Расчет оптимальных схем метода селективной ионизации атомов световым и электрическим полем в задачах лазерного разделения изотопов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

'•1?- •

о

со

С.Э

Очі

са

і-и

-Рї-

Шпінарева Ірина Михайлівна

УДК 541.141.7:539.194

РОЗРАХУНОК ОПТИМАЛЬНИХ СХЕМ МЕТОДУ СЕЛЕКТИВНОЇ ІОНІЗАЦІЇ АТОМВ СВІТЛОВИМ ТА ЕЛЕКТРИЧНИМ ПОЛЕМ В ЗАДАЧАХ ЛАЗЕРНОГО ПОДІЛЕННЯ ІЗОТОПТВ .....

01.04.01 -• фізика приладів , елементів і систем

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ОДЕССА-2000

Робота виконана в Одеському гідрометеорологічному інституті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Глушков Олександр Васильович,

Одеський гідрометеорологічний інститут, завідувач кафедри вищоїта прикладної математики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Шевчук Володимир Гаврилович,

Одеський національний університет ім. 1.1.Мечникова ,

професор кафедри загальної та хімічної фізики

доктор технічних наук Шумлянський Ігор Іларіонович,

Одеська державна академія зв’язку, професор кафедри технічної електродинаміки

Провідна установа: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, кафедра загальної фізики та фізики твердого тіла, Міністерство освіти і науки України, м.Київ

Захист відбудеться “ 9.” лютого 2001р. о І годині н;ї засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.052.06 в Одеському державному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка 1, ОДПУ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка,1.

Автореферат розісланий “ ” січня 2001р.

Вчений секретар У/// *.

спеціалізованої вченої ради уМ. стСО.-

ЗАГАЛ ЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема розвитку, удосконалення та пошуку нових оптимальних реалізацій методів нелінійної селективної фотоіонізації атомів та молекул лазерним випромінюванням відноситься до числа вкрай актуальних, складних та далеких від свого остаточного вирішення проблем сучасної квантової електроніки, лазерної, хімічної, ядерної фізики. їх величезна значущість обумовлена унікальною й високою ефективністю потенціального застосування у вирішенні багатьох проблем квантової електроніки, лазерної, ядерної фізики, хімії, відповідних технологій.Лазерні методи характеризуються значно меньшим енерговитрачанням, ніж традиційні, до того ж володіють виключною селективности) й надають можливість безконтактного управління і маніпулювання атомами за допомогою електромагнітних полів. Саме це обумовлює їх надвеличезну перспективність використання у вирішенні проблем розподілу ізотопів, ізомерів, переробки радіоактивних відходів ядерної енергетики та ядерних технологій.

Хоча перші успішні експерименти по лабораторній реалізації лазерного методу (класичні двоступеневі схеми селективної фотоіонізації атомів, фото-дисоціації молекул) поділення ізотопів (В.Летохов і співр., Ін-т Спектроскопії РАН, Росія; Б.Мур і ст івр., Каліфорнійський ун-т, Берклі.США) були проведені відносно давно, й, більш того, у лабораторному масштабі успішно була показана їх принципова реалізуємість та перспективність подальшої промислової реалізації, але, шукані схеми селективної фотоіонізації не мають достатньої зфективності та оптимельності. У цьому світлі, більш перспективними можна вважати схеми селективної фотоіонізації атомів лазерним полем з іонізацією імпульсним електричним полем (в т.ч.,через рідбергіаські стани), автоіонізаці-єю (через вузькі автоіонізаційні резонанси), іонізацією за рахунок зіткнень (асоціативною іонізацією тощо). їх розгляд до цих гіір був проведений переважно лише на якісному рівні. Практично відсутня інформація про основні характеристики зазначених схем, можливості їх оптимальної реалізації. Відсутнє також адекватне розуміння ролі процесій іонізації за рахунок зіткнень. Це обумовлено виключною складністю задач як у технологічному, так і безпосередньо фізичному плані. Можна констатувати гостру необхідність розвитку нових ефективних підходів до розрахунку оптимальних схем селективної фотоіонізації і їх основних характеристик, включаючи високоточний розрахунок елементарних атомнях процесів у зовнішних полях (швидкостей процесів іонізації зіткненнями, автоіонізацїі, характеристик резонансів Штарку, ав-тоіонізаційних резонансів в електричному полі при селективній фотоіонізації).

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які виконані в дисертації, увійшли до планів науково-дослідних робіт НДР (на протязі 1997-2000рр.): проект Державного фонду фундаментальних досліджень №3.4/382 Міністерства освіти і науки України (Міністерства України

у справах науки і технологій; Держкомітету України з питань науки та інтелектуальної власності) «Електродинамічне і квантовохімічне моделювання каталітичних процесів за участю двохатомних молекул на металах та їх сполуках» (розділ «Селективна фотоіонізації і лазерний каталіз»; 1997-2000рр.; № державної реєстрації 0198Ш02193); держбюджетна НДР тема кафедри вищої та прикладної математики ОГМІ “Квантово-механічні методи розрахунку атомн-молекулярних систем у зовнішних електричному і лазерному полях. Нелінійні селективні фотопроцеси в атомах та молекулах” (1997-2000рр.); НДР згідно з грантом Міжнародної Соросівської програми підтримки освіти у галузі точ-них наук ІББЕР: РБи-07 101 (грант Соросівського Аспіранта, 1997; І.М.Ш.)

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка нових, ефективних моделей розрахунку оптимальних схем селективної фотоіонізації атомів світловим та електричним полем з іонізацією імпульсним електричним полем, автоіонізаиією, іонізацією за рахунок зіткнень та їх основних характеристик.

Для досягнення мети були сформульовані такі задачі наукоЕого дослыд-ження:

- розробити новий підхід до розрахунку оптимальних схем процесу селективної фотоіонізації атомів та їх характеристик з іонізацією через високо розташовані (рідбергівські) стани та вузькі антоіонізаційні резонанси;

- розробити новий підхід до розрахунку оптимальних схем процесу селективної фотоіонізації атомів та їх характеристик з іонізацією електричним полем;

- розвинути новий високоточний метод розрахунку штарківських резонансів багатоелектронних атомів та автоіонізаційних резонансів у електричному полі та кількісно з’ясувати їх внесок та роль в основних процесах при багатоступеневій селективній фотоіонізації атомів;

- розвинути новий ефективний підхід до розрахунку процесів іонізації за рахунок зіткнень при багатоступеневій селективній іонізації атомів, їх основних характеристик, включаючи розробку нової схеми розрахунку характеристик процесів зіткнень з використанням формалізму Т матриці зіткнень, апарату теорії збурень та методу псевдопотенціалу для визначення міжатомних потенціалів, перерізів та швидкостей іонізації.

- розробити нову ефективну модель оптимального управління процесами селективної фотоіонізації атомів лазерним випромінюванням з іонізацією імпульсним електричним полем, автоіонізацією та іонізацією за рахунок: зіткнень;

Об'єкт дослідження - процеси селективної фотоіонізації атомів світловим та електричним полем у задачах лазерного поділення ізотопів.

