Исследование взаимодействия электронов и метастабильных атомов инертных газов

Оглавление
Глава I. Основные понятия. Формулировка задачи
§ 1. Введение. Предварительные замечания и обоснование темы.
§ 2. Понятие сечения взаимодействия. Основные определения
§ 3. Конкретная цель исследования и постановка задачи
Глава II. О метастабильных состояниях вообще и в атомной физике в частности
§ 1. Понятие метастабильности и основные свойства метастабильных состояний
§ 2. Экспериментальные способы образования, удержания и регистрации метастабильных атомов
§ 3. Основные спектральные характеристики метастабильных состояний атомов инертных газов
Глава III. Экспериментальные методы определения сечений
§ 1. Принцип классификации различных экспериментальных методов, их общий обзор и анализ
§ 2. Электронные пучки
§ 3. Зона взаимодействия, или камера столкновений
§ 4. Оптический метод в вариантах методов лучеиспускания и поглощения
§ 5. Принципиальная формула для определения сечений возбуждения атомов электронным ударом
§ 6. Предлагаемая концепция определения обобщенных совокупных результатов для сечений ОМС и ВМС
Глава IV. Экспериментальная установка
§ 1. Общая схема проведения эксперимента
§ 2. Способы измерения конкретных величин
§ 3. Условия проведения экспериментов
2
Глава V. Образование метастабильных атомов инертных газов при столкновениях электронов с нормальными атомами (“into metastable”) - разработанные методы измерения сечений
§ 1. Способы измерения сечений образования метастабильных
состояний 111
§ 2. Многопроходная система с наклонным падением лучей в
методе относительного поглощения 119
§ 3. Вариант метода поглощения для определения числа
возбуждений в частотном (или временном) представлении 134
§ 4. Метод сдвига фазы для определения времени жизни метастабильного состояния атома и сечения его электронного возбуждения 148
§5. Эксперимент 158
§ 6. Конкретные условия и параметры и особенности
эксперимента для каждого элемента 164
Глава VI. Результаты определения сечений образования
метастабильных состояний атомов инертных газов электронным ударом
§ 1. Гелий 174
§2. Неон 180
§3. Аргон 190
§ 4. Криптон 201
§ 5. Ксенон 208
§ 6. Общий анализ измеренных величин сечений. Выявленные
закономерности 213
Глава VII. Возбуждение метастабильных атомов электронным
ударом в вышележащие излучающие состояния (“from metastable”) - разработанные методы
§ 1. Два подхода к решению проблемы 226
§ 2. Особенности экспериментов при измерении сечений ВМС - процесса при пространственном разделении двух
3
электронных ударов 234
§ 3. Система трех электронных пушек 246
§ 4. Временной метод 249
Глава VIII. Результаты определения сечений ВМС в инертных
газах
§ 1. Гелий 258
§ 2. Неон 275
§ 3. Аргон 289
§ 4. Криптон 304
§5. Ксенон 310
§ 6. Общий анализ измеренных сечений ВМС. Выводы и
закономерности 322
Глава IX. Новый подход к обобщению результатов разных работ
§1. Общие соображения 329
§ 2. “Сжатие информации” в процессе представления данных по сечениям. Предложенные аппроксимации зависимостей сечений от энергии налетающих электронов 333
§ 3. Обобщенные результаты по сечениям электронного
возбуждения атомов гелия из основного и метастабильных состояний 339
§ 4. Обобщенные результаты по сечениям электронного
возбуждения атомов аргона из основного и метастабильного состояний - процессы ОМС и ВМС 361
§ 5. Общий вывод по предлагаемому подходу к представлению
обобщенного результата и заключение 375
Заключение 378
Литература 383
4
Глава I Основные понятия Формулировка задачи
§ 1. Введение. Предварительные замечания и обоснование темы
Самый общий метод изучения структуры вещества, изучения системы взаимодействующих частиц состоит в исследовании энергетического распределения этих частиц в пространстве и во времени, являющегося следствием их взаимного рассеяния при столкновениях -вопросы, которыми занимается физика рассеяния [1.1.1].
Выделим в этой широко изучаемой области физики направление, связанное с рассеянием электронов на атомах и, в частности, раздел, посвященный исследованию взаимодействия электронов с метастабильными атомами. Этот раздел в силу ряда причин значительно менее изучен по сравнению с другими, и вместе с тем он очень интересен. Интерес обусловлен присутствием метастабильной составляющей в реакции рассеяния, которая благодаря своей специфике оказывает огромное влияние на вероятность и качество процесса взаимодействия.
Известно, что в физике элементарных процессов метастабильными состояниями атомов называют состояния [1.1.2], на которые правилами отбора распространяется запрет на спонтанное разрушение. Как следствие этого, метастабильные атомы оказываются мощными аккумуляторами энергии, обладающими временами жизни, на много порядков величины превышающими время жизни любого другого возбужденного состояния, и времена протекания многих элементарных фото-, био- и электрохимических реакций. Это первое. Второе - вероятности взаимодействия метастабильных атомов с другими частицами, или сечения взаимодействия, - весьма велики. В частности, в реакции
5
взаимодействия метастабильных атомов с электронами эти сечения сильно превышают соответствующие вероятности взаимодействия электронов с атомами, находящимися в основном состоянии, а именно, превышают в 102 - 104 раз. Таким образом, оказывается, что наличие метастабильной компоненты в среде делает последнюю активированной. В активной же среде может быть преодолен потенциальный барьер многих элементарных реакций, протекающих в ней.
Среди метастабильных состояний особый интерес представляют метастабильные атомы благородных газов. Благородный газ есть инертный газ, однако находясь в метастабильном состоянии, он становится высокореакцеоспособным и соответственно этому начинает играть большую роль в процессах взаимодействия микрочастиц между собой. И также сугубо инертная среда становится высокоактивной. Все это приводит к тому, что инертные газы в метастабильном состоянии привлекают к себе все большее внимание не только в астрофизике, астрономии, в физике лазеров и низкотемпературной плазме, но и со стороны таких нетрадиционных для них областей науки как биология и медицина.
Необходимость понимания и учета метастабильных образований в общем балансе процессов в активной среде, необходимость правильной оценки их парциальных плотностей, требует знания констант образования и разрушения метастабильных атомов, причем знать эти константы надо, естественно, в абсолютной мере. Главными из таких констант являются сечения их взаимодействия с электронами и зависимость этих сечений от энергии взаимодействия.
