Численное моделирование лазерных фотоионизационных технологий очистки вещества на атомном уровне
For the first time, a methodology for numerical modeling of optimal schemes of laser photoionization technologies for material control and purification at the atomic level has been proposed and implemented (illustrated by the analysis of Al impurities in a Ge sample). The laser photoionization separ...
Збережено в:
| Дата: | 2003 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2003
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2003.1.38 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1869653453912932352 |
|---|---|
| author | Ambrosov, S. V. |
| author_facet | Ambrosov, S. V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "S. V. Ambrosov",
"institution": "Odesa State Environmental University, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Ambrosov, S. V. |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-02T13:33:03Z |
| description | For the first time, a methodology for numerical modeling of optimal schemes of laser photoionization technologies for material control and purification at the atomic level has been proposed and implemented (illustrated by the analysis of Al impurities in a Ge sample). The laser photoionization separation scheme includes, at the first stage, excitation of impurity atoms in the sample by resonant laser radiation; at the second stage, transfer of atoms into highly excited Rydberg states, followed by ionization with an electric field. The developed approach makes it possible to select both optimized values of key physical parameters of separation schemes and the most efficient scheme variant as a whole. |
| first_indexed | 2026-07-03T01:01:19Z |
| format | Article |
| fulltext |
38
ÒÅÕÍÎËÎÃÈß ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÀ
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2003, ¹ 1
Äàòà ïîñòóïëåíèÿ â ðåäàêöèþ
26.11 2001 ã. � 29.05. 2002 ã.
Îïïîíåíòû ä. ò. í. È. È. ØÓÌËßÍÑÊÈÉ
(ÎÍÀÑ èì. À. Ñ. Ïîïîâà, ã. Îäåññà),
ä. ô.-ì. í. Í. Í. ÁÅÐ×ÅÍÊÎ
(ÍÓ "Ëüâîâñêàÿ ïîëèòåõíèêà", ã. Ëüâîâ)
Ê. ò. í. Ñ. Â. ÀÌÁÐÎÑÎÂ
Óêðàèíà, Îäåññêèé ãîñ. ýêîëîãè÷åñêèé óíèâåðñèòåò
E-mail: glushkov@paco.net
×ÈÑËÅÍÍÎÅ ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ
ËÀÇÅÐÍÛÕ ÔÎÒÎÈÎÍÈÇÀÖÈÎÍÍÛÕ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÉ
Î×ÈÑÒÊÈ ÂÅÙÅÑÒÂÀ ÍÀ ÀÒÎÌÍÎÌ ÓÐÎÂÍÅ
Ïðåäëîæåíà ìåòîäèêà êîìïüþòåðíîãî
ìîäåëèðîâàíèÿ ïàðàìåòðîâ îïòèìàëü-
íûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ñõåì êîíòðîëÿ è
î÷èñòêè âåùåñòâà íà àòîìíîì óðîâíå
íà ïðèìåðå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìàòåðè-
àëîâ.
Ê ÷èñëó àêòóàëüíûõ çàäà÷ ñîâðåìåííîé òåõíîëî-
ãèè ïîëóïðîâîäíèêîâûõ (è äðóãèõ) ìàòåðèàëîâ îò-
íîñèòñÿ ðàçðàáîòêà ýôôåêòèâíûõ ìåòîäîâ ïîëó÷åíèÿ
îñîáî ÷èñòûõ âåùåñòâ èëè êîíòðîëÿ è î÷èñòêè âåùå-
ñòâà îò ïðèìåñåé. Ðå÷ü, â ÷àñòíîñòè, èäåò î ìåòîäàõ
êîíòðîëÿ â ãåðìàíèè ïðèìåñåé àëþìèíèÿ, áîðà è äðó-
ãèõ àêöåïòîðíûõ ýëåìåíòîâ òðåòüåé ãðóïïû íà óðîâ-
íå 10�8�10�10 %.  íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ òàêóþ ÷óâ-
ñòâèòåëüíîñòü àíàëèçà ìîãóò îáåñïå÷èòü òðàäèöèîí-
íûå àíàëèòè÷åñêèå ìåòîäû [1] èëè èõ ìîäèôèêàöèè
(àòîìíî-ôëóîðåñöåíòíàÿ ñïåêòðîìåòðèÿ, íåéòðîííî-
àêòèâàöèîííûé àíàëèç, èñêðîâàÿ ìàññ-ñïåêòðîìåòðèÿ,
äð.). Îäíàêî â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ èõ ÷óâñòâèòåëü-
íîñòü îãðàíè÷åíà óðîâíåì 10�7 %.