Предмет дослідження - оптимальні схеми методу селективної фотоіонізації світловим та електричним полем з іонізацією імпульсним електричним полем, автоіонізацією (через автоіонізаційні резонанси) та іонізацією зіткнень та їх основні характеристики;

з

Методи дослідження:

- методи теорії оптимального управління для побудови оптимізаційних моделей селективної фотоізнізации атомів лазерним полем з іонізацією електричним полем, автоіонізацією, іонізацією за рахунок зіткнень;

-методы квантової мехакіки й квантової електродинаміки для розрахунку характеристик атомів (^харківських та автоіонізаційних резонансов) в схемах селективної фотоіонізації з іонізацією електричним полем та автоіонізацією;

- методи теорії зіткне іь та розсіюзгння для розрахунку процесів зіткнення при багатоступеневій селективній іонізації атомів, узагальнені версії форміїпізму Т матриці зіткнень, методі» теорії збурень та ефективного псевдопотснціалу для розрахунку процесів іонізації за рахунок зіткнень;

- обчислювальні методи для компьютерного моделювання процесії; селективної іонізації атомів лазерним полем, рішення систем диференцішшх рівнянь (оптимізаційна модель управління, рівняння Шредінгера атома у зовнішньому полі, задача 2-х центрів для квазімолекул тощо).

Наукова новизна отриманих результатів визначається як новизною розроблених моделей та методів, так і областю їх використання. У роботі вперше розроблений новий ефективний підхід до розрахунку оптимальних схем методу селективної фотоіонізації атомів та їх характеристик з іонізацією імпульсним електричним полем, вт.ч.через високо розташовані (рідбергівські) стани ; вузькі автоіонізаційні резонанси. Розвинутий новий зисокоточний метод розрахунку штарківських резонансів та автоіонізаційних резонансів в електричному полі й на його основі розраховані оснозні енергетичні характеристики для конкретних систем у схемах селективної фотоіонізації і запропоновані їх нові оптимальні реалізації. Отримані нові дані для штарківських резонансів, автоіонізаційних резонансів в електричному полі для а томів лужних та рідкоземельних елементів (Осі, Тт). В чисельних розрахунках виявлені і продемонстровані унікальні особливості поведінки автоіонізаційних резонансів (гігантське ширшення) атому Тш (а також для Ссі ) у електричному полі, які рекомендується використовувати у оптимальних схемах фотоіонізації атомів з автоіонізацією. .Зперше запропоновані і чисельно реалізовані нові моделі розрахунку процесів іонізації за раухнок зіткнень (асоціативна іонізація, захоплення електрону) у схемах селективної фотоіонізації, що базуються на формалізмі Т матриці зіткнень, модельної теорії збурень, методу псевдопотен-ціалу. Виконані розрахунки процесів іонізації за рахунок зіткнень збурених атомів (частина даних отримана вперше) дають більш адекватне розуміння внеску процесів іонізації зіткненнями в схемах селективної фотоіонізації. На основі теорії оптимального управління та розробленнях у роботі моделей розрахунку характеристик процесів збудження та іонізації у схемах селективної фотоіонізації вперше чисельно реалізовані оптимізаційиі моделі селективної фотоіонізації лазерним іюлем з іонізацією импульсним електричним полем, автоіонізацією (через вузькі автоіонізаційні резонанси) та іонізацією за рахунок зіткнень, які рекомендовано до реалізації в задачах поділення ізотопів.

Практичне значення одержанні результатів.

Розроблені моделі розрахунку оптимальних схем методу селективної фотоіонізації світловим та електричним полем можуть бути використані для вирішення широкого класу задач квантової електроніки, лазерної, атомної, ядерної та хімічної фізики, хімії та молекулярної біології, а також при вирішенні проблем розділення ізотопів й ядерних ізомерів, переробки: радіоактивних відходів ядерної енергетики та ядерних технологій, селективного фотоіонізаційної візуалізації одиничних атомів, отримання фотоіонних пучків для напівпроводниковьіх технологій. Розробленний комплекс програмно-математичного забезпечення для розрахунку процесів збудження та іонізації у схемах селективної фотоіокізації світловим та електричним полем дозволяє у рамках компьютерного експерименту завбачати і в подальшому реалізовувати параметри оптимальних схем селективної фотоіонізації атомів світовим та електричним полем, інших нелінійних селективных фотопроцесік в атомах, молекулах, біомолекулах, у тому числі, при пошукі, проектуванні к реалізації схем нових нелінійних селеюгивних фотопроцесів. Отримані в работі дані кількісно підтверджують перспективність схем селективної фотоіонізації атомів як з іонізацією електричним толем та за рахунок зіткнень, так і з іонізацією через автоіонізаційні резонанси та рідбергівські стани в слабкому електричному полі (оптимальні реалізації), що слід використовувати при ре-алізіції шуканих методів в конкретних технологічних задачах.

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що становлять основний зміст дисертації, отримані особисто авгором, а саме:

- розробка нового підходу до розрахунку оптимальних схем процесу селективної фотоіонізації атомів та їх характеристик з іонізацією імпульсним електричним полем, через високо розташовані (рідбергівські) стани в електричному полі, з автоіонізацією (через вузькі автоіонізаційні резонанси);

- розробка нового методу розрахунку штарківських резонансів та автоіонізаційних резонансів в електричному полі й обчислення основних характеристик процесів іонізації схемах селективної фотоіонізації атомів (атомів лужних та рідкоземельньїх елементів);

- розвиток нових моделей розрахунку процесів іонізації за рахунок зіткнень при селективній фотоіонізації атомів та їх характеристик (перерізів зіткнення, іонізації, міжатомних потенціалів) на підставі формалізму Т матриці зіткнень, апарату модельної теорії збурень та методу псевдопотенціалу і виконання розрахунку характеристик конкретних процесів іонізації зіткненнями при селективній фотоіонізаціх (асоціатина іонізація тощо) збурених атомів;

- розробка нових ефективних оптимізаційних моделей управління процесом селективної фотоіонізації атомів світловим й електричним полем з іонізацією імпульсним електричним полем, автс іонізацією (через вузькі автоіонізаційні резонанси) й іонізацією зіткненням та іх чисельна реалізація.

Апробація результатів дисертації. Головні результати работе були представлені й обговорювались на таких научних конференціях та школах:

-5lil European Physical Society Workshop “Quantum Systems in Physics and Chemistry” (Uppsala, Sweden, 2000); -32ndEurophysics European Group on Atomic Spectroscopy {EGAS) Conference (Vilnius, Lithuania, 2000); -European Science Foundation REHE School and Workshop on "Spin-Orbit Coupling in Chemical Reactions" (Torjn, Poland, 1998); -29'h Europhysics European Group on Atomic Spectroscopy (EGAS) Conference (Berlin, Germany, 1997); ■ наукових семінарах Одеського гідрометеорологічного інституту й Н/Н фізики Одеського Національного університету ім.І.І.Мечнікова (1998-2000);

Публікації. Головні результати дисертаційної роботи викладені в 11 наукових публікаціях, в тому числі, в 5 статтях у наукозих журналах, 1 препринті і 5 тезах докладів міжнародних наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 120 стор. машинописного тексту, містить у собі 14 рис., 11 таблиць, складається з вступу, чотирьох разділів, висновків, списку використаних джерел (125 найм).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгругтоЕується актуальність, наукова та практична значущість роботи, формулюються мета та задачі дисертації, оикдадаютьгя основні положення та результату, що виносяться на захист,

