7.5. Тезисы научных работ Победителей Всероссийского

7.5. Тезисы научных работ
Победителей Всероссийского конкурса научных работ школьников Юниор
По физике (учащихся 11-го класса)
2015 год
Осаждение пористых кремниевых покрытий
на металлические поверхности
Молчанова Екатерина, 11 класс, Харина Анна, 11 класс
Научный руководитель: Крат Степан Андреевич, инженер кафедры 21 НИЯУ МИФИ
Современное общество невозможно представить без электронных приборов. Ёмкость накопителей энергии – один из основных ограничивающих факторов в использовании портативной
техники. С каждым годом людям требуется всё большая емкость для поддержания жизни своих
приборов (как и предназначенных для развлечения, так и для серьезных работ на расстоянии). В
связи с этим все чаще ученые обращают свое внимание на суперконденсаторы, способные в перспективе заменить недолговечные аккумуляторы, такие как современные литий-ионные батареи.
Целью данной работы являлось получение пористых кремниевых пленок на металлической
подложке. Кремний – один из самых распространенных элементов на планете, на его использовании основаны многие области в электронике, тем более в последние годы, этот материал много
изучался, что позволило нам опираться на базу уже проведенных экспериментов. Существуют
разработанные методики получения чистого кремния, что обеспечило высокое качество используемых материалов. В качестве подложки была использована алюминиевая фольга, как наиболее доступная и удобная в работе. Необходимость создания пористых покрытия связана с их развитой
поверхностью, что ведёт к увеличению ёмкости таких покрытий.
Пленки были получены с помощью магнетронной распылительной системы на установке
МР-1 (кафедра физики плазмы, НИЯУ МИФИ). Этот способ был выбран из-за чистоты получаемых покрытий, дешевизны самого процесса и из-за широких возможностей изменения параметров
напыления, с помощью чего можно добиться разнообразных свойств покрытий без дополнительной химической обработки или других методов пост-обработки. Поместив алюминиевую подложку (анод) и кремний (катод) в установку, производилась предварительная отчистка фольги от оксидной пленки с помощью тлеющего разряда, после чего использовался магнетронный разряд для
распыления кремния с дальнейшим его осаждением на подложке.
В рамках технических возможностей использованного оборудования, для получения репрезентативных данных, было проведено несколько серий экспериментов. Полученные покрытия были проанализированы посредством электронной микроскопии и других методов. Их состав был
изучен при помощи энерго-дисперсионного анализа.
В первой серии экспериментов в качестве рабочего газа был выбран азот, но в дальнейшем
от его использования пришлось отказаться, так как получаемые в нем пленки были низкого качества с малой адгезией. После нескольких неудачных экспериментов, при которых не наблюдалось
прогресса, несмотря на изменения параметров напыления, было принято решение отказаться от
использования азота в качестве рабочего газа и заменить его инертным газом аргоном. Проведя
серию экспериментов, в которых использовались разные параметры напыления, как то: давление,
скорость осаждения. Были выявлены зависимости: при увеличении мощности- увеличивается адгезия, с увеличением давления в камере магнетрона уменьшается- скорость напыления пленки.
Литература:
1. С.К. Жданов, В.А. Курнаев, М.К. Романовский, И.В. Цветков; Под ред. В.А. Курнаева. Основы
физических процессов в плазме иплазменных установках М: МИФИ, 2007. 368 с.
2. Ю. П. Райзер. Физика газового разряда. Издание второе, переработанное и дополненное. Москва
"Наука" Главная редакция физико-математической литературы. 1992. 536 с.
3. Л. Н. Розанов. Вакуумная техника. Издание второе, переработанное и дополненное. Москва
"Высшая школа" 1990. 320 с.
Мобильный детектор для исследования радиационного фона
Бочаров Владимир, 11 класс, Филаткин Александр, 11 класс
Научные руководители: Юрин Константин Олегович, инженер НОЦ НЕВОД НИЯУ МИФИ;
Астапов Иван Иванович, ассистент НОЦ НЕВОД НИЯУ МИФИ.
Уровень радиационного фона на различных территориях не постоянен и может меняться со
временем. Причинами возникновения более высокого уровня радиоактивного излучения могут
быть как естественные источники - космическое излучение во время повышенной солнечной активности, радиоактивные элементы, содержащиеся в грунте или грунтовых водах, продукты их
распада, рассеянные в окружающей среде, так и искусственное радиационное воздействие, связанное с атомной энергетикой, переработкой и хранением радиоактивных материалов. Использование современных мобильных устройств для измерения радиационного фона, позволяющие проводить локальный мониторинг радиоактивного излучения (например, в жилых и рабочих помещениях, станциях метро и т.д.) позволяет человеку создавать вокруг себя безопасную среду обитания.