Ìåòîäû ñåëåêòèâíîé ôîòîôèçèêè (ñì., íàïð., [2�
7]), ïåðâîíà÷àëüíî ðàçðàáàòûâàåìûå äëÿ ðåøåíèÿ
çàäà÷ ðàçäåëåíèÿ èçîòîïîâ, ãàçîâ è ò. ä., äàþò âîç-
ìîæíîñòü ðàçâèòü íîâûé ïîäõîä ê òåõíîëîãèè ïîëó-
÷åíèÿ ÷èñòûõ ìàòåðèàëîâ íà àòîìíîì óðîâíå. Ñ ïî-
ìîùüþ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èìååòñÿ âîçìîæíîñòü
íåïîñðåäñòâåííîãî ìàíèïóëèðîâàíèÿ àòîìàìè äàííî-
ãî ñîðòà, â ò. ÷. ìîæíî ñîáèðàòü ìàêðîêîëè÷åñòâà
âåùåñòâà ïî îäíîìó àòîìó. Â ïîñëåäíèå ãîäû èññëå-
äîâàíèþ ëàçåðíûõ ôîòîèîíèçàöèîííûõ òåõíîëîãèé
óäåëÿåòñÿ çíà÷èòåëüíîå âíèìàíèå (íàïð. [5�7]). Âàæ-
íûì ðåçóëüòàòîì èñïîëüçîâàíèÿ èñêîìîé ëàçåðíîé
òåõíîëîãèè ÿâëÿåòñÿ ïðèíöèïèàëüíàÿ âîçìîæíîñòü
ïîëó÷åíèÿ îñîáî ÷èñòûõ âåùåñòâ â àòîìíîì ñîñòîÿ-
íèè, ñïëàâîâ, ïëåíîê [2�11]. Îñíîâîé óñïåøíîé åå
ðåàëèçàöèè ÿâëÿþòñÿ, âî-ïåðâûõ, ðàçðàáîòêà îïòè-
ìàëüíûõ ñõåì ìíîãîñòóïåí÷àòîé ôîòîèîíèçàöèè (ÔÈ)
ðàçëè÷íûõ ýëåìåíòîâ, âî-âòîðûõ, ðàçðàáîòêà äîñòà-
òî÷íî ýôôåêòèâíûõ ëàçåðîâ ÓÔ- è âèäèìîãî äèàïà-
çîíîâ ñ ïåðåñòðàèâàåìîé ÷àñòîòîé, âûñîêîé ñðåäíåé
ìîùíîñòüþ, áîëüøèì ðåñóðñîì. Êàê ïåðâàÿ, òàê è
âòîðàÿ çàäà÷è â íàñòîÿùåå âðåìÿ åùå äàëåêè îò ñâî-
åãî óäîâëåòâîðèòåëüíîãî ðåøåíèÿ.
Äàííàÿ ðàáîòà ïîñâÿùåíà ïîèñêó è êîìïüþòåð-
íîìó ìîäåëèðîâàíèþ îïòèìàëüíûõ ñõåì ëàçåðíûõ
ÔÈ-òåõíîëîãèé êîíòðîëÿ è î÷èñòêè âåùåñòâà íà ïðè-
ìåðå ðàññìîòðåíèÿ ÔÈ-àíàëèçà ïðèìåñåé Al â Ge.
Òàêàÿ ïîñòàíîâêà çàäà÷è ýêñïåðèìåíòàëüíî ðàññìî-
òðåíà â [3, 4].
Ê âàæíåéøèì êðèòåðèÿì îïòèìàëüíîñòè è ýô-
ôåêòèâíîñòè ñõåì ìíîãîñòóïåí÷àòîé ñåëåê-
òèâíîé ÔÈ àòîìîâ îòíîñÿòñÿ ìèíèìàëüíîñòü òðåáóå-
ìûõ ïëîòíîñòåé ýíåðãèè ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ, ìàê-
ñèìàëüíîñòü âûõîäà è ñåëåêòèâíîñòè èîíèçàöèè. Îï-
òèìàëüíîé ÿâëÿåòñÿ ñõåìà, êîãäà ïðè óìåðåííûõ òðå-
áîâàíèÿõ ê ïàðàìåòðàì ëàçåðíîãî èìïóëüñà ïóòåì ñî-
îòâåòñòâóþùåãî ïîäáîðà äëèòåëüíîñòåé, ôîðìû èì-
ïóëüñîâ è õàðàêòåðèñòèê êâàíòîâûõ ïåðåõîäîâ óäàåò-
ñÿ äîáèòüñÿ ìàêñèìàëüíîãî (âïëîòü äî 100%) âûõî-
äà èîíèçàöèè. Çàäà÷à ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíûõ ñõåì
ñâîäèòñÿ ê ïîèñêó îïòèìèçèðîâàííûõ çíà÷åíèé âñåõ
óêàçàííûõ õàðàêòåðèñòèê ñõåìû. Òðóäíîñòè ðàñ÷åòà
îïòèìàëüíûõ ñõåì ÔÈ ñâÿçàíû êàê ñ èçâåñòíûìè
ýêñïåðèìåíòàëüíûìè ñëîæíîñòÿìè, òàê è ñ ñóùå-
ñòâåííûìè ïðîáëåìàìè òåîðåòè÷åñêîãî îïèñàíèÿ ïðî-
öåññîâ â èñêîìûõ ñõåìàõ (îïòèìèçàöèîííûå ÔÈ-ìî-
äåëè íà îñíîâå ôîðìàëèçìà ìàòðèöû ïëîòíîñòè èëè
ñêîðîñòíûõ óðàâíåíèé, àâòîèîíèçàöèè â àòîìàõ,
øòàðêîâñêèå è ðèäáåðãîâñêèå ðåçîíàíñû â ýëåêòðè-
÷åñêîì ïîëå è ò. ä.) (ñì. [1�17]).
 êëàññè÷åñêîì âàðèàíòå ñõåìû ëàçåðíîå âîç-
áóæäåíèå àòîìîâ ïðèìåñåé ðåàëèçóåòñÿ â íåñêîëü-
êî ýòàïîâ: íà ïåðâîì ýòàïå àòîìû âîçáóæäàþòñÿ ïî-
ñðåäñòâîì ðåçîíàíñíîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, çà-
òåì ïðîâîäèòñÿ ÔÈ âîçáóæäåííûõ àòîìîâ (ñì. [2�
10]). Èñêîìàÿ íåðåçîíàíñíàÿ
ÔÈ (ðèñ. 1, I) õàðàêòåðèçóåòñÿ
îòíîñèòåëüíî íèçêèì ñå÷åíèåì
σèîí (10�17…10�18 ñì2) è òðåáó-
åò ïðèìåíåíèÿ ìîùíîãî ëàçåð-
íîãî èçëó÷åíèÿ íà ýòàïå èîíè-
çàöèè. Äðóãîé ìåõàíèçì � ïå-
ðåâîä àòîìîâ â ðèäáåðãîâñêèå
ñîñòîÿíèÿ è èîíèçàöèÿ ýëåêòðè-
÷åñêèì ïîëåì (ðèñ. 1, II, σèîí=
=10�14 ñì2). Ýòîò ìåòîä ïîçâî-
ëÿåò ñíèçèòü òðåáîâàíèå ê ýíåð-
ãåòèêå èîíèçèðóþùåãî èìïóëü-
ñà íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ. Òðå-
òüÿ âîçìîæíîñòü (ðèñ. 1, III,
Àâòîð âûðàæàåò ãëóáîêóþ áëàãîäàðíîñòü Â. Ì. Áåëîóñó è À. Â. Ãëóø-
êîâó çà ïîëåçíîå îáñóæäåíèå ïðîáëåìû è öåííûå êîíñóëüòàöèè.