В першому розділі викладені теоретичні та експериментальні основи методу селективної фотоіонізації атомів (СФА) світловим за електричним полем (ЕП). Проведено аналіз існуючих методів поділення изотопов, експериментального стану проблеми. Розглянуті різні версії лазерних методів. Перші успішні експерименти по 2-,3-стуиеневій СФА лужних, .тужно-земельних, рідкоземельних елементів, ізотопів U та інших, виконані у лабораторіях Летохова та співр., <• Авчо-Еверетт», Ліверморській лабораторії ім. Лоуренсу, Каліфорнійському ун-ті, Берклі.У подальшому подібні експерименти (класіч-на 2-й 3-ступенева СФА) широко не проводилися у зв'язку з иеоншмальністю та неефективністю такого процесу фотоподілешія. За підставу у подальших дослідженнях передбачається (спеціальні програмии ‘Ексон Нуклеар’.’Авко Еверетт’) прийняти схеми 3-ступеиевої СФА із автоіонізацією, Проаналізовані експерименти» малі попередній лабораторний характер і використовували режими опромінення та схеми іонізації, які не придатні для практичної реалізації з тих або інших причин. А саме: безперервний режим опромінення, низька частота повторення лазерних імпульсів, фотоіонізація у континуум з низьким перерізом, збудження з метастабільного стану тощо. Проведені експерименти з вимірювання перерізов із збуджених станів показали, що величина перерізу фотоіонізації (ПФ) <т2 = 10'17™2 на декілька порядків величини менше ніж переріз збудження (ст| «КГп-1(Г13сяі2). Тобто, як 2-,так і 3-ступенева схеми СФА на прямих фотоперехідах з низько розташованих станів

у континуум мають суттєві недоліки дл;і багатьох застосувань - низьким ПФ у порівнянні з перерізом збудження. Це потребовує використання на 2 ступені високоінтенсивних лазерів, що робить подібні методики неефективними.

До важливих критеріїв оптимальнзсті й ефективності схем багатоступеневої СФА відносяться мінімальність вимагасмих густин енергії лазерних імпульсів, максимальність вихіду й селективності іонізації.Оптимальиою є схема, коли при помірних вимогах до параметрів лазерного імпульсу шляхом відповідного підбору тривалостей імпульсів й квантових перехідів вдається отримати максимальний щільно до 100% вихід іонізації.Оптимальність процесу (оптимальним е процес, коли атом коннертується в іон у процесі 2-ступеневої СФА) визначається критеріями: №|,\У2 »1/г|,І2/І] = 2сгі/<х2,де V/](= сг;.І]), \'/2 (= ст2Ь )-швидкості збудження і СФА, ті-час релаксації населеності збудженого рівня; 1) ,Із - інтенсивності збуджуючого й іонізуючого випромінювання; а\ ,аі - перерізи збудження та іонізації атомних рівнів. З точки зору оптимальности й ефективності реалізації процесів СФА, більш переважними уявляються схеми СФА лазерним випромінюванням із автоіонізацією (через автоіоніза-ційні резонанси (АР)), схема СФА із селективним збудженням рідбергівського стану та його іонізації ЕП. Такі схеми потребовують мінімальних густин енергії (Ф|,Ф2.,...<10~5-ИСГ4Дж/ст2) і за умовами правильного вибіру послідовності квантових перехідів й проміжних квантових станів (з перерізами сг],сг2....> 10~15ст2) можливі оптимальні реалізації. Складність розрахунку оптимальних схем СФА пов’язана як з відомими експериментальними труднощами, так й існуючими дуже суттєвими проблемами теоретичного опису процесів у шуканих схемах (оптимізаційні моделі СФА на підставі формалізму матриці густини або швидкістних рівнянь, автоіонізація в атомах, штарківські резонанси у сильних ЕП, рідбергівські стани та АР у ЕП). Далі наведено докладний аналіз схем СФА із іонізацією за рахунок зіткнень (ІЗ), ролі процесів зіткнень різного типу: В збуджених атомів (електронним ударом, асоціативна іонізація, процеси ткпу захоплення й відриву електрону) і ролі процесів, які суттєво погіршують характеристики СФА (резонансна передача енергії між атомами, резонансна перезарядка). Паразитний вплив процесу резонансної передачи енергії між атомами, який ведеть до зниження селективності фотопроцесу, можна виключити при дотриманні умов, якщо його імовірність менше імовірності іонізації: Ж2 = /2<хі /Лм'2) > о>/ут^, де ут-відносна теплова швидкість, N - концентрація атомів,які зштовхуються. Вказано роль процесів радіаційної релаксації збуджених атомів, застрявання атомів на різних підрівнях, когерентних ефектів й когерентного збудження проміжного стану. Адекватне розумінія цих процесів ще досить далеко від задовільного рівня і потребовує розвитку нових високо точних підходів до опису процесів ІЗ при СФА, їх характеристик з подальшим використанням в оптимальних моделях процесів типу СОА з іонізацією типу ІЗ.

Другий розділ присвячений розробці нових, ефективних підходів до високоточного розрахунку динаміки елементарних процесів, нових оптимальних схем мето;,у СФА з автоіонізацією (через збудження та розпад АР) і селективним збудженням рідбергівських станів та їх іонізації ЕП. В роботі розвинуті нсві методи опису процесів авгоіопізації у складник атомних системах, поведінки АР у зовнішньому ЕП, резонансів Штарку (із застосуванням до рідЗергівськнх станів як одному з найбільш перспективних елементів схем СФА з іонізацією імпульсним ЕП).Шукані підходи базуються на використанні методу модельного псеадопотенціаду (ПГІ) (підібраного таким чином, шоб добитися розділення змінних у рівнянні Шредінгеру для атома у ЕП), операторній тсор'.ї збурень (ТЗ) для розрахунку резонансів Штарку, АР у ЕП, перерізів іонізації. Ширина резонансу О пов'язана з уявною частиною енергії стану у нижчому порядку ТЗ як:

Іш Е= аі = я <Ч'і,ь да? з повним гамільтоніаном атому в ЕП Н і функціями зв’язаних станів Чг'а, та станів розсіювання Чг'в- Останні знаходяться як чисельні розв’язки рівняння Шредінгеру для атома в ЕП і будуються на принципах “сііяЮгїесі \vavr наближення. Діагсналішція комплексної енергетичної матриці дає поправки до комплексної енергії І<еДЕ-і(]/2, де Re.dE- штаркінськиіі зсув рівня, С- його ширина.Частина Г<еМ діагоналізусться, а уявна частіша згорт-аєтиж за допомогою матриці власник векторів (отримується при діагоналізації ПеМ). Далі викладено результати розрахунку енергій та ширин резонансів Штарку (значна частина результатів отримана вперше; шукані стани перспективно використовувати у схемах СФА з іонізацією ЕП) для Еі в ріяш-х станах з квантовими числами п=15,т=0,1; (напруженість ЕП: £-2100, 2500 В'єм), які знаходяться у добрій згоді з наявними для декотрих станів дан;:\ и експерименту Клепнера &сп:вр. (Масачусетський технологічний ін-т). З метою оцінки впливу ЕП на високо розташовані стани в атомі Ха був проведений розрахунок зсувів Штарку рідбергівських станів N3: сі станів з п=9,15 (д.алі такі стани будуть використані у схемі СФА з іонізацією ЕП). Розрахунок зсуву етапу 152£> при Е-3 кВ/см дав значення 39,7 сш'1; по даним Клепнера & співр., шуканий зсув 40 їли'1. Розрсхунок зсуву стану <)2й при Е--2 кВ/см лав значення 19,5 сш'!; по даним Летохова & співр., шуканий зсув 20 чіГ!. Більш радікальні ефекти, які обумовлені поведінкою АР у ЕП, мають місце у іяжких атомах. Зокрема,такі ефекти розглянуто для рідкоземельних атомів Ссі, Тт в ЕП. Наявність 2 пар близько розташованих границь іонізації (з станами накансії в 4 і'1"' остові: 4і'7;2'і,4Г<;/2'1) обумовлює 2 типа розпаду АР: традиційний канал Бейтлера- Фано і принципово новий канал ре-орієнтаційного типу (канал Летохова-їванова). Дані розрахунку знергій і ширин стану ґ 17/2б5(3)25з [5/2] (ре-орієнтаційний розпад), і стану ГІ7дбз(3)25рш[5/2] (розпад Бейтлера-Фано)

в ЕП наведені у табл.1. Вже невелике зі величиною ЕП суттєво змінює швидкість розпаду АР. Шуканий ефект запропоновано використовувати як принципово нову можливість оптимізації СФА з автоіонізацією (через АР) для Тгп.

