Введение к работе
Актуальность темы. Спектроскопия многозарядных ионов сформировалась за последние десятилетия в одну из важных приоритетных областей атомной физики. Многозарядными принято называть ионы, у которых число электронов значительно меньше, чем заряд ядра Z. В настоящее время широкое распространение получили мощные устройства, которые позволяют достичь любой степени ионизации практически любого атома вплоть до урана. Наиболее популярными способами получения многозарядных ионов являются:
метод пучок-фольга с использованием ускорителей;
ионизация электронным ударом в комнатных установках типа EBIS, EBIT или Super-EBIT;
ионизация фотонным ударом.
Растут как качество и интенсивности самих пучков многозарядных ионов, так и возможности различных манипуляций с ними. Например, пучки можно охлаждать, можно транспортировать практически без потерь и накапливать в накопительном кольце. Отдельные ионы можно в течение длительного времени удерживать в ловушках. Успехи в исследованиях многозарядных ионов находят самое широкое практическое применение в микроэлектронике и нанотехнологиях (ионная имплантация, точечное легирование, ионная литография), биотехнологии и медицине.
Помимо прикладного интереса изучение многозарядных ионов имеет и чисто фундаментальное значение. Наиболее актуальными здесь являются высокоточные измерения и, соответственно, теоретические расчеты структуры относительно простых ионов с одним, двумя и тремя электронами, а именно, лэмбовского сдвига уровней, сверхтонкой структуры, д фактора связанного электрона. Так, например, измерение электронного д фактора в водородоподобных ионах углерода и кислорода привело к новому независимому определению массы электрона да, самому точному на сегодняшний день [1, 2, 3].
Исследование таких релятивистских атомных систем, какими являются ионы тяжелых элементов, позволяет тестировать квантовую электродинамику (КЭД) в области сильных полей. Для теоретического описания многозарядных ионов применяются, прежде всего, методы КЭД
ЮС НАЦИОНАЛЬНАЯ ( БИБЛИОТЕКА
связанных состояний, основанные на использовании адиабатической S-матрицы [4, 5] или двухвременных функций Грина [6, 7] в картине Фарри [8]. На нынешнем уровне экспериментальной точности в теории необходим учет как поправок высших порядков теории возмущений по параметрам ос и 1/Z, где ос - постоянная тонкой структуры, так и выход за рамки приближения внешнего поля. При этом становятся существенными даже такие тонкие поправки, как, например, конечный размер ядра в эффекте отдачи [9]. Наиболее неопределенным для учета является эффект поляризации ядра, который и ограничивает предельную точность аккуратных теоретических предсказаний. Разрешение этой проблемы может быть связано, прежде всего, с дальнейшим развитием физики тяжелых ядер. Актуальным является и развитие новых подходов к теоретическому описанию многозарядных ионов.
Исследование тяжелых многозарядных ионов интересно еще и тем, что некоторые эффекты значительно усиливаются с ростом заряда ядра Z. Например, это относится к проявлениям Р-нечетного электрон-ядерного взаимодействия [10] или к перекрыванию уровней с одинаковыми' квантовыми числами, которое, в отличие от физики ядра и элементарных частиц [11], имеет здесь чисто квантовоэлектродинамическое происхождение. Изучение в спектрах многозарядных ионов различных ядерных эффектов открывает возможности для независимого высокоточного измерения некоторых ядерных характеристик методами атом-нон физики. Так, известно, что первое и пока единственное измерение ядерного анаполыюго момента было проведено на атоме 133Cs [12, 13].
Прогресс в экспериментальных исследованиях многозарядных ионов напрямую связан с надежным знанием сечений различных, прежде всего электромагнитных, процессов с их участием. При этом, ионы с небольшим числом электронов допускают последовательное теоретико-возмущсическое описание. Поэтому такие многозарядные ионы представляют собой удобные объекты для сравнения различных теоретических подходов, в частности, методов учета электронной корреляции за рамками одночастичного рассмотрения. Особую актуальность здесь представляют такие процессы, как, например, двойной фотоэффект, сечения которых целиком определяются именно эффектом корреляции [14].
Целью диссертационной работы является развитие схемы расчета поправок на собственную энергию электрона без разложения по параметру aZ, использующую численную процедуру парциально-вол-
новой перенормировки; нахождение ограничений на высокоточные расчеты лэмбовского сдвига уровней, сверхтонкой структуры и д фактора сильносвязанного электрона в тяжелых многозарядных ионах, обусловленных эффектом поляризации ядра; расчеты поправок на межэлектронное взаимодействие и поляризацию вакуума в сверхтонкую структуру ионов висмута за рамками приближения внешнего поля; развитие новой методики высокоточного измерения вращательных д факторов низколежащих уровней четно-четных ядер в рамках техники пучок-фольга; развитие схем для экспериментального измерения слабых зарядов и анапольных моментов ядер на поляризованных пучках многозарядных ионов; проведение расчетов полных сечений рекомбинации электрона на многозарядных ионах с учетом эффектов радиационного перекрывания уровней с одинаковыми квантовыми числами и эффектов интерференции между диэлектронным и радиационным каналами процесса; исследование процесса двойной фотоионизации на К оболочке гелиеподобных ионов в нерелятивистской области.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые результаты.