À++å�
À*
À
I II III
Ðèñ. 1. Ñõåìà ñòóïåí-
÷àòîé ëàçåðíîé ôî-
òîèîíèçàöèè àòîìîâ
ξ
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2003, ¹ 1
39
ÒÅÕÍÎËÎÃÈß ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÀ
σèîí=10�15…10�16 ñì2) ñâÿçàíà ñ èñïîëüçîâàíèåì àâ-
òîèîíèçàöèîííûõ óðîâíåé àòîìîâ, êîòîðûå, îäíàêî,
èìåþòñÿ â ñïåêòðàõ ëèøü òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ. Õîòÿ
ìíîãèå èç óêàçàííûõ ïðîöåññîâ ÔÈ êà÷åñòâåííî äî-
ñòàòî÷íî àäåêâàòíî îïèñûâàþòñÿ óïðîùåííûìè ìî-
äåëÿìè, ïîëíàÿ, êîëè÷åñòâåííàÿ òåîðèÿ ýòèõ ïðîöåñ-
ñîâ îòñóòñòâóåò äî ñèõ ïîð (ñì. [2, 7�11]). Íèæå ðàñ-
ñìîòðåí âòîðîé ìåòîä êàê íàèáîëåå óíèâåðñàëüíûé äëÿ
ïðèìåíåíèÿ â òåõíîëîãèè î÷èñòêè ìàòåðèàëîâ.
 ýêñïåðèìåíòàõ [2, 4] äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïðèìåñåé
Al èñïîëüçîâàëèñü îáðàçöû âûñîêî÷èñòîãî Ge ìàñ-
ñîé 3�30 ìã. Ëàçåðíàÿ ÷àñòü óñòàíîâêè âêëþ÷àåò ëà-
çåð íàêà÷êè (N2-ëàçåð, ÀÈÃ:Nd-ëàçåð) è òðè îäíîâðå-
ìåííî âîçáóæäàåìûõ ëàçåðà íà êðàñèòåëÿõ ñ ïåðå-
ñòðàèâàåìîé ÷àñòîòîé. Òàêàÿ ñèñòåìà ïîçâîëÿåò ïî-
ëó÷àòü ïëàâíî ïåðåñòðàèâàåìóþ ãàðìîíèêó â äèàïà-
çîíå 350�750 íì ñ ýíåðãèåé â èìïóëüñå äî 100 ìêÄæ
è 2-þ ãàðìîíèêó â îáëàñòè 230�350 íì ñ ýíåðãèåé,
äîñòàòî÷íîé äëÿ íàñûùåíèÿ ÓÔ-ïåðåõîäîâ àòîìîâ.
 ïðîöåññå àíàëèçà èññëåäóåìûé îáðàçåö ïîìåùàåò-
ñÿ â òèãåëü âíóòðè ãðàôèòîâîé òðóáêè, ðàçîãðåâàå-
ìîé ýëåêòðè÷åñêèì òîêîì äî òåìïåðàòóðû îêîëî
3000°Ñ. Èñïàðÿþùååñÿ âåùåñòâî ôîðìèðóåòñÿ öè-
ëèíäðè÷åñêèì êàíàëîì òèãëÿ â àòîìíî-ìîëåêóëÿðíûé
ïó÷îê, êîòîðûé îáëó÷àåòñÿ ëàçåðíûìè èìïóëüñàìè â
îáëàñòè ìåæäó ýëåêòðîäàìè (ðèñ. 2). Ïîñëå âîçáóæ-
äåíèÿ àòîìîâ â ðèäáåðãîâñêîå ñîñòîÿíèå íà ýëåêòðî-
äû ñ çàäåðæêîé 20�30 íñ ïîäàâàëñÿ èîíèçèðóþùèé
èìïóëüñ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû
äëèòåëüíîñòüþ 10 íñ, àìïëèòóäîé äî 15 êÂ. Îáðàçó-
þùèåñÿ èîíû âûòàëêèâàëèñü òåì æå èîíèçèðóþùèì
èìïóëüñîì ÷åðåç ùåëü â ýëåêòðîäå è ðåãèñòðèðîâà-
ëèñü ýëåêòðîííûì óìíîæèòåëåì.