Таблиця. 1.

Ширини й та енергії Е (в ст'1) автоіонізаційних резонансів в атомі Тш для різних напруженостей електричного поля £ (В/ст) (наш розрахунок)

; С & Е Стан-» 4Ґ3,/26з1/2(3)25з[5/2] 4Ґ 37/26з1/2(3)25Рі,2[5/2]

■ Е і £= 0 49854,7 49865,3

; С, ! і о II 1,1770-05 1,2070-01

! в, і £=50 1,1640-04 1,2060-01

; б, і £=100 4,2690-04 1,2030-01

; б, ; £=150 9,3400-04 1,1980-01

Подібний ефект раніше виявлено в Сісі (Летохов-Іванов, Іванов-Глушков) і використано в експерименті з 3-ступеневою схемою СФА (Летохова та співр). Лазер на 1 ступені збудження (5618 А) переводив атоми всі з основного 4/75іі6ї29о? стану у На 2 ступені (6351,7А) атоми

переводилися у стан 4/75(/бз7Л>д. На рис.2 наведена залежність іонного струму (Осі) від довжини хвилі лазера на 3 ступені збудження (6110-6240А). На рис. 1 показано вузький АР в всі на довжині хвилі лазеру 6133,5 см'1. Експериментальне значение шрини С(£=0)=0,07 см'1. Ми розрахували ширину

5110 6133.5

і>,А? г-

Рис. 1. Залежність іонного струму (всі) від довжини хвилі лазера на 3 ступені СФА; в колі та ж сама залежність в околі АР я3 =6133,5 см'1 (ширина спектру лазера 0,03см'1); 01- ширина АР (без ЕП; експеримент Летохова); вЗ-ширина АР (в ЕП; експеримент Летохова); 02-наш розрахунок ширини АР;

цього АГ в достатньо слабкому ЕП (£=100 В/см; значення Е у експерименті Летохова) і отримали 02:=0,29 см'1, що знаходиться у згоді з експериментом: 03=0,34 см'1. Вузькі ЛР мають досить великий час життя і їх перерізи збудження можуть оутт порівняні із перерізами високо розташованих рівнів.Такі довгожииучі АР занадто ефективні для застосування в оптимальних схемах СФА. Розрахунок показав, что ПФ через АР, який індуковано ЕП, збільшене , що веде до оптігмізації самої схеми СФА.

Далі розглянуто задачу моделювання оптимальної схеми СФА з авто-іопізаиією атомів в ЕП. Для кількісної оцінки реалізуємося схеми розвинуто нову модель розрахунку процесу збудження атомів лазерним випромінюванням в рідбергівські стани та імовірності іонізації рідбсргівських атомів ЕП (задача точно розв’язується лише для атому водню Н).Для багатоепектрошіого атому задача дуже суттєво ускладнюється. При використанні лазерів з пере-строюваємою частотою, атом збуджується у стан, з якого іонізується з вихідом ріон..ПФ за рахунок сумісної дії лазерного поля і ЕП є аюн^стгрюн, де то означає переріз збудження з останньої ступені. Вихід іонізації (Зі™ з рідбергівського стану легко робиться різним 1 при відповідному вибірі напруженості ЕП. ПФ визначається перерізом збудження рідбергівського стану (сп-ІСГ12-1(Г15спі2). Авюіонізація Н-подібного атому з нижчих станів кількісно розраховується прийнятно, але поведінка верхніх иітарківських компонент раді калі но відрізняється під поведінки нижчих. Ця різниця складає ->15-20% і сутгсю перевищує помилку експері мгнту! Більш точний розрахунок базується па новому підході, запропонованому нами в роботі. Розрахунок оптимальної схеми СФА базується на цьому ж підході. Імовірність автоіонЬаційпого розладу дається повним потіком імовірності через площину (1- восі г-ЕП):

\У- \ Уг2лгсіг (1)

0

де V- швидкість електрону у напряму 7.. Маючи чисельний розв’язок рівняння Шредінгеру (базис хьильових функцій КР) для а: ому на підстав1 нашого нового методу (див. вище), далі можна розрахувати швидкість авто'.он;заційного розпаду. При СФА рідбергівських атомів імпульсним ЕП імовірність розпаду стану Тп!т дається формулою: [зображення {Ч/Піп2т }діагоналізує матрицю оператору збурення V=Е'і]\ IV{піт) = У )'П/(и'п2т),де \¥(п!п2т)- імовірності (1).

На відміну від водню у складному аюмі треба враховувати ваше електронних обслонек, який веде до зміни потенціального бар'єру і хвильових функцій. Для досягнення оптимальності процесу, ЕП слідуег включати за час малий у порівнянні з часом радіаційного розпаду. На рис.2 наведені дані нашого розрахунку залежності швидкості іонізації високозбудженого атому від напруженості ЕП (п=10-16;т=0). Наявні в литературі оцінки шуканої залежності у Н-подібній моделі дають похибку ~5-15%. Для станів з с п > 10 швидкість іонізації перевищує швидкість радіаційного розпаду при Е< 5-ю4 В/см.

Уі, с ‘

Рис.2. Залежність швидкості іонізації високозбудженого атома від напруженості ЕП для станів з п=10-16, т—3,п2=п-1: розрахунок на підставі наших моделей(______); пунісгирна лінія показує швидкість радіаційного розпаду.

