Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Ужгородский национальный университет

Ужгородский национальный университет

КРАСИЛИНЕЦЬ ВАСИЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ

УДК 539.184 / 186

ПРОЦЕССЫ ЭЛЕКТРОННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

АВТОИОНИЗАЦИЙНИХ СОСТОЯНИЙ атома лития

Специальность 01.04.04 физическая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Ужгород 2001

Актуальность темы исследования.

Работа выполнена в отделе электронных процессов Института электронной физики Национальной академии наук Украины.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, с.н.с.

Боровик Александр Александрович

Институт электронной физики НАН Украины,

с.н.с. отдела электронных процессов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Чутов Юрий Иванович

Киевский национальный университет

имени Тараса Шевченко

заведующий кафедрой физической электроники

доктор физико-математических наук, профессор

Шафраньош Иван Иванович

Ужгородский национальный университет

профессор кафедры квантовой электроники

Ведущая организация: Институт физики Национальной академии наук Украины,

отдел газовой электроники., Г. Киев

Защита состоится "17" мая 2001 в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 61.051.01 Ужгородского национального университета по адресу: г.. Ужгород, ул. Волошина, 54, аудитория 181.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ужгородского национального университета по адресу: г.. Ужгород, ул. Капитульная, 9.

Автореферат разослан "30" марта 2001 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук,

профессор Блецкан Д.И..

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Классическим направлением в физике электронно-атомных столкновений является исследование процессов упругого и неупругого рассеяния, включая ионыцию атомов. Начавшиеся еще в 30-х годах, эти исследования не только сохранили свою актуальность до наших дней, но и в последние десятилетия получили новый импульс в своем развитии. Совершенствование методики и техники эксперимента, а также теоретических расчетов привело к открытию и интенсивного исследования резонансных процессов взаимодействия электронов с атомами. Эти процессы существенно влияют на энергетические зависимости сечений рассеяния, открывают дополнительные каналы заселения и распада энергетических уровней. Особенно это влияние играет значительную роль при возбуждении внутренних оболочек атомов, то есть при образовании автоионизацийних состояний (АИС).

На начало выполнения данной работы систематические исследования резонансных процессов возбуждения АИС были проведены только для атомов инертных газов. Отдельные экспериментальные исследования резонансных процессов электронного возбуждения внутренних оболочек были проведены для атомов Ca, Sr и атомов подгруппы цинка. Для атомов щелочных металлов такие исследования отсутствовали. Решающая роль процесса автоионизации в возбуждении и ионизации атомов, влияние на энергетический и зарядовый баланс низкотемпературной (в том числе лазерной и астрофизической плазмы) приводит прикладное значение исследований этого процесса. Широкий спектр механизмов перераспределения энергий, изменения структуры электронных оболочек атомов при возбуждении АИС обусловило фундаментальное значение проблемы и стимулировало развитие теоретических моделей описания этих процессов. Среди этих исследований важную роль играют исследования возбуждения АИС атомов щелочных металлов и, в частности, лития.

Цель и задачи исследования. Цель работы заключалась в проведении прецизионных экспериментальных исследований процессов электронного возбуждения АИС атома лития методом электронной спектроскопии. Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Создать автоматизированную экспериментальную установку для проведения прецизионных исследований электронных спектров атомов металлов.

2. Разработать и впроводить методику измерений функций электронного возбуждения АИС, которые распадаются в электронном канале.

3. Провести измерения спектров электронов, ежектованих в результате распада АИС атома лития, под углами наблюдения q = 90 ° и q = 54.7 в диапазоне энергий столкновений Ео = 56ё600 эВ.

4. Получить энергетические зависимости дифференциальных и полных эффективных сечений электронного возбуждения АИС атома лития в диапазоне энергий столкновений от порогов возбуждения уровней до 600 эВ.

Наибольшее внимание в работе было уделено области припорогових энергий возбуждения АИС, где следует ожидать наиболее четкое проявление резонансных процессов.

Научная новизна полученных результатов. Все полученные в данной работе экспериментальные результаты имеют приоритетный характер. В частности, впервые:

1. Получены энергетические зависимости дифференциальных и полных эффективных сечений электронного возбуждения АИС (1s2s2) 2S, (1s2s2p) 4Pо, 1s (2s2p3P) 2Pо и 1s (2s2p1P) 2Pо атома лития в диапазоне энергий столкновений 56ё600 эВ.