В рамках данной работы был разработан и создан прототип компактного устройства для
измерения радиационного фона на основе трубки Гейгера, позволяющий выводить информацию
на мобильный телефон и производить радиационный мониторинг с его экрана. Трубка Гейгера –
это газоразрядный прибор, предназначенный для подсчета проходящих через него заряженных частиц. Он представляет собой конденсатор с газом между электродами. При пролете заряженной
частицы через трубку происходит ионизация атомов газа. Свободные электроны в сильном электрическом поле движутся к аноду вдоль силовых линий, ионизируя по пути другие атомы. Ионы,
образуемые ионизацией, движутся в противоположную сторону к катоду. Регистрация сигнала
производится с анода через дифференцирующий фильтр.
Была разработана схема устройства, состоящая из трубки Гейгера, преобразователя низкого
напряжения в высокое и интерфейса для подключения к мобильному телефону через разъем для
наушников Jack 3.5 mm. Телефон производит обработку сигналов с трубки Гейгера и выводит информацию на экран с помощью специализированной программы.
Питание трубки Гейгера осуществляется с помощью разработанного и созданного преобразователя низкого напряжения (~ 9 В от гальванического элемента типа 6F22 (крона)) в высокое
напряжение (300 – 500 В) в зависимости от величины подстроенного резистора. Ток потребления
данной схемы составляет 25 мА/ч, что обеспечивает непрерывную работу устройства около 3 часов.
Был создан программный интерфейс для мобильных телефонов, работающих на операционной системе Android, который позволяет производить подсчет количества зарегистрированных
устройством частиц и выводить на экран телефона значение эффективной дозы ионизирующего
излучения (в мкЗв/ч). Выбор операционной системы для работы программы обусловлено открытостью и наличием бесплатных платформ для создания приложения.
После сборки, запуска и подключения устройства для измерения радиационного фона к мобильному телефону была произведена его настройка и калибровка. Рабочее напряжение детектора
было выбрано в результате измерения счетной характеристики (зависимости темпа счета от
напряжения питания) и составило 350 В. Калибровка осуществлялась путем сравнения показаний
данного устройства с показаниями стандартного дозиметра Radex при регистрации β-излучения от
источника 90Sr. После калибровки устройства были произведены замеры радиационного фона на
территории НИЯУ МИФИ, московского метрополитена и в разных районах Москвы. Полученный
радиационный фон соответствует данным с портала «Радон»[3] и не превышают допустимого значения в 30 мкЗв/ч.
Отличительными особенностями разработанного устройства для измерения радиационного
фона являются: компактность, высокая эффективность регистрации вторичных частиц, относительно невысокая стоимость. Созданный прототип может быть использован для создания дозиметра нового поколения, позволяющего работать совместно со всеми современными мобильными
устройствами (телефоны, смартфоны, плееры, планшеты), которые позволят производить непрерывные измерения радиационного фона в пространстве с использованием геолокации пользователя.
Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД НИЯУ МИФИ.
Литература:
1) В. К. Варова, И. А. Воробьева, А. Ф. Зубкова, Н. Ф. Измерова. Российская энциклопедия по
охране труда. — М.: НЦ ЭНАС. 2006.
2) Р. Ф. Граф, В. Шиитс. Энциклопедия электронных схем. Том 7. Часть 3: Пер. с англ. –
М.:ДМК. 2001 с.87.
3) Портал «Радон»: http://www.radon.ru/online-map/
Лазерное охлаждение атомов тулия
Бирюков Валентин Андреевич, 11 класс
Научный руководитель: к. ф.-м. н. Снигирев С. А.
Введение
Данная работа посвящена лазерному охлаждению атомов тулия (Tm) в зеемановском замедлителе
для дальнейшего захвата в магнитооптическую ловушку. Работа выполнена в Российском квантовом центре, в лаборатории Квантовых симуляторов и интегрированной фотоники.
