Содержание к диссертации
Стр,
Введение _4-
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ШШЕГИКИ РАСПАДА ВОЗБУЖДШНЫХ
СОСТОЯНИИ АТОМОВ МЕТОДОМ КВАНТОВЫХ БИЕНИЙ 12
1. Проявление интерференции невырожденных
атомных состояний (эффект квантовых
биений) в излучении возбужденных атомов 12 2. Реализация экспериментов по квантовым
биениям 20
3.. Основная информация, извлекаемая из
анализа сигналов квантовых биений 25
ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДНЯ ИЗМЕРЕНИИ
СИГНАЛОВ КВАНТОВЫХ БИЕНИЙ НА ОСНОВЕ СЧЕТА
ФОТОНОВ С ВРМЕННОЙ РАЗВЕРТКОЙ 29
1. Блок-схема установки 29
2. Электронная пушка 32
3. Вакуумная система 35
4. Оптическая часть установки 41
5. Электронная часть установки 41
6. Магнитное поле 49
7. Методы обработки измеренных сигналов
квантовых биений 50
8. Калибровка экспериментальной
установки 53
ГЛАВА Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ КОГЕРЕНТНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПО
СИГНАЛАМ КВАНТОВЫХ БИЕНИЙ 70
1. Исследование когерентных явлений в
3.
кинетике распада синглетных состоянии
ч {
Неї на примере уровня h Dz 70
2. Пространственно-когерентные эффекты
на уровнях с тонкой структурой 82
3. Исследование уровней с тонкой структурой
п В ( п - 3-6) Неї по сигналам
квантовых биений в нулевом поле 93
4. Изучение зависимости степени когерент
ности интерферирующих уровней тонкой
структуры от энергии возбуждающих
электронов 103
5. Обсуждение результатов и выводы
по главе 105
ГЛАВА ІУ. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ОПРВДЖЕНИЮ АТОМНЫХ
КОНСТАНТ МЕТОДОМ КВАНТОШХ БИЕНИЙ 112
1. Исследование столкновительного разрушения выстраивания и населенности со-
стоянии гелия 112
2. Сигналы квантовых биений на тонкой
структуре в присутствии магнитного
поля 125
3. Определение Q. -факторов состояний
Л D/25 ( П = 3-5) гелия 136
4. Исследование положений пересечений
магнитных подуровней 140
Заключение 145
ПРИЛОЖЕНИЯ 151
ЛИТЕРАТУРА 163
4.
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время широко изучается проблема природы когерентных эффектов /1,2/. Она затрагивает вопросы экспериментального исследования ряда положений квантовой механики на основе когерентных состояний. Эти исследования ведутся в самых различных областях физики.
В оптических методах исследования атомных систем когерентные состояния проявляются, например, в таких нелинейных эффектах, как самоиндуцированная прозрачность, фотонное эхо, нутационный эффект и т.д., а также в эффектах интерференции квантовых состояний. Изучение ансамбля атомов, возбужденных в когерентную суперпозицию состояний импульсом длительности много меньшей характерного времени релаксационных процессов, несет важную информацию о комплексе параметров, характеризующих такую систему: об анизотропии^излучателя, определяемой поляризационными характеристиками/интенсивности излучения; S об энергетических"ийтервалах между интерферирующими квантовыми уровнями, определяющих частоты осцилляции интенсивности излучения; о времени жизни возбужденного состояния; о времени когерентности ансамбля и т.д.
При обработке этой информации можно определить ряд атомных констант, таких как: & -факторы состояний, постоянные тонкого и сверхтонкого расщепления, времена жизни возбужденных состояний, сечения разрушения заселенности, ориентации и выстраивания при столкновениях и др.
Как показывает анализ литературы, исследования в области квантовых биений (КБ) до последних лет ориентировались в основном на изучение отдельных параметров. В работе /3/ положено начало комплексному исследованию сигналов КБ, позволяющему одновременно определять набор атомных констант в единых условиях эксперимента. Данная работа является продолжением таких экспериментов и расширением исследований в область проявления интерференционных эффектов при наличии мультиплетной структуры уровней.
Цель работы. В рамках экспериментальных и теоретических методов спектроскопии квантовых биений развить аппарат количественного анализа модуляции сигналов КБ с применением ЭВМ. На созданной установке высокого временного разрешения исследовать пространственную анизотропию излучения, обусловленную когерентностью атомных состояний, определить комплекс констант, характеризующих возбужденные состояния гелия при импульсном электронном возбуждении.
