Об интерпретации результатов Доплеровской спектроскопии

атомарных пучков

С.В. Полосаткин

Семинар плазменных лабораторий ИЯФ СО РАН, Новосибирск 11 сентября 2012 г

650 652 654 656 658

Атомарные пучки содержат компоненты частиц с дробными энергиями (E/2, E/3, E/18)

Для определения компонентного состава атомарных пучков используется спектроскопия Доплеровски смещенных линий атомов водорода

Доплеровская спектроскопия атомарных пучков

Ионный

источник

H+, H2+, H3

+

Нейтрализатор

H(E), H(E/2), H(E/3)H+(E), H+(E/2), H+(E/3)

Магнит-

сепаратор

H+(E) H+

(E/2) H+

(E/3)

H(E) H(E/2)H(E/3)

H*(E) H*(E/2)H*(E/3)

h

Инжекционный

тракт

Длина волны, нм

E

E/2E/3

E/18

H

Относительное содержание различных компонент определяется по соотношению интенсивностей смещенных линий H

hHHH 222 H*HH hHHH 222 H*HH

hHHH 222 H*HH

Атомарный пучок“с магнитом”

Смешанный пучок“без магнита”

kkk

kkk

Ic

IcH

0

0

kkk

kkk

Ic

IcH

kEfkEkEfkE

EfEEfEc

HH

HHk

00

00 kEfkE

EfEc

H

Hk 00

00

0

концентрации соответствующих ионов на выходе из ионного источника (“на сетке”)Ik – интенсивности смещенных линий Hf0, f+ – коэффициенты конверсии в нейтрализаторе

0, - эффективные сечения генерации H атомами и ионами

R. Uhlemann, R. S. Hemsworth, G. Wang, and H. Euringer, Rev. Sci. Instrum. 64, 974 (1993)

Доплеровская спектроскопия атомарных пучков

hHHH 222 H*HHКак найти сечение генерации H?

brex

H K310

3s ………. 13p………0.123d………...1

1s

2p2s

3d3p3s

1.6

нс

15 нс

5·10-5 эВ

1.7·10-5 эВ45 нс

159 нс

6 нс

Излучательные переходы в атоме водорода

Как найти сечение генерации H?

Учет распределения заселенностей внутри тонкой структуры уровня необходим, если выполняются следующие условия:

-Сечения возбуждения 3s, 3p, 3d имеют разные энергетические зависимости-Есть переходы между подуровнями тонкой структуры

0 10 20 30 40 50 600

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

E, keV

Ra

dia

tive

ca

ptu

re c

ross

-se

ctio

n, 1

0-16 cm

2

+3s

[ORNL-6086]

+3p

[ORNL-6086]

+3d

[ORNL-6086]

22 HH *HH

Переходы между подуровнями

Столкновения, приводящие к переходам между подуровнями, должны обладать необычными свойствами

-Большое сечение (больше 10-13 см2)-Малая энергия взаимодействия (10-6 эВ)

Электрическое поле, необходимое для перехода между подуровнями

смВnre

Ea

/ 10~2 2

Столкновения с кулоновскими центрами

Требуемая концентрация может достигаться за счет обдирки атомов пучка или ионизации остаточного газа

Переходы между подуровнями

28

0

20 104

4

1cm

E

er

s

3610~ cm

vn

(50 кэВ)

Столкновения с полярными молекулами

Столкновения с полярными молекулами примесей могут приводить к переходам между подуровнями тонкой структуры

210

32

0

20 10~

4

1cm

E

pr

3910~ cmv

n

P=3*10-5 Па

Динамический эффект Штарка

Зависимость времени жизни подуровней от магнитного поля

Переходы между подуровнями

E L Foley and F M Levinton “A collisional-radiative model including sublevel parameters (CRISP) for H-alpha radiation” J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 39 (2006) 443–453

Модели заселенности подуровней

Корональное равновесие

Термодинамическое равновесие

Столкновительно-излучательное равновесие

dps

spsp

sppds

CE

AA

A333

1323

23333H 12.0

dpsspppddspppss

pddspppssdps

TE

AgAgAgAg

AgAgAg333

133233233233

23323233333H 43,0

dpsdspsp

spp

spsp

sps

CRE

AA

A

AA

A3333

1323

233

1323

233H 12.012.0

Сечения возбуждения атома водорода

0 10 20 30 40 50 600

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

E, keV

Ra

dia

tive

ca

ptu

re c

ross

-se

ctio

n, 1

0-16 cm

2

+3s

[ORNL-6086]

