Экспериментальное исследование проявления интерференции атомных состояний в магнитогальваническом эффекте в плазме в неоне

Наблюдение интерференции атомных состояний в атомной спектроскопии началось с регистрации сигнала Ханле — магнитной деполяризации спонтанного излучения в двадцатые годы прошлого столетия [1]. Однако, только к 50−60-м годам этот эффект был интерпретирован и причислен к целому набору других интерференционных явлений таких, как квантовые биения, пересечение уровней в ненулевом магнитном поле и т. д. Теоретическая база интерференционных явлений была разработана авторами [2,3]. В настоящее время наблюдение интерференционных сигналов является важной частью спектроскопии высокого разрешения. Интерес к проблеме интерференции атомных состояний не утихает и объясняется развитием областей науки, имеющих дело с активными средами: физикой газовых лазеров, физикой низкотемпературной плазмы.

Напомним, что термин «интерференция атомных состояний» [2] пришел из оптики. Принципы сложения амплитуд поля и волновых функций совпадают. При сложении полей недиагональные члены называются интерференционными или когерентными. Недиагональные члены матрицы плотности также называются интерференционными или когерентными и проявляются при излучении или поглощении света. В естественных условиях и в лабораторных системах состояние атомов, ионов и молекул может характеризоваться не только концентрацией, распределением по скоростям, степенью ионизации и проч., но и распределением угловых моментов возбужденных состояний. В случае возбуждения направленным неполяризованным светом не возникает преимущественной ориентации угловых моментов возбужденных атомов, а создается ось симметрии вдоль которой угловых моментов в среднем либо больше либо меньше, чем в плоскости перпендикулярной оси симметрии. Такая упорядоченность угловых моментов называется выстраиванием [3].

Интерференцию атомных состояний принято рассматривать в терминах поляризационных моментов: первый поляризационный момент — ориентация возникает при возбуждении светом, поляризованным по кругу. Среда при этом приобретает макроскопический магнитный момент.

Выстраивание характеризуется вторым поляризационным моментом и возникает при облучении светом линейной поляризации, неполяризованным направленным светом или при соударениях. Выстраиванию можно сопоставить наведение квадрупольного момента, при нулевой намагниченности.

В другой интерпретации выстраиванию сопоставляют неравновесную I заселенность зеемановских подуровней.

Впервые интерференционные эффекты в спонтанном излучении плазмы тлеющего разряда наблюдались в работах [4,5]. В процессе исследования этого явления было обнаружено другое интерференционное явление — скрытое выстраивание — выстраивание ансамбля атомов с заданной скоростью теплового движения [6]. Его происхождение авторы связывают с особенностью поглощения света подансамблем атомов с выделенным направлением движения. При равномерном распределении интенсивности по углам, движущийся атом имеет большую вероятность поглотить квант света перпендикулярно направлению своего движения. Это приводит к выстраиванию электронной оболочки каждого атома подансамбля по направлению его движения. При интегрировании по всем направлениям скоростей такое выстраивание изчезает, чем оправдывает свое название «скрытое». Анизотропия плазмы в цилиндрической газоразрядной трубке, механизмы формирования двуосного макроскопического выстраивания, а также скрытого выстраивания и особенности их регистрации подробно описаны в работах [2,3].

Среди интерференционных явлений особое место занимают эффекты, связанные с самовыстраиванием атомных состояний. Эти явления интересны тем, что когерентность возбужденных состояний образуется за счет анизотропии' световых потоков, анизотропии движения электронов, анизотропных столкновений в самом разряде. В ряде работ Чайки М. П. [4,7,8] было обнаружено, что в цилиндрических разрядных трубках работает и оптический и электронный канал наведения самовыстраивания. Для любого светящегося объема газа всегда имеет место анизотропия световых потоков. В частности, в цилиндрическом объеме, если длина свободного пробега фотона больше поперечных размеров трубки, то поток света вдоль оси всегда больше, чем по другим направлениям. Тензор такого выстраивания имеет ту же симметрию, что и угловое распределение световых потоков в разрядном объеме (двуосное самовыстраивание).