Ìîäåëèðîâàíèå îïòèìàëüíîé ñõåìû èñêîìîé
òåõíîëîãèè êîíòðîëÿ è î÷èñòêè âåùåñòâà ïðî-
âîäèëîñü íà îñíîâå ìåòîäîâ òåîðèè îïòèìàëüíîãî óï-
ðàâëåíèÿ è ôèçè÷åñêèõ ìîäåëåé íåëèíåéíûõ ñåëåê-
òèâíûõ ÔÈ-ïðîöåññîâ â ïîëå ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ
[2, 3, 7�11, 17]. Ýòàï îïòèìèçàöèè ìîäåëè âûäåëå-
íèÿ ïðèìåñè â âåùåñòâå ñîñòîèò â ïîèñêå îïòèìàëü-
íîé ôîðìû ýëåêòðîìàãíèòíîãî èìïóëüñà ðåçîíàíñ-
íîãî èçëó÷åíèÿ, îáåñïå÷èâàþùóþ ìàêñèìóì èîíè-
çîâàííûõ ÷àñòèö â ñõåìå (îäíà èç âîçìîæíûõ ôîð-
ìóëèðîâîê). Ïðîöåññ ðàçäåëåíèÿ îïèñûâàåòñÿ ñëå-
äóþùåé ñèñòåìîé óðàâíåíèé ([8�11]):
dρ0/dt=�W1(ρ0�ρ1)+ρ1T1+K1ρ0' ρ1;
dρ1/dt=�W1(ρ0�ρ1)�ρ1T1�Rρ1�K1(ρ0'ρ1�ρ1'ρ0);
dρ0'/dt=�W1(ρ0'�ρ1')+ρ1'T1+K1ρ0ρ1';
dρ1'/dt=�W1(ρ0'�ρ1')�ρ1'T1�Rρ1'�K1(ρ0ρ1'�ρ1ρ0');
dn/dt=Rρ1�n1(K
(0)
2 ρ0'�K(1)
2 ρ1')+n'(K(0)
2 ρ0�K(1)
2 ρ1)�n/τ;
dn'/dt=Rρ1'�n1'(K
(0)
2 ρ0�K(1)
2 ρ1)+n(K(0)
2 ρ0'�K(1)
2 ρ1')�n/τ, (1)
W1=I1σ1(ω)
_
hω1=I1(16π/cT2)(µ01/2
_
h)2[(1/T2)2+(ω�ω01)2]�1;
W'1=I1σ1' (ω)
_
hω1=I1(16π/cT2)(µ01/2
_
h)2[(1/T2)2+(ω�ω'01)2]�1,
Àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå ñèñòåìû (1) íàéòè íå óäà-
åòñÿ, ïîýòîìó çàäà÷à ðåøàåòñÿ ÷èñëåííî (èñïîëüçó-
åòñÿ ÷èñëåííûé àòîìíûé êîä "Superatom" [12�17,
8�11]). Ñèñòåìà (1) ìîæåò áûòü ñâåäåíà ê ëèíåéíîé
ïðè óñëîâèè, ÷òî ëàçåðíîå èçëó÷åíèå âîçäåéñòâóåò
íà íàèáîëåå ðåäêèé èç äâóõ èçîòîïîâ è êîíöåíòðàöèÿ
ýòîãî èçîòîïà ìàëà. Êðîìå òîãî, ïðåäïîëàãàåòñÿ âû-
ïîëíåíèå óñëîâèé, ïðè êîòîðûõ âåðîÿòíîñòü ðåçîíàí-
ñíîãî îáìåíà ìåíüøå ñêîðîñòè èîíèçàöèè, ò. å.
W2>σwνtN, ãäå N � êîíöåíòðàöèÿ ñòàëêèâàþùèõñÿ
àòîìîâ, è âðåìÿ âûâîäà èîíîâ èç îáëàêà íåéòðàëü-
íûõ àòîìîâ ìåíüøå âðåìåíè ïåðåçàðÿäêè, ò. å.
Nσchd<1.  ýòîì ñëó÷àå ðåøåíèå ñèñòåìû (1) ñóùå-
ñòâåííî óïðîùàåòñÿ.
Âñå íåîáõîäèìûå äëÿ ðåøåíèÿ çíà÷åíèÿ ôèçè÷åñ-
êèõ ïàðàìåòðîâ âçÿòû èç ðàáîò [2�4, 16, 17] è ñîîò-
âåòñòâóþò çíà÷åíèÿì ïàðàìåòðîâ ýêñïåðèìåíòà [4].
Äåòàëè ÷èñëåííîé ïðîöåäóðû ïðèâåäåíû â [12�17].
êîíöåíòðàöèè àòîìîâ âåùåñòâà è ïðèìåñè â îñíîâ-
íîì ñîñòîÿíèè;
â âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèè;
âðåìÿ;
âðåìÿ ïðîäîëüíîé ðåëàêñàöèè;
êîýôôèöèåíòû, îïðåäåëÿþò ñîîòâåòñòâåííî ñêî-
ðîñòè ïðîöåññà ðåçîíàíñíîé ïåðåäà÷è ýíåðãèè
âîçáóæäåíèÿ (Ê1=σwν; σw � ñå÷åíèå Âàéñêîïôà,
ν � ñêîðîñòü àòîìîâ) è ñêîðîñòü ïðîöåññà ïåðå-
çàðÿäêè (K2=σch(νi)νi; σch(νi) � ñå÷åíèå ðåçîíàíñ-
íîé ïåðåçàðÿäêè, νi � ñêîðîñòü èîíîâ îòíîñèòåëü-
íî íåéòðàëüíûõ àòîìîâ);
âåðîÿòíîñòü èîíèçàöèè ïîëåì;
áåçðàçìåðíîå âðåìÿ (γ � âåðîÿòíîñòü ñïîíòàííî-
ãî ðàñïàäà â åäèíèöó âðåìåíè);
êîíöåíòðàöèè èîíîâ àòîìîâ â îñíîâíîì è â âîç-
áóæäåííîì ñîñòîÿíèè, ñîîòâåòñòâåííî;
âåðîÿòíîñòè ðàäèàöèîííûõ ïåðåõîäîâ, êîòîðûå îï-
ðåäåëÿþòñÿ ñëåäóþùèìè âûðàæåíèÿìè (2) �
ãäå ρ0, ρ0' �
ρ1, ρ1' �
t �
T �
Ê1, Ê2 �
R �
τ=γt �
n, n' �
W1, W2�
Ðèñ. 2. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòà:
1 � ëàçåðíûå ëó÷è; 2 � âàêóóìíàÿ êàìåðà; 3 � òàíòàëîâûé èëè
ãðàôèòîâûé íàãðåâàòåëü; 4 � òèãåëü ñ îáðàçöîì; 5 � èìïóëüñ ýëåê-
òðè÷åñêîãî ïîëÿ; 6 � àòîìíûé ïó÷îê; 7 � èîíû; 8 � óìíîæèòåëü
ãäå I1 �
Ò2 �
èíòåíñèâíîñòü ïîëÿ ðåçîíàíñíîãî èçëó÷åíèÿ;
âðåìÿ ïîïåðå÷íîé ðåëàêñàöèè, îñòàëüíûå îáîçíà÷åíèÿ
ñòàíäàðòíûå.
