e - Uniwersytet Jagielloński

Nowa metoda pomiaru przekroju
czynnego na wywołaną elektronami
jonizację atomów Cs w stanie
wzbudzonym (6P)
Wykorzystanie MOTa w pomiarach wywołanych
elektronami przekrojów czynnych
1) Pomiar absolutnych przekrojów czynnych bez konieczności kontroli
gęstości tarczy
2) Możliwość łatwego wytworzenia atomów w stanie wzbudzonym
3) Możliwość badania różnych procesów składających się na całkowity
przekrój czynny dzięki zastosowaniu różnych sekwencji pomiarowych
Podstawowe równania
Γe – straty w populacji pułapki
σe – przekrój czynny na oddziaływanie elektron-atom
Je – gęstość prądu elektronów
e – ładunek elektronu
e J e
 e=
e
dN
= L− N
dt
N t = N 0 e
dN
=− 0 N
dt
Zmiany populacji pułapki przy włączonym
i wyłączonym polu B
zmiany populacji z i bez
wiązki elektronowej
−0 t
−   t
N t = N 0 e
0
e
N t  N 0  t
=
e


N t  N 0
e
N0
≈1 to
jeżeli
N 0
N t e 
ln 
= e t e
N t e 
Układ eksperymentalny
Pomiar fluorescencji
- fotopowielacz + układ optyczny
Pomiar gęstości prądu
● detekcja prądu
- system puszek faradaya
● detekcja kształtu wiązki elektronowej
- system drutów skanujących poprzeczne
przekroje wiązek
Przekrywanie pułapki i wiązki elektronowej
- stereoskopowy pomiar wzajemnej pozycji
pułapki i drutów pomiarowych
to ta l c r o s s - s e c tio n ( 1 0
-1 4
2
cm )
Całkowity przekrój czynny
1
CCC
RMPS
B ro d e
J a d u s z liw e r e t a l
V is c o n t i e t a l
S u r d u t o v ic h e t a l
M a c A s k ill e t a l
P re s e n t w o rk
0 ,1
1
10
in c id e n t e le c tr o n e n e r g y ( e V )
100
Sekwencyjny pomiar fluorescencji
TB= 20ms
Te= 8 ms
τe= 1 ms
TB= 10ms
Te= 8 ms
τe= 1 ms
Rozpraszanie pod małymi kątami
(small angle scattering)
Zmniejszanie czasu Toff=TB-Te powoduje
ograniczenie wpływu zderzeń elastycznych
na mierzony przekrój czynny
- przekaz pędu zwiększa się ze zwiększaniem
energii wiązki elektronowej
- ze zwiększeniem energii elektronów rośnie
liczba atomów rozproszonych pod małymi
kątami (różniczkowy przekrój czynny)
Zależność mierzonego przekroju czynnego od
Toff zbadano w granicy niskich i wysokich
energii wiązki elektronowej. W obu zakresach
chłodzenie dopplerowskie skutecznie
przeciwdziała uciekaniu atomów z obszaru pułapki
Obserwowane zmiany populacji MOTa wywołane są produkcją jonów → TICS
Pomiar populacji stanu wzbudzonego
● Populacja stanu wzbudzonego zależy od
natężenia światła I oraz odstrojenia od
rezonansu Δ
f e=
I /2I S
1I / I S4 2 / 2
Γ = szerokość naturalna linii (32.7686 MHz)
Δ = Γodstrojenie od rezonansu (19 MHz)
● fluorescencja pułapki dana jest przez iloczyn frakcji
stanu wzbudzonego i ilości atomów w pułapce
TF= f e N
● Pomiar populacji stanu wzbudzonego
- pomiar TF w funkcji natężenia wiązek laserowych przy stałej ilości atomów w pułapce
- dopasowanie zależności funkcyjnej z wolnymi parametrami N i IS
Pomiar populacji stanu wzbudzonego
● Realizacja:
- napięcie na komórce Pockelsa kontrolowane przez
wzmacniacz wysokonapięciowy sterowany sygnałem
TTL
- możliwość pomiaru zmian mocy lasera pułapkującego
podczas pomiaru fluorescencji
f r a c tio n 2 7 .2 %
0 ,9
0 ,8
flu o r e s c e n c e ( a .u .)
