Исследование ионизации быстрых ридберговских атомов в методе лазерной резонансной ионизации коллинеарной спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГ6 од

гМЬ'

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ

На правах рукописи УДК 533.33:537.563.5:539.186.3

АСЕЕВ Сергей Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ; ИОНИЗАЦИИ БЫСТРЫХ РИДБЕРГОВСКИХ АТОМОВ В МЕТОДЕ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗОНАНСНОЙ ИОНИЗАЦИОННОЙ КОЛЛИНЕАРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ.

специальность 01.04.03 - оптика

АФТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ТРОИЦК-195«

Работа выполнена в Институт . спектроскопии РАН Научные руководители: доктор физико-математических наук

профессор ЛЕТОХОВ Владилен Степанович кандидат физико-математических наук ПЕТРУНИН Виктор Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

ГРИГОРЬЕВ Игорь Сергеевич кандидат физико-математических наук БАЛЫКИН Виктор Иванович Ведущая организация: Институт общей физики РАН

Зашита диссертации состоится ^Я-Л 1994 г. в час.

на заседании Специализированного совета Д-002.28.01 при Институте спектроскопии РАН по адресу:

142092, Московская обл., г. Троицк, Институт спектроскопии РАН.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Института спектроскопии РАН.

Афтореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

Сафронова У. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Метод коллинеарной лазерной фотоионизации быстрых атомов получил сейчас большое развитие /1/. Он является:

-удобны« и достаточно универсальным способом проведения высокочувствительной атомной спектроскопии высокого разрешения; -потенциальным способом детектирования очень редких изотопов. Известно, что такой метод выгодно реализовать через ридберговское состояние /1/. Поэтому ионизация быстрых ридберговсг.их атомоз занимает в нем важное место.

Важно выбрать такую схему ионизации, которую удобно использовать при решении конкретной задачи детектирования или спектроскопии атомов определенного сорта. При этом схема должна быть по возможности простой в экспериментальной реализации и обеспечивать эффективный процесс перевода атонов в ионы.

Схена ионизации нохет позволить по характеристикам образующихся ионов С например, по углу вылета ионов из ионизатора5 определить главное квантовое число ридберговского атона, испытавшего ионизацию. Это свойство важно при изучении столкновительных процессов с участием быстрых атомов, в частности, столкновительного, фона в методе коллинеарной лазерной фотоионизаиии.

Важной характеристикой ионизатора является также разброс по кинетической энергии ионов, возникающий в процессе ионизации. Сохранение Сили малое изменение) кинетической энергии атона при его превращении в ион и последующей транспортировке до детектора может позволить:

-использовать масс-сепаратор на выходе коллинеарной лазерной фотоионизаиии атонов для последующей масс-селекции;

-в некоторых случаях отделить сигнал от столкновительного фона.

Поэтону схема ионизации, в которой реализуется вышеуказанное свойство, может быть использована для повышения суммарной

селективности детектирования атонов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена изучению ионизации быстрых ридберговских атонов в нетоде лазерной резонансной ионизационной коллинеарной спектроскопии.

Для решения поставленной залами предполагалось:

1. Исследовать ионизацию ускоренных ридберговскихатонов в основных конфигурациях ионизатора на основе постоянного, электрического поля С ионизация в продольной и поперечной по отношению к направлению распространения атонного пучка электрических поляхЭ.

2. Пронаблюдать ионизацию быстрых ридберговских атонов за счет теплового излучения.

3. Исследовать магнитную ионизацию, основанную на действии магнитного поля на быстрые ридберговские атомы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Проведено сравнение ионизации быстрых ридберговских атонов в продольном и поперечной электрических полях. Экспериментально измерена и объяснена зависимость положения сигнальных фотоионов 01 главного квантового числа для обеих конфигураций полей. Объяснена форма углового распределения Фонового сигнала, обусловленного . столкновениями быстрых атонов с нолекулани остаточного газа.

