Введение к работе
Актуальность темы.
В астрофизических исследованиях были отмечены аномалии в спектрах космических объектов, проявляющиеся в исчезновении некоторых спектральных линий излучаемыми ридбер-говскими атомами (РА) со значениями эффективного квантового числа п* ~ 10 [1]. В качестве одной из возможных причин этих аномалий в литературе указывается процесс поглощения фотонов, индуцированный столкновениями, наблюдаемый, например, в газовой смеси водорода и гелия. Другая причина может быть обусловлена элементарным актом поглощения света атомами, находящимися в высоковозбужденных (ридберговских) состояниях. Последние имеют большие оптические дипольные моменты и могут эффективно поглощать свет в инфракрасном диапазоне спектра. Аномалии в спектров характерны также для слабо ионизированных атмосфер остывающих звезд (белых карликов), обладающих магнитным полем. Поэтому в ряде публикаций наблюдаемые спектральные особенности свечения РА качественно связывают с влиянием внешних полей.
Среди многих вариантов технологических применений низкотемпературной неравновесной плазмы (НТП) одним из перспективных является получение инверсной заселенности возбужденных атомов в результате комбинаций ионизационных и рекомбинационных процессов. Процесс хемоионизации оптически возбужденных атомов может рассматриваться как элементарный процесс трансформации энергии излучения в электрическую. Кроме того, интерес к процессам хемоионизации с участием высоковозбужденных ридберговских атомов помимо их фундаментальной значимости для физики плазмы обусловлен их рольью в системах лазерного охлаждения, логических устройствах квантовых компьютеров и т.д. Несмотря на то, что исследование процессов хемоионизации в широком диапазоне изменения значений 5 < п < 25 были начаты сравнительно недавно, они стимулировали появление теории (так называемая, теория ДШМЯ [2, 3], название образовано по заглавным буквам фамилий авторов), в целом, объясняющей наблюдаемые в эксперименте значения эффективных сечений с, и их зависимости а{п*). Однако определенные расхождения количественного характера сохранялись до последнего времени.
На рисунке 1 проведено сравнение с экспериментом результатов рассчета в рамках ДШМЯ-модели [4]. Видно, что эксперименту лучше соответствуют рассчеты по модели диффузионного движения ридберговского электрона (РЭ) в дискретном энергитическом
Kj, см3с_1
ю-8 1
Ю-9 1 10-ю.
Ю-111
ю-121
о о
Рис. 1. Зависимость константы скорости Кг ионизации атома Na от п* в Л^а(п2Р)+Л^а(325*)-столкновениях при температуре источника пучка Т = 600К. Кружки - эксперимент, штриховая линия - ДШМЯ-модель, сплошная линия - диффузионная модель.
пространстве [5]. Диффузия происходит вследствие нахождения электрона в микроволновом поле, которое образуется из-за резонансной перезарядки.
Для атома водорода были выполнены рассчеты [6, 7], показывающие, что под воздействием внешнего электрического поля электрон может переходить в режим динамического хаоса, приводящий к диффузии по энергитическим состояниям возбужденного атома, и ионизации. В случае РА, отличных от водорода, возможен процесс блокировки спектральных переходов между термами, обусловленный так называемым, резонансом Фостера (двойной штарков-ский резонанс), и связанный с особенностями системы энергетических термов высоковозбужденных атомов [8]. В окрестности резонанса Фостера происходит обращение в ноль целого ряда дипольных матричных элементов, что является аналогом появления Куперовского минимума в дискретном спектре энергии щелочных атомов. Можно предположить, что этот эффект влияет на названный стохастический процесс. Данный эффект должен учитываться при трактовке экспериментальных данных процессов хемоионизации.
Сказанное выше свидетельствует об актуальности темы диссертации для фундаментальной физики и её практического применения в задачах физики плазмы.
Цель и задачи работы.
Цель настоящей работы состоит в выявлении особенностей режима динамического хаоса в условиях существования резонанса Фостера, что может существенным образом влиять на величины констант скоростей пеннинговскои, и ассоциативной ионизации - двух каналов хемоионизационных процессов РА.
Основными направлениями работы являются
Построение численной модели движения РЭ по кеплеровой орбите под воздействием микроволнового ПОЛЯ.
В рамках квазиклассического описания построение модели диффузии ридберговских электронов в энергетическом пространстве под влиянием микроволнового электрического поля. Электрическое квазимонохроматическое микроволновое поле, приводящее к ионизации, индуцируется в однократном РА+А симметричном столкновении, при резонансной перезарядке ионного кора ридберговского атома на атоме партнере [5].
Численный расчет характеристик РЭ: энергии, момента импульса, вектора скорости и т.д, при:
отсутствии возмущения внешним полем (отсутствие режима динамического хаоса)
условиях возникновения динамического хаоса в микроволновом поле в отсутствие резонанса Фостера
при наступлении режима динамического хаоса в условии наличия резонанса Фостера.
Рассмотрение проявления эффектов динамического хаоса в однократных атом-атомных столкновениях с участием РА.
С учетом эффекта резонанса Фостера исследование возможности изменения времени жизни РА во внешнем электромагнитном поле.
