Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Процессы фотостнмулировапной эмиссии пас гиц интересны прежде все-ю тем "го в их динамических характерне і и ках содержится ценная информация о структуре физических систем испускающих частицы о механизмах эмиссии п о различных взаимодействиях в эшх системах
Одним из таких процессов является ионизация атомов лазерным излучением Мощность излучения современных источников настолько волика что скорость ионизации зависит от интенсивности излучения существенно нелинейным образом, что свидетельствует о неприменимости теории возмущений для описания подобных явлений Из-за указанной нелинейности имеются две возможности теоретического описания такич эффектов - численные расчеты ab initio при фиксированных значениях параметров ал ома и лазерною излучения или развитие относительно простых моделей, справедливых в определенной области изменения основных параметров и выявляющих физическую сущность исследуемых эффектов
Расчеты ab initio фактически являются численными эксперимешами и могут использоваться как надежная основа для проверки справедливости различных теоретических моделей Основной их недостаток состоит в том, что они дают результат при фиксированных значениях параметров не позволяя выявлять основные закономерное!и
В связи с этим недостатком возрастает роль приближенных моделей При корректном выборе приближений такие модели дают разумные результаты и, в отличие от расчетов ab initio не требуют громоздких вычислений
Работа Келдыша [1] по исследованию фотоотрыва электрона из 5-иотенциала, выполненная в 1964 г, лежит в основе современных представлений о мноюфотошюй ионизации атомов (ионов) оптическим излучением Основной результат данной публикации состоит в том что многофотопный и туннельный режимы ионизации — это два про і ивопо южных предельных случая связанно-свободною перехода атомною электрона Для туннельного режима ионизации идея Келдыша получила дальнейшее развитие в работе [2] Ее последующие обобщения проанализированы в работе [3] Впервые успешное сравнение теории туннельной ионизации в лазерном поле с экспериментом [4| было проведено в работе [5] и эта теория стала известна в литературе как теория Аммосова-Делоне-Крайиова (АДК) В not ледствшт на основе идеи Келдыша предложен ряд аналитических моделей, описывающих надпороговую ионизацию атомов
В последние годы исследование воздействия мощного лазерного излучения па атомы н молекулы сформировалось в отдельное направление лазерной физики, включающее также и атомную физику (воздействие сверх-
сильных лазерных нолей на атомы) По этой тематике регулярно проводятся международные конференции и семинары (ICPEAC SILAP, ICOMP DAMOP и др ) Но сверхсильные (~ 1014~1018 Вт/см2) электромагнитные поля в настоящее время возможно получить лишь при фемто- или агтосекундных знамениях длительности светового импульса Внутри данного направления также сформировалась относительно самостоятельная ветвь «физика аткхекупдных явлений» [6]
Помимо чистого академического желания получить фундаментальные знания о сверхсильных полях, исслсдоваггиями в этой области движет и прикладной интерес, обусловленный, в частности, возможностью, инерционного удержания плазмы при лазерном нагреве Под воздействием улыра-короткого импульса па кластеры возникающая плазма сильно разогревается но не успевает «разлететься»
При облучении кластеров состоящих из легких молекул (Нг, D2, CD4) образуются быстрые ионы [7], энергия которых настолько высока, что в плазме начинается термоядерный синтез [8,9J Такое инерционное удержание плазмы является альтернативой магнитному удержанию в стеллара-торах и токамаках, исследованию которого были посвящены колоссальные усилия ведущих научных центров в течение нескольких десятилетий Экспериментальные исследования инерционпог о удержания ведутся во многих лабораториях В недавней работе [10] продемонстрирована возможность использования для этой цели излучения мультитераваттной интенсивности с длительностью импульса 40 фс — «настольный термоядерный синтез» |8]
Импульсное инфракрасное облучение кластеров, состоящих из инертных элементов (Аг, Хс), а также некоторых молекул (например, Sn02), приводит к генерации ВУФ-излучения [11] путем ускорения свободных электронов в плазме, что создает альтернативу использованию синхротронов для получения мощного излучения в ультрафиолетовом диапазоне
В то время как динамика фотоионизации атомов отражает механизм воздействия излучения на атом, сами иопы могут быть удобным инструментом для исследования межъядерного взаимодействия Столкновения тяжелых ионов ускоренных до промежуточных значений энергии (20-150 МэВ/нуклоп), сопровождаются эмиссией легких ультрарелятивисгских частиц Анализ их спектров позволяет прояснить динамику процесса и структуру межъядерного взаимодействия, что ешмулируст изучение таких процессов [12]
