ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 9, с. 765-769
= ЯДРА ^^
ВОЗБУЖДЕНИЕ ИЗОМЕРА ЯДРА 229т^ ПОСРЕДСТВОМ РЕЗОНАНСНОЙ КОНВЕРСИИ В ИОНИЗОВАННЫХ АТОМАХ
2015 г. Ф. Ф. Карпешин1)*, М. Б. Тржасковская2)
Поступила в редакцию 10.12.2014 г.; после доработки 06.03.2015 г.
Рассмотрены актуальные вопросы оптической накачки 7.6-эВ изомера 229тТЬ, являющегося кандидатом на новый ядерно-оптический репер частоты. Рассмотрена физика механизма двухфотонной оптической накачки изомера через атомную оболочку. Продемонстрировано, что независимо от схемы накачки, как было показано и раньше в случае энергии изомера 3.5 эВ, решающий вклад происходит по-прежнему от резонансного 8в—7в-перехода. Обсуждаются подробности оптимальной схемы эксперимента. Показано, что с наибольшей вероятностью атом остается после возбуждения изомера не в основном, а в возбужденном состоянии с энергией приблизительно 0.5 эВ. При этом необходимая энергия обоих фотонов равна энергии ядерного уровня плюс энергия нижнего 7в-состояния атома. Оценочное время накачки составляет приблизительно 1.5 с при напряженности полей каждого лазера 1 В/см.
DOI: 10.7868/S0044002715090135
1. ВВЕДЕНИЕ
В последние годы большой интерес в качестве кандидата на новый ядерно-оптический репер частоты вызывает изомер 229mTh. Это ядро обладает уникально низким изомерным уровнем с энергией hwn, не превышающей 10 эВ. Присутствие данного уровня в ядре не вызывает серьезных сомнений: он ясно идентифицируется в интерпретации ядерных реакций. Однако прямая регистрация его сопряжена с трудностями, вызванными необычно малой для ядерной физики энергией (см., например, [1]). Из компиляции экспериментальных данных по энергиям перехода в данном ядре долгое время считалось, что энергия изомера составляет frwn = = 3.5 ± 1 эВ [2]. Некоторые авторы использовали значение 5.5 ± 1 эВ [3]. Последние эксперименты показывают значение frwn = 7.6 ± 0.5 эВ [4].
Интерес вызван тем, что ядерная линия изомера лежит в оптической области, доступной для лазеров. Например, можно радикально ускорить распад изомера через стимулированную излучением лазера резонансную конверсию, как это было впервые предложено в работе [5] для 235U и в работе [6] для 229mTh. С изомером 229mTh связана также перспектива создания ядерно-оптического эталона единицы времени с потенциальной погрешностью -10"21 [7]. Поэтому первоочередная
!)ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, Санкт-Петербург, Россия.
2)НИЦ КИ, ПИЯФ, Гатчина, Россия.
E-mail: fkarpeshin@gmail.com
задача состоит в разработке регулярного способа получения изомерного источника с необходимым количеством атомов и уточнении энергии изомера.
Ввиду сказанного выше наиболее естественный путь к этой цели лежит через развитие новейшей ядерно-лазерной технологии. Такая технология позволит, во-первых, определить энергию изомера с необходимой точностью. Во-вторых, она позволит получать изомерные ядра в нужных количествах и оперировать с ними в научно-исследовательских и производственных целях. Исходя из этих принципов, в работах [5, 8, 9] была разработана трехуровневая схема, ориентированная на энергию изомера 3.5 эВ. Схема основана на механизме электронного мостика возбуждения резонансного атомного уровня 88, энергия которого в нейтральном атоме как раз близка к 3.5 эВ и лежит в области достижимости однофотонным лазерным возбуждением. Экспериментальное свидетельство этого механизма было опубликовано в работе [10]. Естественно, при предполагаемом увеличении энергии изомера до 7.6 эВ он становится более доступным двухфотонному возбуждению лазером. Такой путь и был предложен в работах [11, 12] и других для одно- или трехкратных ионов 229тть в оптической ловушке.
Что касается экспериментальной стороны вопроса, то к настоящему времени сформировался ряд центров, в которых проводятся эксперименты. Основные из них — в РТВ (г. Брауншвейг, Германия), где экспериментируют с однократными ионами ТЬ11 [13], и в Атланте, США, где производится
766
КАРПЕШИН, ТРЖАСКОВСКАЯ
оптическая накачка трехкратных ионов ThIV. По общим вопросам, связанным с получением изомера, работы также ведутся в Техническом университете в Вене и в университете Юваскюля, а также в других лабораториях. В России ведутся экспериментальные разработки данной тематики в МИФИ. Важность развертывания работ в России отмечалась, например, на 7-м Международном симпозиуме "Метрология времени и пространства" (Суздаль, 2014) [14]. Следует заметить, что цели и задачи этих экспериментов были подытожены на Международной конференции "The 229mTh Nuclear Isomer Clock" в Дармштадте еще в 2012 г. Ситуация в то время большинству участников представлялась ясной, и накачка изомера была обещана не более чем через год. Прошло более двух лет, но ожидаемый результат пока не получен.