Настоящая работа посвящена исследованию двух групп процессов взаимодействия электронов и метастабильных атомов инертных газов между собой, а именно:
6
1. образованию метастабильных атомов инертных газов при столкновениях электронов с соответствующими атомами, находящимися в основном состоянии:
А0 + е = А ms + е
назовем этот процесс - образование метастабильных состояний (ОМС), и
2. разрушению этих метастабильных атомов электронным ударом с соответствующим возбуждением вышел ежащих уровней:
Ams + e=A** + e назовем его - возбуждение метастабильных состояний (ВМС).
В процессе проводимой работы нами создан и разработан ряд новых оригинальных методов исследования названных процессов и с их помощью определены абсолютные величины сечений возбуждения большого количества уровней атомов Не, Ne, Ar, Кг и Хе в широкой области энергий налетающих электронов.
Предлагаемые методы могут быть использованы при исследовании других процессов и носят самостоятельный интерес, а определенные в работе абсолютные величины сечений являются атомными константами.
7
§ 2. Понятие сечения взаимодействия. Основные определения
Задача о рассеянии электрона атомом в эксперименте формулируется следующим образом. Пучок моноэнергетических электронов движется со скоростью в среде, содержащей N0 атомов в единице объема. Часть электронов в результате столкновений с атомами выбывает из пучка за счет потери энергии или изменения направления движения (рис. 1.2.1).
/
а)
Ь)тонкая мишень
Для количественной характеристики процесса введено понятие сечения рассеяния ()($,). Сечение рассеяния определяется видом потенциала взаимодействия сталкивающихся частиц У(г), зависит от скорости, с которой они движутся друг относительно друга ( в данном
8
случае это есть скорость электрона уе) и, естественно, определяется их структурой. Столкновение сопровождается изменением различных параметров, описывающих систему. Таким параметром может быть, например, угол рассеяния, характеризующий изменение направления скорости. Вероятность изменения параметров в результате столкновения принято характеризовать дифференциальным сечением.
Остановимся прежде на классической картине рассеяния частицы на частице или силовом центре (рис. 1.2.2, а).
Рис. 1.2.2.
Полное определение результата столкновения, т.е. определение угла рассеяния, требует решения уравнения движения с учетом конкретного закона взаимодействия. Отклонение частицы массой т в заданном поле и (г) полностью определяется её скоростью уе и прицельным расстоянием, или параметром удара р. Связь угла рассеяния в с начальными
9
условиями задачи -р и уоу дается известным выражением - уравнением траектории р(0) [1.2.1]:
разрешить которое относительно р в явном виде удается лишь для нескольких потенциалов. В конечном итоге угол рассеяния в оказывается функцией расстояния р.
В физических применениях приходится иметь дело не с индивидуальным отклонением частицы, а, как говорят, с рассеянием целого пучка одинаковых частиц, падающих на рассеивающий центр с одинаковой скоростью у0. Различные частицы в пучке обладают различными параметрами удара и соответственно рассеиваются под различными углами в (рис. 1.2.2, Ь). Обозначим сМ- число частиц, рассеянных в единицу времени на углы от 0 до 0л- с№ ([ат./ с]) (рис. 1.2.3).
д
г
Рис. 1.2.3.
Само по себе это число не удобно для характеристики процесса рассеяния, т.к. оно зависит от потока падающего пучка п0 , т.е. числа частиц,
10
пересекающих единицу поперечного сечения в единицу времени, (ат./см2с).
Введем отношение
сіп'
da =
no
которое всецело определяется видом взаимодействия, da (0)- есть вероятность рассеяния в малый телесный угол dQ, а вероятность
d а
рассеяния в единичный телесный угол называется
дифференциальным сечением рассеяния. Таким образом,
дифференциальное сечение определяется отношением потока рассеянных частиц в единичный телесный угол к потоку падающих частиц, проходящих через единицу площади:
d а зса(./1их / ДО
(1.2.1)
dQ. fall flux/ AS
Дифференциальное сечения и его выражение в форме (1.2.1) прозрачным образом связывает понятия, с которыми оперируют и эксперимент - с потоками реальных частиц, и теория. В классической теории дифференциальное сечение выражается через функцию траектории
р{в) [1.1.1]:
da _ р{0 ) dQ sin#
dp
d0
(1.2.2)
в квантовой стационарной теории - через амплитуду рассеяния А (в)
(1.1.1]:
|§ = И*)|2, (1.2.3)
где Л(.в)»(р&|(/(г)| у/ } и у/0 - волновая функция падающей волны.
Исходным пунктом квантовой теории является уравнение Шредингера, а процесс рассеяния описывается волновой функцией у/, которая есть решение этого уравнения.
Вся информация о процессе рассеяния заключена в волновой функции, которая имеет смысл волны вероятности.
Интегральное сечение рассеяния есть
г* я
<2=\\^-<К1. (1.2.4)
о О
При экспериментальном определении сечения рассеяния электрона на атоме рассматривается число электронов ne(ve), пересекающих в начале пути единицу поперечного сечения пучка в единицу времени и имеющих скорость ve. Число столкновений, которые электроны испытывают на отрезке пути dl, равно:
d ne(vj = QtotNo ne(ve) dl = ne(v) (1.2.5)
Величина a = Q to, No dl есть вероятность столкновений электронов с атомами на пути dl, а коэффициент Qtot есть полное сечение атома по отношению к столкновению его с электроном. Таким образом, Q ш равно вероятности рассеяния электрона на единичном интервале пути, когда в единице объема содержится один атом; Ql0, имеет размерность площади.
Столкновения электрона с атомом могут носить упругий и неупругий характер. Каждый тип столкновения характеризуется своим сечением, которые в сумме дают полное сечение. Неупругие взаимодействия сопровождаются различными изменениями, происходящими в атоме, например: возбуждением - А\ потерей
возбуждения, ионизацией А * и др.:
а„,w - ъ+s с, = a,+I&M+Z<г(v) +(1.2.6)
1,к п
где Pei и Pflei - вероятности упругого и неупругого столкновений;
Qei и Qik - соответственно, интегральные сечения упругого рассеяния и суммы сечений возбуждения атома из состояния i в состояние к, сечений ионизации и др.
Возбуждение какого-либо уровня "к" атома при столкновении электрона с атомом, находящимся в основном состоянии "о”, будем
12
называть возбуждением из основного состояния (ВОС) , или иногда -прямым возбуждением - (ПВ). Соответственно ()ок - сечение ВОС уровня "к".
Столкновение электрона с уже возбужденным атомом, приводящее к образованию атома в более высоком возбужденном состоянии, будем называть ВВС - процессом, (или иногда - ступенчатым возбуждением -СВ). Соответственно, й* " ВВС сечение, или сечение ступенчатого возбуждения уровня "к" из состояния Если уровень - есть
метастабильный, - ВМС сечение. Понятия эффективного и
оптического сечений будут даны ниже в гл. IV, § 3.
