Введение к работе
Диссертация посвящена созданию новой экспериментальной методики определения с высокой точностью полных сечений ионизации атомов инертных газов (Ne, Аг, Кг, Хе) электронным ударом. Работа носит метрологический характер и представляет собой новый этап в измерении фундаментальных атомных констант.
Актуальность темы диссертации. Ионизация атомов инертных газов электронным ударом интенсивно исследуется на протяжении 60 лет. Такой интерес к данному процессу обусловлен тем, что экспериментальные данные по сечениям ионизации атомов инертных газов находят широкое практическое применение и существенны для развития теоретических методов расчёта.
С теоретической точки зрения интерес к атомам инертных газов вызван тем, что эти атомы представляют собой наиболее трудный пример многоэлектронной системы в том смысле, что в них отсутствуют факторы, упрощающие модельное рассмотрение взаимодействия (малое число "активных" электронов, наличие слабосвязанных электронов и т.п.). Кроме того, интерес к этим атомам обусловлен и тем, что к настоящему времени именно для них накоплена наиболее обширная экспериментальная база данных о сечениях ионизации, позволяющая проводить проверку различных теоретических моделей, разрабатываемых для комплексного описания процесса ионизации, в том числе и атомов, для которых экспериментальные данные отсутствуют.
В то же время ионизация многоэлектронных атомов является сложным процессом, в котором проявляются эффекты коллективного электронного взаимодействия. Сложность описания таких процессов повышает гребования к качеству, в том числе к точности, экспериментальной информации. Измерения с высокой точностью абсолютных значений парциальных и полных сечений и их зависимостей от энергии электрона позволяют выяснять вклад различных каналов ионизации, роль корреляции и обмена электронов. Всё это в конечном итоге помогает зыбрать адекватное квантово-механическое описание процесса тонизации атома электроном в целом.
Надёжные и высокоточные экспериментальные данные по сечениям ионизации атомов инертных газов важны и с практической точки зрения при решении многих задач в физике лабораторной и космической плазмы, аэрономии, фотометрии и ряда других приложений. В частности, одним из практических результатов настоящей работы явилось создание нового абсолютного детектора синхротронного излучения (СИ) в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и мягкой рентгеновской (MP) областях спектра (A v~ 10 -т- 2000 эВ) на базе фотоионизационного квантометра [1]—прибора, результат измерения потоков фотонов которым опирается на значения парциальных сечений ионизации атомов инертных газов фотонами и электронами. Фотоионизационный квантометр был разработан в Физико-техническом институте более 20 лет назад для абсолютных измерений импульсных потоков ВУФ и MP излучения лазерной плазмы, а в настоящей работе модифицирован и адаптирован для работы с источниками СИ.
Проведённый перед началом настоящей диссертационной работы анализ литературных данных показал, что, несмотря на необходимость надёжных экспериментальных данных по сечениям ионизации атомов инертных газов электронным ударом, задача получения таких данных на тот период до конца не была решена. При типичных точностях имевшихся литературных данных — от 5 до 15%, заявленных разными экспериментальными группами, расхождения между результатами этих групп доходили до 30% и часто превышали комбинированные погрешности измерений. Такая ситуация затрудняла проверку различных теоретических расчётов, расхождение между результатами которых часто оказывались сравнимыми с расхождениями между экспериментальными данными, и не удовлетворяла требованиям к точности фундаментальных атомных констант со стороны практики.
Значительный прогресс в создании новых экспериментальных средств, наблюдавшийся в последнее десятилетие, позволил поставить задачу проведения более точных измерений сечений ионизации атомов инертных газов электронным ударом. В частности, решающую роль в проведении настоящей работы оказали успехи, достигнутые за последнее время, в области абсолютной фотометрии потоков СИ в ВУФ и MP областях спектра, собственно развитие источников такого излучения, а также
успехи в области разработки техники измерения сечений фотоионизации атомов инертных газов.
Цель настоящей работы состояла в разработке новой экспериментальной методики определения полных сечений ионизации атомов инертных газов электронным ударом, которая позволяла бы устранить наиболее существенные источники погрешностей, присущие традиционным методам измерения, и определении с её помощью полных сечений ионизации атомов Nc, Аг, Кг и Хе электронами с энергией 140 -г 4000 эВ. Методика основана на высокоточном измерении отношений полных сечений ионизации атомов инертных газов электронами и фотонами с последующей нормировкой измеренных отношений двух сечений на хорошо известные из литературы (точность от I до 3%) полные сечения фотоионизации. Диапазон энергий электронов был выбран таким, что перекрывалась область, простирающаяся от энергий, соответствующих максимуму сечений, до энергии, при которых процесс ионизации достаточно хорошо описывается борцовским приближением.
