Исследование коллинеарной лазерной фотоионизации в пучке ускоренных атомов как метода детектирования редких изотопов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Л К А Д ЕМ И Я НАУК С ССР ОТДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ И АСТРОНОМИИ

ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ

На щкшак руылшем УДК 533.33:537.563.5:539.1*^.3

ПЕТРУШШ Виктор Владимирович

Исследование коллинеарной лазерной ¡¡кппионнгчти в пучке ускорении* атомов как метода детектирования редких изотонон

( специальность 01.04.05 - оптика )

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание учепой степени кандидата физико-математических наук

ТРОИЦК - 1991

Работа выполнена в Ипстнтуте спектроскопии Ali СССР. Научные руководители: доктор филико- математических паук п{к>|)сссор ЛЕТОХОВ B.C. кандидат физико-математических наук КУДРЯВЦЕВ Ю.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

КРЫНЕЦКИЙ Б.Б.

доктор физико-математических наук

ПУРЕЦКИЙ A.A. Ведущая организация: Институт атомной энергии нм.И.В.Курчатова

Защита диссертации состоится "Д5 " О^к&^Л 1992г. в Ю час. на заседании Специализированного Совета Д-002.28.01 по специальности 01.04.Ой — оптика в Институте спектроскопии АН СХХ'Р по адресу: 142092, Московская обл., г.Троицк, Институт

спектроскопии АН СССР,

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИСАИ СССР. Автореферат разослан "ДЗ " д«-каиря 1991г.

Ученый секретарь Специализированного совета про»}>ессор

У.И.Сафропова

ОШЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальностьтемы^

Иэвсстпо, что в окружающем ми!>е наряду с распространенными встречаются изотопы кошгентрацин которых очет, налы ( менее 10 отосительпо концентрации распространенных няотогюв элемента ). Ультрачувствнтельное детекпчхиште таких редких гаотопов макет быть черезвычайно полезный:

— при решешш широкого круга задач ядерном физик»;

— при решешш экологических проблем, связанных с радиоактивным загрязнением п последующей миграцией радиоактивных изотопов в природе;

— при определении поз1иста геологических н археологических образцов по содер«апию радиоизотопон космогенпого происхождения;

— при решении пекоторых других геофизических и гидрологических проблем, связанны)! с миграцией изотопов, поиском цолеэтдх ископаемых и т.п.

Следует отие-лш., «по методы детекпцхшания [»едких изотопов, основанные па наблюдении радиоактивного распада ке;«К>ехтит1Ы дли долгояинуишх изотопов и в тех случаях, когда явление распад» плохо регистрируется, а м'-тды ускорительной масс-спект|юметрин дороги и по многих интересных случаях кгиМ^ктппны из-за невозможности поданигь '¡юн атомарных изобар |Х'ЛКого и.чгпша. '.>'гп делает актуальным и перспективным разиитие лп:*ч>их м'-та<>м петек гиропамии релких изотнюн,

Цель работы Днссертациоштя работа посвящена экспериментально исследованию коллнпсарнон лазерной <|ютоионнзагига в пуп ускоренных атомои. При этом основной целью работы являло выяснение возможностей детектирования редких изотопов таю методом.

Научная новизна. Экспериме1ггальпо показана возможность лаэерно детектирования редких изотопов. Прн детектировании редко изотопа ^Не достигнута изотопическая селективность равная 109.

Впервые измерены полные ( во все квантовые состояния данным н ) сечения возбуждения рпдберговскнх состояний щ столкновениях нейтральных частиц,

Впервые измерены сечения столкновительной иопгоаш: ускоренных ( 3,9кэВ ) метастабилышх атомов гелия.

Практическая ценность Проведенные исследования позволяют сделать вывод возможности создания лазерного детектора редких изотопов.

Полученные значения сечений столкновительного возбуждени ридберговежих состояний представляют интерес с точки зренн проверки и развития теории атомных столкновений, а также пр моделировании различных процессов, происходящих в космосе радиоастрономия ) и в лабораторных условиях.

3ащищаемы£_ло ложени я изложены в заключении диссертации.