Зависимость сечения от энергии электронов можно представить в
виде:
а*(Я) = ЙГ •/*(£) (1-2.7)
Функция /*(£) называется функцией возбуждения (ФВ) уровня "к" из состояния она измеряется в относительных единицах. <2™** -значение сечения возбуждения в максимуме функции возбуждения.
13
§ 3. Конкретная цель исследования и постановка задачи
В настоящей работе исследуются процессы
а) е + А = Амс + е - образования метастабильных состояний (ОМС),
б) е + Амс = А** + е - возбуждения метастабильных состояний (ВМС) в вышележащие возбужденные состояния атомов инертных газов электронным ударом (рис. 1.3.1), и работа преследует три главные цели.
./1.1/ ././//////// / // /
Рис. 1.3.1, Исследуемые процессы :
электронного образования метастабильных атомов - ОМС; электронного возбуждения из метастабильного состояния вышележащих уровней - ВМС;
электронное возбуждение излучающих уровней из основного состояния - ВОС.
Первое - создать и разработать методы, пригодные для этого исследования. Рассмотреть и опробовать разные варианты разработанных методов и в каждом конкретном случае выбрать из них наиболее оптимальный для изучаемой реакции.
Второе - с использованием этих методов определить константы взаимодействия названных процессов, а именно: функции
возбуждения, оптические и эффективные сечения возбуждения и
абсолютные величины этих сечений в максимумах соответствующих функций возбуждения в широкой области энергий налетающих электронов. Определить эти константы для большого класса возбужденных уровней атомов Не, Не, Аг, Кг и Хе.
Третье - следуя предложенной нами в [1.3.1] общей концепции представления и обобщения совокупной информации, рассмотреть весь набор данных по исследуемым процессам и представить обобщенный результат.
Поясню последнее. Изучаемые процессы могли исследоваться (и частично исследовались после наших публикаций) в других работах, другими авторами, в другое время, другими методами и с другой погрешностью. Требуется сопоставление собственных результатов с другими (в том случае, если они есть). При этом можно заметить, что некоторыми авторами заявляется высокий уровень качества полученного ими результата, однако, как показывает анализ, это не так, и отдать предпочтение какой-либо одной работе, как правило, нельзя, и нет такой работы или группы работ, которые безоговорочно являлись бы наилучшими. Поэтому для получения и представления конечного совокупного результата имеет смысл каким-либо образом учесть данные всех опубликованных работ. Разрешению этого вопроса и посвящена заключительная часть диссертации.
Таким образом, значимость настоящей работы выходит за рамки только собственных исследований и обычного сопоставления их с литературными данными.
Более подробные пояснения и мотивировка сказанного будут приведены ниже.
15
Глава II
О метастабильных состояниях вообще и в атомной физике в частности
§ 1. Понятие метастабильности и основные свойства метастабильных состояний
Как известно [1.1.2], существует два определения понятия “метастабильное состояние вещества”. Это, во-первых, состояние неполного равновесия макроскопической системы, соответствующее одному из минимумов термодинамического потенциала системы при заданных внешних условиях, причем устойчивому (стабильному) состоянию отвечает самый глубокий минимум, и во-вторых, это метастабильное состояние в квантовых системах - состояние с временем жизни г, много большим характерного времени жизни остальных возбужденных состояний, спонтанно распадающихся (~10*8 с). Во втором случае метастабильными обычно считают возбужденные состояния, излучающие (радиационные) переходы из которых в другие состояния запрещены строгими правилами отбора. Как правило, они расположены непосредственно над основным состоянием, релаксировать в которое самопроизвольно не могут. Основное (устойчивое) состояние характеризуется минимальной энергией, метастабильное (не вполне устойчивое) - имеет, как правило, минимальную энергию из всех возбужденных состояний.
Метастабильное состояние можно рассматривать как некое переходное состояние системы, занимающее промежуточное положение между сугубо устойчивым и сугубо неустойчивым, между сугубо стабильной и нестабильной фазами. Если система находится в метастабильном состоянии, то при очень малом отклонении от него система возвращается в исходное состояние, а при некотором достаточном
16
отклонении она может не вернуться в исходное состояние и стремится перейти в другое состояние равновесия (рис. 2.1.1) [2.1.1 ].
Хотя метастабильное состояние в известных пределах устойчиво, но рано или поздно система все равно перейдет из него в другое, стабильное состояние. Соответственно этому среди состояний равновесия и различают метастабильные, стабильные и неустойчивые состояния. При достаточно больших возмущениях система переходит в абсолютно устойчивое состояние.
К характерным признакам или свойствам метастабильного состояния можно отнести - большое время жизни (но меньшее, чем бесконечное время существования самого устойчивого состояния) и высокую энергоемкость метастабильного состояния.
Также можно отметить некое свойство, связанное с явлением перехода к равновесию. Характерные времена отдельных релаксационных процессов образуют цепочку времен - иерархию. Скорость релаксации отдельного процесса определяется его вероятностью, или сечением и при
Рис. 2.1.1
с гг> л •** '* с? £>
Л е
17
определенных условиях процесс релаксации для отдельных групп процессов можно рассматривать независимо друг от друга. Определенные условия в данном случае означают, что при анализе выбирают такие масштабы времен, на которых все более быстрые процессы закончились, а более медленные не начались, что и дает возможность рассматривать процессы с участием метастабильных состояний изолированно.
Существенным для метастабильной системы является наличие начальной стадии фазового перехода в процессе релаксации. Это могут быть или флуктуационный путь, или “зародышевый” путь. Суть первого, видимо, пояснять не надо, относительно второго можно сказать, что он означает наличие какой-либо примеси в основной фазе. В случае микро-метастабильных систем это некая неконтролируемая разрушающая примесь в объеме газа, или “стенка” камеры, т.е. наличие границы существования самого объекта исследования. При этом имеет место уменьшение величины определенного параметра - энергии системы, в результате чего осуществляется снижение соответствующего барьера, препятствующего релаксации. Яркие примеры тому - уменьшение потенциала зажигания газового разряда при наличии в системе “примеси”-метастабильной компоненты, или возможность снижения потенциала ионизации атома, если он имеет метастабильное состояние.
Это свойство метастабильного состояния проявляется в скачкообразном, т.е. резонансном характере динамики его образования и разрушения. Известно, например, что вероятность образования метастабильных состояний атомов электронным ударом характеризуется резкой зависимостью эффективных сечений от энергии возбуждающих электронов. То же можно сказать и о процессе их разрушения электронным ударом при возбуждении вышележащих уровней или о разрушении за счет так называемой “гибели на стенке” при скачкообразной передаче последней энергии метастабильного состояния -
эти процессы характеризуются резонансным видом вероятности их протекания.