2. Обнаружено и проведено спектроскопическую идентификацию энергетических уровней отрицательного иона Li- в автоионизацийний области энергий. Установлено важную роль резонансов в припороговий области энергий взаимодействий и обнаружено многоканальный характер их электронного распада.

3. Получены абсолютные эффективные сечения электронного возбуждения исследованных АИС в диапазоне энергий столкновений от порога возбуждения уровней до 600 эВ.

4. Выявлено и прецизионно исследованы эффект взаимодействия после столкновения в атоме лития. Данная интерпретация особенностей проявления этого эффекта в припороговий области энергий на основе качественной модели корреляционной взаимодействия двух ежектованих электронов и решающую роль при этом резонансов отрицательного иона Li -.

Основные результаты научных исследований, представленные в данной работе, получены впервые в мировой практике. Их приоритетность подтверждается печатными трудами в тезисах международных и отечественных конференций и в таких научных жулов, как & ldquo; Украинский физический журнал & rdquo ;, & ldquo; Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics & rdquo ;, & ldquo; Письма в ЖТФ & rdquo ;, & ldquo; Научный вестник Ужгородского университета & rdquo ;. Достоверность полученных результатов обеспечивается современным уровнем техники эксперимента, правильным выбором разработанной методики исследований, тщательностью и многократностью измерений, полной воспроизводимостью результатов и подтверждается независимыми теоретическими расчетами.

Практическое значение полученных результатов. Полученные в данной работе результаты носят фундаментальный характер и позволяют более глубоко понять природу электрон-атомных взаимодействий; определяют энергетическую структуру автоионизацийних уровней атома, а также переходов между ними; указывают на важную роль в заселении АИС короткоживущих автовидривних состояний отрицательных ионов, позволяют понять закономерности образования и распада этих состояний; несут информацию о динамике перераспределения энергии в электронных оболочках.

Установлены закономерности и научная информация, представленные в работе, могут быть также использованы: при анализе эмиссионных спектров плазменных источников излучения; при поиске активных сред и разработке лазеров на парах металлов в ВУФ и рентгеновской областях спектра; для проверки теоретических моделей и расчетов процессов электронного возбуждения атомов и ионов; для дальнейшего изучения энергетических зависимостей эффективных сечений электронного возбуждения АИС атомов других элементов методом электронной спектроскопии.

Личный вклад соискателя. Выполнил работу по разработке и изготовлению автоматизированной экспериментальной установки; разработал и внедрил методику измерений и обработки электронных спектров для получения функций электронного возбуждения АИС атомов металлов. Ввел в действие автоматизированную систему измерений с управлением с помощью компьютера и сделал редактирования программ, необходимых для проведения измерений. Подготовил и провел многочисленные и довготривали по времени эксперименты; сделал необходимую обработку, анализ и интерпретацию полученных результатов; подготовил научные статьи; сформулировал научную новизну, основные выводы диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Результаты, представленные в диссертационной работе, получены в отделе электронных процессов Института электронной физики Национальной Академии наук Украины во время выполнения двух научно-исследовательских тем согласно распоряжению Бюро отделения физики и астрономии НАН Украины: & ldquo; Исследование явлений и процессов в электронных оболочках атомов, молекул и ионов при их взаимодействии с электронами & rdquo; (Номер госрегистрации темы - № 0194U019173, 1994-1996 гг.) & Ldquo; Исследование возбуждения автоионизацийних состояний и их влияния на процессы в наружных и внутренних оболочках атомов и ионов при столкновениях с электронами & rdquo; (Номер госрегистрации темы - № 0197U005029, 1997-1999 гг.). По программе международных научных совместных исследований ученых INTAS (Англия, Бельгия) и СНГ - стран (Россия, Украина) выполнялся грант INTAS N96-0477 (1997-1999 гг).

