Содержание к диссертации
Введение
2. ОБЗОР РАБОТ ПО ВОЗБУЖДЕНИЮ И ДИЭЛЕКТРОННОИ РЕКОМБИНАЦИИ ИОНОВ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫХ СТОЛКНОВЕНИЯХ
2.1. Возбуждение ионов 10
2.1.1. Ионы щелочноземельных металлов . 15
2.1.2. Ионы щелочных металлов . 19
2.1.3. Ионы инертных газов 24
2.2. Диэлектронная рекомбинация ионов 31
2.3. Выводы по главе 36
3. АППАРАТУРА'"И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1. Метод пересекающихся пучков и его особенности 38
3.2. Экспериментальная установка 40
3.2.1. Источник ионов 42
3.2.2. Масс-спектрометр . 44
3.2.3. Высоковакуумная камера столкновений 45
3.2.4. Спектральные приборы 48
3.2.5. Модуляционная система регистрации излучения 52
3.3. Методика исследований 55
3.3.1. Контрольные эксперименты . 55
3.3.2. Запись спектров и измерение функций возбуждения 63
3.3.3. Определение эффективных сечений возбуждения 67
3.3.4. Ошибки измерений 69
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Энергетические характеристики ионов инертных газов 70
4.2. Возбуждение радиационных переходов с резонансного и высоколежащих уровней не Ц 77
4.3. Диэлектронная рекомбинация иона Не JL 84
4.4. Возбуждение резонансного излучения и УМР-дуб-летов ионов Ней? АнГ и Ki-I ^1
4.4.1. Неон 92
4.4.2. Аргон 94
4.4.3. Криптон 98
4.4.4. Абсолютные величины эффективных сечений возбуждения 100
4.4.5. Обсуждение результатов 102
ВЫВОДЫ 107
ЛИТЕРАТУРА 109
- Возбуждение ионов
- Метод пересекающихся пучков и его особенности
- Энергетические характеристики ионов инертных газов
Введение к работе
Процессы, происходящие при неупругих столкновениях электронов с положительными ионами - ионизация, возбуждение, рекомбинация и другие [I] - играют существенную, а иногда и основную роль в различных типах лабораторной и астрофизической плазмы. Поэтому знание механизмов и основных характеристик этих процессов - эффективных сечений и их зависимостей от энергии - представляет значительный интерес для решения ряда актуальных задач современной физики.
Так, большинство эмиссионных линий, наблюдаемых в астрофизических исследованиях, вызваны возбуждением ионов при столкновении с электронами, и, следовательно, изучение этого процесса важно для интерпретации спектров Солнца и звезд, а также для построения теоретических моделей [2*1 .
Систематические данные по возбуждению ионов необходимы для решения таких практических задач квантовой электроники как поиск активных сред для коротковолновьзх лазеров [3] , а также анализа кинетики процессов, приводящих к возникновению инверсной населенности уже известных лазерных переходов [4] .
Развитие работ, направленных на осуществление управляемого термоядерного синтеза в установках с магнитно-удерживаемой плазмой (типа "Токамак"), связаны с решением проблемы радиационного охлаждения, в значительной степени обусловленного излучением возбужденных ионов и играющего важную роль в общем энергетическом балансе высокотемпературной плазмы [5] . С другой стороны, это излучение используется в бесконтактных методах диагностики плазмы [б] ; в частности, спектроскопическая диагностика может быть основана на изучении соотношения интенсивностей резонансных и сателлитных линий ионов, которые, вследствие их различной температурной зависимости, являются удобным инструментом для определения электронной температуры [7] .