Область исследований данной работы относится к бурно развивающемуся направлению физики лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов. В данной области физики исследуются механизмы уменьшения температуры ансамблей нейтральных атомов, способы локализации атомов,
а также вопросы их применения. В настоящий момент времени выделенными направлениями исследований в области лазерного охлаждения и пленения атомов являются: спектроскопия холодных
атомов
в
ловушках,
исследование
свойств
атомов
в
состоянии
Бозе Эйнштейновской конденсации (БЭК), создание квазинепрерывного источника волн де Бройля
(атомного лазера). Каждое из этих направлений имеет важное значение для современной науки,
что было отмечено Нобелевскими премиями в 1997 и 2001 году.
К настоящему моменту удалось охладить все щелочные металлы, щелочно-земельные металлы,
все инертные газы в мета-стабильном состоянии (кроме Rn) и некоторые другие элементы. Данная
область получила бурное развитие, и начиная с 2008 года были охлаждены атомы Er, Cd, Ra, Hg и
Dy. Лазерное охлаждение любого нового элемента является серьезной исследовательской задачей,
так как требует точного знания системы уровней, наличия у данного элемента сильного циклического перехода и доступности подходящих лазерных источников.
Как было сказано выше, наибольший интерес представляет получение Бозе-Эйнштейновского
конденсата. В процессе его получения можно выделить несколько наиболее общих и важных этапов: анализ структуры атомов исследуемого вещества -> Зеемановское охлаждение атомов -> пленение замедленных атомов в магнито-оптическую ловушку (МОЛ) -> преодоление субдоплеровского предела -> испарительное охлаждение из потенциала -> получение БЭК.
Бозе-Эйнштейновский конденсат.
Явление бозе-эйнштейновской конденсации было еще в 1925 г. предсказано Альбертом Эйнштейном, который использовал в этой работе метод, предложенный Шатьендранатом Бозе для вывода
спектра излучения абсолютно черного тела. Если газ атомов-бозонов охладить ниже определенной
температуры , значительная часть атомов сконденсируется в квантовом состоянии с низшей
энергией. При температуре
атомы массы
можно рассматривать как квантово-механические
волновые пакеты, имеющие размеры порядка длины волны де Бройля
, обуслов-
ленной тепловым движением. Величина
определяет неопределенность координаты, связанную с тепловым разбросом импульсов, и возрастает с понижением температуры. Когда атомы
охлаждены до температуры, при которой величина
становится сравнимой с межатомным расстоянием, атомные волновые пакеты начинают перекрываться, и газ превращается в «смесь» неразличимых частиц. При этом газ бозонов испытывает квантомеханический фазовый переход и
образует БЭК – облако атомов, каждый из которых находится в одном и том же квантовом состоянии с низшей энергией.
В 1995 году Эрику Корнеллу и Карлу Вимену из Национального института стандартов и технологии США при помощи лазерного охлаждения удалось охладить около 2 тысяч атомов рубидия87до температуры 20 нанокельвинов и экспериментально подтвердить существование конденсата
Бозе-Эйнштейна, за что они совместно с Вольфгангом Кеттерле, который четыре месяца спустя
получил конденсат Бозе-Эйнштейна из атомов натрия с использованием принципа удержания
атомов в магнитной ловушке, в 2001 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.
Имея в своем распоряжении атомы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю,
можно промоделировать одну квантовую систему другой, подконтрольной экспериментатору.
Пример тому – задача Фейнмана, обратившая в 1982 году на невозможность решения даже про-
стейших физических систем на классическом компьютере, ввиду необходимости невероятного
объема вычислительных ресурсов. Так, добавление одного электрона в молекулу усложняет уравнение Шредингера для этой молекулы более чем в 2 раза.
Кроме того, замедленные частицы позволяют реализовать квантовый компьютер. Для его работы
нужны специальные алгоритмы, использующие квантовую интерференцию частиц. Как известно
из квантовой механики, все микрочастицы обладают свойствами и волны, и частицы одновременно. Могут складываться, как волны – интерферировать. Частицы также могут находиться в суперпозиции разных состояний – тоже своего рода сумма. Благодаря таким суперпозициям одновременно анализируются все возможные пути – потенциальные решения задачи. При этом неподходящие пути взаимно уничтожаются (антикоррелируют) за счет интерференции, а подходящие взаимно усиливаются, давая только правильные решения задачи. Поэтому, квантовый компьютер, по
своей сути, не есть полная замена классического компьютера, он нужен, чтобы решать задачи, которые сложно решаются классическим компьютером. Задачи, которые классический компьютер и
так решает хорошо, квантовый компьютер решать сильно лучше не будет, может быть немного
быстрее. Например, задачи сложения и перемножения чисел классический компьютер и так выполняет нормально, так что тут не стоит ожидать каких-то особых прорывов, чуда не произойдет.
