Об интерпретации результатов Доплеровской спектроскопии атомарных пучков

1. Семинар плазменных лабораторий ИЯФ СО РАН, Новосибирск 11 сентября 2012г Об интерпретации результатов Доплеровской спектроскопии атомарных пучков С.В. Полосаткин

2. Доплеровская спектроскопия атомарных пучков Ионный источник Нейтрализатор Инжекционный тракт Магнит- сепаратор Ha H(E) H(E/2) H(E/3) H*(E) H*(E/2) H*(E/3) E/2 H(E), H(E/2), H(E/3) H+(E), H+(E/2), H+(E/3) H+(E) H+(E/2) H+(E/3) E/3 H+, H2+, H3+ E E/18 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

3. Доплеровская спектроскопия атомарных пучков Относительное содержание различных компонент определяется по соотношению интенсивностей смещенных линий Ha Атомарный пучок “с магнитом” Смешанный пучок “без магнита” h - концентрации соответствующих ионов на выходе из ионного источника (“на сетке”) Ik – интенсивности смещенных линий Ha f0, f+ – коэффициенты конверсии в нейтрализаторе sHa0, sHa+ - эффективные сечения генерации Haатомами и ионами R. Uhlemann, R. S. Hemsworth, G. Wang, and H. Euringer, Rev. Sci. Instrum. 64, 974 (1993)

4. Как найти сечение генерации Ha? 3d 3p 3s 1.7·10-5 эВ 159 нс 15нс 45нс 2p 2s 5·10-5 эВ 1.6 нс 6 нс 1s s3s………. 1 s3p………0.12 s3d………...1 Излучательные переходы в атоме водорода

5. Как найти сечение генерации Ha? • Учет распределения заселенностей внутри тонкой структуры уровня необходим, если выполняются следующие условия: • Сечения возбуждения s3s, s3p, s3dимеют разные энергетические зависимости • Есть переходы между подуровнями тонкой структуры

6. 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

7. Переходы между подуровнями Столкновения с кулоновскими центрами (50 кэВ) Требуемая концентрация может достигаться за счет обдирки атомов пучка или ионизации остаточного газа Столкновения с полярными молекулами P=3*10-5Па Столкновения с полярными молекулами примесей могут приводить к переходам между подуровнями тонкой структуры

8. 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

9. Модели заселенности подуровней Корональное равновесие Термодинамическое равновесие Столкновительно-излучательное равновесие

10. 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)

11. 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)

12. Сечения возбуждения атома водорода Для расчетов принято

13. Коэффициенты Доплеровской спектроскопии

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

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

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

17. Зависимость от эффективной толщины мишени nl2 nl1 nl1=0.27x1016cm-2 nl1=0.16x1016cm-2 nl1+nl2=0.77x1016cm-2 nl1+nl2=0.66x1016cm-2

18. 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

19. Сечения возбуждения при столкновениях с атомами и молекулами • EXC H [G], H [G] --> H [3s] • 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