В целях оптимизации экспериментов по хемоионизации РА, использующих методы оптического возбуждения, проведение анализа контура линий поглощения света атомом в условиях реального эксперимента.
Практическая значимость
В работе выполнен анализ физических процессов, приводящих к хаотизации атомных систем под действием периодически меняющихся электрических полей, с амплитудой ~ п~А а.е.
Показаны условия, при которых возможно влияние внешних, относительно слабых электрических полей на время жизни возбужденного атома.
Предложен способ «управления» режимом динамического хаоса в столкновительных комплексах, открывающие новые возможности управления элементарными атомно-молекулярными процессами.
Полученные результаты могут быть использованы при анализе наблюдаемых в астрофизике аномалий в спектрах РА.
Проведенный анализ формирования контура линий поглощения при возбуждении частиц светом в объеме атомного пучка светом позволил предложить оптимальную конфигурация газодинамического пучка, при которой реализуется узкий доплеровский контур поглощения при высокой плотности частиц пучка.
Полученные данные представляют интерес для широкого круга задач исследования элементарных процессов в физике плазмы, квантовой электроники и управления элементарными процессами физико-химических реакций.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научных исследованиях и разработках Санкт-Петербургского государственного университета, ВНЦ ГОИ им. СИ. Вавилова (Санкт-Петербург), Физико-технический институт РАН им. А.Ф. Иоффе. (Санкт-Петербург), Главная астрономическая обсерватория РАН (Санкт-Петербург),Институт химической физики РАН (Москва), МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва).
Научная новизна.
В отличии от большинства работ по явлению динамического хаоса в возбужденных атомах, в диссертационной работе рассмотрена модель ридберговского щелочного атома, в которой может проявляться эффект блокировки оптических переходов, в условиях так называемо-
го резонанса Фостера, который приводит к эффектам, аналогичным появлению Куперовского минимума в дискретном спектре энергий.
Полученные данные по влиянию резонанса Фостера на времена жизни РА и эффективность процессов с их участием являются оригинальными. Впервые рассчитаны параметры внутриатомного потенциала (потенциала Зоммерфельда) при котором возможно наблюдение резонанса Фостера в щелочных атомах.
Рассмотрена реальная система атомного пучка с диаметром выходного отверстия источника отличным от точечного.
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты численного моделирования диффузионной ионизации, вследствие наступления режима динамического хаоса РЭ во внешнем переменном электрическом поле.
Зависимость энергии РЭ от времени его движения по кеплеровской орбите, среднее число периодов обращения до момента диффузионной ионизации, время жизни РА как функция от параметров внутриатомного потенциала (потенциала Зоммерфельда).
Способ «управления» хаосом в столкновительном комплексе, основанный на возможности блокировки оптических переходов в условиях резонанса Фостера.
Способ управления эффективностью физико-химических реакций с участием РА на основе блокировки оптических переходов между уровнями.
Показано, что оптимальная конфигурация, при которой реализуется наиболее узкий приведенный доплеровский контур при высокой плотности частиц пучка, достигается при определенных соотношениях диаметра диафрагмы и выходного отверстия источника газодинамического пучка. Подобная система находит широкое применение на практике как первый этап ступенчатого фотовозбуждения ридберговских состояний.
Основные научные результаты работы выносимые на защиту принадлежат лично автору.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на следующих конференциях
M.Yu.Zaharov, N.N.Bezuglov, A.N.Klucharev, A.Ekers, K.Miculis, J.Ulmanis, M.Bruvelis, E.Saks, I.Beterov, F.Fuso, M.Allegrini. Optimization of Doppler profile in supersonic beams II 41th Conference of the European Group for Atomic Spectroscopy, (EGAS-41), Gdansk, Poland, 8-11 July, 2009.
M.Zaharov, N.Bezuglov, A.Klucharev, A.Ekers, K.Miculis, T.Amthor, M.Weide-muller, I.Beterov, F.Fuso, M.Allegrini. Cross-sections of Penning ionization for Rydberg atoms II 41th Conference of the European Group for Atomic Spectroscopy, (EGAS-41), Gdansk, Poland, 8-11 July, 2009.
N.N. Bezuglov, A.N. Klucharev, A.A. Matveev, M.Yu. Zaharov, A. Ekers. Stark switching of microwave field induced dynamic chaos regime. // ICPEAC 2007 conference, Freiburg, Germany, 25-31 July, 2007
Klyucharev A.N., Zakharov M.Yu., Matveev A.A., Mihajlov A.A, Ignatovic L.M., Dimitrievic M.S. Chemi-ionization - experiment, theories, geocosmical perspectives. // VI Serbian-Bulgarian astronomical conference. Belgrade, Serbia, 7-11 May, 2008.
Захаров М.Ю., Лисенков H.M., Печатников П.А. Времяпролетный масс-спектрометр на основе процессов хемоионизации // XXXIX Международная научн. конф. аспирантов и студентов. Санкт-Петербург, Россия, 7-10 апреля, 2008
Захаров М.Ю. Влияние микроволнового поля на спектры ридберговских атомов в атмосфере космических объектов // МС «АРД» - 2009, Санкт-Петербург, Россия,22-26 июня, 2009.
Структура и объем работы
