Авиационного приборостроения

Защита состоится « » и 2008 года в ^ часов на заседании Совета

Д212 232 45 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу 199034, г Санкт-Петербург, Университетская наб д 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им А М Горького СПбГУ Автореферат разослан « Ж »_мая_ 2008 года

Ученый секретарь Совета Д 212 232 45 по защите докторских и кандидатских диссертаций /л

д ф-м н, профессор Ионих Ю 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Представленные в работе экспериментальные исследования посвящены изучению влияния выстраивания возбужденных атомных состояний на гальванические свойства плазмы газового разряда в неоне двух типов - тлеющего разряда постоянного тока и разряда с полым катодом Выстраивание, которое существует в любом светящемся объеме конечных размеров, в отсутствие внешнего воздействия, как правило, вызвано анизотропией возбуждения Это приводит к анизотропии в распреде тении угловых моментов возбужденных атомов Если поместить такой ансамбль возбужденных атомов в магнитное поле, то такое анизотропное распределение будет прецессировать вокруг направления магнитного поля, что приведет к изменению поляризации флюоресценции в выделенном направлении Это не единственное проявление выстраивания, которое может быть наблюдено Есть работы, в которых обнаружено резонансное изменение р<ирядмого тока от слабого магнитного поля Исследованию этого эффекта при различных условиях в разряде в неоне, сравнительный анализ поведения сигналов в двух типах разряда представлено в данной работе

Актуальность темы диссертации

Плазма газового разряда широко используется в газоразрядных источниках оптического излучения, как активная среда газовых лазеров Широкое использование газовых лазеров в приборах и устройствах повышенной точности, таких как лазерные гироскопы, эталоны времени и длины, лазерные дальномеры и т п настоятельно требует учета влияния внешних полей и условий разряда на поведение плазмы С определенного времени состояние плазмы стали характеризовать, кроме всего прочего, анизотропией распределения угловых моментов, которая является проявлением интерференции атомных состояний Разрушение такой анизотропии внешним магнитным полем приводит к изменению как оптических, так и гальванических свойств плазмы В настоящее время наблюдение интерференционных сигналов является важной частью спектроскопии высокого разрешения Цель работы

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование влияния интерференции атомных состояний на проводимость газоразрядной плазмы Объектом исследования служат два типа разряда с использованием одного наполняющего газа - неона Это тлеющий разряд постоянного тока, где впервые было обнаружено самовыстраивание [1], и разряд в лампах с полым катодом, где анизотропию угловых моментов приобретают не только атомы газа, но и агомы металла, из которого сделан полый катод Испо тьзуются два метода исследований - изменение проводимости по разрядному току и изменение оптических свойств среды под действием магнитного поля Научная новизна

• Проведен детальный сравнительный анализ поведения магнитогальваническнх резонансов в неоновой плазме двух типов разряда - тлеющем разряде и разряде с полым катодом

• Даны численные оценки изменения сечения ионизации при разрушении выстраивания в магнитном поле

• Впервые показано влияние резонансного лазерного излучения на магнитогальванические резонансы

• Экспериментально наблюдены аномальные магнито-оптические резонансы на переходах Jsз - 2рг (616 3 нм), - 2р5 (626 6 нм) неона Поглощающее метастабилыюе состояние 3Ро (^з) имеет J = 0, что исключает наблюдение сигналов, обусловленных когерентностью зеемановских подуровней.

Основные положения, выносимые на защиту

• Получены результаты, подтверждающие связь между самовыстраиванием в разряде № и изменением проводимости плазмы в слабых магнитных полях

• Показано преимущественное влияние метастабильных состояний на проводимость плазмы газового разряда

• Обнаружен эффект прямого влияния резонансного лазерного излучения на переходе ls¡ - 2р9 (X. = 640 2 нм) и ls¡ - 2р4 (X = 594 4 нч) на магнитогальванические сигналы в Ne

• Предложена геометрическая модель, связывающая поляризацию (ориентацию) электронной оболочки возбужденных состояний в атоме Ne с сечением ионизации Предложена интерпретация аномальных магнитооптических резонансов на состоянии ls3(J = 0)

Апробация работы

Апробация работы проводилась на семинарах I кафедры общей физики, доклады и постеры были представлены на следующих конференциях

XXII съезд по спектроскопии 2001г, Москва, 38 EGAS conference, 7-10 June 2006, Италия (Naples), 23th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (SPIG 2006), Болгария, ICONO/LAT 28-31 Мая 2007, Минск, V Международная конференция молодых ученых и аспирантов «1ЕФ'2007»14-19 мая 2007, г Ужгород, Украина, Ргос 15th Int School on "Vacuum, Electron and Ion Technologies" (VEIT07), Sept 17-21, 2007, Sozopol, Bulgaria

Публикации и личный вклад автора

В основу диссертации положены работы, опубликованные в 3 статьях и в материалах 5 конференций В работу включены данные самостоятельных и совместных работ, которые осуществлялись при непосредственном участии автора Основной вклад в опубликованные работы сделан автором диссертации Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 70 названий Объем диссертации 108 страниц, в ней содержится 41 рисунок и 3 таблицы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обсуждается актуальность темы исследования и место магнито-оптических, оптогальванических и магнитогальванических методов в изучении интерференции атомных состояний в газоразрядной плазме В нем собраны и проанализированы данные по выстраиванию в плазмах различных газоразрядных устройств, а также сформулированы цели и задачи работы по экспериментальному исследованию проявления интерференции атомных состояний в магнитогальваническом эффекте в плазме в неоне

Первая глава посвящена экспериментам в положительном столбе разряда постоянного тока в Ne В параграбе 1 1 рассмотрена электрическая цепь с нормальным тлеющим разрядом постоянного тока и дается теоретическое обоснование метода регистрации изменений проводимости плазмы по току разряда Обсуждаются особенности энергетического спектра электронов и их поведение в положительном столбе нормального тлеющего разряда В параграфе 12 описывается экспериментальная установка для наблюдения магнитогальванического эффекта в положительном столбе Основным методическим приемом экспериментальных исследований бьи выбран способ изменения внутреннего состояния плазмы при наложении слабого (0-5 Гс) магнитного поля Тлеющий разряд постоянного тока зажигается в цилиндрической разрадной трубке с холодным алюминиевым катодом Внутренний диаметр разрядных трубок - 7 и 3 5 мм, длина положительного столба составляет 40 и 30 см соответственно Пределы изменения разрядного тока составляют 15-50 мА, давление неона меняется в пределах 0 2-10 Topp

Система формирования магнитного поля включает в себя набор катушек для создания магнитного поля нужной геометрии Аксиальное магнитное поле формируется с помощью однослойного соленоида на стеклянной трубке диаметром 3 см, длина намотки 45 см Соленоид надевается на разрядную трубку и фиксируется вдоль ее оси с помощью немагнитных держателей Поперечное магнитное поле создается с помощью двух катушек на прямоугольных каркасах из немагнитного материала Длина катушек 55 см, высота 6 см Катушки размещаются по обе стороны от кюветы и фиксируются относительно ее оси

К*

г

к.

jctnitieu iuw.i

_ S^UII__

Ы1

\|| ( I-*!

VtipOIIWBÜ JflpiiUUitiJi ф!ЛУ

N'limtJ

Рис. 1 Блок-схема регистрации сигнала магнитогальванического эффекта

В качестве датчика тока используется малое безиндукгивное активное сопротивление порядка 100 - 200 Ом, включенное последовательно в цепь катода (К) разрядной трубки (рис 1) Сигнал с токового датчика (падение напряжения на R„, пропорциональное разрядному току) подается на неинвертирующий вход дифференциального усилителя У5-10, на другой вход подается напряжение от стабильного источника БП Эго позволяет скомпенсировать постоянную составляющую падения напряжения на токовом датчике С выхода усилителя сигнал поступает на вход измерительно-вычислительного комплекса

Чувствительность системы регистрации на изменение разрядного тока не хуже 107 А при полосе пропускания порядка 1000 Гц

Параграф 13 посвящен подбору оптимальных условий в разряде для наблюдения магнитогальванического эффекта Здесь обсуждаются проблемы, возникающие при экспериментальном исследовании магнитогальванического эффекта Максимум гальванического отклика в области малых полей не превышает 105 - 10"4 от величины разрядного тока, поэтому наблюдение сигнала возможно только в режиме синхронного накопления

Как показывает эксперимент, магнитогальванический эффект наблюдается только при однородном состоянии положите тьного столба тлеющего разряда, которое при низком давлении оказывается неустойчивым В данной работе опытным путем был реализован подбор оптимальных параметров разряда для наблюдения магнитогальваническо1 о эффекта в положительном столбе - ток, давление газа, радиус разрядной трубки и условие отсутствия ионизационных волн

pR ~ 1 Topp х см, i/R~ 10 чА/см

В параграфе 14 обсуждаются основные результаты по наблюдению магнитогальванического эффекта в потожителыюм стотбе Эксперимент показал, что сигналы магнитогальванического эффекта в положительном столбе при одних и тех же условиях в разряде (ток и давление Ne) в аксиальном и поперечном магнитном поле имеют схожую форму (рис 2)

Рис. 2. Сигнал магнитогальванического эффекта в неоне,

1 - поперечное, 2 - аксиальное магнитное поле.