2. Экспериментально наблюдалась ионизация быстрых ридберговских зтонов криптона под действием теплового излучения при коннатной температуре. С использованием такой ионизации быстрых ридберговских атомов осуществлено дистанционное измерение распределения плотности паров калия в перезарядной ячейке иетодон коллинеарной лазерной фотоионизации.

3. Проведено исследование ионизации быстрых ридберговских атомо в магнитном поле. Ридберговские атомы были предварительно приготовлены при помощи коллинеарного лазерного излучения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Выполненные исследования показали, что ионизатор с поперечнин электрическим полем удобно использовать в экспериментах, в которых ваано определить главное квантовое число быстрых ридберговских атонов. Принерон слукит исследование возбуждения быстрых атонов водорода о ридберговские состояния при столкновениях с тепловыми атомами и молекулами.

Значения величин сечений столкновительного возбуждения быстрых атонов в ридберговские состояния представляют большую практическую ценность. Знание их вакно для развития теории атомных столкновений, а такге для моделирования столкновительных проц-*ссоз, которые имеют место в космосе и в лабораторных уелсзнях.

Ионизация быстрых ридберговских атомов в постоянном магнитном .•юле позволяет сохранить моноэнергетичность пучка фотоионов. Это иохет бьггь использовано в нетоде коллннеарной фотоионнзационной спектроскопии атонов для радикального подавления столкновительного фоне.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Использование ионизатора с поперечным электрическин полем позроляет успешно осуеэствлять коллинеарную лазерную фотоионизации быстрых атонов различных изотопов и изучать столкновительные процессы, связанные с заселением ридберговских атомных сосюяний.

2. Ионизация за счет излучения черного тела с последующим детектированием образованного иона могетбыть использована для регистрации ускоренных высоковозбуаденных атомов.

3. В нагнитнон поле осуществляется эффект ивная ионизация б ист рых ридберговских атомов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Часть результатов диссертации доложена на: VМеждународном

симпозиуме по резонансной ионизационной спектроскопии Ссентябрь 1990, Италия}; Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике Ссентябрь 1991, Ленинград}.

Основное содержание диссертации достаточно полно отражено в 9-и статьях и тезисах конференций, список которых помещен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЬЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и изложена на 116 страницах, включая 2В рисунков. Список литературы содержит 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении содержится описание метода коллинеарной лазерной фотоиониэации быстрых ридберговских атомов. Дан краткий обзор, посвященный исследованиям ионизации ридберговских атомоб. В сжатой форне изложено содержание диссертационной работы по главам.

При коллинеарном лазерном возбуждении в ускоренной атонном пучке Фотоионизация через ридберговское состояние оказывается более предпочтительной, потому что:

-в этом случае требуются более низкие интенсивности лазерного излучения, чем при ионизации атома непосредственно за счет светового поля /1 /;

-позволяет значительно уменьшить фоновый сигнал, обусловленный столкновительной ионизацией быстрых атомов на молекулах остаточного газа.

Схема полевой ионизации может быть устроена таким образон, чтобы на детектор попадали ионы только из небольшой области электрического поля, где ионизуются ридберговские атомы. Фоновые ионы, образовавшиеся вне этой области, не должны Попадать на детектор. Было показано, что помимо столкновительной ионизации ускоренных атомов на молекулах остаточного газа, значительный пг.чад р фоновый сигнал давт также столкновительное возбуждение

ускоренных атомов в ридберговские состояния. Таким образом, важным свойством ионизатора является способность отделять фотоионный сигнал от фона. .

Глава 1. Экспериментальная установка.

В первой главе подробно описана экспериментальная установка и ев модификации для работы с изотопами гелия, водорода и криптона,

Из ионного источника, имеющего потенциал несколько килоэлектронвольт, с помощью электрода, находящегося под нулевым потенциалом, втягивается пучок быстрых ионов. Образованный пучок холлиннруется системой электростатических линз и направляется в какеру перезарядки, содержащую пары калия. Неперезарядившиеся ионы й быстрые ридберговские атомы, которые могут в малом колличестве возникать при перезарядке, выводятся из пучка с понощыо фильтрующего конденсатора. Для элементов с высоким потенциалом ионизации Сгелий, криптон и т. д. 3 при перезарядка происходит эффективное заселение высоколежащих атомных метастабильных состояний, что позволяет осуществлять двух-, трехступенчатую Фотоионизацию таких атомов с помощью существующих лазеров на красителях.

