Введение к работе
Актуальность гемц. ілирокий круг явлений н области физической оптики обусловлен резонансным взаимодействием электромагнитного излучения с веществом. В настоящее время одним из наиболее важных и быстро прогрессирующих направлений в зтой области является изучение резонансного взаимодействия излучения с атомами и молекулами в гетерогенных и гетерофазных услозиях вблизи поверхности конденсированных сред [l] . Актуальность таких исследований обусловлена как уникальными информативными возмо*ностями резонансно-оптических методов диагностики процессов взаимодействия атомов (ионов, молекул) с поверхностью, так и необходимостью развития эффективных способов целенаправленного воздействия на эти процессы. Недостаточное развитие экспериментальных и теоретических исследований в этой области является сдерживающим фактором при расширении сферы применения эффектов, обусловленных взаимодействием атомов с поверхностью в условиях воздействия резонансного излучения и разработки физических принципов новых оптических способов диагностики поверхностных явлений.
В прикладном аспекте эти исследования представляют интерес, прежде всего, для современных наукоемких технологий. Так, например, возбуждение частиц с помощью резонансного лазерного излучения в сочетании с последующей ионизацией этих частиц является одним из основных методов разделения веществ на атоино-молеку-лярном уровне, используемых как в научных исследованиях, так и на практике [2] . Реализация наядой из ступеней этих процессов сопряжена с определенными трудностями, однако каибольаую сложность представляет ионизация возбужденных частиц. В связи с этим уделяется большое внимание поиску более эффективных методов выделения возбуждаемых частиц, особенно не требующих использования лазерного излучения. С этой точки зрения является актуальным исследование процессов перезарядки между атомами, резонансно взаимодействующими с излучением, и металлической поверхностью.
Специфика фотофизических и фотохимических процессов в гетерогенных условиях состоит в том, что резонансное излучение меняет характер взаимодействия атома не только с поверхностью, но и с его окружением как в поверхностной (адсорбированной), так и
ь газовой 4'2Je [j,^] . Ііозтоку исследования взаимодействия атомов с поверхностью в поле резонансного излучения долдны учитывать роль коллективных и столкновительных процессов. В связи с' этим важное значение имеют также изменения равновесного [5] и зарядового [бJ состояния газа под действием резонансного излучения, которые могут привести к качественному изменению режима протекающих на поверхности процессов.
Цель работы заключается в экспериментальном, и теоретическом исследовании воздействия резонансного электромагнитного излучения на процесск электронного обмена мезду атомами и поверхностью металлов, на кинетику адсорбции и процессы переноса атомов на поверхности и в газе, изучении кинетики установления ионизационного равновесия в газе при оптическом возбуждении и разработке лазерно-слектроскопического метода диагностики процессов рассеяния атомов на поверхности.
Научная новизна. В работе впервые
обнаружено явление ионизации атомоь на поверхности металлов при резонансном возбуждении и проведено его экспериментальное и теоретическое исследование,
разработана модель кинетики адсорбционных явлений, обусловленных фотоиндуцировашым латеральным взаимодействием атомов на поверхности, предсказано возникновение поверхностных процессов переноса атомов в резонансном поле с неоднородным пространствен ным распределением,
предложен лазернс-спектроскопический метод диагностики процессов рассеяния частиц твердой поверхностью,
изучены процессы переноса компонент газа в поле лазерного излучения, обусловленные квазиреэонансными столкновениями и много-квантовым возбуждением частиц,
построена статистическая модель процессов установления ионизационного равновесия в фотореэонансной плазме.
На защиту выносятся следующие положения:
І. В случае затрудненной поверхностной ионизации невозбуа-денных атомов [7] их возбуждение на электронные уровни, соответ-ствукщие свободным состояниям выше уровня Ферми металла, может
привести к увеличению вероятности ионизации на несколько порядков величины. Частотный спектр коэффициента ионизации атомов с однородной линией поглощения имеет лоренцеву форму, а в случае неоднородного уамрения линии существенно зависит от направления волнового вектора резонансного излучения относительно поверхности и коэффициента отражения от нее. В случае локализации атомов вблизи поверхности спектр вероятности ионизации уподобляется контуру автоионизационных резонансов Фано [б] , что позволяет создавать автоионизационные состояния с искусственно регулируемыми параметрами.