В настоящей работе мы проанализируем возможные причины экспериментальных неудач. С этой целью рассмотрим критически двухфотон-ный механизм возбуждения изомера в однократных ионах более подробно. Остановимся на особенностях и физических тонкостях различных схем данного процесса. Важно заметить, что независимо от конкретной схемы оптической накачки резонанс с атомным переходом 8s-7s остается решающим. К сожалению, этот факт не был понят в работах [11, 12] и др. Опора на другие переходы неизбежно приведет к занижению скорости накачки на два-три порядка по сравнению с оптимальной схемой. Физическая причина выделенности перехода 8s-7s состоит в том, что, как показано в работах [15, 16], несмотря на большую плотность атомных уровней, возникающую вследствие их фрагментации, только отдельные линии дают основной вклад в вероятность девозбуждения (а значит, и обратного процесса оптической накачки) изомера. Действительно, эксперимент подтвердил это предсказание: в спектре поглощения обнаружена сильная линия, соответствующая переходу из основного состояния Th+: (6d27s) J = 3/2 в состояние (7s7p6d)J = = 5/2 на частоте 24874 см"1 = 3.084 эВ [17]. Спин и четность этого уровня подходят для подкачки следующим квантом необходимой энергии ^4.5 эВ. Подходящий уровень 8s как раз имеется на высоте приблизительно 7.15 эВ [9]. Этот результат находится в согласии с другим вычислением [12], согласно которому несколько большая энергия в диапазоне ^7.4-8 эВ ожидается для этого уровня. Поэтому нет оснований полагать, как в работах [11, 12], что атом, передав свою энергию ядру, перейдет в основное состояние. С гораздо большей вероятностью он перейдет из 8s-состояния в возбужденное 7s-состояние, например, на уровень (7s26d)J = 5/2 с энергией 4113 см"1. Результирующая диаграмма двухфотонной накачки приведена
3.084
7.6 ± 0.5
7 i
6d
0.5099
Th
229Th
Возбуждение ядра в изомерное состояние двухфотонной оптической накачкой по методу обратного "электронного мостика". Вначале путем резонансного фотопоглощения внешний электрон переходит из основного состояния в атоме в состояние 7р. Поглощение второго (нерезонансного) фотона переводит атом в виртуальное состояние 8в. После этого атом передает часть набранной энергии ядру, сам переходя в состояние 7в. Цифры — энергии атомных и ядерных уровней в эВ.
на рисунке. В третьем разделе оценим ожидаемое время накачки изомера, обсудим оптимальную схему эксперимента. В четвертом разделе подведем итоги, сформулируем перспективы будущих исследований.
2. ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА
Рассмотрим процесс двухфотонной резонансной накачки ядерного изомера в поле двух лазеров с частотой излучения ш\ и ш2. В общем виде такой процесс был рассмотрен, например, в работе [18]. Применительно к нашему случаю: пусть на первом шаге атом поглощает резонансный фотон ш\ и переходит из основного состояния 1 в возбужденное состояние 2. Для краткости обозначим соответствующие уровни как 6й и 7р, согласно сказанному во Введении. Далее, поглощая второй фотон ш2, атом переходит в состояние 3 (т.е. 88). Отдавая часть полученной энергии + ш2) ядру, атом переходит в конечное состояние 4, в качестве которого будем рассматривать один из 7 в -уровней. Из закона сохранения энергии следует, что + + ш2) = Ьшп + е4, Чг — энергия г-го уровня.
Учитывая, что атом в состоянии 2 находится на массовой поверхности в стационарном состоянии, заметим, что поглощение второго фотона с возбуждением ядра является в точности обратным процессом по отношению к стимулированной резонансной конверсии, рассмотренной в работах [5, 6]. В самом деле, при обращении времени изомерное ядро из состояния 12 перейдет в основное состояние 1\. Энергия перехода передается электрону 4. В результате электрон переходит в состояние 3, которое можно рассматривать как примесь к состоянию 2, возникающую в лазерном поле Ьм2.
0
При такой трактовке энергия примесной компоненты 3 будет е2 + Ни2, что в точности равно е4 + + Нип — энергии, приобретаемой конверсионным электроном. Именно в этом и состоит механизм резонансного стимулирования электромагнитного девозбуждения ядерных изомеров [5, 6].
Из сказанного следует, что второй фотон — резонансный с ядром, а не с атомным уровнем. Как следствие, энергия состояния 3 не совпадает ни с одним собственным значением. Это состояние представляет собой виртуальное состояние, эволюция которого описывается функцией распространения — пропагатором, или функцией Грина. Удобно воспользоваться спектральным разложением функции Грина по полному набору состояний атома с данным моментом. Ожидается, что основной вклад будет представлен одним ближайшим уровнем с собственным значением е3, который наиболее близок к резонансу. Дефект резонанса определяется параметром А = Н(и1 + и2) — е3 .По аналогии с физикой элементарных частиц дефект резонанса можно рассматривать как сход с массовой поверхности. Практический интерес представляет пара состояний 8в—7в, хорошо резонирующая с ядерным изомером [5, 8, 9]. Для осуществления полноценного резонанса атом должен возвращаться не в исходное состояние, а в 7в. Из теории внутренней конверсии следует, что в любом другом переходе вероятность возбуждения ядра будет на два-три порядка меньше. Поэтому оптимальной будет более общая схема, когда состояние 4 не совпадет с исходным.
Метод расчета процессов
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.