- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ ........................................... Стр.
1. ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5
2. МЕГАСТАШЛЕШЕ СОСТОЯНИЯ АТОМОВ И МЕТОДЫ.ИХ.................
ИССЛЕДОВАНИЯ................................................. II
2.1. Экспериментальные методы исследования метастабильных состояний атомов.....................................14
2.1.1. Метод анализа электронов по энергиям .............. 14
2.1.2. Метод/непосредственного детектирования ... метастабильных частиц .................................... Г7
2.1.3. Другие методы исследования метастабильных . . частиц................................................... 19
2.2. Результаты экспериментальных исследований возбуждения метастабильных.уровней атомов инертных. . . газов .......................................................22
2.2.1. Атом гелия..........................................24
2.2.2. Атомы /Уе, Аи , Кг ,Хе 34
3. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ....................42
3.1. Экспериментальная установка для исследования возбуждения метастабильных уровней атомов
инертных газов электронным ударом ..................... 44
3.1.1. Газодинамический источник ......................... 44
3.1.2. Источник моноэнергетических электронов ............ 48
3.1.3. Система детектирования метастабильных
атомов .............................................51
3.2. Измерительно - вычислительный комплекс..................53
3.2.1. Система регистрации дифференциальных.............
сечений.............................................55
3.2.2. Времяпролетное устройство и система регистрации распределений по скоростям метастабильных атомов..........................................59
- 3 -
Стр.
3.3. Методика измерений..........................................65
3.3.1. Оптимизация экспериментальной установки .... 65
3.3.2. Методика измерений дифференциальных:
сечений возбуждения.................................. 68
3.3.3. Методика измерений энергетических зависимостей дифференциальных и полных сечений возбуждения..............................................72
3.3.4. Определение эффективных сечений возбуждения .........................................................80
3.3.5. Методика измерений скоростных..распреде-............
лений метастабильных атомов .......................... 82
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА..........................................86
4.1. Контрольные опыты ......................................... 86
4.1.1. Оценка пространственных параметров . .
эксперимента ......................................... 86
4.1.2. Анализ влияния немонокинетичности...............
взаимодействующих пучков ............................. 88
4.1.3. Возбуждение метастабильных уровней .................
молекул Ц= и А4........................................91
4.1.4. Калибровка энергетической шкалы ...................... 93
4.1.5. Чистота рабочих газов ................................ 94
4.2. Возбуждение метастабильных уровней атомов ...............
Не , А/е , Аи , Ки и Хе.................................. 96
4.2.1. Дифференциальные сечения возбуждения ................. 96
4.2.2. Энергетические зависимости дифференци- .............
альных сечений возбуждения .......................... 101
4.2.3. Полные сечения возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов электронным ударом................................................108
5. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ........................118
5.1. Системы отсчета и связь между ними ...................... 119
- 4 -
Стр.
5.2. Атом гелия................................................123
5.2.1. Дифференциальные сечения возбуждения ............... 123
5.2.2. Энергетические зависимости дифференци- . . . . альных сечений ......................................... . 130
5.2.3. 0 роли дополнительных каналов заселения метастабильных уровней атома гелия ......................... 137
5.3. Атомы неона, аргона, криптона и ксенона, ................ 142
5.3.1. Дифференциальные сечения возбуждения
1ь/23г, ns' 1л/2]0 - уровней атомов ..........
неона, аргона криптона и ксенона ................... 144
5.3.2. Энергетические зависимости дифференци- ............
альных сечений ..................................... 146
5.4. Распределения по скоростям пучков метаста- ...
бильных атомов Йе, Ne, Ar f Kv л Xe................ . 154
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................160
7. СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ВАБОТ ......................... 162
I. ВВЕДЕНИЕ
Последние десятилетия характеризуются резким повышением интереса к различным столкновительным процессам, происходящим в низкотемпературной плазме, "работающей" во многих областях науки и техники. Это связано, в. первую очередь, с потребностями физики и химии плазмы, лазерной физики, астрофизики, физики и. химии горения, взрывов [1-3] , с решением проблемы преобразования энергии [4] , управляемого термоядерного синтеза [б] , плазменных движителей [б]. Значительный интерес представляет также возможность реализации химических реакций в свободной фазе.