-
Поляризация адсорбированных'атомов во внешнем электромагнитном поле приводит к латеральному взаимодействию между ними, которое меняет константу скорости элементарных процессов на поверхности. При этом в пространственно однородном поле меняется кинетика процессов адсорбции, а в поле с неоднородным пространственным распределением кроме этого возникают процессы поверхностного дрейфа и диффузии.
-
Параметр изотропности ядра максвелловской модели рассеяния атомарного пучка твердой поверхностью [9] определяется методом спектроскопии лазерио-индуцированной флуоресценции частиц. Его значение получается из отношения амплитуд лоренцевской и доплеровской частей спектрального контура флуоресценции.
'4. Процессы установления стационарного ионизационного равновесия в газе при возбуждении атомов резонансным излучением имеют стохастический характер, обусловленный фвуктуациями плотности электронов. Относительные флуктуации характерного времени установления стационарного режима составляют величину порядка единицы.
Достоверность выводов диссертации основана на экспериментальной проверке результатов, использовании современных методов математической физики, простой физической интерпретации предсказанных явлений.
Научная и практическая значимость.
I. Ионизация атоыов при резонансном возбуждении вблизи поверхности металлов моясет быть использована в тех же областях
науки и современной технологии, что и ступенчатые процессы фото-ионизации резонансно возбужденней атомов [2] , в частности, для разделения изотопов [Ю] .
2. Поверхностная фотоионизация атомов при резонансном воз
буждении селективно по скоростям и квантовым состояниям значи
тельно расширяет диапазон и функциональные возможности приборов
и устройств, основанных на явлении поверхностной ионизации невоз-бувденных атомов [?] , например, детекторов нейтральных частиц.
-
Частотные зависимости вероятности поверхностной фотоионизации и вторичной электронной эмиссии с поверхности под действием возбужденных атомов позволяют получить спектроскопические данные частиц, взаимодействующих с поверхностью металла и сочетать зон-довые и лазерно-спектроскопические способы диагностики плазмы с целью устранения ограничений, связанных с ее собственным излучением.
-
Поверхностная резонансная фотоионизация и фотоиндуциро-ванные латеральные взаимодействия могут быть использованы для контроля и обработки поверхности с помощью лазерного излучения умеренной интенсивности.
-
Основанные на явлении поверхностной фотоионизации способ и устройство прибора с зарядовой связью, в котором управляемый перенос заряда осуществляется с помощью внешнего электромагнитного излучения, может применяться для хранения и оптической обработки информации.
-
лазерно-спектроекопический способ диагностики процессов рассеяния атомов на поверхности, в отличие от известных. [II] , позволяет определить параметр максвелловского ядра рассеяния для частиц не только в основном, но и в воэбуаденных состояниях с малыми временами яизни.
-
На основе статистической модели процессов установления ионизационного равновесия в фоторезонансной плазме предложены способы стабилизации характерного времени этого процесса.
Полученные в диссертационной работе результаты позволяют обосновать новое научное направление - поверхностная резонансная фогоионизация атомов.
Апрооаиия работы, 'основные результаты работы обсукдались на следующих конференциях: УІ, УШ, IX Вавиловских конференциях по нелинейной оптике (Новосибирск, 19'?9, 1984, 198'/); X Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Киев, I960): XIX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1984); Xffi, ХІУ ліеждународньж конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988; Ленинград, 1991); ІУ Всесоюзной конференции по физике газового разряда (Махачкала, 1988); XI Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Новосибирск, 1989); X Всесоюзной конференции по динамике разрешенных газов (Москва, 1969); Международном симпозиуме по химии плазмы (Вари, Италия, 1989); IX Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Москва, I9&9); Международном рабочем совещании "Высокотемпературные плазменные струи в процессах обработки материалов" (Фрунзе, 1990); УЫ Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990); П Всесоюзном семинаре по лазерной резонансной спектроскопии и ыногофогонным процессам (Новосибирск, 1991); I Всесоюзной конференции "Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск, 1991), а так:*е на научных семинарах в ИАиЬ СО АН СССР и ИГФ СО АН СССР.
Публикация результатов диссертации. Основное содержание диссертации опубликовано в 37 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложений, заключения и библиографии. Объем диссертации 212 страниц основного текста, 30 рисунков, 3 таблицы и 13 страниц приложений. Список цитированной литературы содержит 150 наименований.