А вот задачи, которые связаны с перебором, различными сложными оптимизациями, которые
классический компьютер решает с трудом (за очень большое время) или вообще не может решить,
квантовому компьютеру по силам, он может решать их сравнительно быстро, за приемлемое время. Задачи разложения на множители, поиска в базе данных, обработки больших объемов данных
– это как раз задачки для квантового компьютера. Классическому компьютеру такие задачи решать тяжело. И так получается, что к этим же трудным задачам относятся задачи самой квантовой
механики. Можно подумать, что обычному человеку задачи квантовой механики не очень нужны,
и в каком-то смысле это правда, но с другой стороны, решая задачи подобного рода, мы можем,
например, разрабатывать новые материалы, решать проблемы квантовой химии, медицины или
биологии. Выходы могут быть самые разные: как сделать более качественный шампунь или не горящее, но при этом блестящее покрытие для автомобиля, как сделать эффективное лекарство и
многие другие. Все такие расчеты очень сложны, поскольку сами задачи квантовой механики
сложны по сути своей. Но квантовый компьютер может справляться с ними естественно – он сам
живет в том же мире, что и задачи квантовой механики
Получение БЭК происходит в несколько этапов – доплеровское охлаждение, сизифово охлаждение и испарительное. Данная работа посвящена зеемановскому охладителю, позволяющему увеличить количество атомов, захватываемых в магнитооптическую ловушку и, соответственно, в бозе-конденсат в дальнейшем.
Необходимость лазерного охлаждения
Казалось бы, можно вполне применять захват атомов в МОЛ и осуществлять охлаждение
непосредственно испарением из потенциала. Однако, в МОЛ могут удерживаться лишь достаточно медленные атомы, причем
0.005
верхняя граница скорости линейно зависит от времени жизни
0.004
в возбужденном состоянии. Для
тулия, имеющего согласно рас0.003
пределению Максвелла наиболее
вероятную
скорость
0.002
при температурах,
0.001
100
200
300
Рис. 1: распределение Максвелла по скоростям для атомов тулия, красным
выделенна область скоростей, подходящих для удержания в МОЛ
400
близких к комнатным, максимальная скорость атома, способного оставаться в МОЛ соответствует
. Если же посмотреть на распределение по
скоростям, то очевидно, что такая часть атомов крайне мала, а
следовательно
эффективность
такого охлаждения оставляет желать лучшего.
Использование зеемановского замедлителя
Как следует из вышесказанного, для повышения
эффективности следует захватывать в МОЛ большую часть атомов, а для этого нужно перейти от
стандартного распределения скоростей по Максвеллу к распределению, имеющего значительный пик в
области низких температур. Произвести такое перераспределение позволяет использование лазерного
охлаждения в меняющемся по координате магнитном поле. Впервые подобный опыт был произведен
Уильямом Дэниелем Филлипсом. За работу «Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов» в
1997 году он был удостоен Нобелевской премии.
Его работа и стала основополагающей в современных исследованиях атомов при сверхнизких температурах.
Рис. 2 Начало смешения распределения по скороФиллипс реализовал возможность замедления атостям при лазерном охлаждении
мов натрия встречным резонансным светом: переводя атом в возбужденное состояние он замедлялся,
испытывая «неупругое соударение», по закону сохранения импульса. Когда атом возвращается
в основное состояние, фотон излучается в произвольном направлении, потому средний импульс отдачи фотона равен нулю. Так, двигаясь в резонансном свете, атомы испытывают тормозящую силу. Его работа стала одним из первых практических шагов к получению БЭК.
Теоретическая часть
Двухуровневый атом
Рассмотрим возникновение тормозящей силы на примере двухуровнего атома. Пучок атомов,
движущихся со скоростью , облучается лазерным пучком, направленным ему навстречу.
Каждый фотон, который поглощается атомом, находящимся в основном состоянии, замедляет
его на
, переводя при этом атом в возбужденное состояние
. Чтобы поглотить
снова, атом должен вернуться в основное состояние
, излучив фотон. Фотоны, как было отмечено, излучаются в произвольных направлениях, поэтому средний вклад излучаемых фотонов равен нулю. Хаотичность приводит к поперечному «нагреванию» атома, внимание этому
будет уделено ниже.