В аксиальном поле изменение разрядного тока (возрастание) имеет резонансный характер (лоренц) в области нулевого магнитного поля (характерный масштаб 0-2 Гс) и возрастает при дальнейшем увеличении магнитного поля по закону, близкому к параболическому. Такое поведение магнитогальванического сигнала (область поля 0-2 Гс) сохраняе тся во всей области существования сигнала (давление газа, ток разряда). В работе приводятся оценки, указывающие на то, что магнитогальванический резонанс в продольном поле не объясняется уменьшением амбиполярной диффузии под действием магнитного поля, В поперечном поле магнитогальванический сигнал имеет тот же знак, что и в аксиальном магнитном поле в области 0 - 2 Гс. При дальнейшем увеличении магнитного поля разрядный ток уменьшается. Известно [2], что для плотности тока проводимости слабоионизованной плазмы в таком эксперименте можно написать выражение:

(1)

где е - заряд электрона, nt - концентрация электронов, ц - подвижность электронов, Е иН±-напряженность электрического и магнитного полей. Отсюда следует, что в поперечном магнитном поле проводимость плазмы в направлении, перпендикулярном этому полю, уменьшается, и уменьшается ток разряда. Как ввдно из зависимости кривой 1 (рис.2) от магнитного поля такое поведение тока разряда наступает в полях больше 3 - 4 Гс. В магнитных полях 0 - 2 Гс ток растет, и объяснение этому нужно искать в других процессах. В параграфе 1.5. приводятся данные о поведении магнитогальванического сигнала в зависимости от условий эксперимента. Для подтверждения объемного характера магнитогальванического эффекта изучалась зависимость амплитуда; и ширины магнитогальванический сигнала от длины той части положительного столба разряда, на которую накладывалось аксиальное магнитное поле. Обмотка соленоида, создающего магнитное поле, делилась на три равные части с независимыми входами. Сигнал магнитогальванического эффекта регистрировался при включении одной, двух и трех секций (рис.З). Обработка полученных данных показывает, что амплитуда резонанса практически линейно зависит от длины той части положительного столба, на которую наложено магнитное поле, и в условиях эксперимента не превышает 10А от полного значения силы тока (/ = 20 мА). Ширины гальванических резонансов, полученные в предположении, что подложку сигнала можно аппроксимировать кривой четвертого порядка, не сильно отличаются друг от друга.

Рис. 3. Сигнал магнитогальванического эффекта при полном включении соленоида (Ь = 1) и при включении одной и двух секций (Ь = 1/3, 2/3).

Я**. С',

Полуширина сигнала Ш магнитогальванического эффекта практически линейно зависит от давления неона (рис 4)

(М зг о о*

Рис. 4. Зависимость ширины магнитогальванического сигнала от давления неона

Поведение Ш(р) аппроксимируется следующей зависимостью

М{р) = (0 76±0 03)Гс + (1 22± 0 20)-^- р(Торр)

Topp

(2)

В этой группе экспериментов исследовалась также зависимость амплитуды магнитогальванического эффекта в продольном магнитном поле от величины разрядного тока при постоянном давлении неона (р = 0 4 Торр) С ростом тока наблюдался рост амплитуды резонанса и небольшое изменение формы подложки (рис 5)

Рис. 5. Зависимость амплитуды магнитогальванического сигнала от разрядного тока

В параграфе 1 б обсуждается роль метастабильных состояний неона в формировании магнитогальванического сигнала и приводятся данные об уменьшении амплитуды гальванического отклика под влиянием резонансного лазерного излучения на длине волны 594 4нм(переход 1в5)

Вторая пава посвящена экспериментам в лампах с полым катодом В параграфе 2 1 рассмотрены особенности выстраивания в разряде постоянного тока с полым катодом Одно из существенных отличий плазмы разряда с полым катодом от положительного столба

7

состоит в наличии лучевых электронов, что приводит к появлению значительного момента второго ранга в разложении ФРЭЭ (функция распределения электронов по энергиям) по мультипольным компонентам. В этом разложении, как известно, мультипольный момент первого ранга задает конвенциональную проводимость, а момент второго ранга - поток электронного импульса. Этот поток и вносит анизотропию в процесс возбуждения атомов.

В параграфе 2.2. приводится описание экспериментальной установки и основные результаты исследования поведения магнитогальванического эффекта в различных лампах при изменении разрядного тока. В эксперименте используются несколько типов ламп с полым катодом NeCd, NeCu, NeSi и NeCaBa. Экспериментальная установка позволяла измерять одновременно два типа сигналов в слабом магнитном поле: магнито-оптический (оптический канал измерений) - магнитная деполяризация спонтанной эмиссии разряда с полым катодом и магнитогальванический - изменение проводимости разряда. Типичный в приведенной экспериментальной схеме магнитогальванический сигнал наблюдается только в продольном магнитном поле и близок к производной эи/эН. Для удобства интерпретации и сравнения ширин сигналов с резонансами в положительном столбе, с помощью Origin 7.5 были получены первообразные регистрируемых кривых (рис.6).

А

\

Рис. 6. Магнитогальванический эффект в разряде с полым катодом в №Си лампе (а - регистрируемый сигнал, б - его первообразная)

f ' I

MwKiwfK* ¿we*, tfc

Рис. 7. Зависимость амплитуды магнитогальванического сигнала оттока разряда в КеБ! лампе

ют« ГС

Рис. 8. Поведение амплитуды магнитогальванического сигнала от тока разряда в ЫеСаВа лампе

Как видно (рис 7, 8), форма первообразных от регистрируемых сигналов во всех используемых лампах носит лоренцевский характер и констатирует увеличение проводимости разрядной плазмы при увеличении магнитного поля до 5 Гс Амплитуда сигналов зависит от тока разряда. Все измерения проводятся при малых токах, при которых эффективно заселяются низколежащие уровни неона из конфигурации в том числе

метастабильные

В параграфе 2 3 представлены данные о влиянии резонансного лазерного излучения на магнитогальванический эффект в лампах с полым катодом Известно, что при резонансном облучении разряда изменяется не только населенность, но и распределение выстраивания уровней, с которыми взаимодействует электромагнитное поле С другой стороны, процессы ионизации в разряде идут с наибольшей скоростью с первых возбужденных уровней и, в частности, с метастабильного состояния Это приводит к тому, что гальванический отклик проявляет чувствительность к резонансному облучению Если магнитогальванический резонанс порожден самовыстраиванием определенного уровня, то лазерная откачка должна приводить к изменению или разрушению сигнала, и тем самым прямо указывать на уровень, вызывающий эффект Для уточнения подобного предположения были проведены эксперименты с \eCci лампой при облучении ее резонансным излучением Исследовались переходы 1й4 - 2ра (X = 650 6 нм), 1.!} - 2рг (X = 659 9 нм), 3$2 - 2р4 (X = 632 8 нм) В пределах чувствительности системы регистрации втияние облучения разряда в полом катоде №Сс1 на указанных переходах не обнаружено Магнитогальванический сигнал в отсутствие и в присутствие лазерного излучения на переходе 1я4 - 2ра представлен на рисунке 9

3-,

*tftlMenU«SSOitim

Л

ч

w

Рис. 9 Магнитольванический сигнал в \еС(1 лампе в отсутствие и в присутствие лазерного излучения (переход 154 — 2ря, X = 650 6 нм)

13 30

Н Гс

Совершенно другой результат был получен на переходе ¡¡5 - 2р? (X = 640 2 нм) (рис 10), нижнее поглощающее состояние Ьз которого является метастабильным Облучение

разрядной плазмы резонансным лазерным излучением приводило к заметному уменьшению мапштогальванического резонанса

0,1-1 0 !«ег iL - 6*0 2 ms а noleacr

Рис. 10. Магнитогальваличесхий сигнал в ЫеСс! лампе и его уменьшение при облучении резонансным лазерным излучением (переход - 2р,, к = 640 2 нм)