Значительный интерес в этой связи представляет также процесс диэлектронной рекомбинации ионов, интенсивное исследование которого началось различными лабораториями буквально в последнее время. Этот процесс может приводить к значительным радиационным потерям в плазме, но, что более важно, заметно влияет на равновесное распределение ионов различной зарядности [8] и, следовательно, эффективные сечения диэлектронной рекомбинации необходимо учитывать при моделировании и анализе процессов в высокотемпературной плазме. Например, учет этого процесса позволил устранить расхождения в определении температуры солнечной коры [9]
Систематические данные по возбуждению и диэлектронной рекомбинации ионов представляют также значительный научный интерес. В частности, в последнее время возрастающее количество экспериментальных данных указывает на сложный характер энергетических зависимостей сечений возбуждения, обнаруженный при столкновении ионов с медленными электронами. В большинстве известных работ такой характер энергетических зависимостей объясняется вкладом резонансных процессов, сопровождающих захват ионом бомбардирующего электрона. С другой стороны, электронный захват при одновременном возбуждении иона может приводить к диэлектронной рекомбинации. Поэтому исследование этих процессов является важным источником информации о механизме электронно-ионных взаимодействий, о процессах изменения квантовых состояний этих частиц, а также о структу- ре атомов и ионов.
Исследованию возбуждения ионов посвящен ряд экспериментальных и теоретических работ [ю] . Последних большинство, однако в них исследованы в основном многозарядные ионы изоэлект-ронной последовательности водорода и гелия. Что касается многоэлектронных ионов, то для теории они являются сложными и основные характеристики их электронного возбуждения в широком интервале энергий и с достаточной точностью могут быть исследованы только экспериментальными методами. Следует отметить, что такие исследования в настоящее время находятся в стадии развития и интенсивно проводятся лишь в последнее десятилетие, чем объясняется недостаток экспериментальной информации о процессах неупругого взаимодействия электронов с ионами по сравнению с электронно-атомными взаимодействиями, изученными на сегодня в значительно большей степени [II] . Такая ситуация становится понятной при учете специфических особенностей электронно-ионных столкновений (в первую очередь кулоновского взаимодействия между частицами), приводящих к значительным трудностям в экспериментальном исследовании происходящих при этом процессов.
В большинстве известных экспериментальных работ получены данные по возбуждению резонансного излучения (резонансных уровней) однозарядных ионов только металлических элементов. Что касается диэлектронной рекомбинации, то к началу настоящих исследований была известна единственная экспериментальная работа [12] по прямому исследованию этого процесса для ионов калия.
В связи с этим ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ являлось получение систематических данных по возбуждению низколежащих (резонансных) уровней однозарядных ионов гелия, неона, аргона и криптона, а также диэлектронной рекомбинации иона гелия при столкновении соответствующих ионов с медленными электронами путем детектирования сопутствующего этим процессам вакуумно-ультрафиолетового излучения.
ВЫБОР ОБЪЕКТА исследований обусловлен тем, что ионы инертных газов представляют, кроме практического, значительный научный интерес, поскольку имеют незаполненную внешнюю оболочку, чем отличаются от исследованных ионов металлов. Ион гелия, как простейший ион, представляет особый интерес и его исследование дает информацию, позволяющую осуществлять отбор теоретических моделей, описывающих неупругое рассеяние электронов на ионах.
В ходе выполнения работы: исследованы спектры излучения атомов и однозарядных ионов гелия, неона, аргона и криптона в области 20-130 нм; измерены энергетические зависимости сечений возбуждения наиболее интенсивных спектральных линий (или групп линий) при электронно-атомных и электронно-ионных столкновениях; определена величина эффективных сечений возбуждения излучения ионов гелия, неона, аргона и криптона, соответствующего спектральным переходом с их нижних возбужденных уровней и диэлектронной рекомбинации иона гелия.
На защиту выносятся:
Результаты исследования энергетических зависимостей сечений возбуждения электронным ударом излучения ионов гелия, неона, аргона и криптона в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра.
Результаты исследования эффективности возбуждения исследованных спектральных переходов.
Экспериментально обнаруженная структура функций возбуждения переходов с низколежащих уровней ионов инертных газов.
Вывод о значительной роли электронного захвата в образовании возбужденных состояний исследованных ионов при электронно-ионных столкновениях.