На примере данной модели можно оценить силу, замедляющую атомы в результате поглощения
фотонов. Пусть атом имеет в некоторый момент времени скорость , а
резонансным для данного атома является свет с частотой
, а время жизни в состоянии
Рис. 3 Атом, движущийся со скоростью v, сталкивается с фотоном с
импульсом ℏk (a); после поглощения фотона атом замедляется на
ℏk/m (б); после переизлучения фотона в произвольном направлении
атом в среднем движется медленнее (в)
ниями Блоха:
- . Для того чтобы
возбудить такой атом в состояние
встречным светом, поток должен обладать смещенной частотой
вследствие эффекта Доплера.
Определим вероятность перехода
атома в возбужденное состояние.
Двухуровневый атом взаимодействует
с монохроматическим полем, а это
взаимодействие описывается уравне-
Где
,
частота Раби,
колебаний,
интенсивность насыщения,
речная» характерная скорость распада (
ка лазера.
Итак, вероятность возбуждения
медления
дипольный вектор,
амплитуда электрических
интенсивность излучения,
феноменологическая скорость распада), а
, тогда сила средняя сила за
«попе– отстройза-
. После этого, атом испускает фотон, импульс отдачи которого в
среднем равен нулю.
Атом туллия в действительности не является двухуровневым, но такое приближение допустимо
для любого атома, у которого присутствуют такие два уровня, что вероятность перехода между
ними много больше вероятности перехода в другое состояние.
Основным переходом является переход
рина переходов
и
, его ширина и принимается за величину
составляет
и
. Ши-
. При
, т.е. Атом тулия можно считать двух-
,
уровневым при использовании данного перехода.
Но кроме того, возникает проблема: вследствие такого замедления, лазер частоты
не будет являться резонансным, так как атом обладает уже иной скоростью
.
Эффект Зеемана. Использование конусообразного соленоида.
Эффект Зеемана – расщепление линий атомных спектров в магнитном поле, обнаруженный Питером Зееманом в 1896 году. Эффект обусловлен тем, что в присутствии магнитного поля квантовая
частица, обладающая магнитным моментом, приобретает дополнительную энергию
,
пропорциональную его магнитному моменту. Данная энергия снимает вырождение атомных состояний по магнитному квантовому числу
. В классическом представлении электрон в магнитном поле, направленном по оси , можно описать следующим образом, если рассматривать атом,
как гармонический осциллятор:
, где
– масса электрона,
—резонансная частота электронно-
го дипольного перехода.
,
– ларморовская частота, характеризующая прецессию
магнитного момента электронов вокруг вектора внешнего магнитного поля.
Решение такого уравнения показывает, что резонансная частота в
присутствии магнитного поля расщепляется на три частоты
. В квантовом представлении атом имеет полный гамильтониан
– невозмущенный гамильтониан атома и
, где
–возмущение, созданное магнитным по-
лем, а – полный магнитный момент атома.
Так, используя магнитное поле, убывающее по координате (полагая, что начало отсчета в точке
вылета атома), реализовав таковое, к примеру, в конусообразном соленоиде, можно переводить
атом в состояние
лазерным пучком постоянной частоты. При этом сохраняя данную частоту
резонансной, при наличии эффекта Доплера – с уменьшением внешнего поля будет уменьшаться
частота для перехода в
; а также будет уменьшаться доплеровский сдвиг частоты лазера.
Определим величину
Где
при движении в соленоиде
– частота, необходимая для возбуждения атома с учетом зеемановского сдвига. Переводя
атом в состояние
того сдвигается на
- поляризации, частота увеличивается на
относительно частоты
. Кроме
частота световой волны для атома, движущегося навстречу волне со
скорость .
Экспериментальная часть
Моделирование эксперимента.
Рассмотрим следующую модель системы: пусть все атомы, попадающие в соленоид, двигаются
параллельно главной оси соленоида, по ортогональным с данной осью направлениям на атомы не
воздействуют никакие силы (силой тяжести можно пренебречь, считая, что время пролета через
соленоид мало для тех атомов, что в итоге достигают МОЛ). Ускорение, действующее на выразим
из II закона Ньютона:
Тогда система уравнений, описывающая движение атом:
Для качественного предсказания результатов эксперимента, то есть нахождения распределения по
скоростям после прохождения соленоида, рассмотрим три пути моделирования:
1)дискретизация по координате;
2)дискретизация по времени;
3)Решение системы кинематических уравнений, как системы дифференциальных уравнений.