Количсс гво экспериментальных данных в исследуемых в настоящей дис-сертаций областях физики ежегодно растет Возникает потребность в их теоретической интерпретации и планировании на основе теории новых экс-перимен і ов
Обозначенные перспективы использования интенсивного лазерного излучения указывают на высокую актуальность исследований, проведенных
в настоящей диссертации
Работа по теме диссертации проводилась в соответствии с тематическими планами НИР, выполняемых по заданию Мшюбрнауки РФ (№№ 019 60001457, 0199 0006647, 0120 0405470), в рамках ведомственной исследовательской программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (шифр № 16253 2005 г), поддержана грантами РФФИ (1995 1996, 1998-2007 г г), Минобразования РФ (2002-2004 гг), Президента РФ (2004-2005 гг ), АФГИР (граигы VZ-010-0, 2002-2007 гг, ВР2М10, 2007-2009 гг), ISSEP (1996, 1997 гг ) и фонда «Династия» (2005-2007 гг)
Цель работы
Целью работы является развитие теории эмиссии быстрых частиц в атомных и ядерных процессах, обусловленной электромагнитным взаимодействием Предложены нелинейные модели, не сводящиеся к использованию теории возмущений Эта цель обусловлена необходимостью разработки эффективных теоретических методов исследования взаимодействия микроскопических систем с электромагнитным полем для уточнения механизмов явлений и планирования соответствующих экспериментов По возможности рассмотрены все основные типы электромагнитных квашовых переходов свободно-свободные, связанно-свободные и связанно-связанные
В соответствии с целью работы сформулированы следующие задачи
Предложить метод оценки модельных решений временного уравнения Шредингера Получить модельные волновые функции электрона в кулонов-ском потенциале и поле электромагнитной волны с адиабатическими параметрами, характерными для излучения современных лазеров С помощью этих модельных волновых функций исследовать энергетические спектры надпороювых электронов, испускаемых в процессе ионизации возбужденных состояний атома водорода ульгракортотким лазерным импульсом
Усовершенствовать модель туннельной иопшации в переменном поле, которая часто используется для интерпретации экс периментов но образованию много зарядных ионов в поле лазерного излучения, для учета влияния многочастичных эффектов Вычислить выход многозарядных ионов благ сбродных газов под действием лазерного импульса с циркулярной поляризацией в зависимости от ею интенсивности в нерелятивис гском диапазоне ин-гепсивностеи и частот Разишь нелинейную теорию дипольно-запрещенных связанно-связанных переходов под действием сильною лазерного излучения
Исследовать некоторые ядерные процессы обусловленные электромагнитным взаимодействием кулоновское возбуждение ядер через перс-рассеяние электронов, образуемых в процессе миогоэлектронной ионизации
аюмов лазерным излучением, а также эмиссию жестких фотонов и быстрых лен гонов в цоп-ионных столкновениях промежуточных энергий
Методы проведения исследований
При решении поставленных в диссертации задач использовались современные методы квантовой механики не сводящиеся к теории возмущений метод моделыгых решений нестационарною уравнения Шредипгера, метод унитарных преобразований, квазиклассические методы Применение вышеперечисленных методов позволило максимально полно представить резуль-іатьі в аналитическом виде, прибегая к численным расчетам лишь в случае крайней необходимости, что существенно облегчает понимание сущности исследованных явлений Взаимодействие частиц со сложными системами рассматривалось в рамках оптической модели и современной реализации модели Томаса-Ферми-Пат ила Проблема столкновительпой эмиссии часі иц решалась с использованием прямою численного интегрирования уравнения Шредипгера с оптическим потенциалом в координатном представлении Для реализации численных методов на ЭВМ применялись современные программные пакеты Mathcmatica и SLATEC
Научная новизна работы
Обобщена теорема Зигерта на нестационарный случай и применена для гест ирования модельных волновых функций, широко использующихся при исследовании атомных процессов
Развита теория туннельной ионизации атома в переменном поле для учега многочаегичных эффектов за счет отказа от одноэлсктронного приближения как в начальном, так и в конечном состоянии остаточного иона Предложен новый механизм образования многозарядных ионов, названный «нсупругим туннелированием» Теория впоследствии была подтверждена специально поставленным в Великобритании экспериментом
Предложен механизм кулоновского возбуждения ядер при перерассе-япии электронов в поле лазерной волны Сделаны оценки возникающей при ион 7- и конверсионной активности некоторых изотопов
Впервые рассчитаны энергетические спектры фотоэлектронов, образуемых при надиороювой ионизации шгзколежащих возбужденных состоянии атома водорода улы ракорот ким лазерным импульсом