Из камеры перезарядки атомный пучок попадает в область возбуждения, где происходит заселение ридберговских состояний при покос;! коллинеарного лазерного излучения в две ступени. В настоящей диссертации для возбуждения ридберговских атомных состояний использовалось излучение импульсных лазеров на красителях. 3 качестве накачки применялисьэксимерный 1е-<л-лаэер или лазер на парах меди.

После области возбуждения быстрые ридберговские атомы попадают в-электрическое или магнитное поле ионизатора, а образованные ионы отклоняются на детектор и регистрируются. Описание электрического и магнитного ионизаторов выделено в отдельный параграф.

В наших экспериментах продольное электрической ноле

/ I

создавалось системой коаксиальных диафрагм, находившихся под . различными потенциалами. Быстрый атонный пучок распространялся перпендикулярно плоскостям этих диафрагм. Образованные при ионизации ионы отклонялись затем с линии атомного пучка на детектор при помоши дополнительного дефлектора, поперечное электрическое поле которого обеспечивалось двумя разноименно заряженными цилиндрическими электродами. При подаче нулевого потенциала на каждую коаксиальную диафрагму ионизация ридберговских атомов происходила в поперечном электрическом поле двух цилиндрических электродов.

Постоянное магнитное поле создавалось двумя намагниченными брусками. Вектор поля был направлен поперек движеиия быстрых атомов. Доворачивание ионов, образованных при магнитной ионизации быстрых ридберговских атомов, на детекторобеспечивалось за счет электрического поля конденсатора.

Глава II. Основные схены ионизации

быстрых ридберговских атомов в постоянном электрическом поле.

Впервые развал ридберговских атомов электрически» полем наблюдался Траубенбергом с сотр. в 1930 году , а современный метод регистрации высоковозбужденных атомных состояний с поноиью электрического поля был предложен Ривьером и Свитнаном в 60-х годах /2/.

Вторая глава посвящена исследованию двух основных схеи ионизации быстрых ридберговских атомов постоянный электрическим полем: с продольным и поперечным направлением вектора поля по отношению к оси атомного пучка. Выполненные в райках настоящей : диссертации и описанные в этой главе исследования с быстрыми атомами калия позволили сравнить эти две основных схемы полевой ионизации и определить области их оптимального применения в экспериментах с быстрыми ридберговскиии атомами.

&

Достоинством ионизации сысог.овозбувденных атонов в поперечном электрическом поле является возмогность определения эффективного главного квантового числа п* ридберговского состояния, испытавшего ионизацию, по углу вылета из ионизатора. Ионизатор с продольным электрическим полем характеризуется неньшин, чем у ионизатора с поперечным направлением поля, разбросом по энергии у вылетевших нонов, что позволяет использовать такую ионизацию на входе в Мйсс-сепаратор для дополнительной масс-селекции. Были объяснены загнси'юсти количества ионов, образованных в результате столкновений быстрых атонов с молекулами остаточного газа, от угла вылета из ионизатора для обеих конфигураций электрических полей.

С использование)! поперечного электрического поля в качестве ионизирующего для быстрых ридберговских атонов нами были выполнены •следующие эксперименты, описанные во второй главе диссертации: 15 изучение коллинеарной лазерной фотоионизации гелия и криптона;

2) детектирование редкого изотопа гелия-3 с концентрацией до 10"° относительно гелия-4 методом коллинеарной лазерной фотоионизации атонов в ускоренном пучке;

3) измерения сечений^возбуждення ридберговских состояний при столновениях быстрых атомов водорода с тепловыни атомами и молекулами.

Глава III. Ионизация ридберговских атомов излучением черного тела в методе коллинеарной лазерной фотоионизации.