При моделировании дискретным образом выбирается шаг дискретизации,
Точность первых двух методов моделирования сильно зависит от шага координаты (или времени).
Но, кроме повышения точности результатов, при уменьшении шага дискретизации в сильной степени вырастает и время моделирования. Кроме того, данные типы моделирования подразумевают,
что в интервале, равном выбранному шагу, параметры системы не должны значительно изменяться. Видно, что при таких ограничениях наиболее разумно использовать дифференциальный способ
решения.
На основе данной модели можно определить оптимальные параметры для величины отстройки,
интенсивности лазерного пучка, а также величины токов в «большой» и «малой» частях соленоида
(«малая» часть имеет обмотку в противоположенном направлении и наоборот «подталкивает»
атомы в этом поле, что препятствует их падению под действием силы тяжести).
Все дальнейшие расчеты проведены по заданным формулам, в частности решение дифференциальных уравнений проведены в среде Wolfram Mathematica 10, в этой же среде построены графики
соответствующих функций.
Магнитное поле внутри соленоида, рассчитанное по средствам дискретизации по времени, имеет
(при токах в 5 А в обоих частях) следующий вид:
Предположим, ток в малой части отсутствует, отстройка –240МГц, интенсивность излучающего
лазера 50
(очевидно, что чем выше мощность, тем эффективнее охлаждение), тогда из реше-
ния системы имеем следующие графики зависимости конечной скорости от начальной:
Так, оптимальным током в «большой» катушке, оказывается ток в 32 А. При тех же параметрах
определим ток в «малой» катушке:
Теперь, зная оптимальное соотношение токов, определим значение оптимальной отстройки от резонансной частоты:
Оптимальной отстройкой будем считать отстройку от резонанса в –240МГц, так как размер «ступеньки» графика для такой отстройки максимален, а при этом скорость достаточна для загрузки в
МОЛ. Осталось определить значение интенсивности лазерного пучка:
При интенсивностях выше 11 мВт/
значение конечно скорости атомов изменяется не сильно, а
график имеет единственную «ступеньку». Следовательно, нет разумных соображений для увеличения интенсивности.
Постановка эксперимента
Полная схема экспериментальной установки имеет
Схема экспериментальной установки: ТМН—
турбомолекулярный насос Varian Turbo-V 301
Navigator; ФН—форвакуумный насос Varian SH110; ТСЛ—кольцевой одночастотный титансапфировый лазер Coherent MBR 110; ЛН—
лазер накачки Coherent Verdi V-10; ВУЧ—
внутрирезонаторный удвоитель частоты
Coherent MBD-200; ИДВ—интерференционный
измеритель длины волны Angstrom WM5;
ФЭУ—фотоэлектронный умножитель
(Hamamatsu); ПЗС—ПСЗ-камера SDU-205 фирмы СпецТелеТехника; АОМ—акустооптический модулятор света; λ/2—полуволновая
фазовая пластинка на 410,6 нм; λ/4—
четвертьволновая фазовая пластинка на 410,6
нм; ПДП—поляризационный делитель пучка.
Область МОЛ откачивается ион-геттерным
насосом (на Рисунке не изображен); Д1 и Д2—
диафрагмы, формирующие атомный пучок;
Д3—диафрагма, уменьшающая засветку ФЭУ;
ЦТ—цилиндрический телескоп, исправляющий
астигматизм лазерного пучка после удвоителя
MBD.
вид
В ней можно две основные части: вакуумную и оптическую.
Вакуумная часть представляет собой печь с исследуемым тулий, Зеемановский замедлитель и
магнито-оптическую ловушку. В результате нагрева атомы тулия разлетаются, но лишь часть атомов, имеющая скорость, направленную параллельно главной оси соленоида, проходит направляющие иглы и оказывается внутри замедлителя. После замедлителя атомы, оставшиеся атомы
(имеющие достаточную скорость, чтобы не упасть под действием силы тяжести), попадают в
МОЛ, где будет происходить их дальнейшее, субдоплеровское охлаждение.
Опстема
разпучка
Зеемедортопучпучка
Эксные
На
расметленлиде
поду-
ния:
тическая сислужит для
деления и
направления
лазера в сам
мановский залитель, трех
гональных
ков в МОЛ и
привязки.