U

-Н 9 4 -3 0 3 6 9 Ii

Н Ге

В параграфе 2 4 приводится интерпретация результатов эксперимента Полученные в настоящем эксперименте результаты позволяют выдвинуть гипотезу о том, что выстраивание метастабильного состояния hs дает основной вклад в формирование мапштогальванического эффекта в лампах с полым катодом Кроме самого факта разрушения узкого магнитогальваничного сигнала под действием резонансного лазерного излучения, в пользу этого утвервдення приводятся оценки ширины резонанса Третья глава посвящена интерпретации результатов экспериментов в положительном столбе разряда постоянного тока в Ne В параграфе 3 I обсуждается распределение выстраивания электронным ударом в цилиндрическом объеме положительного столба разряда в неоне Если электронный механизм выстраивания в лампах с полым катодом достаточно очевиден, то в плазме положительного столба ярко выражена анизотропия светового потока, которая приводит к двуосному выстраиванию (вдоль и поперек оси трубки) Выстраивание в плазме тлеющего разряда постоянного тока на 2р-сосгояниях было детально исследовано авторами [3] Оно существует в области давлений 0 5-10 Topp, токов порядка десятков миллиампер и определяется анизотропией перепоглощения света на переходах ls - 2р В рамках оптического механизма выстраивание образуется вследствие взаимодействия атомов с потоками света разной интенсивности В разрядной трубке конечных размеров, когда произведение коэффициента поглощения в центре спектральной линии (к0) на характерный размер сосуда находится в пределах 0 l<kod<10, характер анизотропии распространения света определяется симметрией формы сосуда. Так, в произвольной точке цилиндрической разрядной трубки максимальный световой поток (Ii) распространяется вдоль оси трубки, средний по величине (13) - в радиальном направлении и наименьший (Ii) - в тангенциальном /;> Ii> h

В области малых давлений (р<0 3 Topp), соответствующих условиям существования мапштогальванического резонанса в наших экспериментах, авторы [4] исследуют самовыстраивание высоковозбужденных состояний (группы резонансных и нерезонансных уровней) В таких условиях роль электронного удара в образовании выстраивания этих состояний становится определяющей, что подтверждают типичные для инертных газов зависимости аксиального и продольного электрического поля от давления (рис 11)

Рис. 11 Зависимость аксиального (Е,) и среднего радиального (Е,) электрических полей в плазме положительного столба разряда в ксеноне от давления

Р Topp

Обращает на себя внимание резкое увеличение радиального электрического поля в области малых давлений, порядка сотен миллиторр и менее Увеличение радиального электрического поля связано с относительным увеличением сигнала радиального выстраивания (при Е,/Е, = 0 08 - Si-/Sii = 2 1, при Е^Е, = 0 65 - Si/ Sa ~ 1 2), что может говорить в пользу электронного механизма выстраивания Существенно, что диапазон давлений, в котором зарегистрировано увеличение радиального электрического шля в разряде, совпадает с диапазоном, в котором наблюдается выстраивание высоковозбужденных состояний инертных газов и, в нашем случае, регистрируется магнитогальванический эффект Поскольку возбуждение рада высоко чежагцих состояний в результате перепоглощения света при рассматриваемых условиях разряда является маловероятным, а столкновительная передача выстраивания не имеет места, для объяснения этих сигналов стоит привлечь другой механизм - анизотропию прямого электронного возбуждения

В параграфе 3 2 представлена модель образования магнитогальванического эффекта в положительном столбе Оценка времени когерентности метастабилъного и других состояний, полученные из магнитооптических сигналов, не соответствуют ширине сигнала магнитогальванического эффекта при одних и тех же условиях в разряде Вопрос механизма влияния интерференции атомных состояний на проводимость плазмы газового разряда остается открытым Для получения сигнала магнитогальванического эффекта, ие требуется внешнего источника света Своим происхождением он обязан выстраиванию, уже существующему в разряде Можно предположить, что, ести в результате столкновения атом ионизируется, то эффективность ионизации будет зависеть от степени выстраивания атомов Магнитное поле разрушает выстраивание, изменяя тем самым скорость ионизации Механизм магнитогальванического эффекта при этом получается следующий

• возбужденные атомы в плазме разряда постоянного тока выстроены каким-то процессом,

• в распределении электронов по направлениям скоростей имеется анизотропия,

• скорость ионизации зависит от направления и величины этих анизотропий,

• магнитное поле разрушает выстраивание, что ведет к изменению скорости ионизации и, следовательно, разрядного тока

Существенным, однако, является тот факт, что наиболее четкие сигналы магнитогальванического эффекта получаются при наложении магнитного поля, направленного вдоль оси разрядной трубки При такой геометрии, для объяснения влияния магнитного поля на скорость ионизации, необходимо предположить, что ось выстраивания и ось анизотропии распределения векторов скоростей электронов имеют составляющие, перпендикулярные магнитному полю В движении этектронов, как уже говорилось, такая составляющая имеется, а соотношение аксиального и радиального электрических полей в положительном столбе определяет направление оси анизотропии движения электронов

Параграф 3 3 посвящен обсуждению влияния выстраивания возбужденных состояний на сечение ионизации Обычно в расчетах скорости ионизации с возбужденного состояния не принимается во внимание ассимстричность электронного обтака. Использование явного вида функции распределения | VjofO.pjj 2 = 3/4к cos2 0 позволяет получить соотношение сечений ионизации для электрона, летящего вдоль и поперек оси выстраивания атома

11

Рис. .12. Геометрическая интерпретация зависимости сечения ионизации электронным ударом от направления скорости электрона.

В таком предположении сечение минимально при направлении скорости электрона v вдоль z, а максимально для viz, и равно площади «восьмерки». Соотношение площадей Smu/Smin -2.53. Если такое предположение верно, то существенным становится то, каким образом изменяется распределение угловых моментов во внешнем магнитном поле. Оценки по методике работы [5], позволили получить выражение для распределения угловых моментов в магнитном поле для £2 порядка 1Г, 5Г и 1000Г (рис, 13).

sin 2®(cos 2(р +1 sin 2<р) (3)

2-^5 (/'(2) - 2/Q)

Такая геометрическая интерпретация влияния магнитного поля на сечение ионизации выстроенного атома подтверждает знак магнитогальванического эффекта, а именно, увеличение проводимости плазмы газового разряда при росте магнитного поля.__

Р — ~

i S-2 13 S G.Í7

Ш

Рис. 13. Эволюция распределения угловых моментов во внешнем магнитном поле (Г = О, Г = да)

В четвертой главе обсуждаются аномальные магнито-онтнческие резонансы на состоянии Jsj (J = 0), полученные в положительном столбе тлеющего разряда постоянного тока в неоне.

В параграфе 4.1. дается описание экспериментальной установки и приводятся основные результаты. В качестве источника зондирующего излучения использовался лазер на красителе. Все основные результаты получены при давлении в диапазоне 0.13 -0.3 Topp, ток разряда не превышал 40 мА. Регистрировалась интенсивность прошедшего излучения лазера на красителе в зависимости от величины продольного или поперечного магнитного поля.

На переходах ls5 - 2ps (594.4 нм), ls5 - 2р6 (614.3 нм) были проведены измерения в поперечном магнитном поле. В такой геометрии эксперимента сигнал представляет собой разность интенсивностей /„Эта разность, с учетом закона Бугера - Ламберта для малых поглощений (kL«l), может быть представлена в виде:

I„ -1а(Н) = I0(к„ -ка) = -C[Q2 +С2(Г(2) + 402)"1 +С3

где C;,Cj,,Cj - константы.

В эксперименте измеряется величина

где /в - интенсивность лазерного излучения на входе в кювету, I - длина поглощающего стоя Учитывая малость Дк(Н), можем получить следующее выражение

Д1(Н) = ^е-к"М'ЩН)1 (6)

= (7)

Регистрируемая в эксперименте величина Л/(Я) пропорциональна Ак(Н) Первое слагаемое в формуле (!) от магнитною ноли не зависит и, талп.™ образе,«, пр.: выстраивания поглощающего состояния и при используемой экспериментальной методике, зависимость А1(Н) должна иметь резонансную особенность лоренцевой формы в окрестности нупевого магнитного поля Ширина резонанса определяется временем распада выстраивания ¡/Г2 Результаты этих измерений представлены на рис 14

Самый неожиданный результат был получен на переходах - 2р2 (616 Знм), Ь3 - 2рз (626 6 нм) Поглощающее метастабильное состояние 3Ро(,1$;) имеет У = 0 и по всем канонам в магнитном поле не должно быть сигналов, обусловленных когерентностью зеемановских подуровней Однако, результат имеет место и представлен на рисунке 15

ио

*

ЕХО а

1-4114 нм ,

\ /

\ ! Ч \ | / /1 - 628,6 им

V ■ \\

Рис 15. Исследование переходов 1зз- 2рз (616 3 нм), - 2р$ (626 6 нм) в продольном магнитном поле

-го

•15 10 -5 0 5 10 15 Аксп*л«нр« иапмтно« пол«, Гс

20

В параграфе 4 2 обсуждаются результаты эксперимента. Поскольку переходы в основное состояние с метастабильных уровней и запрещены, анизотропия

возбуждения отсутствует, поэтому макроскопическое и скрытое выстраивание не может

быть создано Таким образом, встает вопрос о механизме появления когерентности зеемановских подуровней Для состояния 3Рз (¡¡з) вопрос о когерентности вообще не может быть поставлен, т к 7 = О