Анизотропия движения возбуждающих электронов определяется величиной радиального электрического поля и проявляет себя значительно при малых давлениях газа. В работе [7] представлены сигналы Ханле в продольном и поперечном магнитном поле, отражающие разрушение магнитным полем выстраивания электронным ударом высоковозбужденных атомных состояний в плазме инертных газов. Авторами показано, что при малых давлениях анизотропия движения электронов играет существенную роль в формировании самовыстраивания.

Самовыстраивание возбужденных состояний с разрешенными переходами в инертных газах было детально исследовано в работах Чайки М. П. и её учеников. Наблюдение узких лоренцевских резонансов, связанных с выстраиванием метастабильных состояний, стало возможным только с появлением перестраиваемых лазеров. Так, самовыстраивание метастабильного состояния 2р53 $ (Р2) по Пашену) в положительном столбе разряда в неоне впервые наблюдалось экспериментально [9] и его величина была оценена ~ 3%.

В настоящее время изучение механизмов самовыстраивания резонансных и метастабильных атомных состояний остается по-прежнему актуальным.

В работах [10,11] показано, что оптические характеристики поглощающей среды (поглощение и преломление) при наличии самовыстраивания зависят от величины внешнего магнитного поля и носят резонансный характер. В этих работах регистрировалась разность поглощения волн двух ортогональных поляризаций (дихроизм и двулучепреломление) в разряде постоянного тока в неоне в зависимости от величины внешнего магнитного поля на переходе Зр2−2р4 (632.8 нм).

Вслед за самовыстраиванием в положительном столбе, было замечено самовыстраивание возбужденных состояний инертных газов в разряде с полым катодом [12], которое, по мнению авторов, вызвано пространственной анизотропией электронного газа (анизотропия световых потоков не существенна из-за малости рабочих токов, обусловленных геометрией разряда). Одно из существенных отличий разряда с полым катодом от положительного столба состоит в наличии лучевых электронов, что приводит к появлению значительного момента второго ранга в разложении функции распределения электронов по энергиям по мультипольным компонентам. В этом разложении, как известно, мультипольный момент первого ранга задает конвенциональную проводимость, а момент второго ранга — поток электронного импульса. Этот поток и вносит анизотропию в процесс возбуждения, из-за которой возбужденные состояния могут оказываются в когерентной суперпозиции типа самовыстраивания. В первых экспериментах [12,13], полый катод был собран из двух паралельных немагнитных сеток квадратной формы (2 см х 2 см), расположенных на расстоянии 2 см. Такая геометрия полого катода позволила авторам разделить эффекты оптического и электронного самовыстраивания.

В работе [14] было обнаружено влияние оптического выстраивания и ориентации атомов Не4 в метастабильном ¿-^/-состоянии на излучение в газоразрядной поглощающей ячейке, в которой возбуждался безэлектродный ВЧ-разряд. Тогда же было установлено, что при разрушении ориентации атомов гелия в 235—состоянии возрастает электронная плотность в газоразрядной плазме. Было обнаружено, что на излучение атомов гелия в плазме влияет разрушение магнитным полем как оптической ориентации (накачка циркулярно поляризованным светом), так и оптического выстраивания (накачка неполяризованным светом). Влияние разрушения ориентации и выстраивания носит сходный характер, хотя величины эффектов различаются. Изменение электронной плотности в газоразрядной ячейке (регистрировалось изменение проводимости) также происходило при разрушении выстраивания и ориентации внешним магнитным полем. Резонансные изменения электронной плотности и интенсивности излучения ячейки в видимой области происходят синхронно и имеют сходную форму, что связывает их в проявление одного и того же эффекта. Что же именно происходит в разряде? Авторы предполагают, что при поляризации атомов циркулярно поляризованным светом, электроны плазмы тоже становятся поляризованными в результате спинового обмена с этими атомами. Тогда, если сечения ступенчатого возбуждения зависят от взаимной ориентации э спинов свободного электрона и атома гелия в 2^{-состоянии,} то разрушение этих поляризаций магнитным полем приводит к обнаруженным эффектам. Однако, при накачке неполяризованным светом имеет место только о выстраивание атомов гелия в 2^{-состоянии,} и это объяснение становится несостоятельным. Возможно, что сечения ступенчатого возбуждения атомов о гелия из 2^{-состояния} зависят от направления движения свободных электронов по отношению к направлению спина атома. Тогда вышеупомянутые эффекты зависят как от степени ориентации или выстраивания метастабильных атомов гелия, так и от направления колебаний электронов в ВЧ-разряде. Позже схожие эффекты были обнаружены в ВЧ-разряде в другом инертном газе — ксеноне [15].