Особая роль в этой связи принадлежит столкновениям частиц в плазме, приводящим к возникновению долгоживущих возбужденных образований, большое время жизни которых позволяет существенно разделить во времени момент их рождения и момент непосредственного извлечения информации о столкновении. Это время оказывается достаточным, чтобы запечатлеть разнообразие звеньев сложного столкновительного акта, приводящего к рождению искомого объекта исследования. Таким образом, исследователь получает возможность извлекать информацию о совокупности событий, происходящих за очень малый промежуток времени.
Кроме того, потенциальный барьер реакции для частиц такого рода оказывается существенно более низким, что позволяет им сравнительно легко вступать в реакции с образованием различных комплексов.
Среди широкого класса подобных образований особо следует выделить частицы, находящиеся в состояниях, классифицируемых как ме-
- 6 -
тастабильные и . К ним относятся электронно - возбужденные атомы, молекулы и ионы, для которых электрический дипольный переход в основное состояние запрещен по крайней мере одним из правил отбора, вследствие чего время их жизни в подобном состоянии оказывается большим Ю“3 с.
Являясь, на первый взгляд, идеальными объектами познания с точки зрения экспериментальных возможностей и будучи интересными как в фундаментальном, так и чисто в прикладном планах, метаста-бильные частицы на данном этапе изучены не столь разносторонне и полно, как, к примеру, атомы и молекулы, возбужденные в оптически разрешенные состояния. Несмотря на значительное число работ, посвященных изучению возбуждения метастабильных уровней целого ряда объектов, единая картина механизма их образования по-прежнему отсутствует. Сравнительно невелико число данных по абсолютным количественным характеристикам процесса, оставляет желать лучшего и согласие опытных данных с теоретическими расчетами. Даже в таком фундаментальном вопросе, как время жизни метастабильных частиц,в настоящее, время нет единого мнения.
Однако, та исключительная роль, которая принадлежит метаста-бильным атомам и молекулам в различных плазменных образованиях и, особенно, в лазерных средах, диктует потребность в надежных и достоверных данных по сечениям возбуждения запрещенных уровней, скоростям образования и дезактивации, подвижности и пространственной динамике метастабильных частиц.
На сегодняшний день наиболее полно исследованы в этом плане атомы инертных газов [8 - II] , водорода [12,1з] и простейшие молекулы [14-17]. Среди металлов наиболее изученным является, пожалуй, атом ртути [18-20] .Для всех этих объектов накоплены сведения об относительных зависимостях сечений возбуждения и имеются данные об абсолютных эффективных сечениях возбуждения. В послед-
- 7 -
нее время широкое, распространение подучило изучение роли коротко-живущих состояний отрицательных ионов /"резонансов" [21,22]/при возбуждении метастабильных уровней, наиболее полно развитое работами Шульца [21,22] , Симпсона и сотр.[2з]и, особенно, группы Рида [24 - 27] .
Итак, хотя в целом задача исследования метастабильных частиц не нова, целый ряд аспектов этой проблемы остается совершенно не изученным. Так, практически отсутствуют какие-либо оценки кинематики процесса возбуждения, иными словами, невыясненным остается поведение основных характеристик процесса в зависимости от априорных параметров исходных партнеров столкновения. К настоящему времени все еще нет надежных данных по абсолютным величинам сечений образования метастабильных частиц. И, наконец, сделаны лишь первые шаги в изучении резонансных эффектов при возбуждении запрещенных уровней.
Целью настоящей работы явилась разработка и создание, экспериментальной методики исследования возбуждения атомов инертных газов в метастабильные состояния в пересекающихся газодинамическом атомном и моноэнергетическом электронном пучках, экспериментальное исследование, угловых и энергетических зависимостей образования метастабильных атомов при медленных электрон - атомных столкновениях, изучение роли динамических и кинематических эффектов при электронном возбуждении метастабильных уровней, определение эффективных сечений процесса возбуждения.