Результаты исследования диэлектронной рекомбинации ионов гелия.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ докладывались и обсуждались на П Всесоюзном семинаре по автоионизационным явлениям (Москва, 1981), УІ Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом (Москва, 1982), УШ и IX Всесоюзных конференциях по физике электронных и атомных столкновений (Ленинград, 1981 и Рига, 1984) и опубликованы в следующих работах:
Имре А.И., Дащенко А.И., Семенюк Я.Н. Возбуждение долгоживущих автоионизационных состояний при столкновении электронов с атомами и ионами гелия.- Материалы П Всесоюзного семинара "Автоионизационные явления в атомах". - М.: МГУ, 1981, с. 167-174.
Имре А.И., Семенюк Я.Н., Дащенко А.И. Роль электронного захвата в образовании возбужденных состояний иона гелия.- УШ Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений. Тезисы докладов. - І.: ЛИЯФ, 1981, с. 177.
Имре А.И., Семенюк Я.Н., Кузьма А.Н., Запесочный И.П. Диэлектронная рекомбинация ионов гелия.- УШ Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений. Тезисы докладов.- Л.: ЛИЯФ, 1981, с. 178.
Жменяк Ю.В., Семенюк Я.Н. Возбуждение радиационных переходов с дважды возбужденных состояний (2.р2) 3Р Не! И 0&2р2)гР и I при электронно-атомных столкновениях.- В сб.: "Метастабильные состояния атомов и молекул и методы их исследования".- Чебоксары: изд-во ЧГУ, 1981, с. 29-34.
Семенюк Я.Н., Имре A.M., Дащенко А.И. Возбуждение ВУФ-излучения Неї и Не і при электронно-атомных столкновениях.- УІ Всесоюзная конференция по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом. Тезисы докладов.- М.: МГУ, 1982, с. 48.
Семенюк Я.Н., Имре А.И., Дащенко А.И., ЗапесочныЙ И.П. Возбуждение спектральных линий главной серии атома и иона гелия при электронно-атомных столкновениях.- Опт. и спектр., 1983, т. 55, Ш 3, с. 430-433.
ЗапесочныЙ И.П., Семенюк Я.Н., Дащенко А.И., Имре А.И., ЗапесочныЙ А.И. Диэлектронная рекомбинация иона гелия.- Письма в ЖГФ, 1984, т. 39, № 3, с. І20-І2І.
Семенюк Я.Н. Исследование структуры сечения возбуждения резонансного уровня иона гелия электронным ударом.- Укр.физ. ж., 1984, т. 29, № 8, с. 1252-1253.
Семенюк Я.Н., Дащенко А.И., Имре А.И., ЗапесочныЙ И.П. Возбуждение нижних уровней ионов №е+ и Лг+ при электронно-ионных столкновениях.- IX Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений. Тезисы докладов.- Рига: Ин-т физики АН Латв. ССР, 1984, ч. 2, с. 24.
10. Семенюк Я.Н., Дащенко А.И. Возбуждение нижних уровней иона Кг Я при электронно-ионных столкновениях.- Деп. УкрНИИНТИ № 139 Ук-85 деп. - б с.
2. ОБЗОР РАБОТ ПО ВОЗБУДЦЕНИЮ И ДИЭЛЕКТРОННОЙ РЕКОМБИНАЦИИ ИОНОВ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ИОННЫХ СТОЛКНОВЕНИЯХ
Возбуждение ионов
Как отмечалось, в большинстве известных работ, посвященных возбуждению ионов электронным ударом, этот процесс рассматривается на основе теоретических моделей. Для теории неупругое рассеяние электронов на ионах, по сравнению с рассеянием на атомах представляет более сложную задачу из-за наличия дальнодейст-вующего кулоновского поля между частицами [15] и необходимости детально учитывать взаимодействие между электронами системы "ион+электрон" на близких расстояниях. Такая задача корректно решается только квантово-механическими методами, причем достаточно точно лишь для малоэлектронных систем. Поэтому исследование возбуждения ионов теоретическими методами проведено в основном для легких ионов изоэлектронной последовательности водорода и гелия (см. обзор [Ю] ).
