Применение метода искаженных волн для описаниянеупругого рассеяния электронов промежуточных энергий на возбужденных лазером ориентированных мишенях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

гс

с:;:

~ ~ Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного знамени государственный университет

гм

им. М.В.Ломоносова

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В.Скобельцына

На правах рукописи УДК 539.18

Голохов Евгений Игоревич

Применение метода искаженных волн для описания неупругого рассеяния электронов промежуточных энергий на возбужденных лазером ориентированных мишенях

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1997

Работа выполнена на кафедре физики атомного ядра физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ им. Д.В.Скобельцына.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор В.В. Балашов. Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Л.Д. Блохинцев, кандидат физико-математических наук А.И. Магунов.

Ведущая организация:

Российский научный центр "Курчатовский институт''

нии Диссертационного совета К053.05.23 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова.

Адрес:

Москва, 119899, Воробьевы Горы, ЯИИЯФ МГУ, 19 корпус, ауд. 2-15

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан "4:О.^Р^.Г.^'.'' 1997 г.

в

часов на заседа-

Ученый секретарь совета кандидат физико-математических наук

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы. Настоящая работа посвящена исследованию неупругого рассеяния электронов промежуточных энергий на возбужденных лазером, ориентированных мишенях. Интерес к изучению элементарных процессов при столкновении электронов с атомами обусловлен потребностями физики плазмы, лазерной физики, физики атмосферы и др. Одним из основных процессов, изучаемых физикой атомных столкновений, является возбуждение атомов электронным ударом. Современные экспериментальные методы позволяют изучать не только полные сечения возбуждения и угловые распределения рассеянных электронов, но и проводить более тонкие эксперименты по изучению корреляционных и поляризационных характеристик продуктов распада возбужденного состояния и рассеянных электронов. Из результатов таких экспериментов может быть, извлечена детальная информация о матрице плотности возбужденного состояния, которая определяется амплитудами возбуждения его подуровней. Экспериментальное определение ориентационных параметров возбужденного состояния, однозначно связанных с его матрицей плотности, способно дать ответ на вопрос о механизме процесса рассеяния. Анализ этих результатов также может служить наиболее полной проверкой используемых теоретических методов.

Создание современных лазеров с перестраиваемой частотой излучения повлекло за собой развитие новой области физики атомных столкновений, изучающей процессы рассеяния частиц на короткоживущих возбужденных состояниях мишени. Специфические свойства лазерного излучения, такие как высокая монохроматичность, возможность изменения поляризации фотонов и высокая интенсивность излучения, позволяют возбуждать атомы мишени в хорошо определенное состояние, с известными значениями заселенностей его магнитных подуровней. Таким образом, роль излучения сводится к "приготовлению" матрицы плотности возбужденного состояния. В настоящее время, эксперименты в скрещенных электронном и лазерном пучках получили широкое распространение. В первую очередь исследовался процесс девозбужде-ния приготовленного лазером уровня 2Р3/2 атома натрия под действием электронного удара. Интерес к такого рода исследованиям был вы-

зван возможностью независимой проверки- результатов традиционных (е, е'у) экспериментов. Выбор в качестве мишени атома натрия обусловлен техническими ограничениями существующих на сегодняшний день лазеров. Однако, быстрый прогресс лазерной технологии способен уже в ближайшее время изменить ситуацию.

Однако, целая область, касающаяся переходов между двумя возбужденными уровнями осталась практически неизученной, хотя роль таких процессов крайне важна в некоторых областях прикладной физики. Например, в физике лазеров, такого рода процессы могут являться источником паразитных шумов. Имеющиеся на сегодняшний день экспериментальные данные получены почти двадцать лет тому назад группой Хертеля, основоположниками экспериментов в скрещенных электронном и лазерном пучках. Дефицит экспериментальных данных не служил стимулом и для теоретических исследований этой проблемы. Восполнить этот пробел призваны исследования, проведенные в настоящей работе.

Не менее актуальной задачей физики электрон-атомных столкновений являются теоретические исследования ионизации атомов электронным ударом в области автоионизационных резонансов. Эти исследования важны для понимания механизмов резонансной ионизации и структуры автоионизационных состояний, а также в связи с новыми достижениями в экспериментальных измерениях характеристик резонансной ионизации, таких, как измерения функций угловых корреляций (е,2е), измерения спектров и угловых распределений эжектируемых электронов, измерения с поляризованными пучками.