Актуальность настоящей темы диктуется необходимостью получения данных по сечениям возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов, выяснения роли кинематических эффектов в поведении сечений процесса и определения вклада состояний отрицательных ионов в изучаемый процесс. Выбор объектов исследования осно-
- 8 -
вывален на анализе потребности практических отраслей науки и техники. Подобные данные требуются при расчете и получении новых лазерных сред, различных плазменных устройств, при моделировании условий планетных атмосфер.
В данной работе разработана новая методика изучения возбуждения метастабильных атомов инертных газов электронным ударом с использованием сверхзвуковых атомных пучков, генерируемых газодинамическим источником [2в] . Отличительной чертой предложенной методики является анализ процесса возбуждения по поведению не налетающей, а рассеянной частицы /метастабильного атома/. Предложенная методика позволяет осуществлять комплексное, исследование энергетических, пространственных и временных зависимостей возбуждения метастабильных уровней электронным ударом. Впервые измерены дифференциальные сечения возбуждения исследуемых уровней атомов гелия, неона, аргона, криптона и ксенона по углу рассеяния метастабильных атомов, даны анализ и обсуждение динамических и кинематических особенностей сечений. .Впервые обнаружено влияние, анизотропии рассеяния метастабильных атомов на поведение особенностей, классифицируемых как резонансные. Впервые определены абсолютные -полные сечения возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов в широком диапазоне энергий электронов. По данным распределений по скоростям метастабильных атомов исследованы закономерности передачи импульса при электронном возбуждении.
На защиту выносятся следующие положения:
- методика комплексного исследования динамических и кинематических особенностей образования метастабильных атомов Не , А/е , Аг , Кг и Хе при столкновении с моноэнергетическими электронами низких энергий.
- методика измерения полных сечений возбуждения метастабильных
- 9 -
уровней.
- результаты измерения дифференциальных сечений возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов электронным ударом.
- экспериментальные данные по исследованию энергетических зависимостей сечений возбуждения, метастабильных атомов Не , А/е , Кг , Кг и Хе .
- результаты определения полных абсолютных сечений возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов.
- данные по скоростным распределениям метастабильных атомов.
Основное содержание настоящей диссертационной работы докладывалось на УП Всесоюзной конференции, по физике электронных и атомных столкновений /Петрозаводск, 1978 г./, П и Ш Всесоюзных семинарах по актуальным вопросам физики электронных столкновений /Ужгород, 1980, 1983 гг./, У1 Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов /Новосибирск, 1979 г./, ХШ и Х1У Всесоюзных конференциях ИТФ СО АЕ СССЕ /Новосибирск, 1980,1981 гг./, Ж Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений /Ленинград, 1981 г./, Ж Международном симпозиуме по динамике разреженного газа /Новосибирск, 1982 г./, Ж Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений /Зап.Берлин, 1983 г./ и опубликовано в следующих работах:
1. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский , Б.В.Шкоба. Исследование угловых распределений метастабильных атомов аргона при электронном ударе. - Тезисы докладов УП ВКЭАС, ч.1, Петрозаводск,1978, с.45.
2. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский, О.Б.Шпеник. Резонансы при электронном возбуждении метастабильных уровней молекул. - Письма в ЖЭТФ, 1980, т.31, Ж, с.14-17.
3. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский. Экспериментальное исследование образования метастабильных атомов и молекул при электронном
- 10 -
ударе. - В сб.: Метастабильные состояния атомов и молекул и методы их исследования. Чебоксары, Изд.Чуваш. ун-та. 1980, с.70 - 92.
4. А.В.Снегурский. Применение газодинамического источника молекулярных пучков для исследования резонансных эффектов при электронном возбуждении метастабильных состояний атомов и молекул. -
В сб.: Физическая гидродинамика и тепловые процессы. Новосибирск, 1980, с.127 -135.
5. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский, О.Б.Шпеник. Возбуждение ме-тастабильных состояний атома гелия электронным ударом. - Тезисы докладов УШ ВКЭАС, Ленинград, 1981, с.188.
6. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский, О.Б.Шпеник, Н.Н.Куцина. Возбуждение метастабильных состояний атомов инертных газов электронным ударом в припороговой области энергий. - ЖЭТФ, 1981, т.81, №3/9/, с.842 - 850.
7. Ф.Ф.Папп, Е.Э.Контрош, Н.И.Романюк, А.В.Снегурский, А.Н.Завилопуло. Измерение времяпролетного спектра сверхзвукового пучка с помощью многоканального анализатора импульсов АИ-128-2. - ПТЭ ,
1982, №4, с.176-178.
8. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский, О.Б.Шпеник. Способ определения газового состава. Авт.свидетельство № 913802 от.16.07.80.
9. Фабрикант И.И.,Шленик О.Б..Завилопуло А.Н.,Снегурский A.B. Особенности возбуждения метастабильных состояний атома Не электронным ударом. - Опт. и спектр., 1983, т.56, в.4, с.625-637.
10.0.B.Shpenik,A.N.Zavilopulo,A.V.Snegursky,1.I.Fabricant. Excitation of metastable levels of noble gas atoms by electron impact in intersecting beams.- XIII Int.Conf.PEAC., Abstr. Berlin,
1983, p.747.
- II -
2. МЕТАСТАЕИЛШЫЕ СОСТОЯНИЯ АТОМОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ
Метастабильными состояниями атомов /молекул, ионов/ принято называть широкий класс возбужденных состояний, распад которых с испусканием фотона невозможен из - за запрета дипольного излучате-
Как правило, метастабильными являются наиболее низкие возбужденные уровни, время жизни которых относительно излучательного перехода
Первые эксперименты по исследованию возбуждения метастабиль-ных уровней простейших атомарных объектов относятся к 30 - м годам
ведутся весьма интенсивно. К настоящему времени метастабильные состояния обнаружены у большинства элементов и их соединений /см. табл.2.1/. Однако, в столь широком спектре возбужденных образований особо следует выделить метастабильные состояния атомов инертных газов и, в особенности, атома гелия. Это обусловлено рядом причин. Во-первых, метастабильные атомы инертных газоы являются наиболее "энергетичными", поскольку энергия их возбуждения лежит в области 8-20 эВ / а у Не(2'<50)- выше 20 эВ/. Во-вторых, они характеризуются большими временами жизни /см.табл.2.1/, и, следовательно, обладают способностью длительно аккумулировать запасенную
льного перехода в основное /или более низколежащее / состояние [29].
обычно превышает 1СГ3 с. При этом времена жизни наиболее долгоживущих частиц / 1-1 (2.г £)и/г), О^О) , Р^Руг)/ оказываются существенно большими и могут достигать /например, в случае величин порядка 108 с [зо] .
экспериментальные исследования в этом направлении
- 12 -
Табл.2.I. Характеристики некоторых метастабильных частиц.
Атом Молекула Состояние Энергия возбуждения, эБ Время жизни, с Литера- тура
Ш 2г5чг 10,20 2,4 • 10" 3 [73
Ее 19,82 2,5 • Ю8 [29]
Ее 2Ч60 20,62 38 • 10 " 3 [29]
Ate з3е2 16,62 24,4 [32]
Afe 33Е0 16,71 430 [32]
А г 43Е2 11,55 55,9 [32]
А>~ 4% 11,72 44,9 [32]
Кг 53Е2 9,915 85,1 [32 ]
Ку* BPEJ, 10,56 48,8 • Ю“2 [32]
Хе 63Р2 8,315 149,5 [32 ]
Хе 63Р0 9,447 78 • 10 ~ 3 [32 ]
/V г^/г 2,38 1,4 • 105 [29]
Л/ 2D^ 2,39 6,1 • 10 4 [29]
0 'О 1,97 140 [29,33]
0 4,19 0,8 [29]
Q s3 3,15 1,8 • Ю"4 [29]
% 63P2 5,43 1,0 [зо]
н5 63BQ 4,64 1,0 [so]
Чг с-’Пи 11,86 1,0 [зо]
Л4 A‘£t 6,22 2,0 [29]
А4 O' Hq 8,54 1,7.ТО“4 [7]
Ог Cj'Aq . 0,98 3,0-103 29]
со СГ*П 6,01 I [зо]
- 13 -
энергию, что обуславливает их значительную роль в процессах, проистекающих в плазменных образованиях естественного и искусственного происхождения /планетные ионосферы, звездные облака и т.п./ [34] .И, наконец, в-третьих, инертные газы получают все более широкое, применение в различных прикладных задачах, в частности, в' качестве рабочих и буферных газов в лазерных, средах. Столкновения с участием метастабильных атомов инертных, газов играют важную роль в механизмах передачи энергии и заселении лазерных уровней [Зд] .
