РОЗДІЛ 2
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА АПАРАТУРА ТА МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Загальні положення методу пучків, що перетинаються
Починаючи з 70-х років з метою проведення експериментальних досліджень непружних процесів при взаємодії повільних електронів з іонами (у тому числі й багатозарядними) широко застосовується метод пучків, що перетинаються. Ідея методу полягає у створенні зіткнень електронів з іонами та у спостереженні фотонів, які випромінюються під час розпаду збуджених станів. Не дивлячись на труднощі реалізації, цей метод на сьогоднішній день є одним із найбільш надійних шляхів отримання інформації щодо процесів збудження [35], іонізації та діелектронної рекомбінації (ДР) [36].
Розглянемо головні аналітичні вирази, на основі яких базується метод пучків, що перетинаються. Припустимо, що паралельний пучок моноенергетичних електронів та пучок іонів з малим розкидом за енергією перетинають один одного під кутом 90?. Кількість фотонів ?? досліджуваного спектрального переходу з довжиною хвилі ?, що випромінюються за одиницю часу з одиниці об'єму в результаті зіткнення електронів з іонами, можна визначити за допомогою наступного співвідношення [67]:
(2.1)
де ?? - ефективний переріз збудження досліджуваного оптичного переходу з довжиною хвилі ?,
Ii та Ie - густини струмів іонного та електронного пучка, відповідно,
vi та ve - середні швидкості іонів та електронів у пучках,
ne - заряд іона,
F - коефіцієнт, який характеризує рівномірність розподілу густини струмів за перерізом пучків (формфактор). Цей коефіцієнт визначається за формулою [30]:
, (2.2)
де та - залежність електронного та іонного струмів від висоти пучків відповідно.
У роботах (68 - 70( було встановлено, що при правильному виборі геометрії пучків, що перетинаються, геометричний фактор F змінюється у межах від 0,9 до 1.
Із співвідношення (2.1) можна одержати вираз для визначення ефективного перерізу збудження спектральної лінії
. (2.3)
Якщо прийняти, що кількість зареєстрованих фотонів за одиницю часу (тобто корисний сигнал) можна визначити за допомогою виразу
, (2.4)
де - кількість фотонів з одиниці об'єму за одиницю часу,
- ефективність детектора, а відносну швидкість пучків у площині ху позначити через V, яка визначається як
, (2.5)
а також із врахуванням перетину пучків під прямим кутом (?), вираз ефективного перерізу збудження спектральної лінії набуває вигляду
, (2.6)
де С/ - швидкість утворення фотонів при зіткненні пучків (швидкість надходження сигналів C, поділена на ефективність детектора ).
Як було зазначено раніше, - ефективність детектування утвореного при зіткненні фотона, яка залежить від того, в якому місці простору фотон був випромінений. Ця залежність від положення у площині ху нами була знехтувана, вважаючи, що пучки, які перетинаються - вузькі, а швидкість розпаду збудженого стану значно більша по відношенню до швидкості руху збуджених іонів. З урахуванням вище наведених положень, ефективність детектора можна записати у наступному вигляді:
, (2.7)
де - поляризація випромінювання,
- кут між напрямками на детектор та віссю поляризації,
- чутливість системи, що реєструє фотони із довжиною хвилі та ізотропним розподіленням, що випромінюються на середині висоти () в середині об'єму, в якому відбувається взаємодія пучків.
Нагадаємо, що поляризація визначається за формулою:
, (2.8)
де , - кількості зареєстрованих фотонів у паралельному та перпендикулярному напрямках по відношенню до електронного пучка, відповідно.
Варто відмітити, що перевага метода пучків, що перетинаються, полягає у тому, що всі величини, які входять у вираз (2.6), вимірюються. Їх можна змінювати незалежно один від одного для різних експериментів. Але найбільш важкою величиною для визначення на практиці є абсолютна чутливість системи детектування . Для її визначення необхідно використовувати абсолютні стандарти випромінювання.
2.2. Методика виділення корисного сигналу
Насамперед необхідно відмітити, що найбільші експериментальні труднощі при дослідженнях електронного збудження іонів металів або газів обумовлені зіткненнями електронів та іонів із залишковим газом і металевими поверхнями. Тому в області перетину пучків зазвичай необхідно підтримувати надвисокий вакуум (?10-10 мм.рт.ст.), але навіть при таких умовах концентрації частинок залишкового газу та в пучках (?106 см-3) співрозмірні за величиною. З метою відокремлення корисного сигналу від фону, що виникає головним чином за рахунок зіткнень із залишковим газом, були розроблені складні методи модуляції електронного та іонного пучків.
Так, уперше методику модуляції пучків використав Долдер [71] у 1961 році при дослідженні процесу іонізації іона гелію. Пізніше Харрісон із співробітниками [72] описали три схеми модуляції пучків, які можна застосувати для всіх відомих на цей час типів експериментів, а Долдер [73] зробив подальший розвиток цих схем. Відмітимо, що на основі цих робіт, згодом, співробітниками Ужгородської школи була розроблена своя система реєстрації слабкого світлового випромінювання для дослідження процесів збудження іонів електронним ударом [74], яка була використана при побудові установки "ІОН".
З метою отримання корисного сигналу від процесів, які протікають при зіткненнях повільних електронів з іонами металів, найбільш вдалою схемою модуляції є модуляція двох пучків (електронного та іонного). Вона полягає у почерговому прикладанні напруг (у вигляді прямокутних імпульсів) до відповідних електродів іонного та електронного трактів формування пучків, що дозволяє отримувати на їх виходах модульовані потоки заряджених частинок. Інформація, яку реєструє первинний вимірювальний пристрій (ПВП, у нашому випадку це система, яка складається із фотоелектронного помножувача (ФЕП) типу ФЭУ-142, блока підсилювачів аналогового сигналу та швидкодіючого компаратора і