Мы привели некое качественное описание метастабильной системы с точки зрения понятия “микро-метастабильности”. Названные свойства метастабильного состояния присущи, как нам представляется, метастабильным системам вообще , т.е. и в макро- и микропредставлении, однако обсуждение этого вопроса выходит за рамки настоящей работы.
В следующих параграфах настоящей главы будут рассмотрены возможные пути образования, удержания и регистрации атомов в метастабильных состояниях, и будут приведены таблицы с конкретными параметрами метастабильных состояний атомов инертных газов.
19
§ 2. Методы работы с метастабильными атомами
2.1. Экспериментальные способы образования метастабильных атомов
Все способы образования метастабильных частиц можно разделить на три большие группы.
1. Образование атомов в метастабильном состоянии в разряде и вытягивание их оттуда тем или иным способом, например, за счет диффузии в собственном газе и селекцией относительно ионов и излучающих атомов. Этим способом можно получить много атомов в метастабильных состояниях.
2. Возбуждение атомов до метастабильных состояний электронным пучком в газовой ячейке или при столкновении электронного пучка с атомным пучком. Этот метод удобен тем, что регулируя энергию электронного пучка, можно вести образование метастабильных частиц с максимальной вероятностью их образования. Кроме того, такая регулировка дает принципиальную возможность создавать атомы в каком-либо одном, заданном состоянии, если позволяет достаточно высокая степень монокинетичности электронного пучка. Такая возможность была даже реализована в работе [2.2.1] для получения атомов гелия только в одном 2 38] метастабильном состоянии.
3. Возможно образование метастабильных атомов при перезарядке ионов инертных газов в парах щелочных металлов или при перезарядке иона на поверхности металла. В первом способе предварительно сформированный пучок ионов инертного газа пропускается через камеру, заполненную парами щелочного металла, Подбирая компоненты можно приблизить реакцию перезарядки к резонансной, что позволяет иногда получить атомы преимущественно в одном каком-либо метастабильном состоянии. Это широко распространенный способ образования метастабильных частиц для целей их последующего исследования. Второй
20
способ - нейтрализация ионов на поверхности проводника - был в свое время предложен Олифантом [2.2.2] и был реализован в одной из работ [2.2.3] по созданию метастабильных атомов гелия. Идея метода сводится к захвату ионом с поверхности проводника электрона с образованием атома в нормальном или возбужденном состоянии. Условие наибольшей вероятности заселения возбужденного состояния с энергией IV* есть IV* = - (р , где IV* - энергия ионизации, <р - работа выхода электрона из
металла. Подбор твердого тела, иными словами, выбор <р позволяет с наибольшей вероятностью получать атомы в заданном, в том числе и метастабильном состоянии.
Не выделяя в отдельную 4-ую группу, укажем на возможный способ получения метастабильных атомов с помощью лазерной подсветки - имея лазер соответствующей длины волны, можно переводить с его помощью атомы из основного состояния в высоколежащее, которое затем при спонтанном разрушении заселяет метастабильный уровень. Это хороший способ, но как метод создания метастабилей, нам не известно, чтобы он применялся. Скорее его используют для контролируемого опустошения заданного метастабильного состояния в методах лазерно-индуцированной флуоресценции.
То же можно сказать и о процессах диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов и фотодиссоциации молекул, в результате действия которых возможно заселение метастабильных состояний, но, опять-таки, как способ создания метастабильных частиц для их исследования, они (по крайней мере, в случае инертных газов) не используются. Вместе с тем способ фотодиссоциации характеризуется “высокой чистотой”, т.е. при некоторых условиях можно получать атомы в заданном конкретном возбужденном состоянии.
21
2.2. Экспериментальные способы удержания метастабильных атомов
Удержать метастабильные атомы в объеме или пучке вроде бы не трудно, поскольку они живут довольно долго. Возможные каналы гибели метастабильных частиц - это тушение их собственным или примесным газом, разрушение электронами, фотонами или дезактивация на стенке камеры возбуждения. В некоторых случаях внутриплазменные и внешние электрические поля эффективно смешивают метастабильные и резонансные уровни, снимают запрет и приводят к высвечиванию метастабилей. Относительная роль перечисленных каналов, изменяющаяся в широких пределах в зависимости от условий (давление газа и примеси, величина тока, размеры камеры возбуждения), подробно рассматривается в литературе. В недавней работе [2.3.1] обращается внимание на возможность эффективного разрушения метастабильных состояний атомов за счет поглощения собственно излучения разряда. Однако, все эти причины существенны при высоких плотностях тока, газа и излучения, в том же случае, если они малы, основным механизмом гибели метастабильных частиц остается один - свободный пролет их на стенку камеры с девозбуждением на ней.
2.3. Экспериментальные способы регистрации метастабильных атомов
Вслед за выбором метода образования метастабильных атомов перед экспериментатором встает вопрос выбора способа их регистрации и определения их концентрации.
1. Если метастабильные атомы образуются электронным пучком, то для их регистрации применим метод, основанный на регистрации рассеянных электронов, потерявших энергию, равную энергии возбуждения атома в метастабильное состояние. Рассеянные электроны собираются на коллектор, к которому приложен задерживающий
22
потенциал; меняя величину последнего, выделяют группу электронов, потерявших энергию, соответствующую энергии возбуждения исследуемого состояния. Точность выделения исследуемого состояния и точность анализа рассеянных электронов зависят от степени монокинетичности электронного пучка.
Повышение степени монокинетичности трудно совместить с требованием образования больших концентраций метастабильных атомов. Подробно этот способ будет описан в соответствующей главе при обсуждении методов измерения сечений электронно-атомного рассеяния.
2. Другая группа методов основана на регистрации самих метастабильных частиц.
а). Метод вторичной электронной эмиссии. В этом методе используется свойство метастабильных атомов выбивать электроны из металлов, работа выхода которых меньше энергии атома в метастабильном состоянии. При этом измеряется ток вторичных электронов и, если известен коэффициент вторичной эмиссии /, -определяется концентрация метастабилей. Помимо трудности точного определения у,; в методе необходимо устранять искажения, вносимые попаданием на металл световых квантов или ионов, также способных выбивать вторичные электроны.
В последние годы эта трудность преодолевается путем применения методики “времяпролетного” типа: метастабильные атомы, образованные импульсным пучком электронов, распространяются к детектору, расположенному на фиксированном расстоянии от камеры столкновений, детектором служит катод фотоумножителя. В силу того, что импульс фотоэлектронов образуется существенно раньше, чем импульс вторичных электронов, выбиваемых метастабилями, появляется возможность выделения последних из общего числа частиц.