40
ÒÅÕÍÎËÎÃÈß ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÀ
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2003, ¹ 1
Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ÷èñëåííî-
ãî ìîäåëèðîâàíèÿ îïòèìàëüíîé ôîðìû ëàçåð-
íîãî èìïóëüñà â çàäà÷å ÔÈ-âûäåëåíèÿ ïðèìåñåé Al â
Ge (è~� îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå; δ+ïóíêòèð � îïòè-
ìàëüíàÿ ôîðìà ëàçåðíîãî èìïóëüñà; τ � áåçðàçìåðíîå
âðåìÿ). Ñõåìà ñåëåêòèâíîé ÔÈ âêëþ÷àëà íà ïåðâîì ýòà-
ïå âîçáóæäåíèå ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì àòîìà ñ åãî ïå-
ðåâîäîì â ðèäáåðãîâñêîå ñîñòîÿíèå è, äàëåå, èîíèçà-
öèåé ýëåêòðè÷åñêèì ïîëåì â ñîîòâåòñòâèè ñ ýêñïåðè-
ìåíòîì [2, 4] (ñõåìà ïåðåõîäîâ: 2Ð3/2→(λ1=396,3 íì)→
→42S1/2→(λ1=446,4 íì)→152Ð3/2). Íà ðèñóíêå ïðè-
âåäåíû ÷èñëåííî ðàññ÷èòàííûå çàâèñèìîñòè íîðìè-
ðîâàííûõ çàñåëåííîñòåé îñíîâíîãî õ1 (êðèâàÿ 1) è
âîçáóæäåííîãî õ2 (êðèâàÿ 2: õ2=ρ'1/ρ'0) ñîñòîÿíèé. Èí-
òåðåñíî îòìåòèòü, ÷òî èñêîìûå ðåçóëüòàòû êà÷åñòâåí-
íî àíàëîãè÷íû äàííûì, ñîîòâåòñòâóþùèì ñõåìå ñå-
ëåêòèâíîé ÔÈ ñî ñòîëêíîâèòåëüíî-èîíèçàöèîííûì
ñöåíàðèåì ([10, 11]). Äëÿ èñêîìîé ñõåìû îïòîðàçðÿä-
íîãî ðàçäåëåíèÿ δ-èìïóëüñ îáåñïå÷èâàåò ìàêñèìàëüíî
âîçìîæíûé óðîâåíü âîçáóæäåíèÿ âåðõíåãî ñîñòîÿíèÿ
(ñì. ðèñ. 3: ÷åðåç èíòåðâàë âðåìåíè τ=0,6 ñòåïåíü âîç-
áóæäåíèÿ äîñòèãàåò ~0,2; â ýêñïåðèìåíòå ñ ÷èñòî ïðÿ-
ìîóãîëüíûì èìïóëüñîì èñêîìàÿ ñòåïåíü ~0,1).
Ïàðàçèòíûå ïðîöåññû òèïà ñïîíòàííîé ðåëàêñà-
öèè, ðåçîíàíñíîé ïåðåäà÷è âîçáóæäåíèÿ è ðåçîíàíñ-
íîé ïåðåçàðÿäêè íå ìîãóò çà ìàëîå âðåìÿ çàìåòíî
èçìåíèòü ñòåïåíü äîñòèãíóòîãî âîçáóæäåíèÿ. Â ðå-
çóëüòàòå îïòèìàëüíîñòü âñåé ñõåìû óâåëè÷èâàåòñÿ
(âûøå, ÷åì ïðè èñïîëüçîâàíèè ïðÿìîóãîëüíîãî èì-
ïóëüñà â ýêñïåðèìåíòå [4]).  ñëó÷àå íåâûïîëíåíèÿ
âûøåóêàçàííûõ óñëîâèé îïòèìàëüíûé ðåæèì ëàçåð-
íîãî âîçäåéñòâèÿ áóäåò ñîäåðæàòü â êîíöå ïàññèâ-
íûé ó÷àñòîê óïðàâëåíèÿ, âïåðâûå ïðåäñêàçàííûé äëÿ
ñõåìû êëàññè÷åñêîé ôîòîèîíèçàöèè â ìîäåëè [3]. Åãî
ïîÿâëåíèå ñâÿçàíî ñ êîíå÷íîé ñêîðîñòüþ èîíèçàöèè
è ñëåäóþùåé îòñþäà íåýôôåêòèâíîñòüþ âêëàäà ýíåð-
ãèè â ðåçîíàíñíûé êàíàë â êîíöå ïðîöåññà.
Ïîñëåäíÿÿ ñòàäèÿ ïðîöåññà � èîíèçàöèÿ âîçáóæ-
äåííûõ àòîìîâ èîíèçèðóþùèì èìïóëüñîì îäíîðîä-
íîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ (â ýêñïåðèìåíòå [4] íàïðÿ-
æåííîñòü ïîëÿ ñîñòàâëÿëà 15 êÂ/ñì). Äëÿ äîñòèæåíèÿ
îïòèìàëüíîñòè ïðîöåññà ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå ñëåäóåò
âêëþ÷àòü çà âðåìÿ, ìàëîå â ñðàâíåíèè ñ âðåìåíåì ðà-
äèàöèîííîãî ðàñïàäà âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ.