Выстраивание метастабильного состояния 3Рг может образовываться по следующей схеме как известно, скрытым выстраиванием обладает резонансный уровень 3Р1 (и<), при столкновениях оно передается метастабильному состоянию 3Р2 Согласно этой гипотезе ширина сигналов на линиях 594 5 и 614 3 нм должна быть уже, чем на 607 4 нм, поскольку при передаче выстраивания другому уровню при одинаковых множителях Ланде сигнал выстраивания сужается

Другим механизмом выстраивания метастабильных состояний в неоне может быть перенос выстраивания с вышележащих р-уровней В разряде неона выстраивание ^уровней образуется за счет анизотропии излучения на переходах 2р53з - 2р3Зр, а затем переносится спонтанным распадом на уровень 3Рг (¡¡¡) Из-за большого различия времен жизни будут проявляться магнито-оптические резонансы с шириной долгоживущего 1$; уровня

Другой возможный механизм образования выстраивания на уровне 3Р2(15з) - это оптическая "откачка" Поскольку уровень 3Р; (./$.<) резонансный, пленение излучения может быть полное, и макроскопическое выстраивание может отсутствовать На переходах я-р неона поглощение света не очень велико, интенсивность потока света вдоль кюветы значительно больше, чем по радиусу В системе координат с осью квантования вдоль оси кюветы излучение на переходе 2рз - Ух» (7 = 0 —3 = 1) при поглощении опустошает зеемановские подуровни с т = ±1 и не затрагивает подуровень т = 0, те образуется продольное выстраивание Такой же механизм возможен и для уровня Анизотропное излучение по оси кюветы по-разному "обедняет" магнитные подуровни метастабильного состояния и создает продольное выстраивание

Электронное возбуждение должно наводить выстраивание на всех атомах, независимо ог их скорости Средняя скорость электронов в разряде для наших условий равна

Ж-г^шЮ (9)

Ч

I т^/х

где е - заряд электрона, Л - средняя длина свободного пробега электрона в неоне (при наших условиях рц, = 03 Topp, равна 0 22 см), т - масса электрона, х - удвоенное отношение массы электрона к массе атома (для неона 5 4* 103), Е - напряженность электрического поля в разряде Скорость дрейфа электронов, которые могут вызвать выстраивание

«¡^Lfij.ioWc (10)

т

Поэтому, степень поляризации излучения Р = (/ц - /±У(/ц +/±) не может быть больше, чем анизотропия движения электронов и/\ = 3%

Возможен еще один достаточно экзотический механизм возникновения магнитооптических резонансов на метастабильных состояниях Он связан с влиянием слабого магнитного поля на проводимость плазмы газового разряда в неоне Как уже говорилось, в слабых магнитных полях в электрическом токе есть добавка, которая растет с ростом поля от 0 до 2 Гс и составляет по абсолютной величине 10 ~4 - 10 6 А Изменение разрядного тока приводит к модуляции заселенности всех возбужденных состояний На метастабильных состояниях это изменение населенности должно проявляться особенно заметно В пользу последнего предположения может говорить и поведение магнитогальванического эффекта в зависимости от условий в разряде

В заключении обсуждаются основные результаты, полученные в диссертации, приводятся ключевые выводы

Цитируемая литература

1 Чайка М П Интерференция вырожденных атомных сотояний JI 1975 192 с

2 Мигчнер М , Кругер Ч Частично ионизованные газы // М 1976, 216с

3 Казанцев С А., Кислинг А., Чайка М П Выстраивание возбужденных атомов аргона в положительном столбе постоянного тока//Опт испектр 1974, т 36, с 1030-1032

4 Казанцев С А, Рысь А Г, Чайка М П Выстраивание возбужденных атомов электронным ударом в разряде // Опт и спектр 1983, т 54, в 2, с 214-218

5 AuzinshMP Angular momenta dynamics in magnetic and electric field Classical and quantum approach//Can 3 Phys 75, 1997, pp 853-872

Публикации no теме диссертации Конференции

1 Горбенко А П . Полищук В А, Тодоров Г Ц, Чайка МП К вопросу о происхождении магнитогальванического эффекта в Ne // Труды XXII съезда по спектроскопии 2001т Москва, с 34-35

2 PetrovL, SlavovD, Arsov V, Gorbenko A. SteflekovaV, PolischukV, ZhechevD, Todorov G Considerations towards the possibility of estimation of the coherence relaxation lifetime of the neon 2p33s (3Рг) metastable from the magneto-galvanic resonances // 38 EGAS conference, Ischia (Naples), 7-10 June 2006, p 217

3 SteflekovaV, PetrovL, SlavovD, Arsov V, Gorbenko A. ZhechevD, PolischukV, MihajlovN, Todorov G Magneto-Galvanic Resonances In Hollow Cathode Discharge Lamps // 23th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (SPIG 2006) Editors Nenad S Simonovic, Bratislav P Mannkovic and Ljupco Hadzievski, Institute of Physics, Belgrade, Serbia 2006, p 339-342

4 Petrov L, Slavov D , Arsov V , Gorbenko A . Steflekova V, Polischuk V, Zhechev D, Todorov G Self-induced coherence and conductivity of glow discharge // (2007)- The International Society for Optical Engineering, 6604, art no 660401

5 A Gorbenko. A Kuzmm, V Polischuk, D Slavov, L Petrov, E Bonsova, G Todorov Peculiarities of the magneto-optical resonances on 2p53s states in a Ne glow discharge // Proc SPIE - Vol 6726,6726-2V (2007)

Статьи

1 АП Горбенко. В А Полищук, Г Ц Тодоров, Д 3 Жечев Влияние интерференции атомных состояний на гальванические свойства газового разряда // Вестник СпбГУ, Сер 4, 2007, в 1, с 51-58

2 Горбенко А П Аномальные магнето-оптические резонансы на состояниях 2p~3s в разряде в Ne // Научный вестник Ужгородского университета 2007, сер Физика, в 21, с 114-120

3 V Steflekova, L Petrov, D Slavov, V Arsov, A Gorbenko. D Zhechev, V Polischuk, N Mihajlov, G Todorov Self-induced coherence and conductivity of glow discharge // Proceedings of SPIE Volume 6604,5 03 2007

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ Приказ № 571/1 от 14 05 03 Подписано в печать 04 05.08 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Уел неч л. 1. Тираж 70 экз., Заказ № 823/с 198504, СПб, Ст Петергоф, ул Ульяновская, д 3, тел 929-43-00

Введение.

Глава I. Эксперименты в положительном столбе разряда постоянного тока в Ne.

1.1. Электрическая цепь с нормальным тлеющим разрядом.

1.2. Экспериментальная установка для наблюдения магнитогальванического эффекта в положительном столбе.

1.3. Выбор оптимальных условий в разряде для наблюдения магнитогальванического эффекта.

1.4. Результаты экспериментов в магнитном поле.

1.5. Поведение магнитогальванического сигнала в зависимости от условий в разряде.

1.6. Поведение магнитогальванического сигнала в Ne при лазерном воздействии.

Глава П. Эксперименты в разряде с полым катодом.

2.1. Особенности выстраивания в разряде с полым катодом.

2.2. Экспериментальная установка.

2.3. Влияние лазерного излучения на магнитогальванический эффект в лампах с полым катодом.

2.4. Интерпретация результатов эксперимента.

Глава III. Интерпретация результатов экспериментов в положительном столбе разряда постоянного тока в Ne.

3.1 Распределение выстраивания в цилиндрическом объеме положительного столба разряда в неоне.

3.2. Модель образования магнитогальванического эффекта в положительном столбе.

3.3. Влияние выстраивания возбужденных состояний на сечение ионизации.

Глава IV. Аномальные магнито-оптические резонансы на состоянии

0) в неоне.

4.1. Экспериментальная установка.

4.2. Результаты эксперимента и их обсуждение.

Наблюдение интерференции атомных состояний в атомной спектроскопии началось с регистрации сигнала Ханле — магнитной деполяризации спонтанного излучения в двадцатые годы прошлого столетия [1]. Однако, только к 50-60-м годам этот эффект был интерпретирован и причислен к целому набору других интерференционных явлений таких, как квантовые биения, пересечение уровней в ненулевом магнитном поле и т.д. Теоретическая база интерференционных явлений была разработана авторами [2,3]. В настоящее время наблюдение интерференционных сигналов является важной частью спектроскопии высокого разрешения. Интерес к проблеме интерференции атомных состояний не утихает и объясняется развитием областей науки, имеющих дело с активными средами: физикой газовых лазеров, физикой низкотемпературной плазмы.

Напомним, что термин «интерференция атомных состояний» [2] пришел из оптики. Принципы сложения амплитуд поля и волновых функций совпадают. При сложении полей недиагональные члены называются интерференционными или когерентными. Недиагональные члены матрицы плотности также называются интерференционными или когерентными и проявляются при излучении или поглощении света. В естественных условиях и в лабораторных системах состояние атомов, ионов и молекул может характеризоваться не только концентрацией, распределением по скоростям, степенью ионизации и проч., но и распределением угловых моментов возбужденных состояний. В случае возбуждения направленным неполяризованным светом не возникает преимущественной ориентации угловых моментов возбужденных атомов, а создается ось симметрии вдоль которой угловых моментов в среднем либо больше либо меньше, чем в плоскости перпендикулярной оси симметрии. Такая упорядоченность угловых моментов называется выстраиванием [3].