23
Отметим, что данный метод не применим в случае необходимости разделения разных метастабильных состояний. Надежность и точность его очень сильно ограничены параметром /, величина которого зависит не только от сорта и энергии метастабильных частиц, но, главное, от условий эксперимента, от чистоты и состояния поверхности металла, часто не контролируемых.
б). Способ детектирования метастабильных атомов при ударах второго рода с атомами примеси. Он основан на том, что метастабильные атомы могут ионизовать отдельные атомы примеси с энергией ионизации, меньшей энергии возбуждения метастабильного состояния
Ам + В = А + В + е, что позволяет определить их концентрацию по току образующихся при этом ионов примеси или току электронов. Однако надо заметить, что при этом может быть сильно влияние процессов, сопутствующих основному, например, процесса прямого электронного возбуждения (ионизации) атомов примеси, возможность передачи возбуждения с другого уровня и т.п., вследствие чего количество параметров, которые надо дополнительно учитывать, возрастает, а точность конечного результата падает. Кроме того, метод пригоден только в том случае, когда известна вероятность процесса передачи возбуждения, что бывает довольно редко, поэтому метод не нашел широкого применения.
в). Оптический метод поглощения, основанный на поглощении метастабильными атомами излучения с длиной волны Я/т, соответствующей радиационному переходу между вышележащим и метастабильным уровнем. Это очень хороший и перспективный метод, и он и его модификации, в том числе предложенные нами, будут подробно изложены в следующих главах (гл. III, IV,V).
г). Не останавливаясь на разборе, лишь упомянем некоторые другие возможные способы регистрации метастабильных атомов, способы, не
24
имеющие широкого применения. Так, можно использовать для регистрации метастабильных атомов эффект “тушения” их в электрическом и магнитном полях, которые вынуждают их к излучению избытка энергии [2.4.1]. Можно наблюдать и регистрировать метастабильные атомы по методу Штерна - Герлаха : атомы, имеющие отличный от нуля полный момент импульса, отклоняются в неоднородном магнитном поле [9.3.54.].
Все перечисленные методы использовались при изучении процессов с участием метастабильных атомов в разной степени. Экспериментов, в которых проделаны абсолютные измерения, мало, и они будут обсуждены по ходу дела при конкретном разборе процессов ОМС и ВМС возбуждения.
25
§ 3. Основные спектральные характеристики метастабильных состояний атомов инертных газов
Атомы инертных газов в основном состоянии п'80 имеют замкнутую валентную электронную оболочку - 1б2 для Не и - пБ2пр6 для более тяжелых инертных газов. Эти атомы характеризуются высокими потенциалами возбуждения; так первое возбужденное состояние Хе отстоит от основного ~ на 10 эВ и это расстояние увеличивается в ряду инертных газов от ксенона до гелия до ~ 20 эВ. Это очень большой энергетический диапазон, что во многом обусловливает спектральные особенности инертных газов, и с другой стороны является весьма приятным для нас обстоятельством в связи с интересом к процессу возбуждения из метастабильных состояний, поскольку в этом диапазоне можно исследовать ВМС в чистом виде (см. ниже). Электронная конфигурация самых нижних возбужденных состояний отвечает возбуждению одного Б-электрона и это есть - 1в2б для Не и - пб2 пр5 (п+1)в - для остальных . К этой оболочке относятся метастабильные состояния: 2^0 и 2^1 у Не и (п+1)3Р2 и (п+1)3Р0 - у более тяжелых инертных газов. Кроме двух метастабильных состояний у тяжелых инертных газов к этой оболочке относятся также два резонансных уровня - (п+1)!Р1 и (п+1)3Р|. Следующие состояния соответствуют возбуждению р - электрона и имеют электронную конфигурацию - пб2 пр5 (п+1)р.
Описание нижних электронных состояний атома гелия дается в терминах 15 -связи, а более тяжелых атомов инертных газов - в терминах уу -связи, у7-связи, в терминах Рака, в пашеновских обозначениях, а также, как в Не, - в терминах £5 -связи. Хотя использование £5 -связи для тяжелых инертных газов не вполне обосновано, однако на правильности сделанных утверждений это не отражается, а простота, общность и удобство этой схемы для построения электронных термов искупают возможную не строгость изложения [2.3.1].
26
Спонтанные времена жизни метастабильных состояний атомов, как говорилось, очень велики. Так время жизни 2^0 уровня Не по данным теории составляет 19.5 мс, полученное из эксперимента при измерениях времяпролетным методом, оно равно 19.7 х 0.1 мс [2.3.2]. Времена жизни (°Р2 и 3Р0) метастабильных состояний атомов Ые, Аг, Кг, по данным измерений тем же методом, составляют, соответственно, > 0.8 с, >1.3 с, > 1.5 с.
Ниже в таблицах 2.3.1 - 2.3.5 приведены остальные параметры метастабильных состояний и связанных с ними спектральных переходов в атомах инертных газов. В таблицах приведены обозначения уровней в терминах Пашена (152-5 - 2рыо), Рака и 15-связи (для гелия только £5-связи); энергии уровней Е (эВ); длины волн Л (нм); силы осцилляторов; вероятности переходов (в единицах 106 с'1); энергии порогов ВМС возбуждения - Д£ (эВ).
Использованы следующие источники :
• Гелий.
Термы, энергии и длины волн из [2.3.3] ; силы осцилляторов из [5.5.1].
• Неон.
Термы, энергии, длины волн и вероятности переходов из [2.3.3], [6.2.9],
[2.3.1]; силы осцилляторов - из [5.5.1].
• Аргон.
Термы, энергии и длины волн - из [2.3.3], [2.3.1], [9.4.3] и [3.6.4];
(для уровней 1б4 и 1 б2 , а также всех 2рыо - уровней, кроме 2р9 - имеет место смешение конфигураций);
силы осцилляторов, соответственно, 1-ая строчка из [2.3.4] (по данным [6.3.11]); 2-ая - [5.5.1]; 3-ья - [6.3.11]; 4-ая - [2.3.5] (по данным [9.4.1]), 5-ая и 6-ая - [9.4.1], 7-ая - [3.6.4].
27
♦ Криптон.
Термы, энергии, длины волн и вероятности переходов - из [2.3.3],
[2.3.1], [6.4.3] и [6.4.8];
(для уровней 1 э4 и 1б2 , а также для всех 2 рмо - уровней, кроме 2 р9 -имеет место смешение конфигураций); силы осцилляторов - из [8.4.5].
• Ксенон.
Термы, энергии, длины волн и вероятности переходов из [2.3.3], [2.3.1], (длины волн в скобках приведены из [8.4.5]);
(уровни 2р2 и 2рз имеют обратный порядок относительно Кг !) силы осцилляторов - первая строчка из [8.4.5].
