ФГУП «Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума»; (ФГУП НИЦПВ) Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Госстандарт РФ)

ФГУП «Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума»(ФГУП НИЦПВ); Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Госстандарт РФ)

119421, Москва, ул. Новаторов, д. 40, корп. 1.
Гавриленко Валерий Петрович, д. ф.-м. н.
тел. (095) 132-83-33
факс: (095) 135-80-11
E-mail: gavrilen@fpl.gpi.ru

Исследования, выполненные в отчетный период, были нацелены на разработку методов спектроскопических измерений параметров плазменных сред и на применение этих методов в исследованиях плазмы для различных лабораторных установок. В основе указанных методов лежит эффект Штарка у атомов (ионов), испытывающих воздействие возникающих в плазме электрических полей (см., например, [1]).

В рамках сотрудничества между ФГУП «НИЦПВ» и Институтом плазменной и атомной физики Рурского университета (г. Бохум, ФРГ) [Institute for Plasma and Atomic Physics, Ruhr-University at Bochum] получил существенное развитие метод измерения слабых микроволновых электрических полей в низкотемпературной плазме, использующий штарковское уширение спектральных линий атомов водорода, соответствующих переходам на высоковозбужденные (ридберговские) энергетические уровни. Высокая чувствительность ридберговских атомов к действию электрического поля (ЭП) обусловлена большим значением дипольного момента атома d в высоковозбужденном состоянии: d » en²a₀. Здесь a₀ - боровский радиус, а n - главное квантовое число (n >> 1). Поэтому даже слабое ЭП может вызвать значительное штарковское расщепление (уширение) ридберговских уровней энергии (РУЭ) атома. Заселение РУЭ атома обычно осуществляется из основного или метастабильного атомного уровня посредством однофотонного или многофотонного лазерного возбуждения. Важнейшей проблемой является регистрация штарковского расщепления РУЭ атома. Трудность регистрации штарковского расщепления РУЭ атома обусловлена тем, что поскольку время жизни t_life РУЭ атома по отношению к спонтанному распаду велико (t_life µ n³), интенсивность сигнала флюоресценции с РУЭ атома крайне мала. Чтобы избежать указанной трудности, в нашей работе регистрируемым сигналом являлся сигнал лазерно-индуцированной флюоресценции с промежуточного водородного уровня n =3. Для заселения РУЭ атомарного водорода использовалась схема двухступенчатого лазерного возбуждения на переходе

с помощью двух лазерных пучков (l₁ » 205 нм, l₂ » 830–1100 нм), распространяющихся навстречу друг другу. При этом частота второго лазера перестраивалась и сканировала штарковское уширение спектральной линии, соответствующей переходу на РУЭ водорода. Регистрируемым сигналом являлся сигнал флюоресценции с промежуточного уровня на переходе Balmer-alpha в водороде: n = 3 ® n = 2 ( нм). Частота микроволнового поля составляла 2.45 ГГц. На рис. 1 показаны в качестве примера экспериментальные (точки и сплошная линия) и теоретические (штриховая линия) штарковские профили спектральных линий, соответствующих переходам n = 3 ® n = 14 (рис. 1, a) n = 3 ® n = 20 (рис. 1, b). В условиях проведенного эксперимента измеренная в различных точках микроволнового разряда среднеквадратичная напряженность микроволнового поля находилась в диапазоне от 50 до 300 В/см. Результаты данной работы опубликованы в [2,3].

Рис. 1: Экспериментальные профили (точки и сплошная линия) и теоретические профили (штриховая линия) спектральных линий n = 3 – n = 14 (a) и n = 3 – n = 20 (b) атомов водорода, взаимодействующих с микроволновым электрическим полем в плазме. Рис. 1(a) соответствует среднеквадратичной напряженности микроволнового поля 170 В/см, а рис. 1(b) – 195 В/см.

В рамках сотрудничества между ФГУП «НИЦПВ» и Обернским университетом (США) [Auburn, Alabama, USA] развита теория для расчета штарковского уширения рекомбинационных радиолиний атомарного водорода. Такие спектральные линии соответствуют переходам между близкими высоковозбужденными (ридберговскими) уровнями энергии (РУЭ) атома; характерные главные квантовые числа РУЭ составляют n ~ 100–700; длина волны для указанных переходов относится к радиодиапазону. Указанные линии наблюдаются в излучении ионизованного газа межзвездной среды (излучении из HII-областей). Типичная электронная концентрация в HII-областях составляет 10³–10⁴ см^–3. Наша теория штарковского уширения основана на чисто классическом рассмотрении столкновения налетающей заряженной частицы с высоковозбужденным атомом водорода. Поэтому она свободна от использования теории возмущений и не ограничена применением дипольного приближения. На рис. 2 показана в качестве примера зависимость от времени одной из координат атомного электрона (рис. 2,a) и временная зависимость одной из координат налетающего на атом электрона (рис. 2,b) при неупругом столкновении между ними.