По сравнению с более традиционными методами фотопоглощения, резонансная ионизация нод действием бомбардирующих частиц содержит ряд новых возможностей: возбуждение оптически запрещенных переходов, возможность поведения совпадательных экспериментов, позволяющих изучать процесс в различных кинематических условиях и т.д. Использование в качестве мишени приготовленных лазером состояний открывает новые перспективы в физике автоионизационных явлений. Целый ряд автоионизационных резонансов может эффективно возбуждаться из промежуточного короткоживущего состояния. Двухступенчатый механизм их формирования позволяет детально изучать процесс при разных начальных условиях. Изменяя параметры лазерной

накачки можно получить уникальную информацию о механизме резонансной ионизации возбужденных ориентированных атомов.

Энергия налетающих электронов определяет выбор теоретического метода для описания процесса рассеяния. При больших энергиях с успехом применяется плосковолновое борцовское приближение, а при малых энергиях хорошо зарекомендовал себя метод сильной связи каналов. Для области промежуточных энергий (20 - 200 эВ) борновское приближение неприемлемо, а использование метода сильной связи каналов сопряжено с большими техническими трудностями. Кроме того, при рассеянии электронов таких энергий на атомах щелочных металлов, важную роль играет обменное рассеяние. В связи с этим, актуальной становится разработка метода, который, являясь относительно простым, учитывал бы и обмен, и возможность искажения волновых функций свободных электронов. Подходящим теоретическим подходом представляется метод искаженных волн с. обменом. В рамках этого метода получены выражения для амплитуд возбуждения дискретных и автоионизадионных уровней натрия. Несмотря на то, что в качестве мишени использовался атом натрия, разработанный в диссертации формализм применим к любым атомам, обладающим одним валентным электроном сверх заполненных оболочек.

Основная цель работы. Основной целью диссертации является описание в рамках метода искаженных волн с обменом возбуждения дискретных и автоионизационных уровней атома натрия при рассеянии электронов промежуточных энергий на приготовленной лазером мишени и исследование влияния ориентации возбужденной лазером мишени на различные наблюдаемые характеристики.

Научная новизна. Впервые проведено систематическое теоретическое исследование переходов между возбужденными уровнями З2 Р и 425 атома натрия. В рамках метода искаженных волн с обменом получены дифференциальные сечения 32Р —• 425 рассеяния. Для обратного 42 5 —+ 32Р перехода определен набор независимых ориентационных параметров, полностью характеризующий этот процесс. Разработан способ извлечения введенных параметров из результатов эксперимента по неупругому 32Р —» 425 рассеянию. Впервые проведены расчеты ориентациоиных параметров 425 —> 3гР рассеяния в рамках метода ис-

каженных волн с обменом и исследовано влияние выбора оптического потенциала на результат.

Впервые проведены расчеты резонансной ионизации атома натрия электронами промежуточных энергий из возбужденного лазером промежуточного состояния. Помимо полного к дифференциального сечения ионизации, в рамках метода искаженных волн с обменом получены ориентационные характеристики автоионизационных состояний. Для совпадательных экспериментов (е,2е) получены функции угловой корреляции между рассеянным и эжектируемым электронами.

Предложена новая постановка эксперимента по изучению резонансной ионизации электронным ударом приготовленного лазером возбужденного уровня, когда детекторы электронов жестко зафиксированы, а изменяется направление поляризации лазерного пучка.

Научная и практическая ценность. Научная и практическая ценность работы заключается в том, что проведенные исследования свидетельствуют о перспективности предложенного варианта оптической модели искаженных волн с обменом для теоретического изучения переходов между двумя короткоживущими уровнями и резонансной ионизации под действием электронного удара. Результаты, полученные в диссертации, позволяют проводить широкое экспериментальное изучение рассеяния электронов промежуточных энергий на возбужденной лазером мишени.

Апробация работы. Основные результаты докладывались на XIX Международной Конференции по физике электрон-атомных столкновений ( Канада, 1995 ) и V Международном совещании "Автоионизационные явления в атомах" ( Дубна, 1995 ).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в пяти печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она содержит 114 страниц машинописного текста, включая оглавление, список литературы из 107 наименований и 24 рисунка.

Содержание работы.

Введение. Во введении обосновывается актуальность темы, ставятся цели и задачи исследования. Кратко изложено содержание диссертационной работы по главам.

Глава 1 Первая глава посвящена описанию процесса приготовления возбужденных состояний атомов под действием лазерного излучения.

