Двухступенчатая-фотоионизация
Из рассмотрения обычной двухступенчатой фотоионизации (рис. 1а) оценим мощность лазера, необходимую для эффективного разделения изотопов. Для насыщения поглощения на частоте v1 необходима интенсивность излучения лазера
IS(ν1) = hν1/2σ1τ,
где σ1 — поперечное сечение возбуждения и τ — время жизни возбуждённого состояния. Характерные значения этих параметров следующие: hν1 = 5·10–19 Дж, σ1 = 10−12 см2, τ (радиац.) = 10−8 с. Подстановка этих значений даёт IS(ν1) ∼ 25 Вт/см2. При насыщении поглощения на частоте ν2
IS(ν2) = hν2/σ2τ = (2ν2/v1)(σ1/σ2)IS(v1).
Принимая v2 ∼ v1, получим IS(v2) ∼ (σ1/σ2)IS(v1). Так как σ2 ∼ 10–18 см2, то IS(v2) ∼ 106 IS(v1). Отсюда видно, что мощности двух лазеров должны существенно различаться: в рассмотренном примере IS(v1) = 25 Вт/см2, IS(v2) ∼ 5·107 Вт/см2.
Разделение изотопов методом двухступенчатой фотоионизации обычно проводится в атомном пучке (рис. 2). Поток нейтральных атомов, полученный испарением, пересекается в указанной точке двумя лазерными пучками, вызывающими селективное возбуждение и фотоионизацию. Образовавшиеся ионы затем отклоняются сильным электрическим полем (несколько киловольт на сантиметр). Так как область взаимодействия между лазерными пучками и атомным пучком пространственно ограничена, значительная часть падающего лазерного излучения может быть не использована. Действительно, при условии насыщения перехода на частоте v1 доля поглощённой энергии падающего излучения на частоте v1 равна σ1NL/2, а излучения на частоте v2 равна σ2NL/2. В этих выражениях N — число атомов в 1 см3 и L — поперечный размер атомного пучка. Таким образом, даже для оптически толстого атомного пучка при частоте v1(σ1NL ≈ 1) только малая доля излучения с частотой v1 будет поглощена. Эта особенность накладывает серьёзное ограничение на эффективность процесса разделения в целом. Частично это ограничение устраняется использованием ударной ионизации (рис. 2в) или возбуждением до автоионизационных состояний (рис. 2г). Кроме того, для осуществления ионизации может быт использовано СВЧ- или ИК-излучение.
