Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Исследования фотоионизации возбужденных атомов и электронных столкновений с возбужденными атомами имеют большое фундаментальное и прикладное значение [lj. Как экспериментально, так и теоретически, эги элементарные процессы изучены намного хуже, чем реакции с атомами в основных состояниях. До недавнего времени опыты по электронным столкновениям с возбужденными атомами ограничивались метастабильными состояниями мишени, а фотоионнзация возбужденных атомов исследовалась методами лазерной ионизации или путем измерений рекомбинационного континуума, в обоих случаях ограничиваясь интервалом в несколько электронвольт над порогом. Имевшиеся расчеты, как правило, связывались с конкретными приложениями и относились к полным сечениям в припороговой области. Развитие теории тормозилось ограниченным набором экспериментальных данных, которые не давали возможности сопоставить результаты расчетов с опытом и всесторонне исследовать механизмы взаимодействия электронов и фотонов с возбужденными атомами.
Создание высокой концентрации возбужденных атомов в объеме реакции путем оптической накачки, ставшее реальностью после внедрения в практику измерений лазеров непрерывного действия на красителях, инициировало в середине 70-х - начале 80-х годов эксперименты по взаимодействию коллимированных пучков лазерно-возбужден-ных атомов с заряженными частицами и фотонами широкого спектральної о диапазона от синхротронних источников [2J. Такие эксперименты имеют ряд существенных особенностей по сравнению с исследованиями атомов в основном состоянии. Поскольку четности лазерно-возбужденного и основного состояний отличаются, то вклад каналов реакций перераспределяется кардинальным образом при переходе оі процессов с атомами в основном состоянии к процессам с лазерно-возбужденными атомами. Высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет заселять подуровни тонкой и сверхтонкой структуры, а его поляризация - приготавливать атом в состояниях с неравномерным заселением магнитных подуровней. Контролируемая поляризация углового момента изначально присуща лазерно-возбуждешгай мишени и поэтому ее необходимо учитывать в теоретическом описании, а при случае и использовать. С применением лазерной накачки открываются новые возможности в изучении переходов как между уровнями тонкой структуры, так и различными магнитными подуровнями. Названные особенности делают фотоионизацию и электронные столкновения с участием лазерно возбужденных атомов инструментом для получения уникальной информации о структуре атома и динамике элементарных процессов.
Upoi ресс исследований с лазерно-возбужденными атомами тесно свя зан с ос ноени ем новых источников синхротронного излучения, применением техники поляризованных пучков, расширением парка лазеров, используемых при накачке, совершенствованием детектирующих систем, включая регистрацию продуктов реакций на совпаде-
:і
иия. Эти и другие достижения экспериментальной техники последних лет значительно расширили возможности измерений и круг изучаемых явлений, требуя адекватного развития теории.
ГЛАВНАЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ: развитие теории электронных столкновений и фотоионизации с участием лазерно-возбужденных атомов в связи с прогрессом современных пучковых экспериментов, анализ возможностей и обоснование новых типов экспериментов, теоретическая интерпретация их результатов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе впервые:
Развита теория угловых корреляций при фотоионизации лазерно-возбужденных атомов, включая область автоионизационных резонансов. Предложены эксперименты по исследованию угловых распределений фотоэлектронов на пересекающихся пучках лазерного и синхротронного излучений. Показана информативность таких измерений и их чувствительность к динамике фотоионизации возбужденных атомов. Теоретически обоснована программа соответствующих измерений на синхротронном источнике BESSY.
Выявлены основные закономерности резонансной фотоионизации лазерно-возбужденных атомов кальция в области вакуумного ультрафиолета, дана идентификация полного углового момента четных частично-дырочных автоионизационных резонансов, найдены обобщенные коэффициенты угловой анизотропии фотоэлектронов - наиболее детальные характеристики фотоионизации, доступные изучению на имеющейся аппаратуре.
Предложены безмодельные соотношения между величинами, наблюдаемыми в экспериментах разных типов по сверхупругому рассеянию электронов на лазерно-возбужденных атомах. На их основе показана согласованность результатов независимых измерений разных групп.
Метод искаженных волн с оптическим потенциалом применен для сверхупругого рассеяния на лазерно-возбужденных поляризованных атомах и обобщен на описа ние резонансной ионизации атомов электронным ударом. Предсказаны функции угловой корреляции (е,2е) и угловые распределения эжектируемых электронов при распаде частично-дырочных автоионизационных состояний, возбуждаемых электронами промежуточных энергий.
Построена теория ионизации лазерно-возбужденных атомов электронным ударом, которая применена к резонансной однократной и двойной ионизации через возбуждение автоионизационных и оже-состояний. Теория угловых распределений электронной эмиссии под действием пучка электронов обобщена на случай поляризованных мишеней.