В § 1.1 для описания поляризационных характеристик атомных состояний вводятся статистические тензора рц, которые наряду с матрицей плотности дают эквивалентное описание исследуемой системы. Там же приводятся основные свойства статистических тензоров, необходимые для дальнейшего рассмотрения затрагиваемых в диссертации вопросов. Для нахождения элементов матрицы плотности вводится приближение двухуровневой схемы, в значительной степени упрощающее описание взаимодействия атома с лазерным излучением.

В § 1.2 приводится система дифференциальных уравнений для элементов матрицы плотности, полученная в приближении двухуровневой схемы, и анализируются основные ограничения, накладываемые на решение этой системы двухуровневым приближением. Там же вводится фотонная система координат, в которой отличны от нуля лишь диагональные элементы матрицы плотности. В ней система дифференциальных уравнений превращается в систему кинетических уравнений для заселенностей различных подуровней. В условиях динамического равновесия система кинетических уравнений сводится к системе линейных уравнений, связывающих между собой заселенности различных подуровней возбужденного состояния,

В § 1.3 приведен пример решения полученной в предыдущем параграфе системы линейных уравнений. В фотонной системе координат получены выражения для статистических тензоров р^ для случаев накачки линейно и пиркулярно поляризованным светом.

В § 1.4 приводятся некоторые экспериментальные аспекты лазерной накачки и обсуждается выполнение ограничений, накладываемых использованием приближения двухуровневой схемы и условием существования динамического равновесия.

Глава 2 Вторая глава посвящена описанию приближения искажен-

ных волн с обменом, используемого в настоящей работе для получения амплитуд рассеяния.

В § 2.1 приведен краткий исторический обзор развития метода искаженных волн. В нем освещены основные этапы становления метода и сформулированы главные предположения, которые должны быть включены в его определение.

В § 2.2 анализируются основные приближения метода искаженных волн. Вводятся понятие искаженной волны и оптического потенциала. Обсуждается проблема обменного рассеяния, которое вводится в рассмотрение добавлением к оператору взаимодействия дополнительного оператора антисимметризации. Там же приведены общие выражения для амплитуд рассеяния, полученных в рамках метода искаженных волн с обменом.

В § 2.3 показано, что с учетом дополнительного оператора антисимметризации, введенного в предыдущем параграфе для учета обменного рассеяния, искажающие потенциалы даже в первом порядке по взаимодействию являются нелокальными. В связи с этим, приводятся общие правила построения феноменологических локальных оптических потенциалов в модели искаженных волн с точностью до второго порядка по взаимодействию.

В § 2.4 метод искаженных волн с обменом применен для получения амплитуд неупругого рассеяния электронов на атомах, обладающих одним валентным электроном. Рассмотрены случаи, когда в процессе рассеяния в атоме мишенн происходит возбуждение как внешнего валентного электрона, так и электронов замкнутой подоболочки.

Глава 3 Третья глава посвящена изучению переходов между двумя возбужденными уровнями дискретного спектра в атоме натрия под действием электронного удара.

В § 3.1 дан краткий обзор современного состояния экспериментальных и теоретических исследований по рассеянию электронов на возбужденном состоянии натрия. Перечислены основные типы экспериментов по сверхупругому рассеянию и наиболее часто используемые для теоретического описания этого процесса поляризационные характеристики.

В § 3.2 рассматривается процесс неупругого 32Р —» 425'. Традиционно, процесс рассеяния , при котором мишень переходит из приго-

товленного лазерной накачкой ориентированного уровня п,- на другой уровень 71/ , описывается с помощью параметров обратного перехода п ( —* П{, когда п.] неориентировано. Для описания обратного перехода 425 —> 32Р вводятся неприводимые статистические тензоры Ркч ■ описывающие динамическое выстраивание первоначально неориентированной (425) мишени в процессе сверхупругого 425 —<■ Зг Р рассеяния. Для обратного 425 -+ У Р перехода определены три независимых вещественных параметра , Г02+ и , полностью характеризующие этот процесс. Параметры ТД. однозначно выражаются через соответствующие статистические тензоры и могут быть извлечены из экспериментов по неупругому 32Р —► 425 рассеянию.