ч

Л il р о б а п и я работы Ог,полисе содержание диссертации доложено на следующих паутных конференциях: Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ( сентябрь 1985, Mcckím; сентябрь J988, Минск; сентябрь i'i'il, Ленинград ); V Межлуна|юдном симпозиум« по резонансной ионизационной спектроскопии (сентябрь 1У90, Италия); IX - ВапплоЕскоя конкуренции по когерентной п нелинейной оптике ( шога. 1987, Новосибирск ); Семинарах ООСР-ФРГ по лазерной спектроскопии ( май 1988, Москва; сентябрь 1990, Байройт, ФРГ ); Всесоюзном семттре по процессам ионизации с участей возбужденных атсмон ( май 1988, Ленинтрад ); Междуна1»однои научной школе по физике малых накопительных колец ( июль 1989, Орхус, Дании ).

Публикации Осиапвоз содержание диссертации достаточно полно отражено п 10-н статьях, авторском свидетельстве н тезисах конференций, список которых прнпеден в конце аэтореферата.

Структура п объем диссертации. Диссертация состоит кз Введения, четырех глав, Заключения я списка цитируемой литературы и изложена на 125 страницах машинописного текста, включая 34 рисунка и 4 таблицы. Список литеригурм содержит 97 няииенонаиий.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во Введении сделан краткий обзор возможных применений ультрачувстиителмгаго детектпровагош редких изотопов рассмотрены существующие в настоящее ирсмя методы проведени такого анализа н отмечена нес*]>фектнвносгь этих методов пр] детектировании многих редких изотопов, представ ляюпцс значительный научный п практический интерес. Далее дай обзсз различных предложений по осуществлению лазерного детектировали! редких лзотпов и экспериментальных результатов, полученных и? пути реализации этих предложений к моменту написания. астоице1 диссертация. Там же изложена основная идея метода коллинеарно? лазерной фотоионизапип и ускоренном атомном пучке, сформулировала ц«.тъ работы и кратко изложено содержали« диссертации.

Суп. метода коллннеарной лазерной фотононпзашш,

предложенного 10.Л.Кудрявцевым и В.С.Летоховым в 1982г. состоит в

том, что резонансная ступенчатая лазерная фотоиоиизация атомов

осуществляете)! в уско{>еннпм атомном пучке, полученном

нейтрализацией ионного пучка определенной энергия eU , причем

А

лазерное излучение распространяется коллннеарно птомному лучку.

Поскольку при одинаковой энергии атомов cU, разные изотопы будут

А

иметь pairif.ie скорости, и спектре поглощения атомного пучка на любом переходе появится дополкнлнителышй допнлерозекпй изотопический сдвиг, который для большинства элементов может препасходгп, естественный примерно па два порядка. Это позволяет (хущоствлтгь черезвычанно высокоселектятшое лазерное возбуждение

атсмов редкого изотопа.

Другим важггым достоинством кол линеарного иочбуждешт ггалпется уменыпеяпе допплсрояского ушнренни спектральных лпшш лнлоть до естественной пгарины за счет жилета грушп^юякл скоростей. Прп этом одпочастсгшое лаз"рное излучение может взат{адсйстзояат1> со всеми атомами пучка , что обеспечивает высокую эффехтилностъ фсжшоншатош.

Таким торагон, м-зтоп коллинеарной лазерной ^ютоиоттцни представляется ушгесрсальпим , поскольку позволяет осуществлять п ысс хоселсктинну ю и »¡к^екпгепуга фотожлитацню длч изотопом оолытшггва злемеитоз.

Глава 1. Метод к гхспер:шенталымн установка.

В первом параграфе изложен пр пвдпп [шбеггы кол линеарного лазерного фотоионпзлцпописго спектрометра уско}жним - атомов.

Из потаюго источника, находящегося под н<тчщиалом И , с

Л

помощью вытягивающего электрода, имеющего нулевой потенциал,

шгаговается пеняий пучох, кеггорып затем коллнмируетсч системой

эяевтргхтатячеяшх лзвэ. При зточ ноцы всех изотопоп н пучке

приобретают одинаковую кинетическую .-»перггш с1! . Ионш-ш пучок

Л

лаправлжгтея в камеру перекчядки с парами щелочного металла( «алия ). Давление паров металла в камере поддерживается таким, побн большая часть попон иучзш пе|хзарялплась в нейтральные 1ТОМЫ. Неигреялрнддяганеся коны выводятся из пучка электрическим юлеи ф!!льт[1укице1Х) конденсатора. Нанрнаенносп, электрич'ткого юля в фильтрующем конденсатор должна был» достаточна пмгока , ггобы ионичопать так ¡ке ркдберюнекие атомы , котрмо м'тут

?