см'1

Рис.З. Залежність критичної напруженості ЕП від числа п (КаДЬ):»»»- зксп,;

1-класична оцінка; 2-Н-подібне наближення ;--- наш розрахунок;

На рис.З приведено залежність критичної напруженості ЕП від ефективного квантового числа п для атомів На, ЯЬ. Експериментальні результати відрізняються від теоретичних оцінок у всднє-подібному наближенні (-15-20%) і суттєво перевищують похибку експерименту. Схема СФА з використанням вузьких АР, при мінімальних вимогах до енергетики лазерних імпульсів забезпечує одночасно 100% вихід фотоіонізації, високу селективність процесу

і особливо ефективна у випадку атомів, які мають у спектрі вузькі АР (рідко-земельні атоми, и). Для лужних елементів ця схема не є ефективною. Для них в роботі розроблена модель розрахунку схеми СФА із збудженням у АР та іонізацією ЕП. Розглянемо атоми Ка. Параметри відповідали експерименту Летохова та співр. ( пари N3 при 450К; 1 рівень - збудження Ка у стан Зр2р]/2 і

п

2- СФА: переріз збудження ст, =]0~ист2, ПФ із збудженого стану сг = КГ17ст2, ПФ з основ-ного стан> иг ~Ю",9си2). Ми розрахували параметри схеми СФА із збуджен-ням у рід5ергівські Б та О стани (п=12-18) та іонізацією ЕП (£=*10 кВ/см). Для переходу з2р!/2-]5гГ)3,,2 переріз збудження- наїл розрахунок <т3 =0,76-10'14ст2 , екстеримент:стг = 0,7-10_ист2, ТООТО В~ 10^-6ІЛЬЦ. НІЖ ПФ З основного стану , в ~'Ю4-ПФ із низько розташованого збудженого стану. Стан з п=10 розпадається за час життя атому, згідно з нашим розрахунком, у ЕП з Е~28 кВ/см, тобто меипгою у порівнянні з наявними в літературі оцінками критичної напруженості. Наш розрахунохПФ: <г, =0,б3-!0“12ст2.Схема СФА з використанням рідбергівських станів й АР є оптимальною з точки зору енергетики. Імпульсне ЕП забезпечує швидку іонізацію, але внаслідок застрявання на проміжних рівнях вихід іонізації атомів є < і 00%. Порівняння схем СФА показує, що із 2 схем з іонізацією ЕП й іонізацією через АР оптимальніше є друга. Остаточний вибір схеми СФА у технологічному застосуванні повинен враховувати розв’язок задачи оптимального управління (розділ 4).

У третьому розділі докладно розглянуті процеси ІЗ у схемах СФА. Запропоновано новий, еисокоточний підхід до розрахунку характеристик процесів іонізації за ра>.унок зіткнеш, у схемах СФА, який базується на використанні формалізму Т матриці зіткнень, нових версій модельної Ті і методу ПП. Суттєво викоркстуєгься квазімолекулярна концепція в задачах повільних зіткнень. Нові моделі скористуються у розрахунках конкретних процесів ІЗ в схемах СФА і далі у моделюванні оптимальних схем СФА з ІЗ. Розглянуті процеси: асоціатизної іонізації А* + В АВ* +с .захоплення електрону

А +8 -> (Л + е) + В" А' +£ї+.Адекватне дослідження останні:: у схемах СФА за теперишнього часу ще досить далеко від задовільного рівня і вимагає подальшого докладного вивчення.У схемі розрахунку процесів зіткнень у формалізмі Т матриці зіткнень повний переріз процесу визначається як::

^да(Е) = 2/.7Е^І[?’а,<ЛМ(£)і2,

ІА

де статистична вага стану (спін Б); амплітуда ї разраховується із системи рівнянь для Т-матриці, в якій матричні елементи зображаються у вигляді доданків, обумовлених як взаємодією з іонним остовом,так й взаємодією збуджених (рідбергівських) станів з континуумом. Усі матричні елементи розраховуються у жорсткому адіабатичному базисі. Для його побудови викоркстуєгься апарг.т ТЗ з модельним нульовим наближенням. Вказана схема вперше підключена до класу задач розрахунку зіткнень з акцептом на задачи ІЗ у процесах СФА. Базис визначався базисом власних функцій задачи

2 центрів квантової механіки з ПП (типу Гелмана) для дискретного та континууму. Розраховані енергетичні сталі дімерів лужних елементів (Иа, Rb.Cs), зокрема, рідбергівських станів (п>4) Л'а?. їх врахування є дуже важливим у розрахунках процесів ІЗ. Для процесу Сі(82/’,/2) + Сз(6251/2)->&2+

експериментальне значення (Вільямс-Н.ійдиц) перерізу (після усереднення по максвелівському розподілу): <7ехр=0,33:Н),09Л2 .Швидкість іонізації в станах 9~р-\і~г при ІЗ з атомами у основюму стані:<(гіу>=(4-7)-Ю",іст3с'І.Наш розрахунок у Т-схемі: сг[е.р=0,2ЕЛ2 (без континуума),сткор 0,48 А2 (з врахуванням континуума).Швидкість іонізації:<а,у>=8,2-10_ист3с_1.Для процесу

2 > — ЛаСЗ а^і / 3) —> Лаз” +е ПерерІЗ: сТ1£ор = 0,32 А2 , < аг\ >= 5,1 • 10‘" сп?с~Х. Аналіз показав, що шукані механізми мають вагоме значення у процессах СФА ІЗ. Подібний розрахунок асоціативної іонізації лужно-земельних атомів (Бг, Са), зокрема, процесу 5г(5м/) + 5г(5і2)-»5'л2+ +г вказав на суттєвий внесок виникаючих у процесі СФА електронів у ІЗ збуджених атомів (гіпотеза Вордена-Пайзнера-Конвея).По нашим даним: сг((0р =0,31 А2 ,< сг,у >= 4,5-Ю~ІІст3с~І. При густинах атомів~юп -іо13сст'3(такі густини є типовими для процесів СФА) ІЗ грає значну роль.Розрахунок процесу С^(4іл/) + Со(4л2)->Са2+ + е (сг,^ =0,22 Л2) вказує на такий ж саме механізм. Процес захоплення електрону ;і енергетичної точки зору є можливим за умовою: Е(Л*) + Фа > Е,(Д+), Е( А*)- енергія збудження атому, фА-енергія спорідненості до електрону,Е;(В+)-потенціал іонізації атому В. Важливий приклад - зіткнення повільних атомів кисню О у високо збуджених станах. При низьких енергіях частинок, які зштовхуються, максимальний переріз шуканого процесу залежить від перерізу захоплення атому іншим атомом. Останнє обумовлюється потенціалом притягання частинок, які зштовхуються. Для потенціала типу Ван-дер-Ваальса шуканий переріз захоплення с:а. = 3/г/2(2С/Екіп)1'2, де ЕЬп-енергія руху атомів,С-стала Ван-дер-Ваальсу. В роботі розвинута новая модель розрахунку характеристик ІЗ (захоплення електрону) в схемі СФА, яка базується на ПП підході до розрахунку міжатомних потенціалів частинок, які зштовхуються. Виконано розрахунок міжатомних потенціалів систем “атом інертного газу-атом галогену^ і характеристик ІЗ збуджених атомів О. В табл. 2 приведені дані про параметри сферично-симетрічного потенціалу взаємодії систем: “Не.О-СО”: наш розрахунок і дані експерименту (для Не-СО). Механізм типу захоплення електрону розглядався для процесу : о' +С0-*0~ + СО*.

Таблиця 2.