Обобщена на случай дипольно-запрещенных переходов известная теория ?1андау-Дыхне для связанно-связанных переходов Пол>чеп туннельный предел в связанно-связанных переходах в мпогозарядных ионах и выяснены условия его реализации
Без использования теории возмущений описаны пороговые эффекты в сечениях радиационного рассеяния электронов в кулоновском потенциале и иоле монохрома] ической циркулярно-поляризоваиной лазерной волны
Впервые выполнен расчет квантовых дефектов сложных атомов на основе современной теории Томаса-Ферми Папіла
Разработана микроскопическая модель эмиссии жестких фохопов и быстрых лепгонов в ион-ионных столкновениях при промежуточных энер-1 иях, не содержащая подгоночных параметров
Основные положения, выносимые на защиту
Теоретическая модель неупругого туннсльною эффекта
Теоретическая модель кулоновского возбуждения ядер при персрас-сеянии электронов в поле лазерной волны Кратковременное усиление )-и конверсионной активности некоторых и зо j опои под действием лазерного излучения
Нестационарная георема Зигсрта для электрона, движущегося в потенциале остаточного иона и переменном электромагнитом поле Метод тестирования модельных решений временного уравнения Шредипгера с помощью нестационарной теоремы Зигерта
Адиабатические модельные волновые функции электрона, движущегося в кулоновском потенциале и поле линейно-поляризованного излучения, имеющие вид параболических волн Полученные с их помощью энергетические спектры фотоэлектронов при наднороговой ионизации возбужденных состояний атома водорода лазерным импульсом
Обобщение теории Лапдау-Дыхне па связанно-связанные диполыю-запрещенные переходы и анализ предельных случаев — гуннсльної о и vmo-гофотонного
Применение метода Крамерса к исследованию движения электрона в кулоновском потенциале и лазерном поле произвольной эллиптичное і и Дихроизм в положении и форме резонансов в сечениях радиационного рассеяния в кулоновском потенциале Пороговые эффекты в задаче радиацн-опною рассеяния электрона на кулоновском потенциале
Потенциал элекгрона в поле замкнутого остова о< га точного иопа построенный на основе модели Томаса-Ферми-Патила Новый меюд расчета квантовых дефектов сложных атомов
Квантово-оптическая модель эмиссии быстрых частиц в ион-ионных столкновениях
Практическая ценность работы
В диссертации предложены современные теоретические расчетные методы, позволяющие вполне адекватно анализировать физические явления возникающие при взаимодействии атомов и ядер с электромагнитными полями Их практическая реализация не требует использования дорогостоящих супер-ЭВМ
Предлагаемая в диссертации модель «псупругого туннелирования» вполне удовлетвори іельно описывает процессы многоэлсктрошюй ионизации атомов лазерным излучением с интенсивностью < 1018 Вт/см2, характерной для современных источников Отказ от одиоэлектронного приближения дает возможность учета многочисленных конкурирующих каналов ионизации Разработанный относительно простой алгоритм позволяет вычислять выход многозарядных ионов заданной кратности в зависимое і и от пиковой интенсивности лазерного импульса с заданной длительностью из фемтосекупдиого диапазона с учетом геометрии лазерного пучка Результаты расчетов подтверждаются последующим экспериментом по ионизации аргона импульсным лазерным излучением вплоть до кратности +6, проведенном объединенной исследовательской группой из Лондонского Университетского Колледжа, Королевского Университета в Белфасте и Лаборатории им Резерфорда в Апплтоне (Великобритания)
Предсказанное в настоящей работе кратковременное увеличение электромагнитной и конверсионной активности некоторых ядер в результате перерассеяния электронов образуемых в процессе многоэлектронной ионизации атомов лазерным излучением, может быть полезно для ядерной спектроскопии в частности, при измерении времен жизни возбужденных состояний
На основе сформулированной в диссертации «нестационарной теоремы Зигерта» предложен универсальный метод тестирования модельных решений временного уравнения Шредингера С помощью данного метода исследованы кулон-волковскис функции и определены условия их применимости Таким же образом проанализированы построенные в данной работе адиабатические волновые функции электрона движущегося одновременно в кулоновском потенциале и поле линейно-поляризованного лазерного излучения Их использование позволяет разработать достаточно простой и универсальный подход к исследованию надпороговой (туннельной и надба-рьерпой) ионизации атома коротким лазерным импульсом в инфракрасном диапазоне, как из основного, так и из возбужденных состояний Получаемые в расчетах энергетические спектры электронов, не доступные в рамках модели АДК не требуют проведения сложных расчетов ab initio, по вместе с тем адекватно отражают сильную зависимость выхода электронов от начальной фазы излучения в коротком импульсе