Методика и объект исследований. Для проведения исследований в работе использован метод квантовых биений. Газ возбуждался импульсным электронным пучком. Излучение при спонтанном распаде возбужденных состояний детектировалось фотоумножителем в режиме однофотонного счета с накоплением сигнала на многоканальном амплитудном анализаторе. Для извлечения информации измеренные сигналы обрабатывались на ЭВМ.
Объектом изучения выбран четный изотоп гелия пві . Это связано со следующими обстоятельствами.
I. Наличие двух систем термов - синглетной и триплетной -позволяет исследовать качественно различные типы интерференции невырожденных атомных состояний.
Это наиболее простая многоэлектронная система, для которой имеются приближенные квантовомеханические расчеты констант, которые могут быть экспериментально определены по сигналам КБ.
Отсутствие сверхтонкой структуры упрощает задачу анализа сигналов КБ для мультиплетных структур, не влияя на качественные выводы.
Большой опыт работы с гелием в группе, где делалась диссертационная работа, позволял наиболее полно анализировать сигналы КБ при их обработке на ЭВМ.
Основные научные результаты и защищаемые положения.
1. Экспериментально и теоретически изучена зависимость глубины модуляции интенсивности спонтанного излучения синглет- ных и триплетных состояний гелия от угла между поляризацией наблюдаемого света и осью пучка возбуждающих электронов.
Это позволило обоснованно выбрать оптимальные оптико-геометрические условия для экспериментов по измерению атомных констант методом КБ.
2. Для количественного анализа поляризационных характе ристик излучения при нерезонансном возбуждении атомов электрон ным ударом в аппарат неприводимых тензорных операторов введе ны экспериментально определяемые коэффициенты С^эАэ^б) , зависящие от энергии возбуждающих электронов ?д и индекса bt , характеризующего макроскопический мультипольний момент порядка /С
3. Для еинглетных состояний гелия доказана тождествен- ность величины степени поляризации и глубины модуляции интен- . сивности света, наблюдаемого в направлении, перпендикулярном оси пучка возбуждающих электронов и вектору напряженности магнитного поля при установке оси поляризатора перпендикулярно вектору напряженности магнитного поля.
4. По сигналам КБ исследована зависимость степени поляри зации излучения на переходе ^/2)^-2 Рі от энергии возбуждаю щих электронов.
Обнаружено изменение на 7Г фазы биений при энергии воз- , буждагощих электронов > 300 эВ, что соответствует изменению знака степени поляризации.
5. Измерены частотные интервалы A(nD2~ft D3) » Л= 3 - 6. Полученные величины хорошо согласуются с измерениями други ми методами и теоретическими расчетами.
Достигнута более высокая точность определения частот в диапазоне порядка десятков МГц в сравнении с наиболее развитым методом спектроскопии КБ ъеост - j-OCO ,
По сигналам КБ, обусловленным интерференцией состояний ^. и Ц D*, измерена зависимость глубины модуляции интенсивности излучения на переходе ^ln~ZP от энергии возбуждающих электронов.
Определены сечения разрушения заселенности и выстраивания состояний при столкновениях с невозбужденными атомами и времена жизни этих состояний.
Проведены экспериментальные исследования сложных сигналов КБ, возникающих при воздействии внешнего магнитного поля, расщепляющего магнитные подуровни на величину, сравнимую с шириной тонкого расщепления, для триплетних состояний гелия.
Проанализирована многочастотная структура таких сигналов. Выявлены фазовые и угловые соотношения усиления и исчезновения групп или отдельных частот, что позволило выбрать условия эксперимента по определению положений пересечений магнитных подуровней.
9. Впервые для состояний h D^ и И D3 ( Л = 3-5) экспе риментально определены величины напряженности магнитного по ля, в которых пересекаются магнитные подуровни с разностью магнитных квантовых чисел /№ц^ъ~ ^f{=Z^ ~ ^
10. По зависимости %(#) впервые экспериментально определены & -факторы состояний Л -Д;2,ь ( л = 3-5)
Предложения по использованию результатов работы.
Методы спектроскопии квантовых биений наиболее эффективны при определении атомных констант и исследовании процессов анизотропного возбуждения и распада возбужденных состояний. Результаты данной работы позволяют сделать следующие основные рекомендации для таких исследований, выполнение которых повышает достоверность и точность измерений.