В1979 году Галлагером и Куком были опубликованы результаты первых исследований эффектов воздействия излучения черного тела на ридберговские атомы /2/, Позднее были проведены эксперименты, в которых под действием такого излучения происходила ионизация тепловых атонов в ридберговском состоянии fZ't:

. Третья глава посвящена ионизации быстрых ридберговских атомов за счет теплового излучения. Нами показано, что такой процесс может быть использован для регистрации ридберговских атомов.

- образованных на большой удалении от детектора, когда радиационное время жизни высоковозбужденного состояния меньше времен^ пролета.

В качестве примера нани осуществлено описанное в этой главе дистанционное изнерение распределения плотности паров калия в перезарядной ячейке вдоль распространения ускоренного пучка нетодон коллинеарной лазерной фотоионизацин. Пространственная зависимость плотности паров была получена из временной формы фотосигнала, который отражал пространственную зависимость вероятности перезарядки ускоренного ионч в атои. К достоинству : такого способа изнерения относится возможность дистанционного ' . зондирования плотности паров в тех случаях, когда доступно только одно направление измерения.

Глава IV. Ионизация быстрых ридберговских атомов в постоянном магнитном поле-.

В 1984 году на линейном ускорителе в 1-ое д1ааоа Сзнергия протонов 800МзВЭ наблюдалась ионизация релятивистских атомов водорода С У/с^О, 843, возбужденных в состояния спг4+10 лазерные излучением, в кагнитнон поле. Насколько нам известно, эта работа является единственной в области магнитной ионизации быстрых возбужденных атонов, приготовленных лазерным излучением.

Четвертая глава диссертаций посвящена исследование ионизации быстрых ридберговских атонов в постоянном магнитном поле. Нага эксперименты были выполнены на сравнительно. недорогой оборудовании. Быстрые атомы гелия были приготовлены с ридберговскрм состоянии при поной* коллинеарного лазерного, • излучения до влета в область магнитного поля. Ионизация происходила поддействием лоренцева электрического поля, величина напряженности которого составляла в нашем случае 18008/сн. Нани предложено простое квазиклассическое описание нагнитной ионизации, основанное на соотношениях по энергий.'

В отличие от широг.оиспопьзуемой ионизации атома в электрическом поле ионизация б1Ст'рого ридберговского атома в

■(О

постоянной нагннтнон поле инеет вахсное преимущество. Энергии . образованных иона и электрона сохраняются при последующем движении в постоянной магнитном поле. В частности, это может позволить использовать такую ионизацию в методе коллинеарной фотоионизацин быстрых атомов для радикального подавления столкновительного фона.

При движении атома в постоянном нагнитном поле атом испытывает действие скрещенных лоренцевого электрического и магнитного полей. В этом случае исчезает осевая симметрия пространства, характерная для случая электрического поля, и становится невозмозныя описание поведения атона на языке проекции момента орбитального движения. Тем не менее, нами экспериментально показано, что для быстрых атомов гелия, возбужденных в не-или гхЬридберговские состояния, распределение фотоионов по углу вплетя из магнитного ионизатора аналогично угловому распределению фотоионсв при ионизации высоковозбужденных атомов гелия в поперечной электрическом поле. Поведение атона в электрическом поле объяснялось с учетом сохранения проекций орбитального момента. Аналогичное Поведение атона в нагнитном поле указьаает на определяющее влияние некулоновости атона на процесс полевой ионизации.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Рассмотрены две основные схены ионизации быстрых ридберговских а гонов постоянным электрическим полем: при продольном и поперечном направлении вектора поля по отношению к оси атомного пучка. Выполненные расчеты траекторий движения фотоионов и фоновых ионов позволили сравнить эти схемы ионизации и выделить области оптинального применения каждой схемы.

Ионизация поперечным электрическим по.гем использована при детектировании редкого изотопа гелия-3 с относительной концентрацией до 10 °. •

На основе ионизатора с поперечным э.чег.трнч«?сг.»»ч полги

выполнены исследования процессов возбуздения быстрых атомов водорода в ридберговские состояния при столкновении с тепловыми атомани и молекулами.