возникать при перезарядке. Следует отметить что, ири перезарядке ионного ¡¡умка можно с высокой э<1к|>ективностък> получатт. атомы в высоколежаицгх метасгабнлшых состоящих, что паэиоляет осуществлять ^ютонопнэашш плементов с высоким потенциалом ионизации с помощью существующих лазс;>о» па красителях.

Дале: атомный пучок попадает в бссполевую область, где осуществляется ступенчатое резонансное лазерпое возбуждение атомои в ридберговскос состояние. Лазерпое излучение распространяется строго коллинеарыо атомному пучку , что приводит к появлению в спектре поглощения дополнительного лапил'!ропского изотонического сдвига н обеспечивает высокую селективность лазерного возбуждения. В настоящей диссертации для двухступенчатого возбуждения рпдберговсклх состояний использовалось излучение импульсных лазеров на красителях.

После бссподевои области ридберговскле атомы попадают в электрическое поле ионизирующего конденсатора, ионизуются этим полем, а образующиеся коны отклонлхлея на детектор в регистрируются.

, л

Дал«; в I лапе 1 подробно описана экспериментальная установка и ее модификации для работы с изотопами калия, гелия и водорода.

Глава 2. Экспериментальное исследование иэитопичеекп-селективиой коллинеарной лазерной фотоиопизации в непрерывном пучке ускоренных атомов.

В параграфе 1.1 представленны результаты экспериментов с пучком атомов калия. Изотонически-селективное воздействие имелс м'хп) только на второй ступени лазерного возбуждения I

осуществлялось с ROiiOTia.ro лазера па красителе, л резонатор

которого был впедеп иптерферометр Фабри-Перо. При этом удалось

наблюдать фотокопиый сигнал изотопа кал и й-40, относительная

-А

концентрация которого составляет 10 . Уропеш. фонового сигпала при этом соотвстспговгш относительной концентрации

-5

изотопа калнй-40 раиной 10 . Естественный изотопический сдвиг п спектрах калпя очень мал( 220МГц) и достигнутая только на одной

5

ступени возбуждения селективность, равная 10 , свидстелмггвусг об упнверсальпостп и больптх возможностях метода.

Далез в Главе '2 исследуется пзотопически-селектиштя воллггаеарпал лазерная ({хггоионнзация атомов гелия. Показано, что для атсмов выбранного пзотопа, находшалхся в момент лазерного возбуждения в бесполевой области, вероятность регистрации в виде фотоионов составляет около 10%. Обсуждается вопрос чувствнтельнссга дегектирозапня.

В параграфе 2.3 детально псследуетсп характер ионизации рндбергозсяих атомов гелия, влетающих в поперечное электрическое поле поштзирукяцето конденсатора. Усгаповлепо, что и итог место как адиабатическая, так и диабатнчсскап пволкщия ридберговсклх атомов гелия в электрическом поле к точке но низании.

В параграфе 2.4 показано, что изотопическая селективность превосходит 10° как па первой, так н па второй ступени лазерного Еозбуядсння. Однако, полная селективность детектпрозання редкого изотопа геляй-3 оказалась ограничена фоновым с тип лам, не связанным с лазерным излучением и пропорциональным давлению остаточного газа. При вакууме в системе 10 7Торр уронепь

фононого сигнал,!, соответствовал относительной концентрация

редкого потопа гслий-3 равной 10 в.

Глава 3. Изучение столкноаателышх процессов» ограничивающих селективность фотонаннзацношюго детектаронагшя редких изотопов в пучке ускоренных атоме».