Рис. 1: Дифференциальное сечение 32Р —► 4г5 (пунктирная линия) и 3~Р —>■ 325 (сплошная линия) переходов; экспериментальные данные для перехода 31Р —» 32S пересчитаны из сечения 32S —* 32Р рассеяния, взятого из работы: P.J.O. Teubnet, Я.Е. Riley, M.J. Brunger and S.J. Buckman, J.Phys.B 19 (1986), p.3313

В § 3.3 приведены результаты расчета дифференциального сечения (рисунок 1) и поляризационных параметров 32Р —» 425 рассеяния в рамках метода искаженных волн с обменом. Там же приводится явный вид используемого в расчетах оптического потенциала и анализ влияния его выбора в той или иной форме на результаты вычислений

поляризационных параметров 32Р —+ 425 рассеяния.

Рис. 2: Полное сечение возбуждения автоионизационного состояния натрия 2Оъ/2 из неориентированного возбужденного состояния 2Рзр, как функция энергии электронного пучка. Сплошная линия - приближение искаженных волн, пунктирная линия - приближение искаженных волн без обмена, короткий пунктир - плосковолновое борцовское приближение

Глава 4 В четвертой глазе метод искаженных волы применяется для описания возбуждения автоионизационных уровней в атоме натрия электронами промежуточных энергий.

В § 4.1 излагается современное состояние теоретического и экспериментального исследования резонансной ионизации атомов электронами, перечисляются основные преимущества такого типа исследований ав-тоиониэационных явлений по сравнению с более традиционными методами фотопоглощения и фотоэлектронной спектроскопии.

В § 4.2 анализируются особенности распада автоионизационных уровней, возбужденных из накаченного лазером состояния, приведены полное сечение возбуждения автоионизационного уровня (рисунок 2) и основные поляризационные характеристики процесса резонансной ионизации. В рамках: формализма статистических тензоров получены ори-ентационные параметры автоионизационных состояний и исследовано

г03/2 *"1)з/2

Рис. 3: Параметры углового распределения (1) для автоионизационных состояний = 28.36^5) и 21)2/1(Ец — 28.31 зВ). Энергия налетающих электронов Ец = 50эВ. Сплошная линия - приближение искаженных волн, пунктирная линия -приближение искаженных волн без обмена, короткий пунктир - плосковолновое борнов-ское приближение

влияние выстроенности промежуточного возбужденного лазером состояния на наблюдаемые величины. Предложен новый тип эксперимента для изучения резонансной ионизации, когда детектор эжектируемых электронов фиксирован, а поляризация лазера вращается в плоскости реакции. В этом случае дифференциальное сечение эжекции можно представить в виде:

Рис. 4: Дифференциальное сечение возбуждения автоионизационного состояния натрия 2-О^^ при рассеянии электронов с энергией 50 эВ на возбужденном лазером состоянии 2Рз/2- Все расчеты соответствуют борновскому приближению искаженных волн. Сплошная линия - рассеяние на неориентированной мишени; пунктир - рассеяние на мишени, приготовленной линейно поляризованным светом с осью лоляризашш направленной по пучку падающих электронов; короткий пунктир - поляризация лазера перпендикулярна плоскости рассеяния.

= + С(9^соз2{ф - (1)

где ф - угол между осью квантования и направлением вектора поляризации. Параметры С(0Ц) и 6{ве-,) определяют глубину модуляции и положение экстремумов дифференциального сечения эжекции. Параметр IV(9пропорциональный сечению возбуждения АИС, определяет общую нормировку. Зависимость параметров И7, С и <5 для двух авто-

ионизационных резонансов 3£>5/2(£е;- = 28.36э5) и ~03/2{ Ее} — 28.31 а В) от угла рассеяния приведена на рисунке 3.

В § 4.3 анализируются параметры (е,2е) экспериментов, когда рассеянный и эжектируемый электроны регистрируются на совпадение. Представлены расчеты дифференциального сечения возбуждения АИС (рисунок 4) и функций угловых корреляций между рассеянным и эжек-тируемым электронами (рисунок 5), проведенные в рамках метода искаженных волн с обменом.

Заключение, В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Приложение А В приложении А приведены выражения для амплитуд рассеяния в шгосковолновом борновском приближении.

Приложение Б Приложение Б посвяшено краткому описанию программы для расчета амплитуд возбуждения автоионизационных состояний атомов с одним валентным электроном в рамках метода искаженных волн с обменом.

Основные результаты работы.

