Об интерпретации результатов Доплеровской спектроскопии атомарных пучков

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)
Инжекционный
тракт
Длина волны, нм
E
E/2
E/3
E/18
Hα

Относительное содержание различных компонент определяется по соотношению интенсивностей смещенных линий Hα
Атомарный пучок
“с магнитом”
Смешанный пучок
“без магнита”
η − концентрации соответствующих ионов на выходе из ионного источника (“на сетке”)
Ik – интенсивности смещенных линий Hα
f0, f+ – коэффициенты конверсии в нейтрализаторе
σΗα0, σΗα+ - эффективные сечения генерации Hα атомами и ионами
R. Uhlemann, R. S. Hemsworth, G. Wang, and H. Euringer, Rev. Sci. Instrum. 64, 974 (1993)
Доплеровская спектроскопия атомарных пучков

Как найти сечение генерации Hα?
σ3s ………. 1
σ3p………0.12
σ3d………...1
Излучательные переходы в атоме водорода

Как найти сечение генерации Hα?
Учет распределения заселенностей внутри тонкой структуры уровня необходим, если выполняются следующие условия:
Сечения возбуждения σ3s, σ3p, σ3d имеют разные энергетические зависимости
Есть переходы между подуровнями тонкой структуры

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

Столкновения с кулоновскими центрами
Требуемая концентрация может достигаться за счет обдирки атомов пучка или ионизации остаточного газа
Переходы между подуровнями
(50 кэВ)
Столкновения с полярными молекулами
Столкновения с полярными молекулами примесей могут приводить к переходам между подуровнями тонкой структуры
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

Сечения возбуждения атома водорода
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)

Сечения возбуждения атома водорода
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)
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)

Сечения возбуждения атома водорода
Для расчетов принято

Коэффициенты Доплеровской спектроскопии

Экспериментальное наблюдение смешивания заселенностей
Сравнение интенсивностей линий в атомарном и смешанном пучках

Экспериментальное наблюдение смешивания заселенностей
Сравнение интенсивностей линий в атомарном и смешанном пучках

Зависимость от эффективной толщины мишени
nl1
nl2
nl1=1.1x1016cm-2
nl1+nl2=1.6x1016cm-2
nl1=0.6.x1016cm-2
nl1+nl2=1.1x1016cm-2

Зависимость от эффективной толщины мишени
nl1
nl2
nl1=0.27x1016cm-2
nl1+nl2=0.77x1016cm-2
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