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на 5 - назад (1995г., Дубна, Россия) международном семинаре & ldquo; Автоионизацийни явления в атомах & rdquo ;; Двадцать восьмой (1996, Грац, Австрия), двадцать девятого (1997, Берлин, Германия) и тридцать первой (1999, Марсель, Франция) международных еврофизичних конференциях & ldquo; Европейская группа по атомной спектроскопии (EGAS ) & rdquo ;; Двадцатой (1997, Вена, Австрия) и двадцать первого (1999, Сендай, Япония) международных конференциях по физике электронных и атомных столкновений & ldquo; ICPEAC & rdquo ;; Шестой (1998, Сиена, Италию) международной еврофизичний конференции по атомной и молекулярной физики & ldquo; EСAMP & rdquo ;; 19 - назад (1998, Златибор, Югославия) международном симпозиуме по физике ионизированных газов & ldquo; SPIG & rdquo ;; международной еврофизичний конференции & ldquo; Элементарныепроцессы в атомных системах (CEPAS'2000) & rdquo; (2000 г., Ужгород, Украина); отечественных конференциях IЕФь96 (1996, Ужгород) и по случаю 80-летия НАН Украины & ldquo; Элементарные процессы в атомных системах (ЕПАСь98) & rdquo; (В 1998 г.., Ужгород, Украина).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 17-ти научных трудах, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных литературных источников из 113 наименований. Изложена на 147 страницах печатного текста, включая 46 рисунков и 6 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы задачи и цели работы, определены научная новизна и практическое значение полученных результатов, указано личный вклад соискателя, апробацию и публикации результатов диссертации.

В первом разделе раскрыта суть основных физических понятий, используемых в данной работе, рассмотрены основные экспериментальные методы исследования автоионизацийних и резонансных явлений в электрон-атомных столкновениях. Проведен анализ литературных данных, посвященных вопросу экспериментального и теоретического исследования процессов электронного возбуждения АИС атомов щелочных металлов. Показано, что основным экспериментальным методом исследования автоионизацийних и резонансных явлений в процессах электронного возбуждения атомов металлов является электронная спектроскопии в сочетании с техникой электронного и атомного пучков, которые пересекаются. Делается вывод о том, что экспериментальные исследования энергетических зависимостей эффективных сечений электронного возбуждения АИС атомов щелочных металлов имели обзорный характер и были проведены при низкой энергетической разрешении и чувствительности аппаратуры, не позволило авторам выяснить особенности процесса взаимодействия налетающих электронов с атомами в области припорогових энергий . Теоретические исследования АИС атомов щелочных металлов характеризуются толькорасчетами эффективных сечений электронного возбуждения для наиболее низкоэнергетических уровней. Однако, из-за отсутствия экспериментальных данных их достоверность оставалась выяснена до конца и не было дальнейшего развития теоретических методов. Экспериментальные и теоретические исследования эффекта взаимодействия после столкновения и резонансов негативных ионiв в автоионизацийний области энергий для атома лития, а также других атомов щелочных металлов на начало проведения наших исследований отсутствовали. Теоретически было предсказано существование двух метастабильных по отношению к электронному распада состояний отрицательного иона Li-, которые связаны между собой дипольным переходом.

В конце раздела сформулированы выводы.

Во втором разделе описано экспериментальную установку в целом и отдельные ее узлы, а также рассмотрены оригинальную методику измерений функций электронного возбуждения (Фез) АИС, которые распадаются в электронном канале. Приведены результаты контрольных экспериментов, рассмотрены калибровку энергетических шкал и погрешности измерений.

Для решения поставленных в данной работе задач с учетом требований, предъявляемых условиями эксперимента, было изготовлено автоматизированную экспериментальную установку для прецизионных исследований электронных спектров атомов металлов. Установка состоит из вакуумной камеры, вакуумной системы откачки и автоматизированной системы регистрации (АСР). В вакуумной камере расположены - камера столкновений, электронная пушка (ЭГ), источник атомного пучка, приемник электронов и анализатор энергий электронов (АЕЕ) с детектором. Принцип работы установки следующий. Пучок первичных электронов, сформированный электронно-оптической системой ЭГ, пересекает под углом 90о пучок нейтральных атомов. Электроны, ежектовани в результате распада АИС и рассеяны электроны попадают на вход АЕЕ, установленный под фиксированным углом наблюдения. После анализа электроны попадают на вход детектора - вторичного электронного умножителя (ПЭП), сигнал с которого поступает на АСР. залежнисть сигнала детектора от энергии анализируемых электронов дает спектр ежектованих или рассеянных электронов.

В состав электронно-оптической системы ЭГ, которая была специально разработана для данных исследований, входят две линзы: комбинированная двухэлектродная иммерсионная и триелектродна длиннофокусная одиночная. Такая конструкция пушки позволила провести измерения в диапазоне энергий столкновений Ео = 56ё600 эВ при постоянной геометрии пучка, получить моноенергетичнисть DЕ1 / 2 заборов 0.4 эВ в диапазоне энергий до 120 эВ. Двухцилиндровый приемник позволял проводить полный сбор электронного пучка и контролировать его угловую расхождение.