Заметим, что в разных источниках для атомов инертных газов имеет место разночтение в спектроскопической идентификации, в местоположении уровней; есть некоторое различие в длинах волн и энергиях термов.
Отметим также, что имеет место значительный разброс данных для сил осцилляторов и вероятностей переходов. Для иллюстрации этого в табл. 2.3.3 приведено по семи значений сил осцилляторов спектральных линий аргона, взятых из разных источников.
Таблица 2.3.1. Энергетические уровни и спектральные переходы между нижними уровнями
2 % ,1Р ; 2 }5| ,3Р о пиЬ агома гелия
2'в 2‘Р 23Р 3*8 3!Р з'б з3в З3р з3б 4*Р
Е 20.61 21.22 20.96 22.92 23.09 23.07 22.72 23.01 23.07 23.74
2‘80 20.61 X 2058.2 501.568 396.473
/ 0.150 1: 0.140
АЕ 0 0.61 0.35 2.31 2.48 2.46 2.11 2.40 2.46 3.13
2 38| 19.82 X 1083.0 1 I . 388.87.5
/ '"*% • * 0.540 *■} 0.064
ДЕ 0.79 1.40 1.14 3.10 3.27 3.25 2.9 3.19 3.25 3.92
2‘Р 21.22 X 728.135 667.815
/ « ■ • 0.049 0.710 • • 04 .« 4 А ...
АЕ -0.61 0 -0.26 0.70 1.87 1.85 7.50 1.79 1.85 2.50
2зр 20.% X !Ш;! 706.52 587.562
/ 0.070 0.610 *-•
АЕ -0.35 0.26 0 1.96 2.13 2.11 1.76 2.05 2.11 2.78
Таблица 2.3.2. Энергетические уровни и спектральные переходы 2р'3э -> 2р*3р атома неона
2р| Зр[1/21о 'Зо 2рз Зр’[1/2], ,Р. 2рз Зр'[!/2)о 3Ро 2Р4 Зр'[3/2Ь 3Р2 2р* 3р{3.'2]| 'Р. 2р6 3Р[3/2Ь •еь 2р? 3Р13/2), 2рв ЗрГ5/2}2 % 2р9 3Р{5/2]з 2рю Зр(1/2), Ъ,
Е 18.966 18.727 18.712 18.704 18.694 18.637 18.613 18.576 18.556 18.382
185 3*[3/2)2 3Р2° 16.619 А : ' 588.2 594.5 597.6 6143 621.7 633.4 640.2 703.2
/ 0.032 0.059 0.011 0.160 0.021 0.110 0.440 0.110
Ль 11.4 12 3.7 29 6.0 18 51 26
АЕ 2.347 2.108 2.093 2.085 2.075 2.018 1. 994 1.957 1.937 1.763
184 38[3/2], Зр.о 16.671 А 540.06 603.0 607.4 609.6 612.8 630.4 638.3 650.6 724.5
/ - 0.028 0.110 0.170 0.004 0.042 0.190 0.310 •Л’ | 0.079
Аь 0.9 5.5 57 18 0.68 4.1 32 30 9.8
АЕ 2.295 2.056 2.041 2.033 2.023 1.966 1.942 1.905 1.885 1.711
1*3 Зв*[1/2]о V 16.716 А 616.4 626.6 6533 743.9
/ 0.240 0.450 0.200 у- \ 0.060
Ах, 14.5 /дай [ 25 10 *// ^ | ф 2.4
АЕ 2.25 2.011 1.996 1.988 1.978 1.921 1.897 1.86 1.84 1.666
1*2 Зя*[1/2), 'Р.° 16.844 А 585.25 659.9 665.2 667.8 671.7 692.9 702.4 717.4 808.2
/ 0.120 0.150 - 0.260 0.150 0.210 - 0.041 -
Ах, 69 23 0.8 23 23 18 1.9 3.0 0.12
АЕ 2.118 1.879 1.864 1.856 1.846 1.789 1.765 1.728 1.708 1.534
Таблица 2.3.3. Энергетические уровни и спектральные переходы Зр^э -> Зр?4р атома аргона
2р, 4р'[ 1/2*0 *8о 2р: 4р’[1/2], 3Р> 2рз 4р’[3/2]2 2Р4 4р‘[3/2], 'Р. 2Р5 4р[1/2]0 3Ро 2р* 4р[3/2]2 3Р2 2Р7 4р[3/2], Зй, 2р* 4р15/2]2 2р, 4р[5/2]3 Ъз 2рю 4р[1/2), 38,
£ 13.480 13.328 13.302 13.283 13.274 13.172 13.153 13.093 13.076 12.906
1*5 Л 696.543 706.722 714.704 . 763.510 772.376 801.478 811.531 912.297
4з[3/2Ь 5рго 11.548 / 1 0.0292 0.030 0.0316 0.0278 ± 0.0014 0.0296 0.030 0.0344 0.0285 ± 0.0023 0.00299 0.0055 0.00289 0.00288 ± 0.0002 щ ■ 0.239 0.190 0.244 0.214± 0.017 0.0306 0.031 0.267 0.092 0.068 0.088 0.0891 0.007 0.51 0.510 0.459 0.4610.04 0.159 0.160 0.134
0.0378 0.0846 0.0113 . • 0.18 - 0.0894 0.46 -
: : Г }Т - - • 0.29 - - 0.62 -
- - - 0.21 ±0.05 - • 0.3910.10 -
ЛЕ 1.932 1.780 1.754 1.735 1.726 1.624 1.605 1.545 1.528 1.358
1*4 Л 667.728 727.294 738.398 747.117 751.465 800.616 810.369 842.465 965.778
4*13/2]| Зр о / 0.00054 0.0159 0.119 0.00021 0.121 0.075 0.273 0.413 0.084
п 11.624 0.00054 0.024 0.160 0.0016 0.150 0.098 0.310 0.400 0.084
/ - 0.0152 0.120 0.0002 - 0.067 0.245 0.355 0.073
АЕ 1.856 1.704 1.678 1.659 1.650 1.548 1.529 1.469 1.452 1.282
продолжение таблицы 2.3.3.