2. Экспериментально показано, что излучение черного тела при комнатной температуре нокет быть использовано для удобной регистрации быстрых ридберговских атомов в методе коллинеарной лазерной фотоионизации. При использовании конбинации коллинеарного лазерного возбуждения быстрых атомов с последующей.ионизацией за счет излучения черного тела осуществлено дистанционное измерение распределения плотности паров калия в перезарядной ячейке.

3. Проведены исследования ионизации быстрых ридберговских атомов, предварительно приготовленных коллинеарным лазерный излучением, в постоянном магнитном поле. Важный свойством ионизации в постоянном магнитном поле является сохранение кинетических энергий у образованных ионов и электронов.

Эксперинентально обнаружено, что для атона . гелия распределение образованных фотоионов по углу вылета из ионизаторе аналогично распределению в случае использования поперечного электрического поля в качестве ионизатора, что свидетельствует об определяющем влиянии некулоновости атома на процессы ионизации как в электрическом, так н в нагиитнои полях.

Основниг результаты диссертации достаточно полно нзлогеныв следующих работах:

1. Aist'yuv S.A,, Kudryavtbev Vj.A., Letotcbuv V.3., Fetruiiln V.V. Detection oí very гагв isotope by callinavir гкзспллес Ionization ut accelerated aletas. // Inet .ГЬув.Сол.Ser. - 1990. - V.114 . - p.7-12. '¿. Ahtyi!» 8.A., Kiulryavts«v Vu.A., Uitokbov V.S., ('«irusiin V.V. l.iif.i'r iIhI ect i<«i ot rere i&otop» lie al ciMicnntrut lona ua low ле 1U P. ()|>t.u-tt. - 1991 . - V.16. - p.514-517. i ACfccis С A. , Кудрявцев U.A., Летохов B.C., Нетрунин СВ. Мето;

¡

es ei

детектирования редких изотопов Кг и Кг с попопыо коллинеарной лазерной фотоионизации в ускоренной ионном пучке. // Тезисы 14-ой меад. конф. по когерентной и нелинейной оптике. Ленинград. - 1991 - т. 2 - с. 154-155.

4. Aecyev S.A., Kudryavtser Га.А., Petrunin V.V. Formtlon of Rydberii states In collisions of fast hydrogen лtoes with H , N and He. // J.Phys.B:Atne.Hol .Opt.ITiys. - 1991 - ».2*. -P.b647-L651.

5. Aspyev S.A., Kudryavtsev Yu.A.. i-etckbov V.S., Potmnin V.V. A wtbod of detecting tfxs rare isotopes 05 Kr and 01Kr by tmans of col linear laser photoionization of atom in an accelerated beaa. // J.Phys.BjAt.llol.Opt.Phys. 24(11) С1991Э p.2755-2763.

6. AseyevS.A., Kudryavtsev Yu.A., Petrunin V.V. Ionization of fast Kyrfbera atoea in longitudinal and transverse electric fields. // Appl.Phya.B - 1993 - v.56 - p.391-398.

7. Aseyev S.A., Kudryavtsev Yu.A., Petrunin V.V. Reeote Deasurcsent of vapor density spatial distribution by laser photoionization of accelerated atoas // Opt.Coraun. -1993-v.97(5-6) - p.36№-362.

0. Асеев С. A., Кудрявцев Ю. A., Летохов В. С., Петрунин В. В.

Лазерная коллинеарная ионизация ускоренных атомов в пучке как нетод детектирования редких изотопов криптона // Опт. и спсктр. - 1994 - принято в печать.

9. AseyevS.A., Kudryavtsev Yu.A., l-arushin D.V., I.etokhov V.S., Petrunin V.V. Ioni Tat ion of fast RydberR atom by й magnetic field // - 1994 - подано в печать.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Летохов В. С. Лазерная фотоионизационная спектроскопия. -

м.:Наука, 1987. - 318с.

2. Ридберговские состояния атомов и молекул. Под ред.

Стеббингса Р.и Даннинга Ф. - М. :Мир, 1985. - 496с.