+3p

[ORNL-6086]

+3d

[ORNL-6086]

22 HH *HH

ORNL-6086C. Barnett “Atomic Data for Fusion. Volume 1: Collisions of H, H2, He, and Li atoms and ions with atoms and molecules”, ORNL-6086/VI report (1990)

Сечения возбуждения атома водорода

22 HH *HH

dp

s

33

3

12.0

ORNL-6086C. Barnett “Atomic Data for Fusion. Volume 1: Collisions of H, H2, He, and Li atoms and ions with atoms and molecules”, ORNL-6086/VI report (1990)

I. Williams, J. Geddes, and H. Gilbody “Balmer alpha emission in collisions of H, H+, H-2(+) and H-3(+) with h-2”, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 15 , 1377 (1982)

R. Hughes, H. Peterfish, and H. Kisner “Excitation of H atoms to the n=3 states by the impact of 10- to 35-keV ground-state atoms on He, Ne, Ar, H2, O2, and N2”, Phys.Rev.A, 5, 2103 (1972) keV

dps

3510

, , 333

Сечения возбуждения атома водорода

22 HH *HH

dp 33 2

0 10 20 30 40 50 600

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

E, keV

Co

llisi

on

al e

xcita

tion

cro

ss-s

ect

ion

,10--

16cm

2

0.12*0

3p+0

3d [ORNL-6086]

03s

[ORNL-6086]

03s

[Hughes]

0.12*03p

+03d

[Hughes] 0

3d [Hughes]

03p

[Hughes]

Для расчетов принято

Коэффициенты Доплеровской спектроскопии

10 20 30 40 50 600

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

E, keV

Co

rre

ctio

n fa

cto

rs fo

r p

ure

be

am

, ck0

10 20 30 40 50 600

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

E, keV

Co

rre

ctio

n fa

cto

rs fo

r co

mp

osi

te b

ea

m, c

k

C20

C30

C180

C2

C3

C18

a b

Экспериментальное наблюдение смешивания заселенностей

0 10 20 30 40 50 600

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

E, keV

Ra

dia

tive

ca

ptu

re c

ross

-se

ctio

n, 1

0-16 cm

2

+3s

[ORNL-6086]

+3p

[ORNL-6086]

+3d

[ORNL-6086]

Сравнение интенсивностей линий в атомарном и смешанном пучках

EfE

EfEEfE

I

I

H

HH

p

c00

00

22 HH *HH

Экспериментальное наблюдение смешивания заселенностей

Сравнение интенсивностей линий в атомарном и смешанном пучках

EfE

EfEEfE

I

I

H

HH

p

c00

00

0 10 20 30 40 50 601

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

E, keV

I c/Ip

CE

TE

CRE

Зависимость от эффективной толщины мишени

nl1

nl2

0 20 40 601

1.5

2

2.5

3

3.5

nl1=1.1x1016cm-2

nl1+nl2=1.6x1016cm-2

0 20 40 601

1.5

2

2.5

3

3.5

nl1=0.6.x1016cm-2

nl1+nl2=1.1x1016cm-2

Зависимость от эффективной толщины мишени

nl1

nl2

0 20 40 601

2

3

4

5nl1=0.27x1016cm-2

nl1+nl2=0.77x1016cm-2

0 20 40 601

2

3

4

5

nl1=0.16x1016cm-2

nl1+nl2=0.66x1016cm-2

Заключение

Эффекты смешивания заселенностей подуровней тонкой структуры могут влиять на точность определения компонентного состава атомарных пучков

Смешивание заселенностей может быть экспериментально обнаружено по соотношению интенсивностей линий в атомарном и смешанном пучках

1 EXC H [G], H [G] --> H [3s]

2 EXC H [G], H [G] --> H [3p]

3 EXC H [G], H [G] --> H [3d]

4 EXC H [G], H2 --> H [3s] H2

5 EXC H [G], H2 --> H [3p+3d], H2

Сечения возбуждения при столкновениях с атомами и молекулами