1*3 4з'[1/2)0 3Р0° 11.723 Л 772.421 794.818 866.794 1047.005
/ 0.341 0.340 0.335 0.314 ±0.016 т у 0.560 0.660 0.469 0.53 ± 0.04 0.44 0.73 гЩ > г Шш 0.095 0.095 0.089 0.058 0.058 0.042
-\Ш ■ 0.290 • • тм *тт у - | 1 1 -11 1 : */.♦ ■> ф

0.38 ±0.05 А’ ' - л«« дТ. ' ШЛА •
ЛЕ 1.757 1.605 1.579 1.560 1.551 1.449 1.430 1.370 1.353 1.183
1*: А 750.387 826.452 840.821 852.144 857.806 922.450 935.422 978.450 1148.812
4511/2], 0.133 0.172 0.431 0.160 . 0.125 0.0151 0.0385 0.0049
'Р,0
1 1 / 0.120 0.160 0.370 0.160 - 0.120 0.015 0.038 0.0049
1 1.0^0 - 0.165 0.403 0.141 0.105 0.013 0.0328 - 0.0028
ЛЕ 1.652 1.500 1.474 1.455 1.446 1.344 1.325 1.265 1.248 1.078
Таблица 2.3.4. Энергетические уровни и спектральные переходы 4р55в -* 4р55р атома криптона
2р. 5р'(1/2]о ’во 2рз 5р'(3/2]2 3Р2 2Рз 5р'[1/2], 3Р» 2р, 5р'(3/2}| Зй, 2р* 5р(1/2]о 5Ро 2рб 5р(3/2]г 'о2 2р? 5р[3/2], 'Р. 2р* 5р(5/2Ь 3о2 2р, 5р(5/2]} 30* 2рю 5р(1/2], 38,
Е 12.257 12.144 12.141 12.101 11.666 11.546 11.526 11.445 11.443 11.304
1*5 Я 556.2 557.0 567.2 . 760.1 769.4 810.4 811.3 892.9
5*(3/2]2 / 0.00276 0.0109 0.000013 ' 0.334 0.0347 0.124 0.617 0.284
Зрго - - - 0.027 0.027 0.11 0.53 -
9.915 Ах. 0.2 1.6 0.02 27 5.0 9.4 31 21
АЕ 2.3-12 2.229 2.226 2.186 1.751 1.631 1.611 1.53 1.528 1.389
1*« Я 557.3 587.1 588.0 599.4 758.7 819.0 829.8 877.6 9752
55(3/2}, / 0.000679 0.0.0206 0.00103 0.000453 0.151 0.194 0.371 0.484 0.0489
3Р,° - - - - 0.14 0.19 - - -
10.033 Ах, 0.8 1.4 0.07 0.06 42 10 29 22 4.0
АЕ 2.224 2.111 2.108 2.068 1.627 1.513 1.493 1.412 1.41 1.271
1*3 Я 785.5 805.9 - 1286.2 1672.7
5*Ц/21о / 0.706 0.620 ,7СЛ.\ 0.00257 0.00776
3Ро° - 0.42 - -
10.563 Аи ■ 21 17 0.1 0.1
АЕ 1.694 1.581 1.578 1.538 1.103 0.983 0.963 0.882 0.88 0.741
1*2 Я 768.5 826.3 828.1 850.9 1212.4 1373.9 1404.6 1547.4 1878.5
55(1/2], / 0.147 0.702 0.193 0.224 0.00001 0.00773 0.00187 0.00285 0.338
‘Р,а - 0.09 0.78 0.22 - - - - -
10.644 Аь 42 34 15 18 0.04 0.3 0.1 0.1 0.1
АЕ 1.613 1.50 1.497 1.457 1.022 0.902 0.882 0.80/ 0.799 0.66
Таблица 2.3.5. Энергетические уровни и спектральные переходы 5р56ь -> 5р56р атома ксенона
2р| 2рз 2рз 2р* 2Р5 2р* 2рт 2р* 2р» 2рю
6р,[1/2,о 6р'(1/2), 6р‘[3/2)2 6р'(3/2]| 6р(1/2]0 6р[3/2]2 6р(3/2], 6р(5/2]2 6Р(5/2]з 6р[1/2),
% 3Р| 'П>> 'Р. 3Ро 3Р2 Зэ, ■£>> 3»>
Е 11.14 11.07 11.05 10.96 9.93 9.82 9.79 9.72 9.69 9.58
ь* Я 450.0977 452.4681 469.0971 823.1635 840.919 881.941 904.545 979.970
6в[3/2]2 / 0.000655 0.00266 0.000767 0.253 0.0117 0.641 0.132 0.268
Зр2о « - - 0.27 0.019 0.6 - -
8.31 Л*1 0.8 0.4 0,2 23 2.5 30 10 28
ДЕ 2.83 2.76 2.74 2.65 1.62 1.51 1.48 1.41 1.38 1.27
1*4 Я 458.2747 470.821 473.4152 491.6508 828.0116 895.2254 916.2654 992.3192 1083.834
65(3/21, / 0.00317 0.000151 0.00599 0.00442 0.153 0.213 0.398 ш. 0.483 0.0459
Зр,о - - - - 0.14 0.19 - - -
8.44 2 0.002 0.8 1.0 33 8 27 16 2.3
&Е 2.70 2.63 2.61 2.52 1.59 1.38 1.35 1.28 1.25 1.14
1*3 Я 764.2025 820.6341 * 9 (3624.2) (9325.25)
6гф/2)о V / 1 0.382 0.286 0.42 0.00496 ИИ 0.0249
9.45 11 4 У 9 0.006 -
Д£ 1.69 1.62 1.60 1.51 0.48 0.37 0.34 0.27 0.24 0.13
1*2 Я 788.7395 826.6519 834.6823 893.083 (3408.42) (4932.40) (5446.6) (10698.1) (118920.4)
6в*[1/2]| / 0.0678 0.133 0.461 0124 0.00551 0.0135 0.00102 0.000009 0.00110
'Р|0 • 0.09 0.78 0.22 - - - - -
9.57 21 9 20 9.5 - - - - -
ДЕ 1.57 1.50 1.48 1.39 0.36 0.25 0.22 0.15 0.12 0.01
34
Глава III
Экспериментальные методы определения сечений
§ 1. Принцип классификации различных экспериментальных методов, их общий обзор и анализ
При общем рассмотрении процесса электронно-атомного взаимодействия в учебной литературе раздела физики столкновений ссылаются обычно на два классических способа экспериментального исследования этого процесса - метод ослабления и метод регистрации рассеянных электронов. Оба они связаны с измерением плотности электронов. Электронов, либо оставшихся в первоначальном пучке, падающем на мишень, и не претерпевших рассеяния, либо выбывших из него за счет столкновения с атомами, и эти измерения называют обычно типичными экспериментами по рассеянию частиц [3.1.1]. С помощью этих методов можно исследовать процессы полного или упругого рассеяния, но для исследования неупругих процессов они не годятся (вернее, второй из них имеет существенные технические ограничения). В научной литературе, посвященной изучению конкретных процессов электронноатомного взаимодействия, известно гораздо больше методов исследования; во многих из них рассматривается состояние рассеянных электронов, в других - состояние мишени, претерпевшей удар; есть методы, регистрирующие сигналы от обоих этих изменений по схеме совпадения; используются различные способы регистрации продуктов реакции и т.д., и все они тоже имеют свои названия. Чтобы легче было в них во всех ориентироваться, разобьем эти методы на группы в соответствии со следующими признаками.