Интерференцию атомных состояний принято рассматривать в терминах поляризационных моментов: первый поляризационный момент — ориентация возникает при возбуждении светом, поляризованным по кругу. Среда при этом приобретает макроскопический магнитный момент.

Выстраивание характеризуется вторым поляризационным моментом и возникает при облучении светом линейной поляризации, неполяризованным направленным светом или при соударениях. Выстраиванию можно сопоставить наведение квадрупольного момента, при нулевой намагниченности.

В другой интерпретации выстраиванию сопоставляют неравновесную I заселенность зеемановских подуровней.

Впервые интерференционные эффекты в спонтанном излучении плазмы тлеющего разряда наблюдались в работах [4,5]. В процессе исследования этого явления было обнаружено другое интерференционное явление — скрытое выстраивание - выстраивание ансамбля атомов с заданной скоростью теплового движения [6]. Его происхождение авторы связывают с особенностью поглощения света подансамблем атомов с выделенным направлением движения. При равномерном распределении интенсивности по углам, движущийся атом имеет большую вероятность поглотить квант света перпендикулярно направлению своего движения. Это приводит к выстраиванию электронной оболочки каждого атома подансамбля по направлению его движения. При интегрировании по всем направлениям скоростей такое выстраивание изчезает, чем оправдывает свое название "скрытое". Анизотропия плазмы в цилиндрической газоразрядной трубке, механизмы формирования двуосного макроскопического выстраивания, а также скрытого выстраивания и особенности их регистрации подробно описаны в работах [2,3].

Среди интерференционных явлений особое место занимают эффекты, связанные с самовыстраиванием атомных состояний. Эти явления интересны тем, что когерентность возбужденных состояний образуется за счет анизотропии' световых потоков, анизотропии движения электронов, анизотропных столкновений в самом разряде. В ряде работ Чайки М.П. [4,7,8] было обнаружено, что в цилиндрических разрядных трубках работает и оптический и электронный канал наведения самовыстраивания. Для любого светящегося объема газа всегда имеет место анизотропия световых потоков. В частности, в цилиндрическом объеме, если длина свободного пробега фотона больше поперечных размеров трубки, то поток света вдоль оси всегда больше, чем по другим направлениям. Тензор такого выстраивания имеет ту же симметрию, что и угловое распределение световых потоков в разрядном объеме (двуосное самовыстраивание).

Анизотропия движения возбуждающих электронов определяется величиной радиального электрического поля и проявляет себя значительно при малых давлениях газа. В работе [7] представлены сигналы Ханле в продольном и поперечном магнитном поле, отражающие разрушение магнитным полем выстраивания электронным ударом высоковозбужденных атомных состояний в плазме инертных газов. Авторами показано, что при малых давлениях анизотропия движения электронов играет существенную роль в формировании самовыстраивания.

Самовыстраивание возбужденных состояний с разрешенными переходами в инертных газах было детально исследовано в работах Чайки М.П. и её учеников. Наблюдение узких лоренцевских резонансов, связанных с выстраиванием метастабильных состояний, стало возможным только с появлением перестраиваемых лазеров. Так, самовыстраивание метастабильного состояния 2р53$ ( Р2) по Пашену) в положительном столбе разряда в неоне впервые наблюдалось экспериментально [9] и его величина была оценена ~ 3%.

В настоящее время изучение механизмов самовыстраивания резонансных и метастабильных атомных состояний остается по-прежнему актуальным.

В работах [10,11] показано, что оптические характеристики поглощающей среды (поглощение и преломление) при наличии самовыстраивания зависят от величины внешнего магнитного поля и носят резонансный характер. В этих работах регистрировалась разность поглощения волн двух ортогональных поляризаций (дихроизм и двулучепреломление) в разряде постоянного тока в неоне в зависимости от величины внешнего магнитного поля на переходе Зр2-2р4 (632.8 нм).

Вслед за самовыстраиванием в положительном столбе, было замечено самовыстраивание возбужденных состояний инертных газов в разряде с полым катодом [12], которое, по мнению авторов, вызвано пространственной анизотропией электронного газа (анизотропия световых потоков не существенна из-за малости рабочих токов, обусловленных геометрией разряда). Одно из существенных отличий разряда с полым катодом от положительного столба состоит в наличии лучевых электронов, что приводит к появлению значительного момента второго ранга в разложении функции распределения электронов по энергиям по мультипольным компонентам. В этом разложении, как известно, мультипольный момент первого ранга задает конвенциональную проводимость, а момент второго ранга — поток электронного импульса. Этот поток и вносит анизотропию в процесс возбуждения, из-за которой возбужденные состояния могут оказываются в когерентной суперпозиции типа самовыстраивания. В первых экспериментах [12,13], полый катод был собран из двух паралельных немагнитных сеток квадратной формы (2 см х 2 см), расположенных на расстоянии 2 см. Такая геометрия полого катода позволила авторам разделить эффекты оптического и электронного самовыстраивания.

В работе [14] было обнаружено влияние оптического выстраивания и ориентации атомов Не4 в метастабильном ¿^/-состоянии на излучение в газоразрядной поглощающей ячейке, в которой возбуждался безэлектродный ВЧ-разряд. Тогда же было установлено, что при разрушении ориентации атомов гелия в 235;-состоянии возрастает электронная плотность в газоразрядной плазме. Было обнаружено, что на излучение атомов гелия в плазме влияет разрушение магнитным полем как оптической ориентации (накачка циркулярно поляризованным светом), так и оптического выстраивания (накачка неполяризованным светом). Влияние разрушения ориентации и выстраивания носит сходный характер, хотя величины эффектов различаются. Изменение электронной плотности в газоразрядной ячейке (регистрировалось изменение проводимости) также происходило при разрушении выстраивания и ориентации внешним магнитным полем. Резонансные изменения электронной плотности и интенсивности излучения ячейки в видимой области происходят синхронно и имеют сходную форму, что связывает их в проявление одного и того же эффекта. Что же именно происходит в разряде? Авторы предполагают, что при поляризации атомов циркулярно поляризованным светом, электроны плазмы тоже становятся поляризованными в результате спинового обмена с этими атомами. Тогда, если сечения ступенчатого возбуждения зависят от взаимной ориентации э спинов свободного электрона и атома гелия в 2 ^-состоянии, то разрушение этих поляризаций магнитным полем приводит к обнаруженным эффектам. Однако, при накачке неполяризованным светом имеет место только о выстраивание атомов гелия в 2 ^-состоянии, и это объяснение становится несостоятельным. Возможно, что сечения ступенчатого возбуждения атомов о гелия из 2 ^-состояния зависят от направления движения свободных электронов по отношению к направлению спина атома. Тогда вышеупомянутые эффекты зависят как от степени ориентации или выстраивания метастабильных атомов гелия, так и от направления колебаний электронов в ВЧ-разряде. Позже схожие эффекты были обнаружены в ВЧ-разряде в другом инертном газе — ксеноне [15].

Есть также данные о наблюдении и объяснении механизмов ориентации и выстраивания в космической среде (например, [16]). В разреженной космической атмосфере имеются направленные потоки излучения, корпускулярные потоки и отсутствует термодинамическое равновесие. Распределение угловых моментов анизотропно, они выстроены или ориентированы. Анализ физических условий в различных космических объектах показал, что выстраивание должно быть весьма распространенным явлением. Основным механизмом такого выстраивания является резонансное рассеяние направленного неполяризованного излучения, идущего от звезд и туманностей. Подробное описание применения явления самовыстраивания в исследовании лабораторных и астрофизических объектов, его возможных приложений в практических задачах приводится в обзоре [17].

В экспериментах по наблюдению интерференции атомных состояний необходимо создать ансамбль частиц в когерентном состоянии. Симметрия внешнего воздействия и квантовые характеристики уровней определяют моменты, которые могут быть наведены в ансамбле. Например, в изотропном ансамбле, возбужденном изотропным светом, изменяется только населенность (нулевой момент). Первый (нечетный) момент — ориентация — возникает в изотропном ансамбле при облучении циркулярно поляризованным светом. При осесимметричном воздействии на изотропный ансамбль возникают четные моменты (нулевой — населенность, и второй — выстраивание).

Внешнее магнитное поле, разрушающее анизотропию в распределении угловых моментов возбужденных частиц, изменяет поляризационные характеристики излучения (и поглощения) системы. Регистрация этих изменений (поляризационная лазерная спектроскопия) является одним из эффективных методов исследования интерференции атомных состояний. В настоящее время интерференционные явления наблюдаются по этой методике в плазме тлеющего разряда, разряда с полым катодом, ВЧ-разряда, в пламенах, в плазме молекулярных газов.

