Pomiary przekrojów czynnych na oddziaływanie elektronów z atomami Cs w pułapce magneto-optycznej
Pomiary w pułapce magneto-optycznej W wyniku oddziaływania elektronów z uwięzionymi w pułapce atomami następuje przekaz pędu i wyrzucanie atomów z pułapki: e J e e= e Γe straty w populacji pułapki σe przekrój czynny na oddziaływanie elektron-atom Je gęstość prądu elektronów e ładunek elektronu Pomiar Γe i Je pozwala na bezpośrednie wyznaczenie wartości σe (całkowitego przekroju czynnego: zderzenia elastyczne, wzbudzenia, jonizacja) 1. pułapka magneto-optyczna 2. kontrola i diagnozowanie wiązki elektronowej 3. pomiar gęstości prądu w obszarze pułapki 4. przekrywanie wiązki elektronowej z chmurą zimnych atomów
Pułapka magneto-optyczna lasery diodowe: 852nm, 100 mw stabilizacja laserów spektroskopia saturacyjna przygotowanie wiązek laserowych d = 17 mm Δ =15 20 MHz
Pułapka magneto-optyczna migawka teleskop AOM
Pułapka magneto-optyczna Gradient B ~10 G/cm (I = 2 A) Zewnętrzne cewki kompensujące pole magnetyczne Ziemi oraz ułatwiające celowanie P 5 10-8 Torr N=107 atomów Rozmiar chmury : ~1mm T 125 µk
Wiązka elektronowa zakres energii 5-400 ev źródło elektronów Ba0 - dysk 6 elektrod, dwie pary płytek odchylających (elektrostatycznych) kalibracja w oparciu o próg produkcji He (~0.3 ev) ekranowanie obszaru oddziaływania + 24.58 ev
Pomiar prądu Rozmiar i kierunek wiązki elektronowej: stosunek prądu mierzonego na wenętrznej i zewnętrznej puszcze Faradaya pomiędzy pomiarami fluorescencji pułapki, w celu znalezienia rzeczywistej wartości emitowanego prądu wykonywano pomiar przy dużym dodatnim potencjale na FC. 17 ev -6 5-6 0-5 5 I ( µa ) Małe dodatnie napięcie na wewnętrznej puszce w celu uniknięcia wtórnej emisji -7 0-5 0-4 5-4 0-3 5-3 0-5 0 5 10 15 20 25 30 b ia s in g v o lta g e o n in n e r F.C. ( V ) 35 40
Kontrola i diagnozowanie wiązki elektronowej Thin-wire probe d = 0.01'' przesuw = 0.001'' dwa prostopadłe przekroje pomiar przekroju wzdłuż kierunku wiązki elektronowej (kontrola rozbieżności) E = 50 ev I= 116 μa Idensity= 115.25 μa/cm2 dla jednorodnej, równoległej wiązki: I r 2 x r 0 2
Geometria eksperymentu pomiar poprzecznych przekrojów wiązki elektronowej obserwacja względnej pozycji pułapki i drutów pomiarowych krótkoogniskowa soczewka przed PM
Układ eksperymentalny turbo pump ion pumps Cs reservoir gas line photomultiplier Układ próżniowy: - pompa rotacyjna - pompy jonowe źródło atomów: - rezerwuar atomów Cs - kontrolowany naciek gazu manipulators channeltron kontrola wzajemnego położenia pułapki i wiązki elektronów: - zewnętrzne cewki kompensacyjne - manipulatory - kamery FC cameras magnetic coils system detekcji: - fotopowielacz - channeltron - puszki Faradaya
Metoda eksperymentalna Podstawowe równania dn = L N dt równowaga między ładowaniem i stratami populacji w stanie stacjonarnym dn = 0 N dt w czasie oddziaływania elektronów z atomami pole B jest wyłączone (wyłączone ładowanie pułapki) N t = N 0 e eksponencjalny zanik populacji pułapki 0 t t N t = N 0 e 0 N t N 0 t = e N t N 0 e N0 1 to jeżeli N0 e stosunek populacji z i bez wiązki elektronów N t e ln = e t e N t e Efekty mogące powodować straty: ekspansja termiczna zderzenia nieelastyczne pole grawitacyjne zmienne pole B zderzenia z gazem resztkowym + zderzenia z elektronami
Realizacja Sekwencyjny pomiar całkowitej fluorescencji w fazie ładowania pułapki kolejno z i bez użycia wiązki elektronowej τe= 1 ms Te=8 ms TB= 20ms N t e ln = e t e N t e 0 10 ms : N 0= N 0
Rozpraszanie pod małymi kątami (small angle scattering) Toff granica w której najwolniejsze atomy biorące udział w zderzeniu z wiązką elektronów opuszczą pułapkę (całkowity przekrój czynny) Zależność całkowitego przekroju czynnego od opóźnienia włączenia pułapki Toff 0 granica w której nawet najszybsze atomy nie zdołają opuścić pułapki (przekrój czynny na jonizację) Rb 50eV s m a ll a n g le s c a tte r in g ( a to m s n o t e je c te d fr o m tr a p ) 10 r a d iu s o f la s e r b e a m : 8.5 c m 8 R. S. Schappe at al Europhys. Lett. 29 (1995) 439-444 6 4 2 0 1 10 E (e V ) 100
to ta l c r o s s - s e c tio n ( 1 0-1 4 2 cm ) Wyniki 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
Wyniki 3 c r o s s - s e c tio n ( 1 0-1 4 2 cm ) B ra y (C C C ) B a rts c h a t (R M P S ) B ro d e J a d u s z l iw e r V is c o n t i K a u p p ila M a c A s k ill Lukom ski 2 E < 7 ev dominuje rozpraszanie elastyczne E > 7 ev zaczyna dominować wzbudzenie do stanu 6p (5d itd) lokalne maksimum ~10eV spowodowane wzrostem przekroju czynnego na na wzbudzenie 6s 6p bardzo dobra zgodność teorii i eksperymentu w analizie przekroju czynnego na wzbudzenie 6s-6p 1 0 10 100 e n e rg y (e V ) WNIOSEK: modele teoretyczny przeszacowują wartość przekroju czynnego na rozpraszanie elastyczne
Podsumowanie 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 Otrzymane wyniki są konsystentne z wcześniejszymi pomiarami całkowitego przekroju czynnego na na rozpraszanie elektronów na atomach cezu M. Łukomski, J.A. MacAskill, D.P. Seccombe, C. McGrath, S. Sutton, J. Teeuwen, W. Kedzierski, T.J. Reddish, J.W. McConkey and W.A. van Wijngaarden "New Measurements of Absolute Total Cross Sections for Electron Impact on Cesium Using a Magneto Optical Trap" Journal of Physics B, 38 (2005) 3535-3545