Предложены эксперименты по возбуждению электронным ударом автоионизационных состояний из атомов, возбужденных лазерной накачкой, и объяснены результаты первых таких экспериментов.
Объяснено и теоретически изучено новое явление, обнаруженное в измерениях оже-спектров лазерно-возбуждснных атомов: зависимость относительных вероятностей оже-распада вакансии на компоненты тонкой структуры от состояния атома перед образованием этой вакансии.
Развита теория поляризации оже-электронов при ионизации лазерно-возбужденных поляризованных атомов. Предложен метод изучения спиновой поляризации оже-электронов, основанный на механизме двойной передачи поляризации от лаэерно-воз-бужденного ориентированного атома к оже-состоянию, а через него - к оже-электрону. Предсказаны большие значения поляризации оже электрона и ее чувствительноегь к динамике оже-распада.
ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Для выводя об щих аналитических выражений применялся апробированный аппарат спиновой матрицы плотности и статистических тензоров, а правильность результатов проверялась, где это возможно, предельными переходами к известным частным случаям. В численных расчетах амплитуд и наблюдаемых использовались тщательно протестированные комплексы программ, с помощью которых были воспроизведены опубликованные результаты других авторов. В расчетах атомной структуры применялись программы, широко используемые в мировой практике [3]. Ряд полученных результатов подтвержден экспериментально: безмодельные соотношения между наблюдаемыми величинами н экспериментах по фотоионизации и сверхупругому рассеянию электронов с участием лазерно-возбуждснных атомов; функции угловой корреляции (е,2е) и угловые распределения зжектируемых электронов при распаде автоионизационных состояний; сечения возбуждения и угловые распределения электронов при резонансной ионизации лазерно-возбуждснных атомов.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные результаты позволяют проводить исследования широкого класса явлений, связанных с фотоиони задней и электронными столкновениями с участием поляризованных мишеней как в возбужденных, так и в основном состоянии. Представленные в диссертации результаты неоднократно применялись рядом исследовательских групп.
Теория ионизации на пересекающихся пучках лазерного и синхротронного излучений может быть использована в изучении возможностей соответствующего экспериментального оборудования, при разработке рациональных программ измерений и анализе их результатов. Все три элемента были практически реализованы автором в связи с циклом измерений 1993-95 гг. на. синхротронном источнике BESSY и продолжают использоваться группами Берлинского технического и Гамбургского университетов в проводимых экспериментах [4].
Предложенные в диссертации эксперименты по резонансной ионтации лазерно-возбуждснных атомов электронным ударом реализованы во Фрайбургском университете в 1993 г. Результаты измерений, включая новый эффект зависимости относн-
тельных скоростей оже-распада на компоненты тонкой структуры от состояния атома перед образованием вакансии, объяснены на основе развитой в диссертации теории.
Расчеты угловых распределений эжектируемых электронов при резонансной ионизации электронами промежуточных энергий, проведенные методом искаженных волн, инициировали программу совместных экспериментальных и теоретических исследований (университет Фрайбурга - НИИЯФ МГУ) автоионизационных состояний атомов щелочных металлов, начатую в 1996 г. [5].
Предложенный метод создания спиновой поляризации оже-электронов, основанный на образовании вакансии в лазерно-возбужденном поляризованном атоме, может стать альтернативой существующему способу, который требует труднодоступных пока источников интенсивного циркулярно поляризованного излучения рентгеновского и ВУФ диапазона. Метод может работать для основных состояний атомов с ненулевым угловым моментом и широкого класса оже-переходов [6]. Соответствующие эксперименты находятся в стадии подготовки.
Предложенные безмодельные соотношения между величинами, измеряемыми в сверхупругом рассеянии на лазерно-возбужденных атомах, могут быть использованы для контроля согласованности экспериментов разных типов. Примеры такого применения приведены в диссертации.
Созданное программное обеспечение может быть использовано для расчетов неупругих электрон-атомных и электрон-ионных столкновений. Оно уже применялось в ряде работ, например, в систематических расчетах возбуждения состояний тонкой структуры атомов инертных газов [7] и в расчетах по возбуждению автоионизационных состояний поляризованными электронами [8].