В рамках численной процедуры парциально-волновой перенормировки развита новая схема расчета поправок на собственную энергию электрона без разложения по параметру aZ.
Получены выражения и проведены соответствующие численные расчеты поправок на поляризацию ядра в лэмбовский сдвиг уровней, сверхтонкую структуру и электронный д фактор в тяжелых многозарядных ионах.
Проведены численные расчеты поправок на межэлектронное взаимодействие и поляризацию вакуума в сверхтонкую структуру ионов висмута в модели "динамического" протона, выходящей за рамки приближения внешнего поля.
Предложена новая методика измерения вращательных д факторов низколежащих ядерных уровней, основанная на измерении времени жизни электронного уровня Ь2р3Ро в технике пучок-фольга (beam-foil time-of-flight technique).
Предложены схемы для экспериментального измерения слабых зарядов и анапольных моментов ядер на поляризованных пучках многозарядных ионов. Проведены численные оценки величин соответствующих Р-нечетных эффектов, которые проявляются в угловой асимметрии электромагнитного излучения. Показано, что дополнительное уси-
ление Р-нечетных эффеьсгов может быть достигнуто при исследовании радиационных каналов, открывающихся за счет сверхтонкого взаимодействия.
Проведены расчеты полных сечений рекомбинации электрона на многозарядных нонах с учетом эффектов радиационного перекрывания уровней с одинаковыми квантовыми числами и эффектов интерференции между диэлектронным и радиационным каналами процесса. Показано, что наибольший эффект радиационной интерференции может быть достигнут при радиационных переходах между группами взаимно-перекрывающихся уровнен.
Проведены расчеты дифференциальных и полных сечений процесса двойной фотоионизации на К оболочке гелиеподобных ионов в нерелятивистской области как в рамках диполыюго приближения, так и вне его. Обнаружена быстрая сходимость ряда теории возмущений по параметру 1/Z для любых значений заряда ядра Z > 1. Показано, что амплитуда магнитного диполыюго перехода зануляется для любого синглет-ного 'S0 состояния. Найдены универсальные скейлинги для полного сечения двойного фотоэффекта и отношения сечений двойного фотоэффекта к однократному в зависимости от энергии налетающего фотона. Показано, что данная универсальность возникает в результате использования диполыюго приближения и учета ведущих членов теории возмущений.
Научная и практическая ценность работы.
В диссертации предложен ряд методических экспериментов на многозарядных ионах, открывающих возможность для независимого высокоточного измерения некоторых ядерных характеристик, таких, как вращательные g факторы низколежащих уровней четно-четных ядер, слабые заряды и анапольные моменты, квадрупольный момент ядра висмута. С другой стороны, была проведена оценка ограничений, вносимых эффектом поляризации ядра, в аккуратные теоретические расчеты структуры многозарядных ионов, а именно, в лэмбовский сдвиг, электронный д фактор и сверхтонкую структуру уровней. Обнаруженная быстрая сходимость ряда теории возмущений по 1/Z показывает, что, по сравнению с другими теоретическими методами, КЭД не имеет практической альтернативы в расчетах сечений электромагнитных процессов с участием легких атомных систем.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на семинарах ПИЯФ, СПбГУ, Technische Universitat Dresden, Max Planck
Institut (Dresden, Германия), University College London (Великобритания), GSI (Darmstadt, Германия), на 3 советско-британском симпозиуме по спектроскопии многозарядных ионов (Москва, 1991), на международных конференциях - 26 EGAS (European Group for Atomic Spectroscopy) (Barselona, Испания, 1994), АР AC (Atomic Physics at Accelerators: Laser Spectroscopy and Applications) (Budenheim, Германия, 1999), 22 и 23 EAS-Tagung (Energiereiche Atomare Stosse) (Riezlern/Kleinwalsertal, Австрия, 2001, 2002), TCPFI (Trapped Charged Particles and Fundamental Interactions) (Wildbad Kreuth, Germany, 2002), PSAS (Precision Physics of Simple Atomic Systems) (С.-Петербург, 2002), HCI (Highly Charged Ions) (Bensheim, Германия, 1998; Caen, Франция, 2002).
Объем и структура работы.
Помимо Введения, диссертация состоит из шести глав, двух Приложений, Заключения и списка литературы из 268 наименований. Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 22 таблицы.