Íà ðèñ. 4 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû íàøåãî ðàñ÷åòà
çàâèñèìîñòè ñêîðîñòè èîíèçàöèè âûñîêîâîçáóæäåí-
íîãî àòîìà Al îò íàïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ
ε (ñîñòîÿíèÿ ñ êâàíòîâûìè ÷èñëàìè n=10�16; m=0),
âûïîëíåííîãî íà îñíîâå ðåëÿòèâèñòñêîé îïåðàòîð-
íîé òåîðèè âîçìóùåíèé äëÿ àòîìà â îäíîðîäíîì ýëåê-
òðè÷åñêîì ïîëå [17, 14]. Ïóíêòèðíàÿ ëèíèÿ ïîêàçû-
âàåò ñêîðîñòü ðàäèàöèîííîãî ðàñïàäà. Îòìåòèì, ÷òî
äëÿ Al ñèòóàöèÿ îêàçûâàåòñÿ êà÷åñòâåííî àíàëîãè÷-
íîé ñèòóàöèè ñ àòîìàìè ùåëî÷íûõ ýëåìåíòîâ [17]
(ñì. òàêæå [2]), ÷òî âïîëíå åñòåñòâåííî, ïîñêîëüêó â
óêàçàííûõ ðèäáåðãîâûõ ñîñòîÿíèÿõ àòîìû ïðîÿâëÿ-
þò êà÷åñòâåííî ñâîéñòâà âîäîðîäîïîäîáíîãî ïîâå-
äåíèÿ (êîëè÷åñòâåííûå îòëè÷èÿ, ðàçóìååòñÿ, åñòü).
Äëÿ ñîñòîÿíèé ñ n>14 ñêîðîñòü èîíèçàöèè ïðåâûøà-
åò ñêîðîñòü ðàäèàöèîííîãî ðàñïàäà ïðè ε, ìåíüøåé
÷åì 15 êÂ/ñì. Îòìåòèì, ÷òî è â ñëó÷àå âûáîðà èì-
ïóëüñà ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ àíàëîãè÷íî ïðåäûäóùåé
ñòàäèè èñïîëüçîâàíèå δ-èìïóëüñíîãî ïðèáëèæåíèÿ
ìîæåò îáåñïå÷èòü áûñòðóþ èîíèçàöèþ, îäíàêî âñëåä-
ñòâèå çàñòðåâàíèÿ íà ïðîìåæóòî÷íûõ óðîâíÿõ âûõîä
èîíèçàöèè àòîìîâ áóäåò < 100%.
Âî âñÿêîì ñëó÷àå, èçëîæåííàÿ íàìè ÔÈ-ñõåìà ñ
îïòèìàëüíûì íàáîðîì îñíîâíûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ è ðà-
äèàöèîííûõ ïàðàìåòðîâ (ôîðìà, äëèòåëüíîñòü, ýíåð-
ãåòèêà äëÿ èìïóëüñîâ ëàçåðíîãî èëè ýëåêòðè÷åñêîãî
ïîëåé; âûáîð ñîîòâåòñòâóþùèõ âîçáóæäåííûõ ñîñòî-
ÿíèé àòîìîâ ñ íåîáõîäèìûìè îïòèìàëüíûìè çíà÷å-
íèÿìè ðàäèàöèîííîãî èëè àâòîèîíèçàöèîííîãî â ïîëå
ðàñïàäà è ò. ä.) ìîæåò îáåñïå÷èòü çíà÷èòåëüíî áîëåå
âûñîêèé âûõîä è, â ðåçóëüòàòå, ýôôåêòèâíîñòü âñåãî
ïðîöåññà, ÷åì, íàïðèìåð, ïðèìåíåííàÿ â ýêñïåðèìåíòå
[4] ÔÈ-ñõåìà.
* * *
Òàêèì îáðàçîì, â äàííîé ðàáîòå íàìè âïåðâûå ïðåä-
ëîæåíà è ÷èñëåííî ðåàëèçîâàíà ìåòîäèêà ïîèñêà è
÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ îïòèìàëüíûõ ñõåì ëàçåð-
íûõ ÔÈ-òåõíîëîãèé êîíòðîëÿ è î÷èñòêè âåùåñòâà íà
àòîìíîì óðîâíå (íà ïðèìåðå àíàëèçà ïðèìåñåé Al â
Ge), ïîçâîëÿþùàÿ âûáèðàòü êàê îïòèìèçèðîâàííûå
çíà÷åíèÿ êëþ÷åâûõ ôèçè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ôîòîèî-
íèçàöèîííîé ñõåìû (õàðàêòåðèñòèêè àòîìíûõ ïåðåõî-
äîâ, ïàðàìåòðû èìïóëüñîâ ëàçåðíîãî, îäíîðîäíîãî
ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëåé è ò. ä.), òàê è íàèáîëåå îïòè-
ìàëüíûé âàðèàíò ñõåìû â öåëîì, ÷òî â ðåçóëüòàòå ìî-
æåò îáåñïå÷èòü è ýôôåêòèâíîñòü òåõíîëîãèè.
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÍÛÅ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ
1. Âàéíôîðäíåð Äæ. Ñïåêòðîñêîïè÷åñêèå ìåòîäû îïðåäåëå-
íèÿ ñëåäîâ ýëåìåíòîâ.� Ì.: Ìèð, 1979.
2. Ëåòîõîâ Â. Ñ. Íåëèíåéíûå ñåëåêòèâíûå ôîòîïðîöåññû â
àòîìàõ è ìîëåêóëàõ.� Ì.: Íàóêà, 1998.