Есть также данные о наблюдении и объяснении механизмов ориентации и выстраивания в космической среде (например, [16]). В разреженной космической атмосфере имеются направленные потоки излучения, корпускулярные потоки и отсутствует термодинамическое равновесие. Распределение угловых моментов анизотропно, они выстроены или ориентированы. Анализ физических условий в различных космических объектах показал, что выстраивание должно быть весьма распространенным явлением. Основным механизмом такого выстраивания является резонансное рассеяние направленного неполяризованного излучения, идущего от звезд и туманностей. Подробное описание применения явления самовыстраивания в исследовании лабораторных и астрофизических объектов, его возможных приложений в практических задачах приводится в обзоре [17].

В экспериментах по наблюдению интерференции атомных состояний необходимо создать ансамбль частиц в когерентном состоянии. Симметрия внешнего воздействия и квантовые характеристики уровней определяют моменты, которые могут быть наведены в ансамбле. Например, в изотропном ансамбле, возбужденном изотропным светом, изменяется только населенность (нулевой момент). Первый (нечетный) момент — ориентация — возникает в изотропном ансамбле при облучении циркулярно поляризованным светом. При осесимметричном воздействии на изотропный ансамбль возникают четные моменты (нулевой — населенность, и второй — выстраивание).

Внешнее магнитное поле, разрушающее анизотропию в распределении угловых моментов возбужденных частиц, изменяет поляризационные характеристики излучения (и поглощения) системы. Регистрация этих изменений (поляризационная лазерная спектроскопия) является одним из эффективных методов исследования интерференции атомных состояний. В настоящее время интерференционные явления наблюдаются по этой методике в плазме тлеющего разряда, разряда с полым катодом, ВЧ-разряда, в пламенах, в плазме молекулярных газов.

Наряду с оптическими проявлениями, интерференция атомных состояний в плазме газового разряда приводит к специфическим эффектам в проводимости плазмы. Несмотря на то, что изменение гальванических свойств плазмы (проводимости, электронной плотности, потенциала зажигания) в присутствие резонансного оптического излучения известно давно, единого мнения о его происхождении пока нет.

Таким образом, среди многообразия интерференционных сигналов в газоразрядной плазме, вызванных разрушением в магнитном поле выстраивания (ориентации), наведенного внешним источником или анизотропными процессами в самом разряде, можно выделить три группы:

• Магнито-оптические — или оптико-магнитные — резонансы в спонтанном испускании {эффект Ханле) [18], поглощении [19,20], фарадеевском вращении плоскости поляризации [21], дихроизме и двулучепреломлении [22−24]. По сути магнито-оптические сигналы — это регистрация в различных схемах интенсивности и поляризационных характеристик прошедшего плазму света в зависимости от внешнего магнитного поля (метод магнитного сканирования).

• Оптогальванические резонансы (с пересечениел1 уровней) — наиболее распространенные в настоящее время, представляют собой регистрацию гальванического отклика плазмы в различных схемах на внешний оптический источник в магнитном поле. Изменение гальванических свойств плазмы в присутствие резонансного оптического излучения исследуется довольно давно. Наиболее полная теория этого явления, подкрепленная многочисленными экспериментальными данными, описана в [25].