1. В рамках единой оптической модели искаженных волн с обменом исследованы процессы возбуждения дискретных и автоионизационных уровней атома натрия при рассеянии электронов промежуточных энергий на приготовленном лазером состоянии. Полученные результаты показывают, что ориентационные параметры возбужденного лазером состояния в значительной степени влияют на наблюдаемые характеристики процесса рассеяния. Такая чувствительность наряду с относительной легкостью, с какой можно менять ориентационные параметры приготовленного лазером промежуточного состояния, открывает возможности проведения целого класса экспериментов нового типа.

2. Впервые в приближении искаженных волн с обменом проведен расчет полного набора параметров 32Р —» 42 5 перехода в натрии. Полученное согласие с экспериментальными данными говорит о правомерности применения 0\УВА для описания такого процесса. Исследовано влияние выбора оптического потенциала на поляризационные характе-

поляризация лазера направлена поляриэацли лазера порпсиди -по пучку падающих олектроноп кулярпа пгосчоети рпосеяпия

Рис. 5: Полярная диаграмма углового распределения эжектируемых электронов, регистрируемых на совпадение в компланарном эксперименте (е,2е) при различных значениях начальной выстроенности промежуточного состояния, Еа = 150 о В. Сплошная линия - приближение искаженных волн, пунктирная линия - приближение искаженных волн без обмена, короткий пунктир - плосковолновое борцовское приближение

ристики 32Р —» 425 рассеяния. Пропеденные расчеты показывают, чю переход от потенциала, соответствующего начальному состоянию атома, к потенциалу конечного состояния, лишь незначительно изменяет величины и характер зависимости от угла рассеяния наблюдаемых характеристик.

3. Впервые в рамках метода искаженных волн с обменом исследован процесс резонансной ионизации атома натрия. Полученные результаты показывают, что во всей области энергий налетающего электрона, где существенно отличие Б\УВА от плосковолнового приближения, важную роль играет обменное рассеяние. Учет ориентации возбужденного лазером промежуточного состояния, практически не влияя на сечение возбуждения автоионизационного резонанса, в значительной степени проявляется в угловом распределении эжектируемых электронов.

4. Предложена новая постановка эксперимента по изучению резонансной ионизации электронным ударом приготовленного лазером промежуточного атомного состояния, когда детекторы электронов жестко зафиксированы, а изменяется направление поляризации лазерного пучка. Для таких экспериментов определен набор параметров, крайне чувствительных к квантовым числам возбуждаемых автоионизационных уровней. В будущем, такая чувствительность может помочь в идентификации энергетически близких возбужденных резонансов. Измерение предложенных параметров на эксперименте способно предоставить информацию о роли прямой ионизации в исследуемом процессе.

5. Впервые получены корреляционные функции ( е,2е ) для резонансной ионизации атома натрия из возбужденного лазером состояния 2Р3/2- Проведенные расчеты показали, что корреляционные функции, в отличии от параметров несовпадательного эксперимента, остаются чувствительными к выбору модели для больших значений энергий налетающего электрона. Это делает ( е,2е ) эксперименты наиболее приемлемыми для анализа пригодности различных теоретических подходов.

6. Написана программа, позволяющая получать амплитуды возбуждения автоионизационных состояний при рассеянии электронов промежуточных энергий на атомах щелочных металлов в приближении искаженных волн с обменом.

Проведенные исследования свидетельствуют о перспективности пред-

ложенного варианта оптической модели искаженных волн с обменом для теоретического изучения переходов между двумя короткоживущп-ми уровнями и резонансной ионизации под действием электронного удара. Дальнейшее развитие этого метода связано с уточнением оптических потенциалов, основанном на анализе новых экспериментальных данных. Результаты, полученные в диссертации, позволяют проводить широкое экспериментальное изучение рассеяния электронов промежуточных энергий на возбужденной лазером мишени.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. V.V. Balashov, E.I. Golokhov and A.N. Grum-Grzhimailo, XIX ICPEA Whistler, Canada (1995), Abstrats, p.216.

2. B.B. Балашов, Е.И. Голохов и A.H. Грум-Гржимайло, "Автоионизационные явления в атомах", сборник тезисов Дубна (1995), издательство МГУ (1995), стр.54.

3. В.В. Балашов, Е.И. Голохов я А.Н. Грум-Гржимайло, " Автоионизационные явления в атомах", труды V научного семинара, Москва (1995), издательство МГУ (1996), стр. 152

4. V.V. Balashov, E.I. Golokhov and A.N. Grum-Grzhimailo, Phys.Let A vol.222 (1996), p.Sl

5. E.H. Голохов и A.H. Грум-Гржимайло, Препринт НИИЯФ МГУ, Москва, 1997-12/463.