Для формирования атомного пучка в данной работе было изготовлено источник ефузийного типа, удовлетворяло требованиям строгой коллимации пучка, практическом отсутствии собственного магнитного поля и обеспечения продолжительности экспериментов. Формирования атомного пучка осуществлялось каналом длиной l = 2 мм и диаметром d = 0.7 мм, который расположен на верхней части транспортирующего канала (l = 30 мм, d = 3 мм). Последний позволяет максимально отдалить нагреватель ефузийнои камеры от области столкновений, а с другой стороны, максимально приблизить канал-формирователь к центру столкновений (до 2 мм). Конструкция источника позволяла получать концентрацию атомов в области столкновений до 1013 ат / см3.

Для энергетического анализа электронов в данной работе были использованы 127о - ный цилиндрический енергоанализатор с радиусами обложек ra = 12.7 мм, rb = 36.2 мм и шириной входной и выходной щелей Drо = 1 мм. Максимальный угол влета a определялся по геометрии входных линз и был не более 7о. Энергетическая разрешение анализатора составляла DЕ1 / 2 заборов 0.25 эВ. Электронно-оптическая система енергоанализатора состоит из двух входных линз и одной выходной линзы. Входные линзы предназначены для фокусировки, ускорения или замедления ежектованих и рассеянных электронов на входе в анализатор. Выходная линза служит для фокусировки и ускорения электронов, прошедших через анализатор на вход ВЭП. На входе анализатора использовалась двойная система электростатических дефлекторов и корректирующие электроды. Такая конструкция обеспечивала устойчивое пропускания и энергетическое разрешение во всем диапазоне энергий и углов. Детектирования электронного потока проводилось в режиме счета одноэлектронных импульсов.

Автоматизированная система регистрации была создана на базе компьютера УИК и модулей КАМАК. Основные функциональные возможности данной системы: управление энергией первичного электронного пучка и разверткой спектра в широких диапазонах энергий столкновений Ео; функциональный контроль блоков и каналов системы во время экспериментов; поканальное накопления импульсов с выхода ПЭП с автоматическим нормированием сигнала на

значение интенсивности первичного электронного пучка.

Измерения феску АИС методом электронной спектроскопии имеют несколько специфических факторов, отличающих их от аналогичных измерений в радиационной спектроскопии: наличие в спектре ежектованих электронов фона от вторичных процессов рассеяния; энергетическое смещение линий в спектре за счет эффекта взаимодействия после столкновения (СПО), изменения во времени энергетических шкал налетающих и ежектованих электронов и пропускной способности енергоанализатора. Кроме того, значительная продолжительность эксперимента (не менее 50 часов), ограниченное время работы источника атомного пучка, низкий уровень полезного сигнала все это требовало разработки специальной методики исследования феску АИС, которые распадаются в электронном канале.

Разработанная методика имеет три основные особенности: 1. Вместо измерения интенсивности одиночной линии (как в оптическом методе) регистрируется спектр ежектованих электронов, где присутствуют линии всех исследуемых АИС. Это позволяет правильно сделать интерполяцию фона и контролировать энергетическое смещение линий в спектре за счет эффекта СПО. 2. Для контроля условий эксперимента каждый раз до и после измерения спектра ежектованих электронов измеряется тестовый спектр всегда для фиксированного значения энргии столкновений Ео. Этот спектр является частью спектра ежектованих электронов и включает в себя одну или две линии. Зависимость интенсивности этого спектра от времени проведения измерений дает оценку устойчивости экспериментальных условий. 3. Для калибровки энергетической шкалы первичного электронного пучка спектр ежектованих электронов измеряется в одном энергетическом диапазоне со спектром энергетических потерь. Энергия первичных электронов определяется выражением: Ео = Ее + ЭВТ + е DU, где DU - разность значений напряжения развертки спектра для автоионизацийнои линии с энергией Ее в спектре ежектованих электронов и линии с энергией ЭВТ в спектре потерь энергии электронов. Погрешность в определении энергии Ео не превышала ± 0.1 эВ во всем рабочем диапазоне энергий столкновений Ео = 56ё600 эВ.

Статистический характер сигнала и наличие в спектре фона требуют выполнения трех стандартных этапов его компьютерной обработки: сглаживание спектра, вычитание фона, аппроксимация контуров линий для определения их интенсивностей. Анализ поведения интенсивности фона в спектрах показал, что лучшая его интерполяция достигается при использовании полиномиальной функции: y = Ao + A1 x

Загрузка...

Страницы: 1 2 3