• Магнитогальванические — сигналы изменения проводимости плазмы в отсутствие внешнего источника света — регистрация гальванического отклика на внешнее магнитное поле. Поскольку выстраивание и/или ориентация, вызванные условиями в разряде, во много раз меньше, чем при наличии внешнего источника, это создает дополнительные трудности в эксперименте. Данных по магнитогальваническому эффекту очень мало. Впервые термин «магнитогальванический эффект» был предложен авторами [26], получившими данные по резонансному изменению проводимости плазмы газового разряда постоянного тока в неоне.

В серии работ [27−30] экспериментально наблюдались оптико-магнитные резонансы, обусловленные выстраиванием резонансного состояния.

Ne JPj (ls4 по Пашену) и выстраиванием метастабильного состояния 3Р2 (ls5). В работе [31] наблюдались аномально узкие магнитооптические резонансы на переходе 3s2 — 2р4 (1=632.8 нм), для объяснения которых привлекалась в частности гипотеза о выстраивании j метастабильного уровня Р2. Возможность прямого наблюдения выстраивания метастабильного состояния вытекает из того факта, что оптические свойства (поглощение и преломление) плазмы тлеющего разряда, в которой присутствует выстраивание, меняются при наложении магнитного поля, которое разрушает выстраивание. При изучении резонансных или метастабильных состояний атомов, когда регистрация флуоресценции затруднена или невозможна, особую роль приобретают поляризационные магнито-оптические методы, в которых исследуется анизотропия поглощающих, а не распадающихся состояний.

Впервые, как уже говорилось, магнитогальванический эффект был обнаружен и назван в 1990 году [26], тогда исследовался разряд постоянного тока в неоне, при наложении продольного магнитного поля без внешних оптических воздействий наблюдался резонанс проводимости. Оценка ширины сигнала ~0.8 Гс при давлении р=0.2 Topp указывала на его возможную связь с самовыстраиванием метастабильного состояния Iss.

В слабых магнитных полях зависимость проводимости газоразрядной плазмы от магнитного поля изучена недостаточно хорошо, однако, некоторые данные встречаются в литературе. Нормальным поведением плазмы в магнитных полях — до 100 Гс считается увеличение проводимости в продольном магнитном поле и уменьшение — в поперечном. Эта тема частично освещена в работах [33−35]. В частности, в монографии Грановского [33] показано, что сохранение стабильности тлеющего разряда и однородности его положительного столба связывает такие величины, как Те — среднюю энергию электронов в плазме, Е: — продольное электрическое поле, Vp — падение напряжения на разрядной трубке, z{ — среднее число ионизаций за единицу времени, а — проводимость разряда и Н — продольное магнитное поле. Например, с ростом тока разряда должно уменьшаться продольное электрическое поле. Но и здесь не все однозначно. Например, в работе [36] наблюдалось уменьшение напряженности электрического поля в положительном столбе разряда постоянного тока на 5% в магнитных полях порядка 500 Гс при давлениях 1.5−2 Topp. В то же время авторы [37] регистрировали увеличение напряженности продольного электрического поля с ростом продольного магнитного поля. «Противоречивые» данные лишний раз дают подтверждение тому, что сохранение стабильности разряда и однородности положительного столба определяет область применимости общепринятых представлений для такого вида плазмы.

Аномальное поведение тока разряда в поперечном магнитном поле наблюдалось авторами [38] в He-Ne смеси, которое проявлялось в увеличении тока разряда в малых магнитных полях. В работе [39] теми же авторами исследовалась плазма газорязрядного He-Ne одночастотного лазера на длине волны 1.15 мкм. Кювета длиной 14.5 см и диаметром 2.2 мм была наполнена смесью 20Ne: 3Не в отношении 1:10 при давлении 3 Topp. Поперечное магнитное поле накладывалось на 1/3 разряда. Регистрировались две величины: изменение тока разряда и интенсивность излучения лазера. Результат этого эксперимента представлен на рис. 1.

Ту отн, ее?. Юнкк.

— йо -2 -6 -4 -2 о? 4 б 8 Нх мй.

Рис. 1. Зависимость интенсивности лазерного излучения (А,=1.15 мкм) газорязрядного Не-№ одночастотного лазера и разрядного тока на кювете от поперечного магнитного поля [39].