Ðèñ. 3. Ðåçóëüòà-
òû ìîäåëèðîâàíèÿ
ïðîöåññà âûäåëå-
íèÿ ïðèìåñåé Al
â îáðàçöå Ge0 1 2 3 τ
x1, x2,
u~
1
2
0,8
0,4
δ(τ)
Ðèñ. 4. Òåîðåòè÷åñêè ðàññ÷èòàííàÿ çàâèñèìîñòü ñêîðîñ-
òè èîíèçàöèè (W) âûñîêîâîçáóæäåííîãî àòîìà Al îò íà-
ïðÿæåííîñòè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ äëÿ ñîñòîÿíèé ñ
n=10�16, m=0, n2=n�1
5 6 7 n3ε, 10�3 àò. åä.
n=16 15 14 13 12 11
10
W, c�1
1012
1011
109
107
105
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2003, ¹ 1
41
ÒÅÕÍÎËÎÃÈß ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÀ
3. Êðàñíîâ È. Â., Øàïàðåâ Í. ß., Øêåäîâ È. Îïòèìàëüíûå
ëàçåðíûå âîçäåéñòâèÿ.� Íîâîñèáèðñê: Íàóêà, 1993.
4. Áåêîâ Ã. È., Ðàäàåâ Â. Í. Ëàçåðíûé ôîòîèîíèçàöèîííûé
ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ñëåäîâ ýëåìåíòîâ â âåùåñòâå // Èçâ. ÀÍ ÑÑÑÐ.
Ñåð. Ôèç. � 1984.� Ò. 48, ¹ 4.� Ñ. 571�578.
5. Stoll W. Present status of industrial isotope separation by laser
technology // Atomic and Molecular Pulsed Lasers.� Tomsk: SO
RAN, 2001.� P. 71.
6. Buchanov V. V., Kazaryan M. A., Kalugin M. M., Prokhorov
A. M. Laser separation of silicon isotopes by the AVLIS technology
// Ibid. � P. 70.
7. Glushkov A. V., Ambrosov S. V., Shpinareva I. M. Non-linear
selective photoprocesses in atoms and molecules and their optimal
governing. Optimized isotope separation schemes // Ibid. � P. 70
8. Ambrosov S. V. Selective ionization of atoms and molecules
by electric and laser field. Autoionizing Rydberg resonances in
heavy atoms // Íàóê. â³ñíèê Óæãîðîäñüêîãî óí-òó. Ñåð. Ô³ç.�
2000.� Ò. 8, ÷. 2.� Ñ. 308�316.
9. Ambrosov S. V. Selective photoionization of atoms by laser
field: optimal scheme. Autoionization Rydberg resonances in heavy
atoms // Photoelectronics.� 2001.� Vol. 10.�P. 112�115.
10. Àìáðîñîâ Ñ. Â. Ñåëåêòèâíàÿ ôîòîèîíèçàöèÿ àòîìîâ: ðå-
çîíàíñíàÿ ïåðåçàðÿäêà â ïàðàõ ùåëî÷íûõ ýëåìåíòîâ è óðàíà //
Ôîòîýëåêòðîíèêà.� 2002.� Ò. 11.� Ñ. 40�42.
11. Àìáðîñîâ Ñ. Â. Îïòèìàëüíûå ñõåìû îïòîðàçðÿäíîãî
ðàçäåëåíèÿ ãàçîâ // Ôèçèêà àýðîäèñïåðñíûõ ñèñòåì.� 2001.�
Ò. 11.� Ñ. 113�116.
12. Ivanov L. N., Letokhov V. S. Spectroscopy of autoioniza-
tion resonances in heavy elements atoms // Com. Mod. Phys. D.: At.
Mol. Phys.� 1985.� Vol. 4.� P. 169�184.
13. Glushkov A. V., Ivanov L. N. Radiation decay of atomic
states: atomic residue and qauge noninvariant contributions // Phys.
Lett. A.� 1992.� Vol. 170, N 1.� P. 33�37.
14. Glushkov A. V., Ivanov L. N. DC strong-field Stark-effect:
consistent quantum-mechanical approach // J. Phys. B: At. Mol. Opt.
Phys.� 1993.� Vol. 26, N 16.� P. L379�L386.
15. Ivanov L. N., Ivanova E. P., Knight L. Energy approach to
consistent QED theory for calculation of electron-collision strengths
// Phys. Rev. A.� 1993.� Vol. 48, N 6.� P. 4365�4374.
16. Ãëóøêîâ À. Â., Ìàëèíîâñêàÿ Ñ. Â., Ôèëàòîâ Â. Â. Ðàñ÷åò
ñïåêòðîñêîïè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê Al-ïîäîáíûõ èîíîâ ìåòî-
äîì ìîäåëüíîãî ïîòåíöèàëà // Îïòèêà è cïåêòðîñêîïèÿ.� 1987.�
Ò. 62, ¹ 6.� Ñ. 1212�1215.
17. Ambrosov S. V., Glushkov A. V. Atom in a DC electric field:
relativistic operator perturbation theory method // Proc. European
Science Foundation REHE School and Workshop on "Spin-Orbit Cou-
pling in Chemical Reactions".� Torun, Poland.� 1998.� P. 23.
============================================================================
ÏÐÎÁËÅÌÛ ÌÀØÈÍÎÑÒÐÎÅÍÈß È ÀÂÒÎÌÀÒÈÇÀÖÈÈ ISSN 0234-6206
Ìåæäóíàðîäíûé íàó÷íî-òåõíè÷åñêèé æóðíàë, ïåðèîäè÷íîñòü � 4 íîìåðà â ãîä.
Íà÷àëî èçäàíèÿ � 1982 ã. Æóðíàë çàðåãèñòðèðîâàí â ÂÀÊ ÐÔ.