Рассмотрим существующие методы расчета. Наиболее простым из них является приближение Кулона-Борна, в котором выполнено большинство известных расчетов. Однако, в этом приближении не учитывается искажение волновых функций ионной мишени и симметрия обмена между орбитальным и рассеянным электронами. Роль этих эффектов уменьшается с ростом заряда иона, и, следовательно, приближение Кулона-Борна достаточно точно лишь для многозарядных ионов. С другой стороны, в большинстве практических случаев средняя энергия бомбардирующего электрона даже при высокой температуре плазмы меньше средней энергии орбитальных электронов иона и, таким образом, основной критерий применимости кулон-борновского приближения не выполняется. Поэтому в последнее время основная часть расчетов производится более точными методами.
Наиболее надеиными из них, позволяющими также очень точно получить сечение резонансного рассеяния, являются метод сильной связи и его модификации [14] и метод Фешбаха [15] . Вместе с тем оба эти метода весьма трудоемки и при реализации требуют больших затрат машинного времени мощных ЭВМ. Так, метод сильной связи предполагает решение связанной системы многих интегро-диф-ференциальных уравнений, описывающих открытые и закрытые каналы процесса, причем с малым шагом по энергии ( 0,1 эВ) для обеспечения необходимой точности; метод Фешбаха требует выполнения сложной процедуры диагонализации матрицы взаимодействия дискретных уровней с континуумами.
Кроме этих методов расчета, следует отметить метод искаженных волн и его модификации, который по точности результатов и сложности в реализации занимает промежуточное положение между приведенными методами.
Таким образом, воспроизведение энергетических зависимостей сечений электронного возбуждения ионов в широком диапазоне энергий и во всех деталях является сложной задачей в теории. Поэтому применимость различных расчетных методов целесообразно рассматривать более детально при сравнении с данными эксперимента.
Экспериментально процесс возбуждения ионов электронным ударом исследуется методом пересекающихся пучков. Этот метод в настоящее время является наиболее надежным экспериментальным методом, позволяющим селективно исследовать различные процессы, определять с достаточной точностью их эффективные сечения и энергетические зависимости сечений в широком интервале энергий. До применения этого метода источником сведений о таких процессах являлся анализ параметров плазмы [іб] , из которого косвенно можно было получить лишь их интегральные характеристики.
К настоящему времени в условиях пересекающихся пучков исследовано возбуждение в основном однозарядных атомарных ионов. Результаты этих исследований представлены в таблице 2.1. Как видно, основная их часть получена в последнее десятилетие и относится к ионам металлов первой и второй групп периодической таблицы. Что касается остальных ионов, в частности ионов инертных газов, то имеющиеся для них данные несистематичны и их электронное возбуждение остается еще малоизученным. Тем не менее, на основе известных данных можно установить некоторые закономерности процесса возбуждения атомарных ионов электронным ударом. С этой целью целесообразно рассмотреть также данные по возбуждению многозарядных ионов (приведены в таблице 2.Ї). Следует отметить, что такие данные имеются лишь для литиеподобных ионов CiV mtfl и что их получение связано со значительными экспериментальными трудностями, возрастающими с увеличением заряда исследуемого иона.
Метод пересекающихся пучков и его особенности
Как отмечалось, метод пересекающихся пучков является наиболее надежным методом прямого исследования неупругих процессов, происходящих при электронно-ионных столкновениях. Этот метод с применением техники модуляции электронного и ионного пучков [57І впервые использовался для исследования ионизации ионов гелия [58] , а впоследствии - ионизации, возбуждения [59] и ди-электронной рекомбинации [53] различных ионов.
Основные достоинства метода состоят в применении моно-энергетичных пучков заряженных частиц (ионов и электронов) контролируемых энергий, пересекающихся в четко определенном объеме столкновений. В отличие от методов, основанных на анализе параметров плазмы, этот метод позволяет селективно исследовать различные процессы, протекающие при неупругих электронно-ионных столкновениях, энергетические зависимости их эффективных сечений, а также определять величину последних.