Автор защищает:
теорию угловых корреляций при резонасной ионизации лазерно-возбужденных атомов фотонами и электронами;
анализ возможностей экспериментов новых типов для изучения автоионизационных состояний: измерения угловых распределений фотоэлектронов в пересекающихся пучках лазерного и синхротронного излучений, включая измерения с фиксированным положением детектора и вращающейся поляризацией лазерного света; возбуждение автоионизационных резонансов электронным ударом из лазерно-возбужденных атомов, включая измерения угловых распределений эжектируемых электронов и процесс типа (е,2е);
результаты исследований спектра состояний положительной четности атома кальция в области Зр — 3d автоионизационных резонансов;
- безмодсльные соотношения между физическими величинами, измеряемыми в экспе
риментах разных типов по сверхупругому рассеянию электронов на лазерно-возбуж
денных атомах;
результаты расчетов характеристик рассеяния электронов с участием лаэерно-воз-бужденных атомов натрия и рассеяния электронов промежуточных энергий атомами кадмия и калия с возбуждением автоионизационных состояний, а также основанный на этих результатах анализ применимости метола искаженных волн к описанию лшюль-ных возбуждений наружных и внутренних оболочек электронным ударом;
объяснение экспериментально обнаруженного эффекта зависимости относительных вероятностей оже-распада вакансии на компоненты гонкой структуры от состояния лазерно-возбуждепного атома перед образованием вакансии;
предсказание высокой спиновой поляризации оже-электронов при ионизации лаіерно-возбужденного поляризованного атома и предлагаемый на основе этого явления метод изучения оже-распада.
Результаты исследований, которые вошли в диссертацию, представлялись на XIII, XV, XVI, XVIII и XIX Международных конференциях по физике электронных и атомных столкновений (Берлин, 1983; Брайтон, Великобритания, 1987; Нью-Йорк, США, 1989; Орхус, Дания, 1993; Уистлер, Канада, 1995), IV и V Европейских конференциях по атомной и молекулярной физике (Рига, 1992; Эдинбург, Великобритания, 1995), XVI Международной конференции по рентгеновским лучам и процессам во внутренних оболочках (Дебрецен, Венгрия, 1993), VII Международном симпозиуме по поляризации и корреляциям в электронных и атомных столкновениях (Билсфельд, ФРГ, 1993), VII Международном симпозиуме по резонансной ионизационной спектроскопии и ее приложениям (Бернкастель-Кюс, ФРГ, 1994), XIV Международной конференции по атомной физике (Боулдер, США, 1994), Международном симпозиуме по атомной и молекулярної! динамике в фотоионизации (Лаваль, Канада, 1995), ХН Международной конференции по лазерной спектроскопии (Капри, Италия, 1995), 58-й конференции Германского физического общества (Гамбург, 1994), IX, X и XI Всесоюзных конференциях по физике электронных и атомных столкновений (Рига, 1984; Ужгород, 1988; Чебоксары, 1991), III, IV Всесоюзных и V Международном совещаниях "Автоионизационные явления в атомах" (Москва, 1985, 1990 и Дубна, 1995), Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1986), Всесоюзном семинаре по теории атомов и атомных спектров (Тбилиси, 1988). Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались автором на пленарных заседаниях годичной сессии Научного Совета АН СССР по проблеме "Физика электронных и атомных столкновений'' (Москва, 1989). Всесоюзного семинара "Спектроскопия низкотемпературной плазмы" (Петрозаводск, 19901. VIII Всесоюзной школы по физике электронных и атомных столкновений (Туапсе-Сочи. 1990), Международного коллоквиума "Корреляционная динамика возбужденных атомов и молекул" (Кольмар, Франция, 199С), Конференции Германского физическою общества (Майнц, 1997), Международного семинара по фотоионизации (Честер. Великобритания, 1997), IX Международного симпозиума по поляризации и корреляциям
в электронных и атомных столкновениях (Фраскати, Италия, 1997), а также в приглашенных докладах в университетах Берлина (1993), Билефельда (1996), Гамбурга (1993), Мюнстера (1994), Парижа (1997), Улан-Батора (1986), Фрайбурга (1993, 1994, 1996), Институте Фрица Хабера об-ва Макса Планка (Берлин, 1993).
ПУБЛИКАЦИИ. Теме диссертации посвящено 66 публикаций, включая 20 статей в реферируемых журналах. Часть материала вошла в учебное пособие для студентов вузов. В конце автореферата приведен список работ, наиболее полно отражающих содержание диссертации.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В диссертацию включены результаты, полученные лично автором, а также результаты, в получение которых автор внес определяющий вклад.
В совместных работах с экспериментаторами Берлинского технического и Гамбургского университетов автору принадлежит вся теоретическая часть, включая анализ принципиальных возможностей установки для получения физически значимой информации, разработка программы измерений, интерпретация результатов измерений. В работах с экспериментаторами Фрайбургского университета автору принадлежат: в работах [19,29,30] - вся теоретическая часть; в работах [24,25,27) - расчеты сечений возбуждения и угловых распределений электронной эмиссии, разработка соответствующего формализма. В работах [20,22] автору принадлежит часть, относящаяся к методу искаженных волн и анализу его применимости. В учебнике [1] автором написана глава "Корреляционные и поляризационные явления при возбуждении и ионизации атомов". Комплекс программ для расчетов характеристик неупругих электрон-атомных столкновений методом искаженных волн, использованных в 3-й главе, созданы лично автором; версия программы, использованная в 4-й главе, создана совместно с Е.И.Голоховым.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Полный объем работы составляет 245 страниц, включая 42 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 211 наименований.