При изучении распада населенности анизотропно возбужденного ансамбля атомов необходимо учитывать присутствие компоненты распада выстраивания. Возможность избавиться от последней состоит в установке в канале наблюдения поляризатора, ось которого составляет угол Q-aitcccb($/5)o осью анизотропии возбуждающего процесса.
При исследовании распада синглетного состояния необходимо компенсировать электрические и магнитные поля в объеме исследования, так как в противном случае экспонента распада будет искажена сигналами интерференции магнитных подуровней.
При исследовании распада уровня со спектроскопически неразрешаемой мультиплетной структурой биения присутствуют и при полной компенсации полей. Тем не менее установка в канале наблюдения поляризатора с осью, ориентированной под углом Q-OMsCdbQR/z) к направлению оси анизотропии возбуждающего процесса, позволяет измерять сигнал распада возбужденного состояния, не искаженный сигналом интерференции уровней тонкой или сверхтонкой структуры и сигналом распада выстраивания.
Сигналы КБ, обусловленные интерференцией уровней тонкой структуры, при наложении на систему магнитного поля, перпендикулярного направлению наблюдения, содержат большое количество частот. Установкой оси поляризатора под углом 6 = itfl- - аъсс^б/з/зУ можно избавиться в сигналах КБ от частот, обусловленных интерференцией магнитных подуровней с &!№>*$ =0,
If і ^ $1 » а под Углоы ~ 90 "" от частот, обусловленных интерференцией магнитных подуровней с /aW##/ = 2, Ъ^% . Для определенных интервалов величин магнитных полей можно установкой оси поляризатора под определенным углом для каждого случая убирать из сигнала КБ одну из частот.
При нескомпенсированных внешних полях для исследования мультиплетных расщеплений или для определения сечений столкновений, ведущих к распаду когерентности, необходимо установить ось поляризатора под углом в =lf/Z к оси анизотропии возбуждения.
Введение коэффициентов с(Е^^ж) позволяет по интегральному измерению отношения интенсивностей света Гц/її с поляризациями, параллельной и перпендикулярной оси пучка возбуждающих электронов, рассчитать глубину модуляции сигнала распа- да возбужденного состояния.
Достоверность результатов работы подтверждается хорошим совпадением величин расщепления тонкой структуры и времен жизни возбужденных состояний с результатами измерений этих величин другими методами и теоретическими расчетами, совпадением в пределах ошибки эксперимента из*меренных зависимостей глубин модуляции от угла между осью пучка возбуждающих электронов и вектором поляризации наблюдаемого света с их расчетом с использованием формализма неприводимых тензорных операторов.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы изложены в двух докладах на Всесоюзном совещании "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы" (Ленинград, 1982), в докладе на Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983) и двух статьях, опубликованных в журнале "Оптика и спектроскопия."
Личный вклад автора выразился в участии по созданию основных узлов экспериментальной установки и ее калибровки. Автор провел измерения, осуществил обработку и анализ результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и библиографии. Объем диссертации 168 стр. машинописного текста, включая 55 рисунков и 7 таблиц.
Публикации по материалам диссертационной работы. I. Багаев С.А., Смирнов В.Б., Канцєрова Л.П., Черепанов В.Ю. Экспериментальное исследование констант тонкой структуры состояний п. D ( /г = 3,4,5) по сигналам квантовых биений. - Тез. докл. Всесоюзн. совещ. "Квантовая метрология и фундаментальные физические константы". - Л., 1982, с.27-28. п.
Багаев С.А., Сшрнов В.Б., Черепанов В.Ю. Определение атомных констант методом временной спектроскопии квантовых биений. - Там же, с.29-30.
Багаев С.А., Смирнов В.Б., Черепанов В.Ю. Исследование возбужденных состоянии атомов методом временной спектроскопии квантовых биений. - Тез. докл. XIX Всесоюзн. съезда по спектроскопии. - Томск, 1983, ч.І. Атомная спектроскопия, с.306-308.
Багаев С.А., Огинец О.В., Сшрнов В.Б., Черепанов В.Ю. Влияние столкновительных процессов на распад населенности и когерентности уровней тонкой структуры состояний ^2) ШІ. - Опт. и спектр., 1984, т.57, с.578-581.
Багаев С.А., Смирнов В.Б., Канцєрова Л.П., Черепанов В.Ю. Исследование расщеплений магнитных подуровней состояний n ^ We ( ^ = 3-6) по сигналам квантовых биений. - Опт. и спектр., 1984, т.57, с.968-972.