Наряду с оптическими проявлениями, интерференция атомных состояний в плазме газового разряда приводит к специфическим эффектам в проводимости плазмы. Несмотря на то, что изменение гальванических свойств плазмы (проводимости, электронной плотности, потенциала зажигания) в присутствие резонансного оптического излучения известно давно, единого мнения о его происхождении пока нет.

Таким образом, среди многообразия интерференционных сигналов в газоразрядной плазме, вызванных разрушением в магнитном поле выстраивания (ориентации), наведенного внешним источником или анизотропными процессами в самом разряде, можно выделить три группы:

• Магнито-оптические — или оптико-магнитные - резонансы в спонтанном испускании {эффект Ханле) [18], поглощении [19,20], фарадеевском вращении плоскости поляризации [21], дихроизме и двулучепреломлении [22-24]. По сути магнито-оптические сигналы — это регистрация в различных схемах интенсивности и поляризационных характеристик прошедшего плазму света в зависимости от внешнего магнитного поля (метод магнитного сканирования).

• Оптогальванические резонансы (с пересечениел1 уровней) — наиболее распространенные в настоящее время, представляют собой регистрацию гальванического отклика плазмы в различных схемах на внешний оптический источник в магнитном поле. Изменение гальванических свойств плазмы в присутствие резонансного оптического излучения исследуется довольно давно. Наиболее полная теория этого явления, подкрепленная многочисленными экспериментальными данными, описана в [25].

• Магнитогальванические — сигналы изменения проводимости плазмы в отсутствие внешнего источника света — регистрация гальванического отклика на внешнее магнитное поле. Поскольку выстраивание и/или ориентация, вызванные условиями в разряде, во много раз меньше, чем при наличии внешнего источника, это создает дополнительные трудности в эксперименте. Данных по магнитогальваническому эффекту очень мало. Впервые термин «магнитогальванический эффект» был предложен авторами [26], получившими данные по резонансному изменению проводимости плазмы газового разряда постоянного тока в неоне.

В серии работ [27-30] экспериментально наблюдались оптико-магнитные резонансы, обусловленные выстраиванием резонансного состояния

Ne JPj (ls4 по Пашену) и выстраиванием метастабильного состояния 3Р2 (ls5 ). В работе [31] наблюдались аномально узкие магнитооптические резонансы на переходе 3s2 — 2р4 (1=632.8 нм), для объяснения которых привлекалась в частности гипотеза о выстраивании j метастабильного уровня Р2. Возможность прямого наблюдения выстраивания метастабильного состояния вытекает из того факта, что оптические свойства (поглощение и преломление) плазмы тлеющего разряда, в которой присутствует выстраивание, меняются при наложении магнитного поля, которое разрушает выстраивание. При изучении резонансных или метастабильных состояний атомов, когда регистрация флуоресценции затруднена или невозможна, особую роль приобретают поляризационные магнито-оптические методы, в которых исследуется анизотропия поглощающих, а не распадающихся состояний.

Впервые, как уже говорилось, магнитогальванический эффект был обнаружен и назван в 1990 году [26], тогда исследовался разряд постоянного тока в неоне, при наложении продольного магнитного поля без внешних оптических воздействий наблюдался резонанс проводимости. Оценка ширины сигнала ~0.8 Гс при давлении р=0.2 Topp указывала на его возможную связь с самовыстраиванием метастабильного состояния Iss.

В слабых магнитных полях зависимость проводимости газоразрядной плазмы от магнитного поля изучена недостаточно хорошо, однако, некоторые данные встречаются в литературе. Нормальным поведением плазмы в магнитных полях - до 100 Гс считается увеличение проводимости в продольном магнитном поле и уменьшение — в поперечном. Эта тема частично освещена в работах [33-35]. В частности, в монографии Грановского [33] показано, что сохранение стабильности тлеющего разряда и однородности его положительного столба связывает такие величины, как Те - среднюю энергию электронов в плазме, Е: — продольное электрическое поле, Vp - падение напряжения на разрядной трубке, z{ — среднее число ионизаций за единицу времени, а - проводимость разряда и Н — продольное магнитное поле. Например, с ростом тока разряда должно уменьшаться продольное электрическое поле. Но и здесь не все однозначно. Например, в работе [36] наблюдалось уменьшение напряженности электрического поля в положительном столбе разряда постоянного тока на 5% в магнитных полях порядка 500 Гс при давлениях 1.5-2 Topp. В то же время авторы [37] регистрировали увеличение напряженности продольного электрического поля с ростом продольного магнитного поля. «Противоречивые» данные лишний раз дают подтверждение тому, что сохранение стабильности разряда и однородности положительного столба определяет область применимости общепринятых представлений для такого вида плазмы.

Аномальное поведение тока разряда в поперечном магнитном поле наблюдалось авторами [38] в He-Ne смеси, которое проявлялось в увеличении тока разряда в малых магнитных полях. В работе [39] теми же авторами исследовалась плазма газорязрядного He-Ne одночастотного лазера на длине волны 1.15 мкм. Кювета длиной 14.5 см и диаметром 2.2 мм была наполнена смесью 20Ne : 3Не в отношении 1:10 при давлении 3 Topp. Поперечное магнитное поле накладывалось на 1/3 разряда. Регистрировались две величины: изменение тока разряда и интенсивность излучения лазера. Результат этого эксперимента представлен на рис. 1

Ту отн, ее?. Юнкк

-йо -2 -6 -4 -2 о £ 4 б 8 Нх мй

Рис.1. Зависимость интенсивности лазерного излучения (А,=1.15 мкм) газорязрядного Не-№ одночастотного лазера и разрядного тока на кювете от поперечного магнитного поля [39].

Характерной особенностью этих результатов является:

• резонансный характер изменения тока разряда и интенсивности лазерного излучения;

• аномальное увеличение тока вблизи нулевого магнитного поля;

• малая амплитуда гальванического отклика;

• снижение тока проводимости при дальнейшем увеличении (>2 мТл) напряженности поперечного магнитного поля.

Примерно в это же время при исследовании оптогальванического эффекта в №-Не плазме высокочастотного разряда были обнаружены слабые сигналы Ы] в отсутствие света гелиевой лампы [40]. В этой работе проводилось наблюдение и исследование поляризационного оптогальванического эффекта в Иа-Не плазме при одновременном воздействии на нее поляризационно-модулированного лазерного излучения, резонансно возбуждающего атомы натрия, и циркулярно поляризованного света гелиевой лампы. Авторами было сделано предположение о том, что взаимная спиновая ориентация метастабильных атомов гелия и натрия влияет на вероятность процесса пеннинговой ионизации при столкновении этих атомов в плазме ВЧ-разряда. Поэтому разрушение или изменение ориентации должно приводить к изменению электропроводности щелочно-гелиевой плазмы, что и было обнаружено экспериментально. Регистрация гальванического отклика осуществлялась следующим образом: изменение электропроводности плазмы приводило к изменению напряжения на ВЧ-контуре, включающем в себя газоразрядную камеру, и соответственно амплитуды ВЧ поля, излучаемого контуром. Это изменение амплитуды регистрировалось детектором. При увеличении электропроводности плазмы падало напряжение на электродах поджига разряда и, соответственно, падала амплитуда излучаемого контуром ВЧ поля.

Суть эксперимента состояла в следующем. Циркулярно поляризованным светом гелиевой лампы производилась оптическая ориентация метастабильных атомов гелия, возбужденных в разряде. Одновременно газоразрядная плазма облучалась лазерным светом со знакопеременной циркулярной поляризацией. Наблюдалось изменение электропроводности плазмы с частотой изменения знака поляризации лазерного излучения при сканировании его длины волны через область резонансного поглощения атомов натрия. Амплитуда сигналов линейно зависела от интенсивности гелиевого света, то есть определялась степенью спиновой ориентации триплетных метастабильных атомов гелия.

Авторы делают вывод, что оптогальванический эффект в №-Не плазме, содержащей оптически ориентированные метастабильные атомы Не, при облучении ее циркулярно-поляризованным светом, соответствующим Т)2 переходам атомов связан с взаимной ориентацией спиновых моментов ансамблей атомов гелия и щелочного металла. Такая связь может объясняться зависимостью вероятности процесса пеннинговой ионизации от взаимной ориентации спиновых моментов сталкивающихся атомов. При одинаковой ориентации реакция пеннинговой ионизации запрещена законом сохранения полного спина и его проекции. Изменение ориентации одного из партнеров снимает этот запрет, что увеличивает выход свободных электронов в плазму газового разряда и проявляется в изменении ее электропроводности. В этой работе кратко упоминается наблюдение резонансного сигнала проводимости вблизи нулевого магнитного поля и в отсутствие облучения гелиевой лампы, что связано с ориентацией ансамбля атомов гелия под действием процессов, происходящих в плазме разряда.