35
Каждый эксперимент в идеализированной, или упрощенной, схеме может быть представлен в виде трех основных узлов (рис. 1.2.3 в гл.1):
1. ‘Б’ - источник электронов,
2. ‘М’- мишень, или зона взаимодействия и
3. ‘Э’ - детектор.
В соответствии со способом создания и принципом работы этих узлов и будем проводить деление (рис.3.1.1).
$ - чсТегнич электронвь
М - МЧШеЯЬ' £ - дсТвкГор /
—и ИЛИ 3 0НЛ_ ИЛИ. регистрами 1 продукт»* ( ха и /V еїу Є :“/*■ Л
бзаи лг од.
плазма, га зо Ього
ЭЛеНТрснн^Х ну г ох.
\
7
Со Зо La», Я Г0^4
Я'геиЪа. н ууои.
КСИЬ-Г
А/еГаеПкГ а ГОМ ог
чТо л* ох ( £>нГЯ'г.)
ряссеЛЬныс Сел а<Глен ни *С
Эл -ХЫ *i<f7cK
сУглгл.
Рис. 3.1.1
Экспериментальные методы исследования ОМС и ВМС процессов во многом сходны с общеизвестными способами исследования взаимодействия электронов с атомами в основном состоянии. Однако, дополнительная проблема создания атомов в исходном возбужденном состоянии для исследования ВМС - процесса требует специальных пояснений. Следующие параграфы и главы V и VII, с учетом этого замечания, будут посвящены описанию работы каждого из названных узлов отдельно. Здесь ограничимся их краткой характеристикой и определим выбор использованного принципа работы каждого из узлов.
36
Прежде, однако, два слова о другом, имеющем место, направлении изучения процессов столкновения, именно, об исследовании их в газоразрядной плазме. где процессы ОМС и , особенно ВМС, который там естественным образом называют ступенчатым процессом, часто играют весьма важную роль.
В плазме газового разряда осуществляется уникальная, с точки зрения исследования ВМС, ситуация, когда и источник электронов и зона взаимодействия - совмещены и в пространственном и во временном отношении. Изучение различных физических явлений, имеющих место в плазме* что помимо прочего представляет самостоятельный интерес, дает возможность получить данные по константам скоростей разных процессов взаимодействия многих микрочастиц между собой. Работы с пучками, как правило, посвящены изучению какого-либо одного конкретного процесса. Исследования в обоих направлениях взаимно дополняют друг друга и тем самым дают возможность иметь более полные и точные сведения о процессах столкновений.
Достоинством газоразрядных методов является возможность изучения таких реакций, которые трудно исследовать в пучковых экспериментах. К ним относятся, в частности, ступенчатые возбуждения -ВМС. В то же время наличие большого числа процессов в разряде усложняет интерпретацию результатов, поскольку сложно учесть их все. Чтобы как-то избежать этой трудности, предварительными исследованиями стремятся подобрать такие условия, чтобы в возбуждении и разрушении уровня участвовало минимальное количество реакций, и среди них исследуемая играла доминирующую роль.
Коренное отличие газоразрядных методов от пучковых состоит в разном распределении возбуждающих электронов по скоростям. В пучках электроны имеют достаточно узкое распределение, много меньшее величины интервала энергий, в котором ведутся измерения. В разряде
37
распределение настолько широкое, что в его интервале эффективное сечение может сильно меняться. Сечения, полученные путем анализа электрических и оптических параметров разряда, являются усредненными по энергетическому распределению электронов, имеющему место в плазме данного разряда. Зная вид функции возбуждения, можно найти максимальную величину сечения. Но измерить функцию возбуждения газоразрядный метод не позволяет.
Последнее обстоятельство явилось решающим при выборе в качестве опорного - "прямого эксперимента с пучком электронов", так как одной из основных задач нашего исследования является измерение зависимостей сечений от энергии возбуждающих электронов.
При этом для начала укажем на необходимость выполнения трех обязательных требований в прямом эксперименте с электронным пучком.
Первое - мишень должна быть тонкой: Я»/ ( Я- длина свободного
пробега электрона в газе, / - его путь, или характерный размер области взаимодействия), чтобы было соблюдено необходимое условие однократности столкновений. При этом существенно также то, чтобы по прохождении зоны рассеяния уменьшением плотности электронного пучка можно было пренебречь (см. рис. 1.1.1,6, гл. I).
Как удовлетворить этому условию и каковы критерии проверки см. гл. IV, § 3.
Второе - электронный пучок должен быть узким, чтобы можно было определить угол рассеяния без большой погрешности.
Третье - пучок должен быть однородным - пространственно и энергетически. Он должен быть монокинетичным.
"8’ - Источник электронов.
Пучковые методы измерения сечений основаны на регистрации и анализе частиц, образованных при прохождении пучка электронов известной и регулируемой скорости через газ или пучок атомов, в
38
условиях однократного столкновения их с атомами. Свою работу мы проводили только с пучком возбуяздающих газ электронов!
*М’- 3она взаимодействия.
В пучковых методах различают метод электронного пучка в газонаполненной ячейке, или метод заполнения, и метод скрещенных электронного и атомного пучков.
Методом заполнения выполнено большое количество измерений, и он широко используется и в наши дни. Техника современных экспериментов значительно усовершенствована по сравнению с ранними работами, что привело к повышению точности измерений и возможности проведения детальных исследований. Метод используется для определения интегральных сечений и имеет, практически, единственный недостаток, связанный с трудностями определения сечений химически активных элементов, взаимодействующих со стенками камеры возбуждения, для исследования которых используется метод скрещенных пучков.
Метод скрещенных пучков помимо расширения круга исследований иногда позволяет надежнее избавиться от вторичных процессов и, в принципе, допускает измерение дифференциальных сечений, однако метод технически весьма сложен и требует высокой чувствительности регистрирующей аппаратуры, т.к. мала интенсивность излучения, исходящего из области столкновений в пересекающихся пучках.
Существенным и пока что не преодоленным полностью недостатком метода скрещенных пучков является отсутствие достаточно точного способа измерения концентрации нейтральных частиц в области столкновения. По этой причине метод мало пригоден для определения сечений в абсолютных единицах и используется для определения либо относительных величин сечений, которые затем путем нормировки переводятся в абсолютную меру, либо дифференциальных сечений.