Проведение пучковых экспериментов требует селективной диагностики параметров атомного пучка с целью учета вклада каждого компонента в процессы взаимодействия сталкивающихся частиц.
Лазерные методы детектирования позволяют достичь высокой чувствительности наряду с высоким спектральным, временным и пространственным разрешением [1, 2]. Высокая селективность данных методов позволяет выделить и исследовать атомы в определенных возбужденных состояниях. Наибольшей чувствительностью обладают методы ионизационной лазерной спектроскопии, однако вследствие высокой вероятности процесса ионизации быстрых атомов с энергией порядка сотен эВ на остаточном газе и газе-мишени наиболее эффективным является метод лазерной флуоресценции.
Целью данной работы являлось исследование заселения метастабильного 3s[3/2]
-состояния Ne I в пучке атомов неона с энергией 600 эВ, сформированном газоразрядным источником ионов с многоканальной камерой перезарядки, аналогичным [3].
Схема экспериментальной установки приведена на рис.1.
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки:
АП - атомный пучок; К - конденсор; СФ - светофильтр; ФД - фотодиод;
Д - диафрагма; Л - фокусирующая линза; СЛ - спектральная лампа.
Метод лазерной флуоресценции был реализован по следующей схеме. Накачка осуществлялась на длине волны 614.3 нм, флуоресценция наблюдалась на линии 692.9 нм. Излучение собиралось с помощью светосильного конденсора (Ω = 0.19 ср) и регистрировалось ФЭУ-79 в режиме счета фотонов. Линия флуоресценции выделялась светофильтром КС-19, частично подавляющим засветку как от лазера накачки, так и от излучения, возбуждаемого при столкновениях быстрых атомов с остаточным газом. Импульсы с ФЭУ подавались на схему совпадений с разрешающим временем 56 нс, выполненную в стандарте КАМАК. Синхронизация осуществлялась с помощью лавинного фотодиода, сигнал с которого через электронную линию задержки подавался на второй вход схемы совпадений.
Лазерное излучение генерировалось перестраиваемым лазером на красителе феналемин-160, накачиваемом лазером на YAG:Nd+3 с модулированной добротностью и внутрирезонаторной генерацией второй гармоники. Частота следования импульсов перестраиваемого лазера - 100 Гц, длительность импульса - 25 нс, ширина линии генерации - 0.07 нм, средняя мощность на длине волны 614.3 нм - до 1 мВт. При фокусировке достигалась плотность мощности порядка 5 кВт/(мм2 нм), что почти в 40 раз превышает мощность, необходимую для насыщения флуоресценции. Спектр генерации контролировался с помощью спектрометра, скрещенного с интерферометром Фабри-Перо.
Среднее время накопления счетного сигнала со схемы совпадений составляло 60 мин, что позволило регистрировать 2 имп/с сигнала совпадений от флуоресценции со случайной погрешностью не более 10% (в предположении о пуассоновском распределении импульсов). Число истинных совпадений определялось как разность числа совпадений при накачке на линии 614.3 нм и при отстройке лазерной линии от линии поглощения на 1.5 нм.
Концентрация быстрых атомов в 3s[3/2] -состоянии определялась путем измерения разности сигнала флуоресценции при подаче вытягивающего и запирающего потенциала на камеру перезарядки. При давлении неона в источнике ионов 5·10-2 Тор и концентрации нейтральных атомов в пучке 107 см-3, которая определялась по току вторично эмиссионного детектора (γ0 = 0.25), концентрация атомов в исследуемом состоянии была равна 3·10-4 см-3. Давление неона на трассе пучка не превышало 10-5 Тор.
Исследование состава пучка показало, что помимо быстрых частиц в нем также присутствуют тепловые атомы в данном состоянии. Концентрация тепловых атомов существенно зависит от давления неона в источнике ионов и параметров разряда. Она достигала максимального значения 106 см-3 при давлении 6·10-3 Тор. При увеличении давления до 5·10-2 см-3 концентрация тепловых атомов падала на порядок.
Систематическая погрешность измерений, обусловленная погрешностью измерения чувствительности системы регистрации излучения, погрешностью определения излучающего объема и времени облучения, может достигать двух раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Летохов В.С. Нелинейные селективные фотопроцессы в атомах и молекулах. М.: Наука, 1983.
- Демтрёдер В. Лазерная спектроскопия. М.: Наука, 1985.
- Гостев В.А., Елаховский Д.В., Хахаев А.Д. Модифицированный источник пучка быстрых нейтральных атомов регулируемой энергии // ЖТФ. 1980. Т.50. №10. С. 2158-2162.