Рис. 2: Временная зависимость координаты атомного электрона Q₂ и налетающего электрона Q₄ в процессе неупругого столкновения электрона с атомом водорода, приводящего к переходу атомного электрона на орбиту с меньшим значением главного квантового числа. Время выражено в атомных единицах (в которых ). Момент наибольшего сближения между налетающим электроном и атомом водорода соответствует t » 0.

Именно такие неупругие столкновения с заряженными частицами вносят основной вклад в штарковское уширение водородных радиолиний. Рисунок 2 соответствует случаю, когда атом водорода до столкновения находился в состоянии с главным квантовым числом n = 30, а после столкновения он перешел в состояние с n = 25. Полученные нами результаты опубликованы в [4] и представлены для опубликования в J. Phys. B (см. [5]).

Получил существенное развитие метод расчета штарковских профилей спектральных линий водородоподобных атомов (ионов), взаимодействующих в плазме с осциллирующим электрическим полем (ОЭП). Такое ОЭП может являться полем проникающего в плазму извне электромагнитного излучения (микроволнового или лазерного), либо полем, связанным с возбуждением собственных колебаний плазмы (например, ленгмюровских колебаний). Исследованы особенности, появляющиеся на штарковских профилях спектральных линий под действием ОЭП. Полученные результаты были использованы для анализа экспериментальных профилей спектральной линии Lyman-alpha ионов FIX, излучаемой из плотной плазмы, которая создавалась при облучении твердотельных мишеней пикосекундным лазерным импульсом умеренной интенсивности (порядка 10¹⁷ Вт/см²). На основе анализа экспериментальных профилей спектральной линии Lyman-alpha водородоподобных ионов FIX были обнаружены в плазме сильные осциллирующие электрические поля с характерной напряженностью порядка (4–6)´10⁸ В/см и частотой порядка (0,7–1)´10¹⁵ с^–1. Результаты данной работы опубликованы в [6,7].

Публикации

1. В.П. Гавриленко, Спектроскопические методы измерения электрических полей в плазме. В кн.: Энциклопедия низкотемпературной плазмы/ Под ред. В.Е. Фортова, Т. 1. М.: Наука, 2000, стр. 559-563.

2. V.P. Gavrilenko, D. Luggenhoelscher, U. Czarnetzki, and H.F. Doebele, “Stark Broadening by Microwave Electric Fields: Theory and Measurements”, in the book: “Spectral Line Shapes”, v. 13, ed. E. Dalimier (Frontier Group, Paris), 2004, pp. 415-417.

3. В.П. Гавриленко, Д. Люггенхелшер, У. Чарнецки, Х.Ф. Дебеле, XXXII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2005, тезисы докладов, стр. 186.

4. V.P. Gavrilenko, E. Oks, “Non-Perturbative Classical Theory of Stark Broadening of Radio Recombination Lines”, in the book: Spectral Line Shapes”, v. 13, ed. E. Dalimier (Frontier Group, Paris), 2004, pp. 105-112.

5. V.P. Gavrilenko, E. Oks, J. Phys. B: Atom. Molec. Opt. Phys. (submitted).

6. В.С. Беляев, В.И. Виноградов, А.С. Курилов, А.П. Матафонов, В.С. Лисица, В.П. Гавриленко, А.Я. Фаенов, Т.А. Пикуз, И.Ю. Скобелев, А.И. Магунов, С.А. Пикуз мл., ЖЭТФ, т. 126, 2004, стр. 819-832.

7. V.S. Belyaev, A.S. Kurilov, A.P. Matafonov, V.I. Vinogradov, V.S. Lisitsa, V.P. Gavrilenko, A.Ya. Faenov, T.A. Pikuz, I.Yu. Skobelev, A.I. Magunov, and S.A. Pikuz, Jr., in the book: “Spectral Line Shapes”, v. 13, ed. E. Dalimier (Frontier Group, Paris), 2004, pp. 475-477.

Важнейшие результаты.

Разработан высокочувствительный спектроскопический метод измерения микроволновых электрических полей в плазме. Развита теория для описания штарковского уширения рекомбинационных спектральных радиолиний водорода. Выполнены исследования штарковских профилей спектральных линий водородоподобных излучателей, сформированных под действием сильного осциллирующего электрического поля в плазме.