I) параграф« 3.1 показано, что фоновый сигнал обусловлен двумя столкновнтелишми • процессами: 1) шзбувдением быстрых атома» в ридберговские состояния при столкновениях с молекулами остаточного газа к 2) столкноиительпой ношшцкей быстрых атомов на молекулах остаточного газа в электрическом поле ионизатора непосредственно в окрестности точки, в которой имэст иесто нолевая ионизация "сигнальных" ридбергокжкх атомов. Далее в Главе 3 по зависимостям составляющих фона от давления напускаемых в систему газов выполнены измерения сечешш указанных днух процессов.

Для анализа сголкиовителыю-возбужденных атоетв но главному квантовому числу использовался метод сеяггтгшоа по состояниям ионизации атомов электрическим полем, с к&либрозюй ионизатора по сигналам состояний, возбуждаемых лазерным излучением. С целью получения экспериментальных данных, иредстаиляющих значительный шпг'1>ес для астрофизики н проверки теории атомных столкновений, были выполнены ( параграф) 3.4 ) измерения сечений указанных процессов для ускоренных атомов шдо1юда. Из сравнения с определением по главному квантовому числу ридбер! овсвих атомов, образовавшихся при перезарядке ¡¡[хпопов на калии, для сечений сголкноиителмгого возбуждении был ипчучен tviiiir.ifiiii.ift :«к«ц <г п а,где «= 3 - 0,4. Полные сечения

возбуядевгия ридберговских состояний при столкновениях нейтральных частиц измерены в настоящей работе впервые.

Глапа 4 . Детектирование изотопа Не методом коллинеарпой лаэерпой фотоиоиизаиии d нмпульспом пучке ускоренных атомов.

D четвертой главе для подавления столновмтельного «¡юпа предлагается комбинировать метод шллгшеарнои лазерной «¡ютопоншации с методами традиционной масс-спектрометрии. Так п импульсном пучке мстастабпльных атомоп гелия было осущесталено фагоионшапиопное п время-пролетпое разделение изотопов. При использовании лазеров с пысокой частотой следования импульсов ( плкачяа лазеров на красителях осуществлялась излучением лазеров

на парах меди ) такой метод позволяет детсктггровать изотоп ЯИе п

-9

образцах с отноентелышм содержанием до 10 , причем селективность детектирования определялась скоростью счета атомов редкого изотопа п может быть повышена ири увеличении тока атомного пучка н насыщении атомных переходом. D последнем параграфе представлены некоторые предложения и опенки, касающиеся перспектив использования метода коллинеарпой лазерной фотоиоппзация для детектирования редких изотопов. Там гхе можно кайтп ссылки иа последние работы, поевяшештме развитию метода, содержание которых пе сошло в настоящую диссертацию.

Основные результаты диссертация

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Показано, что метод коллинеарпой лазерной ступенчатой <|ютоиопизацин в ускоренном атомном пучке позволяет осуществлять

высокоселективное лазерное детектирование атомов редкого изогона. Селективность лазерного' возбуждения только на одной резонансной ступени составила 10 для изотопа калий-40 и болог, чем 10° для изотопа гелий-3.

Устной лено, что селективность детектирования редкого изотопа ограничена фановым сигналом, обусловленным двумя столкновителышми процессами: 1) возбуждением быстрых атомон в ридбергонскле состояния при столкновениях с • молекулами остаточного газа и 2) столкиошгтельиой ионизацией быстрых атомов на молекулах остаточного газа в электрическом поле ионизатора.

2. Измерены сечения столеновктсльного возбукшшя ридберговских состояний с п=24-27 для ускоренных мстасгабилышх атомов гелия на гелии, неоне м азоте и для ускоренных атомов водорода в основном состоянии на гелии, водороде и азоте.

Показано, что для атомов шдорода зависимость сечений сюлкновительного возбуждения рвдберговских состояний <г ^ ст п идентична зависимости от и сечений формирования ридберговских состояний при ш;1>еэарндке протопоп на калнн. При этом выполняется маштабиый закон п"°,где о= 3 - 0,4.

Измерены сечения столкионительной ионизации для ускоренных мегастабильных атомов 1-елия на гелии, неоне и азоте.

3. Путем комбинации метода кол линеарной лазерпой (¡*жлкши'«ации ускормшых атомов с в^мя-щюлггным |>азд«л<'нием икпопин н имнул1/;ш>м и юммом пучке достигнуто значительное п<1Лаи Л(-мие фонового сипмла и получена гелектишкхть 1нчек1н|*)наШ1я («'.иною т<шша Н'лий :) рншмн К)".