Атомы инертных газов являются удобным объектом для теоретических расчетов и проверки различных теоретических моделей и гипотез, что очень важно для распространения определенных теоретических взглядов и идей на более сложные соединения типа эксимер-ных. Особое место принадлежит атому гелия, для которого накоплен достаточно обширный теоретический и опытный материал, а вследствие простоты строения которого возможным является наиболее успешное и полное сопоставление, расчетных и экспериментальных данных. Такое сравнение является очень важным в плане дальнейшего развития как экспериментальных, так и теоретических методов исследований.
Метастабилъные атомы являются специфичными и с точки зрения извлечения информации о процессах, приводящих к их возникновению. Поскольку распад метастабильных уровней в излучательном канала крайне маловероятен: [31] , а, зачастую и невозможен, то атомы в подобных состояниях оказываются /наряду с метастабильными молекулами/ практически единственными среди широкого класса возбужденных частиц, подсчет количества которых возможен путем их непосредственной регистрации, без применения каких-либо косвенных методов.
В целом, методы изучения метастабильных атомов можно разделить на две основные группы [Зб] - оптические и электрические.
Оптические методы используют явление поглощения излучения оп-
- 14 -
редеденной длины волны атомом, находящимся в метастабильном состоянии. При этом возможно измерение либо ослабления излучения,соответствующего переходу атома в более высоколежащее состояние [37], либо излучения, испускаемого высоколежащим уровнем, заселенным вследствие оптической накачки с метастабильного уровня [зв] .
Более широким классом экспериментальных методов являются электрические, основывающиеся либо на непосредственной регистрации метастабильной частицы, либо на измерении тока частиц, приводящих к образованию метастабилей, или возникших вследствие разрушения метастабильной частицы каким-либо внешним возмущением.
Рассмотрим основные методы исследования частиц в метастабильных состояниях, учитывая приведенную выше их классификацию.
2.1. Экспериментальные методы исследования метастабильных состояний атомов.
2.1.1. Метод анализа электронов по энергиям. Этот метод основывается на анализе электронов, потерявших при столкновении с частицей мишени фиксированную доли их первоначальной энергии.
Классическим методом анализа электронов стал т.н. метод улавливания электронов потенциальной электростатической ямой [21]. На рис.2.1 приведена схема типичного эксперимента, взятая из работы Шульца [21] . Электроны, эммитируемые катодом Р , проходят область задерживающей разности потенциалов, приложенной между катодом и задерживающей сеткой 0 . При неупругом рассеянии электронов на атомах, заполняющих камеру рассеяния, они, двигаясь в продольном магнитном поле, улавливаются потенциальной ямой Ц/ . При этом электроны совершают осцилляции вдоль силовых линий ПОЛЯ и в конечном итоге достигают коллектора.
Фиксируя глубину потенциальной ямы \Х/ , создаваемой потенциалом электрода М , можно исследовать энергетические зависимости
- 15 -
I > A P P t D fltCIRON CURRINT
Рис.2.I. Схема метода электронной ловушки [21] .
CATHODE
ELECTRON
MULTIPLIER
MONOCHROMATOR
ANALYZER
Рис.2.2. Схема эксперимента по измерению спектров потерь [зэ] .
- Киев+380960830922