В настоящее время наибольший интерес представляют комплексные исследования газоразрядной плазмы, в которых при одинаковых условиях в разряде регистрируются различные типы интерференционных сигналов. Такие данные могут дать наиболее исчерпывающую информацию о механизмах наведения и разрушения анизотропии распределения угловых моментов атомов. Обобщая приведенные в литературе данные исследований интерференции атомных состояний, можно утверждать, что информативным и перспективным направлением в этой области остается изучение гальванического отклика газоразрядной плазмы на разрушение когерентности. В этой сфере многие вопросы остаются пока без ответов, а новые данные, подтверждающие или опровергающие имеющиеся гипотезы, вызывают живой интерес. Все это позволяет сформулировать основную цель настоящей работы:

- детально изучить поведение магнитогальванического эффекта в плазме положительного столба в неоне;

- исследовать поведение магнитогальванических сигналов в полом катоде;

- ответить на вопрос, какой из метастабильных уровней в неоне дает наибольший вклад в магнитогальванический сигнал;

- сделать оценку влияния выстраивания на сечение ионизации возбужденных состояний атома согласно гипотезе М.П.Чайки [27].

Основные результаты диссертации представлены в ниже перечисленных публикациях и материалах конференций.

Конференции

1. Горбенко А.П., ПолищукВ.А., ТодоровГ.Ц, Чайка М.П. К вопросу о происхождении магнитогальванического эффекта в Ne. // Труды XXII съезда по спектроскопии 2001г. Москва, с.34-35.

2. PetrovL., SlavovD., ArsovV., Gorbenko A., Steflekova V., PolischukV., Zhechev D., Todorov G. Considerations towards the possibility of estimation of f 5 the coherence relaxation lifetime of the neon 2p 3s ( P2) metastable from the magneto-galvanic resonances // 38 EGAS conference, Ischia (Naples), 7-10 June 2006, p. 217.

3. Steflekova V., PetrovL., SlavovD., ArsovV., Gorbenko A., Zhechev D., Polischuk V., Mihajlov N., Todorov G. Magneto-Galvanic Resonances In Hollow Cathode Discharge Lamps // 23th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (SPIG 2006) Editors: Nenad S. Simonovic, Bratislav P. Marinkovic and Ljupco Hadzievski, Institute of Physics, Belgrade, Serbia 2006, p. 339-342

4. Petrov L., Slavov D., Arsov V., Gorbenko A., Steflekova V., Polischuk V.,

N )

Zhechev D., Todorov G. Self-induced coherence and conductivity of glow discharge // Proceedings of SPIE (2007)- The International Society for Optical Engineering, 6604, art. no. 660401

5. A. Gorbenko, A. Kuzmin, V. Polischuk, D. Slavov, L. Petrov, E. Borisova, G. Todorov Peculiarities of the magneto-optical resonances on states in a Ne glow discharge // Proc. SPIE - Vol. 6726, 6726-2V (2007)

Статьи

1. Горбенко А.П., ПолищукВ.А., ТодоровГ.Ц., Жечев Д.З. Влияние интерференции атомных состояний на гальванические свойства газового разряда. //Вестник СПбГУ, Сер.4, 2007, в.1, с. 51-58.

2. Горбенко А.П. Аномальные магнито-оптические резонансы на состояниях 2ps3s в разряде в Ne // Научный вестник Ужгородского университета 2007, сер.Физика, в.21, с. 114-120.

3. V. Steflekova, L. Petrov, D. Slavov, V. Arsov, A. Gorbenko, D. Zhechev, V. Polischuk, N. Mihajlov, G. Todorov Self-induced coherence and conductivity of glow discharge. // Proceedings of SPIE Volume: 6604,5.03.2007.

Заключение.

1. Получены результаты, подтверждающие связь магнитогальванического эффекта в положительном столбе и в полом катоде с самовыстраиванием возбужденных состояний №.

2. Показано преимущественное влияние метастабильного состояния на проводимость плазмы газового разряда в №. Впервые обнаружен эффект прямого влияния резонансного лазерного излучения (переход 1$5—2р9 , X = 640.2 нм) на магнитогальванический сигнал в №Сс1 лампе с полым катодом. Отмечено изменение формы и амплитуды гальванического отклика газоразрядной плазмы положительного столба под действием лазерного излучения на переходе 2р4 — 1я5 (к= 594.4 нм).

3. Предложена геометрическая модель, связывающая поляризацию (ориентацию) электронной оболочки выстроенных возбужденных состояний с сечением ионизации электронами.

4. Получены аномальные магнито-оптические резонансы на состоянии Ь3 (•/=0) и предложена их интерпретация.

1. Hanle W. Uber magnetische Beeinflussung der Polarisation der Resonanzfluoreszenz. // Zeit.f.Physik, 1924, Bd.30, ss.93-105.

2. Чайка М.П. Интерференция вырожденных атомных состояний // Ленинград, 1975.

3. Александров Е.Б., Хвостенко Г.И., Чайка М.П. Интерференция атомных состояний // Москва, Наука, 1991.

4. Калласс X., Чайка М.П. Выстраивание возбужденных состояний неона в разряде постоянного тока// Опт. и спектр. 1969, т.27, в.2, с.694-696.

5. Carrington G.G, Corney A. Hanle effect in a neon discharge // Opt. Commun., 1969, vol.1, pp.115-118.

6. Чайка М.П. Скрытое выстраивание возбужденных атомов при изотропном возбуждении // Опт. и спектр. 1971, т.30, в.5, с.822-829.

7. Казанцев С.А., Рысь А.Г., Чайка М.П. Выстраивание возбужденных атомов электронным ударом в разряде // Опт. и спектр. 1983, т.54, в.2, с.214-218.

8. Чайка М.П. Анизотропия движения электронов в положительном столбе разряда// Опт. и спектр. 1994, т.77, в.6, с.882-886.

9. Лукомский Н.Г., Полищук В.А., Чайка М.П. Экспериментальное наблюдение выстраивания метастабильного состояния ls5 неона в плазме тлеющего разряда// Опт. и спектр. 1996, т.81, №3, с.369-371.

10. Сапрыкин Э.Г., Селезнев С.Н., Сорокин В.А. Оптико-магнитные резонансы дихроизма и двулучепреломления, обусловленные самовыстраиванием атомов в разряде при произвольной ориетации магнитного поля//Опт. и спектр. 2001, т.91, №2, с.313-319.

11. Раутиан С.Г., Сапрыкин Э.Г. Контуры и ширины оптикомагнитных резонансов самовыстраивания при обмене магнитной когерентностью уровней, индуцированным собственным излучением разряда // Опт. и спектр. 2002, т.92, №3, с.385-395.

12. Жечев Д.З., Чайка М.П. Излучение разряда полого катода в слабом магнитном поле // Опт. и спектр. 1977, т.43, с.590.

13. Жечев Д.З., Чайка М.П. Образование сигналов выстраивания в разряде с полым катодом // Опт. и спектр. 1978, т.45, с.406.

14. Севастьянов Б.Н., Житников P.A. Влияние оптическойоориентации атомов Не4 в 2 ¿"/-состоянии на электронную плотность и излучение атомов гелия в плазме // ЖЭТФ 1969, т.56, в.5, с.1509-1517.

15. Дмитриев С.П., Житников P.A., Окуневич А.И. Изменение электронной плотности в плазме под действием оптической ориентации метастабильных ЗР2 атомов ксенона // ЖТФ 1982, т.52, с.1235-1236.

16. Варшалович Д.А. Спиновое состояние атомов и молекул в космической среде // УФН 1970, т. 101, в.З, с.369-383.

17. Казанцев С.А. Астрофизические и лабораторные приложения явления самовыстраивания // УФН 1983, т. 139, в.4, с.621-666.

18. Лукомский Н.Г., Машек И.Ч., Полищук В.А., Чайка М.П. Контур линии флуоресценции, возбужденной в плазме низкого давления в неоне // Опт. и спектр. 1988, т.65, в.4, с.988-990.

19. Родионов Г.Д., Сапрыкин Э.Г. Происхождение аномальной зависимости коэффициента линейного поглощения на длине 633 нм в неоне от величины продольного магнитного поля // Опт. и спектр. 1986, т.60, в.4, с.701-705.

20. Чайка М.П. Поглощение света парами со скрытым выстраиванием // Опт. и спектр. 1971, т.31, в.5, с.670-676.

21. Павлов A.B., Полищук В.А., Чайка М.П. Аномалии фарадеевского вращения в разряде в неоне в слабых магнитных полях // Опт. и спектр. 1979, т.47, в.1, с.37-41.

22. Павлов A.B., Полищук В.А., Чайка М.П. Дихроизм в разряде постоянного тока в Ne // Опт. и спектр. 1980, т.49, в.5, с.998-1000.

23. Сапрыкин Э.Г., Селезнев С.Н., Сорокин В.А. Оптико-магнитные резонансы дихроизма и двулучепреломления, обусловленныесамовыстраиванием атомов в разряде при произвольной ориентации магнитного поля// Опт. и спектр. 2001, т.91, №2, с.313-319.