- zmiana natężenia wiązki pułapkującej przy pomocy
Komórki Pockelsa
1 ,0
0 ,7
0 ,6
D a ta : D a ta 3 _ B
M o d e l: u s e r 7
0 ,5
C h i^ 2 / D o F
= 0 .0 0 0 0 6
R ^2
= 0 .9 9 8 7 8
0 ,4
N
IS
d e lt a
3 .8 2 2 7 5
1 9 .8 8 3 3 4
19
±0
0 ,3
0 ,2
0 ,4
0 ,6
0 ,8
I/I0
fe = 26 (±1) %
Iload – pełna moc lasera
Im1, Im2 – modulacja natężenia
± 0 .0 8 5 0 3
± 0 .7 4 8 3 5
1 ,0
Wynik pomiaru
Całkowity przekrój czynny
wywołaną elektronami jonizację (TICS)
Cs w mieszaninie 26% stanu 62P3/2
i 74% stanu 62S1/2
5 ,5
to ta l io n iz a tio n c r o s s s e c tio n ( 1 0
-1 5
2
cm )
5 ,0
4 ,5
4 ,0
3 ,5
3 ,0
2 ,5
Znajomość TICS dla stanu 62S1/2 pozwala na:
2 ,0
1 ,5
- wyznaczenie TICS w stanie 62P3/2
- wyznaczenie TICS(6P)/TICS(6S)
1 ,0
0 ,5
10
100
in c id e n t e le c tr o n e n e r g y ( e V )
w funkcji energii wiązki elektronowej
Przekrój czynny na jonizację Cs (62S1/2)
Całkowity przekrój czynny na jonizację TICS:
Cs+
- ze stanu 6S (3.89 eV)
- z wewnętrznych orbitali
Cs2+ (27.05 eV)
Cs3+ (62 eV)
SICS
multijonizacja
(12.3 eV) autojonizacja
Wyniki eksperymentalne unormowane
do wyników teoretycznych poniżej progu
na autojonizację (4 – 10 eV)
W wyniku renormalizacji uzyskujemy konsystentną
wartość TICS dla stanu 6S w zakresie 4.5 -800 eV
Błędy eksperymentalne:
Nygaard: 7%
McFarland and Kinney: 10%
Stosunek przekrojów czynnych 2P/2S
Cs++ - 27.05 eV
Rb++ - 31.47 eV
Przekrój czynny na jonizację w stanie
wzbudzonym
Porównanie
TICS (Sc 6P) i SICS (Rb 5P)
● podobieństwo wyników
teoretycznych
● podobne rozbieżności:
wynik exp. (50 eV) = ~3.5* CCC
(~2*CCC w stanie podstawowym)
● dla E > 50eV wynik eksperymentu
w Cs i Rb różni się o przyczynek
od multijonizacji
Dla cezu obserwujemy bardzo dużą rozbieżność (~5x) pomiędzy TICS wyznaczonym
eksperymentalnie i teoretycznie dla energii poniżej progu autojonizacji (~11 eV)
Stan podstawowy Rb
Rb
eksperyment
5S
[6] R.S.Shappe at al
Phys. Rev. Lett. 76 4328 (1996)
5P
[7] M.L.Keller at al
Phys. Rev. Lett. 85 3353 (2000)
teoria
5S
[22] Y-K.Kim at al
Phys. Rev. A. 57 246 (1998)
Podsumowanie
1) pierwszy pomiar przekroju czynnego na wywołaną elektronami jonizację
atomów Cs w stanie wzbudzonym (62P1/2)
2) Zastosowanie oryginalnej techniki pomiarowej bazującej na wykorzystaniu
chłodzenia dopplerowskiego atomów do wyznaczenia przekroju czynnego na
jonizację
3) Istotny przyczynek autojonizacji i wielokrotnej jonizacji do TICS
Rozbieżność między wynikami teoretycznymi i eksperymentalnymi (w obszarze
gdzie porównanie jest możliwe) wskazują na potrzebę dalszych badań
(dla 23S He exp.TICS = 2*CCC)
Plany
Pomiar całkowitego przekroju czynnego na oddziaływanie elektronów z atomami Cs
w stanie 6P
Wyznaczanie przekrojów czynnych na jonizację w oparciu o pomiar strumienia jonów
produkowanych podczas zderzeń
- użycie układu pomiaru czasu przelotu do wyznaczania względnych
przekrojów czynnych na produkcję Cs+, Cs2+ i Cs3+
Department of Physics,
University of Windsor, Ontario, Canada
J.W. McConkey
T.J. Reddish
W. Kedzierski
D.P. Seccombe
S. Sutton
J. Teeuwen
Instytut Fizyki,
Uniwersytet Jagielloński, Kraków, Poland
M. Łukomski
Department of Physics,
Drake University, Des Moines, Iowa, USA
K. Bartschat
Centre for Atomic, Molecular and Surface Physics,
Murdoch University, Perth, Australia
I. Bray
A.T. Stelbovics
P.L. Bartlett