Ãëàâíûé ðåäàêòîð àêàäåìèê ÐÀÍ Ê. Â. Ôðîëîâ
Îòâåòñòâåííûé ñåêðåòàðü êàíä. òåõí. íàóê À. Ì. Êîñòèí
Æóðíàë ïóáëèêóåò ðåçóëüòàòû íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé è ïðàêòè÷åñêèõ ðàçðàáîòîê â Ðîññèè
è çà ðóáåæîì ïî àêòóàëüíûì ïðîáëåìàì ìàøèíîñòðîåíèÿ, à òàêæå ìàòåðèàëû (îáçîðû,
ñòàòüè, ñîîáùåíèÿ) î ïåðåäîâîì îïûòå, íîâûõ ìàòåðèàëàõ è ïðîãðåññèâíûõ òåõíîëîãèÿõ,
âêëþ÷àÿ ïðîáëåìû óïðàâëåíèÿ è àâòîìàòèçàöèè.
ßçûê ïóáëèêàöèé � ðóññêèé èëè àíãëèéñêèé.
Äëÿ íàó÷íûõ, èíæåíåðíî-òåõíè÷åñêèõ ðàáîòíèêîâ, àñïèðàíòîâ è ñòóäåíòîâ.
Çàêàçû íà æóðíàë â Ðîññèè ïðèíèìàþòñÿ íåïîñðåäñòâåííî ðåäàêöèåé:
Ðîññèÿ, 101990, Ìîñêâà,
Ëóáÿíñêèé ïðîåçä, 5, ê. 502,
Ìîñêîâñêèé ãîðîäñêîé öåíòð
íàó÷íî-òåõíè÷åñêîé èíôîðìàöèè
Àäðåñ äëÿ çàêàçîâ îò çàðóáåæíûõ ïîäïèñ÷èêîâ:
Ðîññèÿ, 129110, Ìîñêâà
óë. Ãèëÿðîâñêîãî, 39
ÇÀÎ �ÌÊ -Ïåðèîäèêà�
Òåë.: (095) 284 50 08
Ôàêñ: (095) 281 37 98
E-mail: info@periodicals.ru
http: //www.periodicals.ru
Òåë.: ( 095) 921 24 40
Ôàêñ: ( 095) 928 60 39
E-mail: MOSCNTI.RIR@g23.relcom.ru
http: //www.rosinf.ru/editions/pmea/issues/
×ÈÒÀÉÒÅ,
ÏÓÁËÈÊÓÉÒÅÑÜ,
ÂÛÏÈÑÛÂÀÉÒÅ!
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-1308 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-03T01:01:19Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/8b/34a63e5acfad6edff733b309f7e8838b.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-13082026-07-02T13:33:03Z Numerical modeling of laser photoionization technologies for atomic‑level material purification Численное моделирование лазерных фотоионизационных технологий очистки вещества на атомном уровне Ambrosov, S. V. laser photoionization numerical modeling material purification Al impurities Rydberg states лазерная фотоионизация численное моделирование очистка вещества примеси Al ридберговские состояния For the first time, a methodology for numerical modeling of optimal schemes of laser photoionization technologies for material control and purification at the atomic level has been proposed and implemented (illustrated by the analysis of Al impurities in a Ge sample). The laser photoionization separation scheme includes, at the first stage, excitation of impurity atoms in the sample by resonant laser radiation; at the second stage, transfer of atoms into highly excited Rydberg states, followed by ionization with an electric field. The developed approach makes it possible to select both optimized values of key physical parameters of separation schemes and the most efficient scheme variant as a whole. Впервые предложена и численно реализована методика моделирования оптимальных схем лазерных фотоионизационных технологий контроля и очистки вещества на атомном уровне (на примере анализа примесей Al в образце Ge). Схема лазерного фотоионизационного разделения включает на первом этапе возбуждение атомов примесей в образце посредством резонансного лазерного излучения, на втором этапе — перевод атомов в высоковозбужденные ридберговские состояния и затем ионизацию электрическим полем. Разработанный подход позволяет выбирать как оптимизированные значения ключевых физических параметров схем разделения, так и наиболее оптимальный вариант схемы в целом. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2003-02-28 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2003.1.38 Technology and design in electronic equipment; No. 1 (2003): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 38-41 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1 (2003): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 38-41 3083-6549 3083-6530 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2003.1.38/1208 Copyright (c) 2003 S. V. Ambrosov http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | лазерная фотоионизация численное моделирование очистка вещества примеси Al ридберговские состояния Ambrosov, S. V. Численное моделирование лазерных фотоионизационных технологий очистки вещества на атомном уровне |
| title | Численное моделирование лазерных фотоионизационных технологий очистки вещества на атомном уровне |
| title_alt | Numerical modeling of laser photoionization technologies for atomic‑level material purification |
| title_full | Численное моделирование лазерных фотоионизационных технологий очистки вещества на атомном уровне |
| title_fullStr | Численное моделирование лазерных фотоионизационных технологий очистки вещества на атомном уровне |
| title_full_unstemmed | Численное моделирование лазерных фотоионизационных технологий очистки вещества на атомном уровне |
| title_short | Численное моделирование лазерных фотоионизационных технологий очистки вещества на атомном уровне |
| title_sort | численное моделирование лазерных фотоионизационных технологий очистки вещества на атомном уровне |
| topic | лазерная фотоионизация численное моделирование очистка вещества примеси Al ридберговские состояния |
| topic_facet | laser photoionization numerical modeling material purification Al impurities Rydberg states лазерная фотоионизация численное моделирование очистка вещества примеси Al ридберговские состояния |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2003.1.38 |
| work_keys_str_mv | AT ambrosovsv numericalmodelingoflaserphotoionizationtechnologiesforatomiclevelmaterialpurification AT ambrosovsv čislennoemodelirovanielazernyhfotoionizacionnyhtehnologijočistkiveŝestvanaatomnomurovne |