периментальданные.
основании
чётных параров, вычисных из модерования, в хоэксперимента
лучены слеющие значе-
Заключение
В результате охлаждения получены атомы, с характерной скоростью порядка 40м/c, т.е. скоростью, подходящей для пленения в магнитно-оптическую ловушку и возможного последующего
охлаждения. Кроме того, достигнута высокая концентрация атомов – поток порядка 108 атомов в
секунду. Это, при плановых потерях в один порядок при дальнейшем сизифовом и испарительном
охлаждении, позволяет получать поток 106 в БЭК.
Список используемой литературы.
Сукачев Денис Дмитриевич. Лазерное охлаждение атомов тулия: диссертация кандидата физикоматематических наук [Место защиты: Федеральное государственное бюджетное учреждение
науки Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН].- Москва, 2013.- 107 с.
Снигирев Степан Александрович. Спектроскопия 5D уровней рубидия в магнитооптической ловушке: диссертация кандидата физико-математических наук [Место защиты: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН].Москва, 2013.- 107 с.
Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J., and NIST ASD Team (2014). NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.2), [Online]. Available: http://physics.nist.gov/asd [2014, December 24]. National Institute of
Standards and Technology, Gaithersburg, MD.
Daniel A. Steck, “Rubidium 87 D Line Data,” available online at http://steck.us/alkalidata
K. Chebakov, A. Sokolov, A. Akimov, D. Sukachev, S.Kanorsky, N. Kolachevsky,∗ V. Sorokin, «Zeeman slowing of thulium atoms», P.N. Lebedev Physics Institute
Филипс У Д "Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов" УФН 169 305 (1999)
Коэн-Тануджи К Н "Управление атомами с помощью фотонов" УФН 169 292 (1999)
Чу С "Управление нейтральными частицами" УФН 169 274 (1999)
Кеттерле В "Когда атомы ведут себя как волны. Бозе-эйнштейновская конденсация и атомный лазер" УФН 173 1339 (2003).
Измерение энергетического спектра электрона
из релятивистской лазерной плазмы
Доронин Илья Андреевич 1, Савельев Андрей Борисович 2*
1
ГБОУ лицей №1303, Москва, Таможенный проезд, 4
2
Международный учебно-научный лазерный центр МГУ им. М. В. Ломоносова,
Москва, Ленинские Горы, 1с62
Лазерная плазма, создаваемая при взаимодействии ультракороткого лазерного импульса
высокой интенсивности с веществом, является уникальным источником сверхкоротких импульсов
рентгеновского излучения в широком диапазоне длин волн, а также электронов с высокими
энергиями, что позволяет использовать подобного рода плазму в рентгеновской спектроскопии,
инициировании ядерных реакций, медицине, биологии и т.д.
Большой интерес для исследования представляют быстрые электроны, ускоряемые в плазме
за счёт различных бесстолкновительных механизмов поглощения лазерного излучения. Изучение
этих механизмов позволяет лучше понять фундаментальные физические процессы, протекающие в
плазме, и даёт возможность создавать источники заряженных частиц с управляемыми
параметрами.
Цель работы заключается в проектировании и сборке прибора, измеряющего
энергетический спектр электрона из релятивистской лазерной плазмы (спектрометра). Основной
частью спектрометра являются детекторы, регистрирующие попадание частиц на них. В
зависимости от пространственного смещения детектора от исходного направления электронного
пучка, можно рассчитать угол отклонения регистрируемых им электронов, который в свою очередь
зависит от энергии этих электронов.
Для расчета спектрометра с помощью датчика Холла
измерялась магнитная индукция установленных магнитов, а также
была написана компьютерная программа, способная моделировать
эксперимент с заданными нами параметрами такими, как
расстояние, которое проходит частица в магнитном поле, магнитная
индукция, энергия частицы.
Кроме того, со спектрометром был проведён эксперимент:
 Лазерное излучение (2), попадая на параболическое
зеркало(3), фокусируется на твёрдое тело (мишень)
 Тело, под воздействием нагрева лазером, переходит в
состояние плазмы;
 Вылетающие из плазмы электроны попадают в магнитное
поле (7);
 Там они меняют своё направление в зависимоти от своей
энергии;
 После чего они попадают на один из пяти элементов(6)
детектора спектрометра(5).
Сравнение и экспериментальных результатов подтвердили
спектрометра, и это позволяет использовать его для изучения плазмы.
правильность
работы