Характерной особенностью этих результатов является:

• резонансный характер изменения тока разряда и интенсивности лазерного излучения;

• аномальное увеличение тока вблизи нулевого магнитного поля;

• малая амплитуда гальванического отклика;

• снижение тока проводимости при дальнейшем увеличении (>2 мТл) напряженности поперечного магнитного поля.

Примерно в это же время при исследовании оптогальванического эффекта в №-Не плазме высокочастотного разряда были обнаружены слабые сигналы Ы] в отсутствие света гелиевой лампы [40]. В этой работе проводилось наблюдение и исследование поляризационного оптогальванического эффекта в Иа-Не плазме при одновременном воздействии на нее поляризационно-модулированного лазерного излучения, резонансно возбуждающего атомы натрия, и циркулярно поляризованного света гелиевой лампы. Авторами было сделано предположение о том, что взаимная спиновая ориентация метастабильных атомов гелия и натрия влияет на вероятность процесса пеннинговой ионизации при столкновении этих атомов в плазме ВЧ-разряда. Поэтому разрушение или изменение ориентации должно приводить к изменению электропроводности щелочно-гелиевой плазмы, что и было обнаружено экспериментально. Регистрация гальванического отклика осуществлялась следующим образом: изменение электропроводности плазмы приводило к изменению напряжения на ВЧ-контуре, включающем в себя газоразрядную камеру, и соответственно амплитуды ВЧ поля, излучаемого контуром. Это изменение амплитуды регистрировалось детектором. При увеличении электропроводности плазмы падало напряжение на электродах поджига разряда и, соответственно, падала амплитуда излучаемого контуром ВЧ поля.

Суть эксперимента состояла в следующем. Циркулярно поляризованным светом гелиевой лампы производилась оптическая ориентация метастабильных атомов гелия, возбужденных в разряде. Одновременно газоразрядная плазма облучалась лазерным светом со знакопеременной циркулярной поляризацией. Наблюдалось изменение электропроводности плазмы с частотой изменения знака поляризации лазерного излучения при сканировании его длины волны через область резонансного поглощения атомов натрия. Амплитуда сигналов линейно зависела от интенсивности гелиевого света, то есть определялась степенью спиновой ориентации триплетных метастабильных атомов гелия.

Авторы делают вывод, что оптогальванический эффект в №-Не плазме, содержащей оптически ориентированные метастабильные атомы Не, при облучении ее циркулярно-поляризованным светом, соответствующим Т)2 переходам атомов связан с взаимной ориентацией спиновых моментов ансамблей атомов гелия и щелочного металла. Такая связь может объясняться зависимостью вероятности процесса пеннинговой ионизации от взаимной ориентации спиновых моментов сталкивающихся атомов. При одинаковой ориентации реакция пеннинговой ионизации запрещена законом сохранения полного спина и его проекции. Изменение ориентации одного из партнеров снимает этот запрет, что увеличивает выход свободных электронов в плазму газового разряда и проявляется в изменении ее электропроводности. В этой работе кратко упоминается наблюдение резонансного сигнала проводимости вблизи нулевого магнитного поля и в отсутствие облучения гелиевой лампы, что связано с ориентацией ансамбля атомов гелия под действием процессов, происходящих в плазме разряда.

В настоящее время наибольший интерес представляют комплексные исследования газоразрядной плазмы, в которых при одинаковых условиях в разряде регистрируются различные типы интерференционных сигналов. Такие данные могут дать наиболее исчерпывающую информацию о механизмах наведения и разрушения анизотропии распределения угловых моментов атомов. Обобщая приведенные в литературе данные исследований интерференции атомных состояний, можно утверждать, что информативным и перспективным направлением в этой области остается изучение гальванического отклика газоразрядной плазмы на разрушение когерентности. В этой сфере многие вопросы остаются пока без ответов, а новые данные, подтверждающие или опровергающие имеющиеся гипотезы, вызывают живой интерес. Все это позволяет сформулировать основную цель настоящей работы:

— детально изучить поведение магнитогальванического эффекта в плазме положительного столба в неоне;

— исследовать поведение магнитогальванических сигналов в полом катоде;

— ответить на вопрос, какой из метастабильных уровней в неоне дает наибольший вклад в магнитогальванический сигнал;

— сделать оценку влияния выстраивания на сечение ионизации возбужденных состояний атома согласно гипотезе М. П. Чайки [27].