Параметри сферично-симетрічного потенціалу взаємодії систем: “Не ,0-С0”

Атом Пара- Н;('5) 0(5£) і

Мол. метри Зксп. Наст. Зксп. Наст. 1

СО Е, теУ 2,2±0,3 2,6 - 6,4 1

Я, А 3,8±0,4 4,05 : 4,2 ]

Цей процес є енергетично можливим, так як різниця знергій Е(0*), Еі(О) компенсується великою спорідненості© до електрону атому 0:1,4бзВ. Розрахунок перерізу у Т-схемі з ван-дер-ваальсівським потенціалом (після усереднення по максвелівському розподілу) дав значення:^ = 3,6-1СГ!4an*. Аналіз показав, що внесок шуканого процесу ІЗ у схемі СФА є кількісно важливим,

У четвертому розділі викладено новий підхід до розрахунку оптимальних схем методу СФА з іонізацією ЕП, через АР та ІЗ на підставі теорії оптимального управління і моделей оптимальних лазерних діянь. Елемг-'т новизни полягає у побудові впчрше оптимізаційних моделей СФА з вказаними сценаріями іонізації. При моделюванні використані дані,які отримані у розділах 2 і 3. Відома модель Красно&а-ИІапарева-Шкедова (КШШ) класичної 2-ступеневої СФА узагальнена на випадок схем СФА з іонізацією ЕП, АР і ІЗ. Розв’язаная задачи оптимального управління для СФА базується на моделі балансних співвідношень (рівнянь для матриці густини).Розглянемо одне із можливих формулювань задачи. Саме, задача формулюється як вимагання визначити оптимальну форму лазе])ного імпульсу резонансного випромінювання, яка забез печує max іонізованих частинок в процесах СФА з іонізацією ЕП,АР,ІЗ. Задача оптимального управління з врахуванням спонтанної релаксації мас вигляд:

г/ _

J ~ - j R(;)x2c1t —> min; скі I dr = x, - u(x, - x2), x, (0) = 1; (2)

o '

dx2 / dr ~ + l]x, + i7(x, - x2), x2 (0) = 0;

dxi I dr - й,х3(0) = 0,.t}(iY) - E/\ 0 S r < r,, ii(t) > 0;

де X|,Xj- нормовані населеності основного й збудженого станів; її = и/у ,R-~ = R'/у -безрозмірні швидкості індуцірованих процесів спускання (поглинення) резонансного випромінювання й іонізації; у-імовірність спонтанного розпаду: u(t)= аі2І{(t)Jhm2l,R'(t) •■= сгфІ2{()/Ьтф-швидкості індукованих лерехідів 1-2

й фотоіонізації; т2і, -частоти випромінювання -1-2 й -фотоіонізації; сг12,стф-перерізи поглинення на переході 1-2 й іонізації;т=Чу-безрозмірний час; /і,/^інтенсивності імпульсів збудження й іонізації; £|-, Ту-енергія,тривалість

імпульсу резонансного випромінювання. Перехід до похідної задачі: здійснюється за допомогою формул:.?, = j:,+.x2i,s2 =(х,-хг)ехр(2л)(нова управляюча функція >ф)=ехр(~2д:3).Гамильтокіан і рівняння для спряжених змінних А,:Л2:

Я = (і, -s2w)[-«(r)/2-A, +{Л(г)/2 + 1}Д2/И (3)

dlx /dr = Л(г)Д, - (Л(т)/2 +1 )Я2 іw, 1, (rf) = -1, dX2 / dr = ~'4R(г)А, - (R(t)/2 +1 )Л21 vi'], X2 (rf) = 0,

Формальний вираз для оптимального управління має вигляд: t,0(r) + M4U1'€iy,r,Jlp<I ^

И(Г) =

£,£(г) + м'(г),гє[0,г,]|/><1

0,.........re[rt,iy]),p<l

yEfS(t),....rsflU^lp*!

з параметром типу КШШ:

р = exp(-2Ef ){1 + 2/R0 + Y}/(1 + 2/Rq){1-Y}, Y = exp[-(R0 “ От,-] (5)

У випадку СФА з іонізацією ЕП ( через АР) замість R підставляються значення величини: R-»W/y, де W-швидкість іонізації атомів импульсним ЕГІ (див. (1)); з іонізацією за сценарієм ІЗ: R-»S/y , S- швидкість ІЗ (розділ 3). В практичній реалізації СФА-ІЗ, як правило, мішанина буферного й поділяємого газів (ізотопів; температура Т, концентрація частинок п) рухається упоперек зони електричного розряду, що опромінюється електромагнітним полем, яке є резонансним до одного з ізотопів. Час іонізації відповідає часу прольоту атому через зону: /y=L/v (L-розмір; у-швидкість).Якщо випромінювання насичує резонансний перехід і має місце ІЗ,тоді умова іонізації резонансної компоненти: l/nS’(T)>l/v=r, (S’-коефіцієнт ІЗ).Типові значення параметрів: L=1cm, v= 104

см/'с,п=(10п -1013) cm-3.Можна провести заміни: R-»S’n/y,Ej - anwQ /vdScr21, ■c-^yz/v. Значення параметрів:8’п=104ІГ1,у=10‘!с'І)//= 4-Ю"4с, Ej = 2,5; Розглянемо схем СФА атомов Rb: на 1 ступені використуєтьсл випромінювання лазера з довжиною хвилі 7950А (збудження у стан Ьр2¥\п), СФА лазерним імпульсом (знергія 2,62 еВ). Для парів Rb при 100°С (тиск 10-4торр) доп-лерівська ширина Дш0 = 4-Ю9с"1, переріз збудження о\ =10_1 'em'1, ПФ із збудженого стану aj = 1(ГІ8ст2, час радіаційного розпаду 5p2Pj/2 *\ = 2,6-10-8с.Пр:;і СФА із збудженням у рідбергівські S.D стани з=12-18 і СФА EQ (~30 кВ/см) розрахунок дає: перехід 52Py2-\62D3i2 переріз збудженняст2= =0,88-ю_І4ст2, тобто в ю5 більше ПФ з основного стану й ю4-СФ із збудженого стану. Для схеми СФА Rb густина енергії для насичення резонансного поглинення = 1,2-10"8 Дж/с«2,фоТОІОНІЗуЮЧОГО перехіду Ф^ЙЕГ2 =0,42 ДжІаи‘. Параметр (5) залежить складним чином від усіх фізичних параметрів задачи оптимального управління (2-4): швидкостей релаксації, фотозбудження, СФА, енергетики й тривалості лазерного мпульсу, імпульсу ЕП, Ери помірних вимогах до параметрів імпульсу, шляхом підбору тривалосте» імпульсів й переходів удається добитися max вкходу іонізації. Це припусає достатньо малий час діяння Y~l. Оптимальною буде схема у випадку, якщо атом

ХіА. у

Т ?, 3. 4^

Рис. 4. Результати чисельного моделювання СФА (КЬ) з іонізацією імпульсним ЕП: 5+пунктар -оптимальна форма імпульсу; лініі 1 й 2 описують поведінку населеностей основного й збудженого станів.

збуджується до стану, який має імовірність розпаду у ЕП (автоіонізаційного розпаду) більшу ніж імовірність радіаційного розпаду (розділ 2). На рис.4 приведені результати чисельного моделювання оптимальної форми імпульсу в задачі СФА-ЕП, населеностей основного, збудженого станів ИЬ. Для рідбергівського рівня з меншим п ПФ через індукований ЕГІ АР збільшується при використанні більшої напруженості ЕП. У цьому випадку 0-імпульс забезпечує максимально можливий рівень збудження верхнього стану і далі паразитні пронеси типу спонтанної релаксації та відповідні процеси зітк- нень замалий час не можуть суттєво змінити ступінь досягнутого збудження. Якщо імпульс ЕП включається післе закінчення лазерного імпульсу, це забезпечує високий ступінь іонізації (100% іонізація має місце тільки з останнього високозбуджсного стану). При р<1 мова йде про великі значення заданої енергії імпульсу резонансного випромінювання »1 й не надто малої тривалості імпульсу (Яіу > 1,г;- ~ 1) іонізуючого випромінювання. Оптимальний режим лазерного діяння містить у кінці пасивну ділянку управління (раніше завбачену у моделі КШШ для класичної СФА). У нашому випадку, ії поява зв’язана з кінцевою швидкістю іонізації та наступною звідси неефективністю внеску енергії у резонансний канат у кінці оптимпуємого процесу. Розосередження частини енергії в інтервалі часу веде де зменшення негативного значення обернених, вимушених, зпонтаних процесів, зменшення зрівнювання населеностей усіх рівнів. Подібні висновки одержані і для схемі; СФА з іонізацією ІЗ (пари ЯЬ).Моделювання СФА з іонізацією через вузькі АР (Осі) показало, що, коли розпад кінцевого стану відбувається у перебіг)' лазерних імпульсів, досягається 100% вихід іонізації (сама оптимальна схема).

