Введение к работе
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, e'f) 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 год 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 4~S атома натрия. В рамках метода искаженных волн с обменом получены дифференциальные сечения 32Р —> 425 рассеяния. Для обратного 425 —+ 32Р перехода определен набор независимых ориентапионных параметров, полностью характеризующий этот процесс. Разработан способ извлечения введенных параметров из результатов эксперимента по неупругому 32Р —* 425 рассеянию. Впервые проведены расчеты ориентапионных параметров 425 —* 32Р 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 ориентацпонные 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.