Развитая в работе кинетическая модель надпороговой ионизации позволяет адапшровать формулы полученные для вероятности ионизации атомов монохроматическим излучением в различных простых аналитических моделях, к исследованию воздействия коротких лазерных импульсов Получаемые при этом спектральные кривые воспроизводят главные особенности энергетических распределений электронов, рассчитанных в рамках иных моделеп (адиабатическою приближения расчетов ab iiutw и гд )
Обобщение теории Лапдау-Дыхнс на связанно-связанные дипольно-запрещенные переходы расширяет применимость этой модели к исследованию многофотонных переходов в атомах и молекула,х под воздействием интенсивного лазерною излучения
Потенциал электрона, движущеюся в поле атомного иона с замкну і ыми оболочками вычисляемый в рамках современной модели Томаса-Ферми -Патила, не требует проведения сложных и і ромоздких расчет ов Он не содержит свободных параметров и удобен при исслсдоваипи ридберговс ких состояний сложных атомов, а также рассеяния медленных электронов на атомах
Оператор взаимодействия атомною электрона с полем монохроматической лазерной волны произвольной эллиптической поляризации, полученный методом Крамерса удобен для реализации приближения случайных фаз с обменом и метода сильной связи каналов
Расчетная схема, предложенная в задаче столкновигелыюи эмиссии быстрых частиц, проста, базируется на микроскопической теории с оптическим потенциалом взаимодействия и не использует подгоночных параметров Получаемые на ее основе оценки выхода быстрых част иц несут информацию о характеристиках столкновителыгой системы и могут быть использованы для постановки и планирования соответствующих экспериментов
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов диссертации обеспечивавіся корректной постановкой исследовательских задач, последовательным применением современных методов теоретической физики, проверкой разработанных методов на контрольных примерах совпадением расчетов проведенных для частных и преде иьпых случаев с известными резулыатами, обоснованной сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, сравнением (при наличии возможности) с результатами, полученными в исследованиях других авторов
Результаты проведенных расчетов согласуются с известными экспериментальными данными и хорошо воспроизводятся в специально поставленных экспериментах для проверки теории
Публикации и личный вклад автора
Всего по гсме диссертации опубликовано более 40 печатных рабо і Основные из них приведены в конце автореферата В их числе 21 статья в реферируемых научных журналах, включая 20 статей в научных журналах, входящих в установленный ВАК перечень ведущих изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций
Основная часть задач, составляющих содержание этих работ, была поставлена и решена автором Вклад авюра настоящей диссертации в работы с соавторами заключается в посіановкс большинства задач, разработке тсорешческих моделей для решения, рассмагривасмых проблем, развитии формализма, получении алгоритмов и создании комплексов компьютерных программ, анализе по пученных решений, определении места предлагаемых моде чей и методов в широком спектре современных теорий и их приложении к экспериментальным исследованиям
Апробация результатов работы
Результаты, представленные в диссертации, докладывались на ежегодных конференциях International Laser Physics Workshop в 2001-2005 гг, 9th International Conference on Multiphoton Processes (ЮОМР-ІХ), о Крит, Греция 2002 і , International Symposium and Seminar «Topical РшЫсть of Nonlmcar Wave Physics» («High-Field Physics and Ultrafast Nonlmcai Phenomena»), Нижний Новгород, 2003 г, International Workshop and Seminar on Rydberg Physics (RydPhy04), Дрезден, Германия, 2004 г , 12th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions (HCI2004), Вильнюс, 2004 г , XXIV International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC 2005), Rosano, Aigcntma, 2005 r, International Conference on the Interaction of Atoms, Molecules and Plasmas with Intense Ultrashort Laser Pulses (IAMP 12006), Сегед, Венгрия, 2006 г, Inteinational Conleience on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO-2007), Минск, 2007 г , frontiers of Nonlinear Physics Нижний Новгород, 2007 г, ежегодных Международных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре аюмною ядра в 1993-1999 гг и в 2007 г , на научных семинарах ИОФ РАН и НОЦ Воронежского государственного университета «Вотповые процессы в неоднородных и нелинейных средах»
Структура и объем диссертации
Диссертация сое шит из введения пяти глав, заключения и приложения Общий обьем диссертации сое іавляет 291 страницу машинописного текста
включая 4 таблицы н 48 рисунков, а также бибгпюірафическиїї список использованной литературы из 315 наименований