ВИСНОВКИ

1. Вперше розроблена нова ефективна модель розрахунку оптимальних схем методу селективної фотоіонізації атомів та їх характеристик з іонізацією імпульсним електричним полем, у тому числі, іонізацією через високо розташовані (рідбергівські) стани, яка базується на новому високоточному методі розрахунку штарківськю; резонансів складних атомів та автоіонізаційних резонансів в електричному полі і моделі оптимального управління процесом іонізації світовим та електричним полем.

2. Одержані нові дані для штарківських резонансів, автоіонізаційних резонансів в электричному полі для атомів лужних елементів (Ыа, КЬ) і рідкоземельних атомів (Осі, Тш). На підставі чисельних розрахунків одержано теоретичну залежність критичної напруженості електричного поля від ефективного головного квантового числа для лужних атомів (існуючі наближення типу водне-подібного не дають корректішй опис), яка знаходиться у добрій згоді з експериментальними даними. Розраховані енергетичні характеристики для конкретних систем у відповідних схемах селективної фотоіонізації. Виконано чисельне моделювання оптимальних, схем селективної іонізації атомів (КЬ, Ыа) світловим і електричним полем.

3. Вперше розроблена нова, кількісно ефективна модель ррозрахунку оптимальної схеми методу селективної фотоіонізації атомів ії їх характеристик з автоіонізацією через вузькі автоіонізаційні резонанси. СхемЕ: ефективно працює для важких атомів з вузькими автоіонізаційними резонансами у спектрі, забезпечуючи практично 100% вихід іонізації. В чисельних розрахунках знайдено та розраховано ефект гігантського ширшання автоіонізаційних резонансів атому Тш (також для вії) у відносно слабкому електричному полі. Рекомендовано використувати шукані автоіонізаційні резонанси у оптимальних схемах поділення відповідних ізотопів.

4. Вперше запропоновано та чисельно реалізовано нову модель розрахунку іонізаційних процесів за рахунок зіткнень у схемах селективної фотоіонізації (з асоціативною іонізацією). Модель використовує новий підхід до розрахунку квазімолекул, який базується на використанні формализму Т~ матриці зіткнень, модельній теорії збурень. Розраховані характеристики (енергіі рідбергівських станів, перізів процесів) асоціативної іонізації для атомів ^Сэ.Са.Бг і кількісно показано суттєвий внесок цього механізму в процес селективної фотоіонізації атомів лазерним випромінюванням.

5. Запропоновано і чисельно реалізовано нову модель розрахунку процесів іонізації зіткненнями (механізм захоплення електро-ну) в межах нової версії методу псевдопотенціалу до розрахунку міжатомних потенціалів й Т-схеми розрахунку перерізів процесів. Розраховані потенціали взаємодії у ван-дер-ваальсових системах (о' + со), “інертний газ- галоген’ і відповідні характеристики (перерізи) процесів іонізації. Кількісно показано внесок процесу типу захоплення електрона в схемі селективної фотоіонізації.

б. На підставі теорії оптимального керування та розроблених у роботі моделей розрахунку характеристик елементарних процесів фотозбудження, іонізації, автоіонізації у схемах селективної фотоіонізації атоміз вперше чисельно реалізопані оптимізаційні моделі селективної фотоіонізації лазерним полем з іонізацією імпульсним електричним полем (включаючи селективне зюудження рідбергівських рівнів та ії розпад у електричному полі), автоіонізацісю (через вузькі автоіонізаційні резонанси) га іонізацією за рахунок зіткнень. Вказано рекомендації щодо параметрів оптимальних схем в технологічних реалізаціях процесів поділення ізотопів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Glushkov A.V.,Malinovskaya S.V.,Ambrosov S.V., Shpinareva I.M. , Troits-kaya O.V. Resonances in Quantum Systems in Strong External Fields: Consistent Quantum Approach// J. of Technical Physics.-1997.-Vol.38,N2,-P.215-219.

2. Glushkov A.V., Ambrosov S.V.,Borik S.A., Shpinareva I.M., Antonenko T.N. Resonances in Quantum Systems in Strong External Fields: Nonlinear Effects. Autoionization Resonances in Tm//J.of Technical Physics.-1997.-Vol.38, N2.-P.211-214.

3. Глушков A.B., Ефимов B.A., Гопченко Е.Д., Буяджи Т.В., Амбросов С.В., Шгшнарева И.М. Расчет спектроскопических характеристик аан-дер-ваальсовых молекул. Атом инертного газа- атом галогена в основном состоянии// Оптика и Спектроскопия. -1998.- Т.84,N4.-С.567-570.

4. Глушков А.В., Ефимов В.А., Гопченко Е.Д., Даньков С.В.. Полищук В.Н., Шпннарева И.М, Расчет димеров щелочных элементов на основе модельной теории возмущений// Изв.вузов. Сер.Физика,- 1998.- N5.-C. 106-113.

5. Малиновская С.В., Полевой А.Н., Кивганов А.Ф., Ефимов В.А..Сербов If.Г., Дроздов А.И., Шпинарева И.М. Расчет энергии связи в отрицательных ионах щелочно-земельных элементов// Изв.вузов. Сер.Физика,- 1998.- N10,-С.63-67.

6. Шпіиарева I.M. Селективна фотоіонізація атомів світловим і електричним полем: оптимальні константи елементарних процесів і схем: Препр./ МОНУ. НДІ фізики Одеського держуніверситету ім.І.І.Мечникова; Ph-L-3-ОО.-Одесса: 2000.- 8с.

7. Shpinareva I.M. Hew Quantum Mechanical Method to Calculation of

Autoionization Resonances in Heavy Atoms in Electric Field: Gd,Tm. Optimal Schemes of Selective Ionization of Atoms by Electric and Laser field// Proc.5th European Workshop “Quantum Systems in Physics and Chemistry”.- Uppsala (Sweden).-2000.-P. 131. ’

8. Shpinareva I.M. A Nsw Method of Calculation of Coliisional Electron Capture in Selective Ionization Schemes. Pseudopotential approach to Van-der-Waalse Potentials// Proc. 5th European Workshop "Quantum Systems in Physics and Chemistry”.-Uppsala (Sweden).- 2000.-P. 133.

9. Ambrosov S.V., Shpinareva I.M. Selective Ionization of Atoms by Electric and Light Field. Autoionization Rydberg Resonances in Heavy Atoms. Optimal Isotope-Separation Selective Molecular Vibration Levels Excitation Schemes// Proc. 32nd Europhys. Conference European Group on Atomic Spectroscopy (EGAS).-Vilnius (Lithuania).- 2000.- P. 197. lO.Shpinareva I.M. Effective T-matrix Approach to Calculation cf Collisional Ionization Cross-sections for Processes of Associative Ionization// Proc. of European Science Foundation REHE School and Workshop on "Spin-Orbit Coupling in Chemical Reactions”.- Torun (Poland).-1998.-P. 16.

