Об интерпретации результатов Доплеровской спектроскопии атомарных пучков С.В. Полосаткин

Семинар плазменных лабораторий ИЯФ СО РАН, Новосибирск 11 сентября 2012 г
Об интерпретации результатов
Доплеровской спектроскопии
атомарных пучков
С.В. Полосаткин
Инжекционный
тракт
Магнитсепаратор
Нейтрализатор
Ионный
источник
Доплеровская спектроскопия атомарных пучков
h
H+, H2+, H3+
H(E), H(E/2), H(E/3)
H+(E), H+(E/2), H+(E/3)
H+(E)
H+(E/2)
H(E)
H(E/2)
H(E/3)
H*(E)
H*(E/2)
H*(E/3)
Ha
E/2
E/3
E
H+(E/3)
E/18
650
652
654
656
658
Длина волны, нм
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
Относительное содержание различных компонент определяется по соотношению
интенсивностей смещенных линий Ha
Атомарный пучок
“с магнитом”
Смешанный пучок
“без магнита”
H  H 2  H *  H 2  H  H 2  h
H  H 2  H *  H 2  H  H 2  h
H  H 2  H *  H 2  H  H 2  h
 H k 
c I
 k0 k

 ck 0  I k
 H k 
c I
 k k

 ck  I k
k
ck 0 
 H0 a E   f 0 E 
 H0 a E k   f 0 E k 
k
 H0 a E   f 0 E    H a E   f  E 
ck  0
 Ha E k   f 0 E k    H a E k   f  E k 
 - концентрации соответствующих ионов на выходе из ионного источника (“на сетке”)
Ik – интенсивности смещенных линий Ha
f0, f+ – коэффициенты конверсии в нейтрализаторе
Ha0, Ha - эффективные сечения генерации Ha атомами и ионами
R. Uhlemann, R. S. Hemsworth, G. Wang, and H. Euringer, Rev. Sci. Instrum. 64, 974 (1993)
Как найти сечение генерации Ha?
H  H 2  H *  H 2  H  H 2  h

0
Ha
 
ex
13
 Kbr
3s ………. 1
3p………0.12
3d………...1
Излучательные переходы в атоме водорода
3d
3p
3s
2p
2s
1.7·10-5 эВ
5·10-5 эВ
1s
Как найти сечение генерации Ha?
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
Radiative capture cross-section, 10-16cm2
0.08
0.07
H  H 2  H *  H 2

0.06
+
[ORNL-6086]
3s
0.05
0.04

0.03
0.02

+
[ORNL-6086]
3p
+
[ORNL-6086]
3d
0.01
0
0
10
20
30
E, keV
40
50
60
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
E

~ 10 В / см
2
e  2ra  n
Переходы между подуровнями
Столкновения с кулоновскими центрами
e
  r  
 4  10 -8 cm 2
4 0 E s
2
0
1

n
~ 10 6 cm -3
v
(50 кэВ)
Требуемая концентрация может достигаться за счет обдирки атомов пучка или
ионизации остаточного газа
Столкновения с полярными молекулами
 1 p

  r   
 40 E 
2
0
23
~ 10
-10
cm
2

n
~ 109 cm -3
v
P=3*10-5 Па
Столкновения с полярными молекулами примесей могут приводить к переходам
между подуровнями тонкой структуры
Переходы между подуровнями
Динамический эффект Штарка
Зависимость времени жизни
подуровней от магнитного поля
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

CE
Ha
  3 s   3d   3 p
A3 p - 2 s
A3 p - 2 s  A3 p -1s
  3 s  0.12   3 p   3d
Термодинамическое равновесие
g 3s A3s - 2 p  g p A3 p -2 s  g 3d A3d - 2 p
 HTEa   3s   3 p   3d
 0,43   3s   3 p   3d
g 3s A3s - 2 p  g 3 p A3 p - 2 s  g 3d A3d - 2 p  g 3 p A3 p -1s



Столкновительно-излучательное равновесие

CRE
Ha
  3s
A3 p - 2 s
A3 p - 2 s  A3 p -1s
  3p
A3 p - 2 s
A3 p - 2 s  A3 p -1s
  3d  0.12   3s  0.12   3 p   3d

Сечения возбуждения атома водорода
H  H 2  H *  H 2
ORNL-6086
C. 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)
Radiative capture cross-section, 10-16cm2
0.08
0.07

0.06
+
[ORNL-6086]
3s
0.05
0.04

0.03
0.02

+
[ORNL-6086]
3p
+
[ORNL-6086]
3d
0.01
0
0
10
20
30
E, keV
40
50
60
Сечения возбуждения атома водорода
H  H2  H * H2
ORNL-6086
C. Barnett “Atomic Data for Fusion. Volume 1: Collisions of H, H2,
He, and Li atoms and ions with atoms and molecules”, ORNL6086/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)
 3s
0.12 3 p   3d
 3 s ,  3 p ,  3d
10 - 35 keV
Сечения возбуждения атома водорода
H  H2  H * H2
 3 p  2 3d
Collisional excitation cross-section,10--16cm2
Для расчетов принято
0.08
0.07
0.12* 
0
0
+
3p
3d
[ORNL-6086]
0.06
0.05

0
3s
[ORNL-6086]
0.04
0.03

0.02

0.01
0
3p
0
3s
[Hughes]
[Hughes]
0

0
0
10
20
0
3d
30
E, keV
0
0.12* 3p+ 3d [Hughes]
[Hughes]
40
50
60
Коэффициенты Доплеровской спектроскопии
0.45
a
C
20
Correction factors for composite beam, ck
Correction factors for pure beam, ck0
0.35
0.3
0.25
C30
0.2
0.15
0.1
C
0.5
0.4
0.3
C
3
0.2
0.1
180
0.05
0
b
C2
0.4
C18
10
20
30
40
E, keV
50
60
0
10
20
30
40
E, keV
50
60
Экспериментальное наблюдение смешивания
заселенностей
Сравнение интенсивностей линий в атомарном и
смешанном пучках
I c  H0 a E   f 0 E    H a E   f  E 

Ip
 H0 a E   f 0 E 
Radiative capture cross-section, 10-16cm2
0.08
0.07
H  H 2  H *  H 2

0.06
+
[ORNL-6086]
3s
0.05
0.04

0.03
0.02

+
[ORNL-6086]
3p
+
[ORNL-6086]
3d
0.01
0
0
10
20
30
E, keV
40
50
60
Экспериментальное наблюдение смешивания
заселенностей
Сравнение интенсивностей линий в атомарном и смешанном пучках
I c  H0 a E   f 0 E    H a E   f  E 

Ip
 H0 a E   f 0 E 
2.2
2
CE
1.8
Ic/Ip
TE
1.6
1.4
CRE
1.2
1
0
10
20
30
E, keV
40
50
60
Зависимость от эффективной толщины мишени
nl2
nl1
3.5
3.5
3
nl1=1.1x1016cm-2
3
nl1+nl2=1.1x1016cm-2
nl1+nl2=1.6x1016cm-2
2.5
2.5
2
2
1.5
1.5
1
0
20
nl1=0.6.x1016cm-2
40
60
1
0
20
40
60
Зависимость от эффективной толщины мишени
nl2
nl1
5
5
nl1=0.27x1016cm-2
nl1=0.16x1016cm-2
nl1+nl2=0.77x1016cm-2
4
3
3
2
2
1
0
20
nl1+nl2=0.66x1016cm-2
4
40
60
1
0
20
40
60
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
Сечения возбуждения при столкновениях с атомами и молекулами
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