и

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Кудрявцев Ю.А., Летохов B.C., Пеггрупин В.В. Лазерное

40

детехтпровапие К методом изотопичсски-селективпой иогпгшши п пучке ускоренных атомов// Письма в ЖЭТФ-1985-т.42(1). - с.23-26.

2. Кудрявцев К).А., Летохов B.C., Петрупин В.В, Изотонически селективная лазерная фатоионгоацня атомов калия в ускоренном пучке. // В кн.: Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике.-М. - 1985 - ч.1 - с.254-255.

3. Кудрявцев Ю.А.,Летохов B.C.Jlerpymra В.В. "Способ определения концентрации редкого изотопа". // Авторское свидетельство N4303192 с приоритетом от 8.9.1987г.

4. Кудрявцев Ю.А., Пегрунип В.В. Исследование иэотопическн -селективной лазерной коллннеарной фотоионизации ускоренных атомов гелия // ЖЭТФ - 1988 - t.94(mJ. - с.76-88.

5. Кудрявцев Ю.А., Петрунин В.В. Детектирование редких изотопов методом коллипеарпой лазерной фотоионизации ускоренных атомов // Известия АН СССР, серия физическая - 1988 -т.52(б). - с.1047-1051.

6. Kudryavtsev Yu.A., Letokhov V.S., Petmnin V.V. Collinear laner photoionization of helium isotopes in fast atomic beam. // Opt.Commun. - 1988 - V.68(l). - p.25-30.

7. Кудрявцев ГО.А., Летохов B.C., Пегрунип B.B., Спткнн В.M Детектирование изотопа гелий-3 методом кол.линеарной лазерной двухступенчатой фотоионизации в быстром импульсном атомном пучхе. // Тез. докладов XIII-международной конференции но

Koiejtejrraoft u нелинейной оптике. Минск. - 1988 - ч.2. - c.lfi-17.

8. Кудрявцев Ю.А., Петру нин В.В. Измерение сечений

столкновнгельной ионизации н столкпоиитслыгого возбуждения в

ридберговские состояния ускоренных метастабнльнмх атомов гелия

на Ile, Ne и N^. // Тез. док. Всесоюзного семипал "Процессы

ионизации с участием возбужденных атомов".-JI.:- 1988. - с.44-45.

a. Kudryavtsev Yu.A., Letokhov V.S., Petrunin V.V., Sitkin V.M.

3

Laserphataianizatiaii detection of rare isotope He. //

Appl.Phys. - 1989 - V.B4S. - p.93-96.

10. Kudryavtsev Yu.A,, Utokhov V.S., Petrunin V.V. Laser detection of very rare long-lived radioactive isotopes. // Applied 1ляег Spectroscopy,ed. by W.Deratroder and M.Inguscio .Plenum Press ,New York. - 1990 - p.329-338.

11. Aseyev S.A., Kudryavteev Yu.A.,letokhov V.S., Petrunin V.V. Detection of very rare isotope by colliuear resonance * ionization of accelerated atoms. // Inst. Phya.Con.Ser.' - 1990. - V.114. - p.7-12.

12. Aneyev S.A., Kudryavtsev Yu.A.,Letokl>ov V.S., Petrunin V.V.

3

laser detection of rare isotope He at concentration« «я low as l(f9. // Opt. I ли. - 1ШМ. - V.lti. - p.514-517,

13. Кудрями*» 10.A., Петрунии В.В. Ионизация и возбуждение в рилберювекие «хлоииия быстрых Mejacrafitiлышх атомов гелия в гшлыкшешши с Не, Ne и N // Ж1)1Ф - 1ЧЧ1 - т.!М{1). - с.81-92.

14. Asvycv S.A.,Ku(li>^vtni'v Yu.A.,Pftiuiiin V.V Ьипмиоп of Itydlieig lilrttw in ( (ilii-ijuiiB of fft.nt hydinj'cli «Кош* witll II

l

.nid 11-, Ц .1 I'liya ii: Alum Mol.Opt I'liyc to U> piiblmlicl