11.Glushkov A.V., Shpinareva I.M. Optimal Governing by Selective Ionization of Atoms in Electric and Laser field: SOC Effects and Resonances in Spectra// Proc. of European Science Foundation REHE School and Workshop on "Spin-Orbit Coupling in Chemical Reactions".- Torun (Poland).-1998.-P.17.

АНОТАЦІЇ

Шпінарева I.M. Розрахунок оптимальних схем методу селективної іонізації атомів світловим та електричним полем в задачах лазерного поділення ізотопів,- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю Э1.04.01— фізика приладів, злементів і систем.-Одеський державний політехнічний університет Міністерства освіти з науки України, Одеса, 2000.

Дисертация присвячена розробці вового підхода до розрахунку оптималь них схем методу селективної фотоіонізації атомів та їх характеристик з іоніза цією імпульсним електричним полем (скрізь рідбергівські стани) та автоіоні-зацією (автоіонізаційні резонанси). Ка підставі нового методу розрахунку штарківських і автоіонізацІйних резонансів в полі одержані нові дані для резонансів у лужних та рідкоземельних атомах та розраховані характеристики конкретних схем селективної фотоіонізації. Вперше розвинуті нові моделі розрахунку у схемах селективної фотоіонізації процесів іонізації за рахунок зіткнень, які базуються на формализм і Т матриці зіткнень, модельній теорії збурень, методу псевдопотенціалу (схеми із асоціативною іонізацією тощо). Вперше чисельно реалізовані оптиміззційні моделі селективної фотоіонізації

з іонізацією електричним полем, за рахунок зіткнень та автоіонізацією.

Ключові слова: лазерна фотоіонізація атомів, штарківські та автоіонізаційні резонанси, іонізація зіткненням, оптимальне керування.

Shpinareva I.M. Calculation of optimal schemes for method of selective ionization of atoms by light and electric field in tasks of laser division of isotopes.-Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 01.04.01 - physics of devices, elements and systems.- Odessa State Polytechnic University of Ministry of education and science of Ukraine, Odessa.,2000.

Dissertation is devoted to carrying out a new approach to calcjhtion of the optimal schemes for c. method of selective photoionization of atoms and their characteristics with ionization by pulsed electric field (Rydberg, states) and autoionization (autoionization resonances). It has been developed new highly exact approach to calculation of Stark and autoicnization resonances in a field for multielectron atoms. New data for resonances in alkali and rare-earth atoms are obtained and characteristics of concrete selective photoionization schemes are ca'cu.ated, At first new models for calculation ofcollisional ionization processes schemes (associa tive ionization etc), based on T matrix collision formalism, model perturbation theory, pseudopotential method, in selective photoionization are developed. At first optimized models for selective photoionization with ionization by electric field, autoionization and coll sioiiai one are numerally realized.

Key words: laser photoionization of atoms, Stark and autoionization resonances, collisional ionization , optimal governing.

Шшшарева H.M, Расчет оптимальных схем метода селективной ионизации атомов езеговым и электрическим полем в задачах лазерного разделения изотопов.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидат? физикоматематических наук по специальности 01.04.01-физика приборов, элементов и систем,- Одесский государственный политехнический университет Министерства образования и науки Украины, Одесса, 2000.

Диссертация посвящена разработке нового эффективного подхода к расчету оптимальны): схем метода селективной фотоионизации атомов и их характеристик с ионизацией импульсным электрическим полем, ионизацией через высоко лежащие (ридберговские) состояния и узкие автоион.изационные резонансы, столкновительной ионизацией (в том числе, через ассоцнативнук ионизацию). Развит новый высокоточный метод расчета резонансов Штарка i автоионизациоклых резонансов в электрическом попе на основе численноп решении уравнения Шредингера для многоэлектронного атома з постоянно? электрическом поле. Ш его основе рассчитаны основные энергетически характеристики для конкретных атомных систем в схемах селективно: фотоионизации атомов световым и электрическим полем. Получены позы данные по энергиям и ширинам штаркоьских резонансов и азтэионнзацион-ных резонансов в поле для атомов щелочных элементов (Na, Rb) и тяжелых редкоземельных элементов (Gd, Tm). На основе численного расчет получена теоретическая зависимость критической напряженности электрического поля от эффективного главного квантового числа для щелочных атомов (существующие приближения типа водородоподобного не дают корректного описания), хорошо согласующаяся с имеющимися экспериментальными данными. Выявлены и изучены уникальные особенности поведения автоионизационных резонансов (гигантское уширение резонансов ре-ориен-тационного типа) атома Тш (также для атома Gd ) в электрическом поле.

Даны рекомендации по использованию рассмотренных узких автоиони-зационных резонансов в оптимальны): схемах селективной фотоионизации атомов лазерным излучением с автоионизацией через искомые резонансы..

Разработан новый эффективный подход к расчету столкновительно-ионизационных процессов в схемах многоступенчатой селективной фотоионизации атомов, базирующийся на формализме Т матрицы столкновений, новых версиях модельной теории возмущений для расчета двухатомных систем (схема с ассоциативной ионизацией) и метода эффективного псевдопотенциала для расчета квазимопекулярных термов квазимолекул, ван-дер-ваальсовых систем (сценарий типа захвата электрона). Рассчитаны характеристики ассоциативной ионизации для атомов №, Сб, Са, Б г и показан существенный вклад искомого механизма в процесс селективной фотоионизации атомов. Выполнен расчет потенциалов взаимодействия в системах (О* + СО), атом инертного газа - атом галогена и соответствующих столкновительных характеристик (сечений, скоростей). Проанализирован, вклад сценария типа захвата электрона в процесс селективной фогоионизации атомов со столкновительной ионизацией. Искомые расчеты дают более адекватное понимание вклада столкновительно-ионизационных процессов в схемах селективной фотоионизации лазерным излучением.

На основе теории оптимального управления и разработанных в работе моделей расчета характеристик элементарных атомных процессов в схемах селективной фотоионизации впервые численно реализованы оптимизационные модели фотоионизации лазерным излучением с ионизацией импульсным электрическим полем, автоионизацией, столкновительной ионизацией. Разработанный комплекс программно-математического обеспечения для расчета характеристик элементарных атомных процессов и параметров оптимальности в схемах селективной фотоионизации световым и электрическим полем позволяет в рамках компьютерного эксперимента предсказывать и в дальнейшем реализовывать характеристики селективной фотоионизации атомов и других нелинейных селективных фотопроцессов. Полученные в работе данные количественно подтверждают перспективность схем селективной фотоионизации с ионизацией импульсным электрическим полем (через Ридберговские состояния), автоионизацией и столкновительной ионизацией и указывают численные значения параметров оптимальных схем, которые следует использовать при реализации искомых схем в конкретных технологических задачах, а именно: задачах разделения радиоактивных изотопов и ядерных изомеров, селеетивного детектирозания и фотоиони-зационной визуализации атомов, переработки радиоактивных отходов ядерной энергетики и ядерных технологий.

Ключевые слова: лазерная фотоионизация атомов, штарковские и автоионизационные резонансы, столкновительная ионизация, оптимальное управление.