24. Сапрыкин Э.Г., Селезнев С.Н., Сорокин В.А. Наблюдение аномальных оптико-магнитных резонансов двулучепреломления и дихроизма на переходе Зйг ~2р4 неона // Письма в ЖЭТФ 1989, т.50, в.7, с.316-319.

25. Очкин В.Н., Преображенский Н.Г., Шапарев Н.Я. Оптогальванический эффект в ионизованном газе // М. Наука, 1991.

26. Жечев Д.З., Лукомский Н.Г., Полищук В.А., Чайка М.П. Магнитогальванический эффект в разряде постоянного тока в неоне // Опт. и спектр. 1990, т.69, в.З, с.474-475.

27. Лукомский Н.Г., Полищук В.А., Чайка М.П., "Скрытая" анизотропия столкновений в низкотемпературной плазме низкого давления // Опт. и спектр. 1985, т.52. в.2. с. 474-475.

28. Лукомский Н.Г., Полищук В.А., Чайка М.П. Преобразование скрытого выстраивания в ориентацию в плазме низкого давления // Опт. и спектр. 1985, т.59. в.5. с. 1008-1011.

29. Лукомский Н.Г., Полищук В.А., Чайка М.П. Экспериментальное наблюдение выстраивания метастабильного состояния 1б5 в плазме тлеющего разряда // Опт. и спектр. 1996, т.81. в.З. с.369-371.

30. Лукомский Н.Г., Полищук В.А., Чайка М.П. Оптико-магнитные эффекты в плазме тлеющего разряда Ме на переходе 2р3 II Опт. и спектр. 1991, т.71, в.1, с.46-52.

31. Раутиан С.Г., Сапрыкин Э.Г. Контуры и ширины оптико-магнитных резонансов самовыстраивания при обмене магнитной когерентностью уровней, индуцированном собственным излучением разряда// Опт. и спектр. 2002, т.92, в.З, с.385-395.

32. Чайка М.П. Механизм магнитогальванического эффекта в положительном столбе разряда в неоне // Опт. и спектр. 1995, т.78, в.1, с. 1419.

33. Грановский В.А. Электрический ток в газе «установившийся ток* // М.Наука. 1971. 543 с.

34. Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы // М. "Наука" 1982, 224с.

35. Митчнер М., Кругер Ч. Частично ионизованные газы // М. 1976, 216с.

36. Уланов И.М., Литвинцев А.Ю. Экспериментальные исследования влияния продольного магнитного поля на катодные части тлеющего разряда в гелии // ЖТФ 2004, т.74, в.9, с.32-38.

37. Вагнер С.Д., Нисимов С.У., Пядин В.П., Слышов А.Г., Червяков А.В. Исследование функции распределения электронов в тлеющем разряде в неоне в присутствии магнитного поля // Физика плазмы 1998, т.24, №7, с.633-636.

38. Гуделев В.Г., Ясинский В.М., Аномальное поведение разрядного тока в гелий-неоновой смеси под действием поперечного магнитного поля // ЖТФ 1983, т.53, в.6, с.1213-1215.

39. Gudelev V.G., Yasinski V.M. An anomalous effect of a weak magnetic field on the discharge current in Helium-Neon plasma // Proc.XVII Int.Conf.on Phenomena in Ionized Gases Budapest 1985, N-9, pp.910-912.

40. Дмитриев С.П., Доватор H.A., Житников P.A., Картошкин В.А. Поляризационный оптогальванический эффект в натрий-гелиевой газоразрядной плазме // ЖТФ 2001, т.71, в.6, с.56-59.

41. Райзер Ю.П. Физика газового разряда // М. «Наука» 1992, 536с.

42. Полищук В.А. Исследование выстраивания атомов и молекул методом оптико-магнитной поляризационной лазерной спектроскопии // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Санкт-Петербург 2005.

43. Hannaford P. and Series G.W. Alignment Effects in Optogalvanic Spectroscopy // Proc of the V Int Conf Laser Spectroscopy V, Jasper Park Lodge,

44. Alberta, Canada. June 29-July 3, 1981, Eds: A.R.W.McKellar, Т. Oka, В P Stoicheff, Springer-Verlag 1981, pp.74 102.

45. Hannaford P. and Series G.W. Determination of Hyperfine Structures in Ground and Excited Atomic Levels by Level-Crossing Optogalvanic Spectroscopy: Application to 89Y // Phys Rev Letters 1982, 48, pp. 1326-1329.

46. Богданов A.A. Визуализация данных в Microcal Origin //Москва 2003, 104c.

47. Schottky W., J.v. Issendorf Quasineitrale elektrische Diffusion in ruhenden und stromenden Gas // Zeitschrift fur Physik 31 (1925), ss.163-201.

48. Ladenburg R. Dispersion in Electrically Excited Gases. // Reviews of Modern Physics 1933, v5,N4, p243-255.

49. Жечев Д.З. Выстраивание возбужденных состояний атомов в разряде в полом катоде // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Ленинград 1979.

50. Москалев Б.И. Разряд с полым катодом // Москва 1969.

51. Бородин B.C., Каган Ю.М. Исследование разряда в полом катоде // Опт. и спектр. 1965, т. 18, в.6, с.966-967.

52. Г. Бородин B.C., Каган Ю.М. Исследование разряда в полом катоде // ЖТФ 1966, т.36, с.1198.

53. Гофмейстер В.П., Каган Ю.М. Механизм возбуждения в полом катоде в аргоне // Опт. и спектр. 1969, т.26, в.5, с.689-695.

54. Петров Л., Арсов В., Полищук В.А., Тодоров Г., Жечев Д. Аномальные динамические оптогальванические сигналы в разряде в полом катоде как спектральный репер // Вестник С-Петербургского университета. Сер.4. 2005. в.2, с.34.

55. L. Julien, and М. Pinard Optogalvanic detection of optical pumping // J. Phys. B, At. Mol. Phys.l982,Vol.l5, pp. 2881-2898.

56. Митюрева A.A., Пенкин Н.П. Сечения возбуждения метастабильных атомов неона электронным ударом // Опт. и спектр. 1983, т.55, в.2, с.393-395.

57. Todorov G.T., Karavasilev P.R., Zhechev D.Z. On the genesis of the Magneto Galvanic Effect in Neon Glow Discharge // Physica Scripta 1998, Vol.57, pp.634-636.

58. Казанцев C.A., Кислинг А., Чайка М.П. Выстраивание возбужденных атомов аргона в положительном столбе постоянного тока // Опт. и спектр. 1974, т.36, с. 1030-1032.

59. Казанцев С.А., Рысь А.Г., Чайка М.П. Выстраивание атомов криптона в газовом разряде // Опт. и спектр. 1978, т.44, с.425-430.

60. Carrington C.G. Cascade effects in neon life time measurements // J. Phys. B: At. Mol. Phys. 5, 1972, pp.1572-1582.

61. Перель В.И., Рогова И.В. О выстраивании возбужденных атомов в газовом разряде // ЖЭТФ 1973, т.65, с. 1012-1019.

62. Казанцев С.А., Эйдук В.И. Эффект Ханле на высоковозбужденных атомных уровнях инертных газов в разряде // Опт. и спектр. 1978, т.45, с.858-860.

63. Голубовский Ю.Б., Кудрявцев A.A. Некучаев В.О., Прохорова И.А., Цендин Л.Д. Кинетика электронов в неравновесной газоразрядной плазме // Санкт-Петербург, издательство СПбГУ, 2004.

64. Вайнштейн Л.А., Собельман И.И., Юков Е.А. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий» М.Наука, 1979, с. 127-128

65. Полищук В.А., Чайка М.П., Тодоров Г.Ц. К вопросу о происхождении магнитогальванического эффекта в плазме в Ne // Опт. и спектр. 2002, т.93, № 4, с.533-536.

66. Фриш С.Э., Тиморева A.B. Курс физики // Ленинград. 1979.

67. Аузиньш М.П., Фербер P.C. Оптическая поляризация двухатомных молекул // УФН 1990, т. 160, в. 10, с.73-123.

68. Юрова И.Ю., Бориспольский И.Д. Теоретическое исследование ионизации орбитально-поляризованным ударом с трехмерным изображением результатов. // Научный вестник Ужгородского университета, Серия Физика 2007, в.21,с.126-134

69. Auzinsh M.P. Angular momenta dynamics in magnetic and electric field: Classical and quantum approach 11 Can. J. Phys.75, 1997, pp.853-872.

70. Лукомский Н.Г., Полищук B.A. Расширение диапазона перестройки лазера на красителе с помощью внутренних интерферометров // Опт. и спектр. 1985, т.52, в.6, с. 1088-1090.

71. Лукомский Н.Г., Полищук В.А. Привязка частоты перестраиваемого лазера к атомным линиям при помощи фарадеевской ячейки // ЖПС 1986, т.45, №3, с.382.