Характерная особенность этого метода при исследовании возбуждения ионов электронным ударом по соответствующему излучению заключается в необходимости детектировать полезный сигнал в присутствии сильного фонового излучения от различных мешающих процессов. Такими процессами являются, во-первых, возбуждение исследуемых ионов на атомах и молекулах остаточного газа и рабочего вещества и, во-вторых, возбуждение в ионные состояния атомов рабочего вещества при столкновении с электронами и ионами. Дополнительным источником фона может также являться излучение частиц, возбуждаемых на поверхностях и темновой фон детектора. Б связи с этим полезный сигнал, как правило, меньше фонового излучения (иногда значительно) и его выделение становится возможным только с применением техники модуляции электронного и ионного пучков и соответствующей регистрации излучения, что делает эксперимент более сложным.
Укажем еще на ряд обстоятельств, осложняющих постановку таких экспериментов. Так, соотношение сигнал/фон не может быть значительно увеличено за счет увеличения концентраций ионов и электронов по причине взаимного влияния объемных зарядов пучков, которое наиболее заметно при концентрациях ионов превышающих 10 см""3 и малых энергиях электронов. При определенных условиях такое взаимовлияние приводит к изменению геометрии области столкновений, то есть числа столкновений в объеме наблюдения детектора, а также к частичному модулированию одного пучка другим, что увеличивает ошибку измерений.
С другой стороны, увеличение соотношения сигнал/фон связано с улучшением вакуума в области столкновений. Так, если при давлении 10 мм рт.ст. концентрация атомов и молекул остаточного газа и рабочего вещества составляет 10 см"3, то при его уменьшении до 10 мм рт.ст. она становится сравнимой с наибольшей возможной концентрацией ионов в пучке ( 10 см""3). Однако при работе с ионами инертных газов улучшение вакуума ограничивается возможностями откачивающих систем: дифузные насосы с азотными ловушками не позволяют получать разрежение ниже 10" мм рт. ст., а магниторазрядные - плохо откачивают инертный газ. Поэтому в этом случае необходимо применение комбинированной дифференциальной откачки экспериментальной установки.
Энергетические характеристики ионов инертных газов
Ионы инертных газов отличаются от других исследовавшихся ионов незаполненной внешней оболочкой и, следовательно, сложной энергетической структурой [74І . Диаграммы нижних энергетических уровней этих ионов (с указанными длинами волн исследованных переходов) представлены на рис. 4.1-4.4. Наиболее простым из них является ион Hew, имеющий водородоподобную структуру с основным Isг$ /2. состоянием и возбужденными villL состояниями. Следует отметить, что такая же система термов характерна для ионов щелочноземельных металлов и, в этом смысле, ион НеЕ более подобен этим ионам, чем ионам остальных инертных газов. Энергии возбужденных состояний НеЕ с одинаковым к практически равны и поэтому при их радиационном распаде наблюдаются спектральные серии, аналогичные водородным, Энергия резонансного 2р2Р - уровня этого иона - 40,8 эВ, вследствие чего излучение с него ( 30,4 нм) попадает в далекую ВУФ область спектра.
Ионы Wei, А ! и ЫГ являются изоэлектронными атомам галогенов и имеют пять эквивалентных р -электронов во внешней оболочке. Основное состояние этих ионов расщеплено на аРз/2 и Ру термы и величина расщепления возрастает от 0,097 эВ у Nei до 0,65 эВ у Кгїї . Все ионы нормально находятся в состоянии ns2n,p5 гР3/2 ( и, = 2,3,4 для Afel, Arjf , К н соответственно). Возбуждение одного из р -электронов приводит к образованию обращенной системы дублетных и квартетных термов, наиболее В рамках этих конфигураций имеются три группы уровней, сходящихся к пределам ъ Рад 0 D2 Сна Рис» 4.2-4.4 обозначены штрихом) и S0 (там же обозначены двумя штрихами). Как видно из рисунков, наиболее низко расположены уровни, которые стремятся к пределу 3Р . Для этих возбужденных уровней характерно значительное мультиплетное расщепление, возрастающее с увеличением порядкового номера иона и приводящее к смешиванию уровней различной конфигурации, что в свою очередь приводит к сложности эмиссионных спектров ионов инертных газов. Резонансные уровни этих ионов имеют энергии 14-30 эВ и соответственно радиационные переходы с них наблюдаются в ВУФ области спектра 40-90 нм.