Основные результаты диссертации представлены в ниже перечисленных публикациях и материалах конференций.

Конференции.

1. Горбенко А. П., ПолищукВ.А., ТодоровГ. Ц, Чайка М. П. К вопросу о происхождении магнитогальванического эффекта в Ne. // Труды XXII съезда по спектроскопии 2001 г. Москва, с.34−35.

2. PetrovL., SlavovD., ArsovV., Gorbenko A., Steflekova V., PolischukV., Zhechev D., Todorov G. Considerations towards the possibility of estimation of f 5 the coherence relaxation lifetime of the neon 2p 3s (P2) metastable from the magneto-galvanic resonances // 38 EGAS conference, Ischia (Naples), 7−10 June 2006, p. 217.

3. Steflekova V., PetrovL., SlavovD., ArsovV., Gorbenko A., Zhechev D., Polischuk V., Mihajlov N., Todorov G. Magneto-Galvanic Resonances In Hollow Cathode Discharge Lamps // 23th Summer School and International Symposium on the Physics of Ionized Gases (SPIG 2006) Editors: Nenad S. Simonovic, Bratislav P. Marinkovic and Ljupco Hadzievski, Institute of Physics, Belgrade, Serbia 2006, p. 339−342.

4. Petrov L., Slavov D., Arsov V., Gorbenko A., Steflekova V., Polischuk V.,.

N).

Zhechev D., Todorov G. Self-induced coherence and conductivity of glow discharge // Proceedings of SPIE (2007) — The International Society for Optical Engineering, 6604, art. no. 660 401.

5. A. Gorbenko, A. Kuzmin, V. Polischuk, D. Slavov, L. Petrov, E. Borisova, G. Todorov Peculiarities of the magneto-optical resonances on states in a Ne glow discharge // Proc. SPIE — Vol. 6726, 6726−2V (2007).

Статьи.

1. Горбенко А. П., ПолищукВ.А., ТодоровГ.Ц., Жечев Д. З. Влияние интерференции атомных состояний на гальванические свойства газового разряда. //Вестник СПбГУ, Сер.4, 2007, в.1, с. 51−58.

2. Горбенко А. П. Аномальные магнито-оптические резонансы на состояниях 2ps3s в разряде в Ne // Научный вестник Ужгородского университета 2007, сер. Физика, в.21, с. 114−120.

3. V. Steflekova, L. Petrov, D. Slavov, V. Arsov, A. Gorbenko, D. Zhechev, V. Polischuk, N. Mihajlov, G. Todorov Self-induced coherence and conductivity of glow discharge. // Proceedings of SPIE Volume: 6604,5.03.2007.

Заключение

.

1. Получены результаты, подтверждающие связь магнитогальванического эффекта в положительном столбе и в полом катоде с самовыстраиванием возбужденных состояний №.

2. Показано преимущественное влияние метастабильного состояния на проводимость плазмы газового разряда в №. Впервые обнаружен эффект прямого влияния резонансного лазерного излучения (переход 1 $ 5—2р9, X = 640.2 нм) на магнитогальванический сигнал в №Сс1 лампе с полым катодом. Отмечено изменение формы и амплитуды гальванического отклика газоразрядной плазмы положительного столба под действием лазерного излучения на переходе 2р4 — 1я5 (к= 594.4 нм).

3. Предложена геометрическая модель, связывающая поляризацию (ориентацию) электронной оболочки выстроенных возбужденных состояний с сечением ионизации электронами.

4. Получены аномальные магнито-оптические резонансы на состоянии Ь3 (•/=0) и предложена их интерпретация.