Научная новизна работы состоит « следующем. Разработана новая экспериментальная методика, с помощью которой впервые измерены с точностью 1.3-5-1.9% отношения полных сечений фотоионизацин и полных сечений ионизации электронным ударом атомов Ne, Аг, Кг и Хе в диапазоне энергий фотонов 16+ 1500 эВ и электронов 140 -г- 4000 эВ. Таким образом, впервые в одном эксперименте было проведено прямое сравнение абсолютных сечений двух фундаментальных процессов в атомной физике — процессов фотоионизации и ионизации электронным ударом. Определены полные сечения ионизации атомов Ne, Л г, Кг и Хе электронным ударом в диапазоне энергий столкнорений от 140 до 4000 эВ с рекордной на данный момент точностью 2 + 3%. Полученные результаты позволили значительно улучшить имевшиеся до настоящей работы экспериментальные данные (в том числе данные по сечениям однократной ионизации) и провести сравнение с теоретическими моделями, описывающими процесс ионизации атомов электронным ударом. На примере атома неона установлено, что из имеющихся
квантово-механических расчётов единственным, результаты которого согласуются с экспериментальными данными в пределах погрешности последних, является расчёт, выполненный в одноэлектронном борцовском приближении и учитывающий обменное взаимодействие между выбитым "активным" электроном и связанными электронами, находящимися в ионизуемой оболочке. Таким образом было получено экспериментальное подтверждение важности учёта данного вида обменного взаимодействия при описании процесса ионизации многоэлектронного атома электронным ударом.
Практическая значимость работы состоит в том, что получены новые надёжные, высокоточные экспериментальные данные по полным и однократным сечениям ионизации атомов Ne, Аг, Кг и Хе электронным ударом. Кроме этого, одним из результатов работы явилось создание нового высокоточного ().6 *- 4%) абсолютного детектора СИ в ВУФ и MP областях спектра, обладающего рядом преимуществ по сравнению с имеющимися аналогичными детекторами, к которым в первую очередь следует отнести возможность его использования в качестве абсолютной: монитора мощных потоков фотонов.
Защищаемые положения.
-
Разработана экспериментальная методика определения полных сечениЕ ионизации атомов инертных газов электронным ударом, основанная аг высокоточном измерении отношений этих сечений и полных сечениг фотоионизации с последующей нормировкой измеренных отношениі двух сечений на хорошо известные из литературы полные сєчєниі фотоионизации.
-
Создана экспериментальная установка для прецизионных измерение отношений полных сечений ионизации атомов инертных газої электронами и фотонами.
-
Впервые измерены с точностью 1.3+ 1.9% отношения полных сечениї фотоионизации и полных сечений ионизации электронным ударор. атомов инертных газов (Ne, Аг, Кг, Хе) в диапазоне энергий фотоно 16 + 1500 эВ и электронов 140 * 4000 эВ.
4. Определены полные и однократные сечения ионизации атомої
инертных газов (Ne, Аг, Кг, Хе) электронным ударом в диапазон
нергий столкновений 140 + 4000 эВ с рекордной на данный момент очностыо 2 -5- 3%, что значительно улучшило имевшуюся кспериментальную базу данных по этим сечениям. Установлено, что іаилучшее согласие с полученными экспериментальными результатами ібеспечивает расчёт, выполненный в одноэлектронном борцовском [риближении и учитывающий обменное взаимодействие между выбитым 'активным" электроном и связанными электронами, находящимися на юнизуемой оболочке.
I. Разработан модифицированный вариант фотоионизационного гвантометра — новый абсолютный детектор СИ в ВУФ и MP областях пектра, предназначенный для измерения монохроматических потоков зотонов синхротронов, накопителей электронов, ондуляторов и ВУФ-іазеров на свободных электронах с точностью от 1.6 до 4%.
Апробация работы и публикации.
Материалы диссертации докладывались на 16 и 17-й международных :онференциях по рентгеновским лучам и процессам во внутренних >болочках (International Conference on X-Ray and Inner-shell Processes. Debrecen, Hungary, 1993; Hamburg, Germany, 1996); 20 и 21-й іеждународньїх конференциях по физике электронных и атомных толкновений (International Conference on Electronic and Atomic Collisions, CPEAC. Vienna, Austria, 1997; Sendai, Japan, 1999); Российско-немецком еминаре по перспективам использования синхротронного излучения для ісследований в атомной и молекулярной физике и физике твердого тела Russian-German Workshop on Perspectives of Synchrotron Radiation lesearch in Atomic, Molecular and Materials Science. Berlin, Germany, 1995).
Материалы диссертации опубликованы в 8 работах, список которых іриведен в конце автореферата.
Збъём диссертации составляет 136 страниц, включая 19 рисунков, 7 аблиц и список литературы из 114 наименований.
Похожие диссертации на Разработка методики и высокоточные измерения полных сечений ионизации атомов инертных газов (Ne, Ar, Kr, Xe) электронами с энергией 140 - 4000 эВ
