Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Спектроскопическое исследование процессов возбуждения электронным ударом замкнутых оболочек атомов щелочных и щелочноземельных металлов 13
1.1. Возбувдение внешних замкнутых, оболочек атомов щелочных металлов 14
1.2. Возбуждение внешних замкнутых оболочек атомов щелочноземельных металлов 24
Заключение по главе 32
Глава 2. Аппаратура и методика исследования процессов возбудцения электронным ударом спектральных линий металлических элементов в УМР-области 34
2.1. Экспериментальная установка 34
2.1.1. Камера столкновений 35
2.1.2. Источник атомного пучка . 37
2.1.3. Электронная пушка и коллектор .тока . з8
2.1.4. Спектральный прибор 42
2.1.5. Система вакуумной откачки 47
2.1.6. Система регистрации УМР-излучения . 47
2.2. Замечания по методике исследования 55
2.2.1. Подготовка установки к измерениям . 55
2.2.2. Контрольные опыты и условия измерений . 56
2.2.3. Исследование спектров излучения и идентификация линий 61
2.2.4. Определение относительной спектральной чувствительности установки 64
2.2.5. Определение эффективных сечений электронного возбуждения спектральных линий . 65
2.2.6. Ошибки измерений 68
Глава 3. Результаты исследования процессов возбуждения атомов электронным ударом и их обсуждение . 70
3.1. Возбуждение УМР-спектров излучения при столкновении электронов с атомами лития, натрия, магния и бария 72
3.1.1. К -спектр излучения лития 72
3.1.2. L -спектр излучения натрия 76
3.1.3. L -спектр излучения магния 84
3.1.4. N -спектр излучения бария 90
3.2. Эффективные сечения возбуждения спектральных линий электронным ударом 97
3.3. Возбуждение резонансных линий ионов 99
3.3.1. Литий 99
3.3.2. Натрий 108
3.3.3. Магний 116
3.4. Возбуждение излучательных переходов с автоионизационных состояний нейтральных атомов 121
3.4.1. Излучательный переход с автоионизационного (ls2p2) Р состояния атома лития 121
3.4.2. Излучательные переходы с автоионизационных состояний атома натрия 124
3.4.3. О возбуждении излучательных переходов с автоионизационных состояний атомов щелочных металлов электронным ударом . 127
3.4.4. Излучательные переходы с автоионизационных состояний атома магния 134
3.5. Возбуждение рентгеновских переходов 135
3.5.1. Рентгеновский Lz~ Mi переход магния.. 135
3.5.2. Рентгеновские переходы бария 138
3.6. Возбуждение эмиссионной полосы в области порога ионизации бария 143
Выводы 147
Литература 150
Приложение .165
- Возбуждение внешних замкнутых оболочек атомов щелочноземельных металлов
- Определение эффективных сечений электронного возбуждения спектральных линий
- Эффективные сечения возбуждения спектральных линий электронным ударом
- О возбуждении излучательных переходов с автоионизационных состояний атомов щелочных металлов электронным ударом
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Проведение широкого круга исследований в области физики электронных и атомных столкновений стимулируется развитием многих направлений современной физики и техники, в том числе физики атома, атомной спектроскопии, квантовой электроники, физики верхней атмосферы, космической физики, физики плазмы и их различных приложений. Изучение явлений при столкновении частиц - основной источник информации о структуре атомов, о механизмах взаимодействия между ними, об эффективности процессов возбуждения и ионизации. Для понимания процессов, происходящих в различных видах плазмы, расширения возможностей её практического применения, необходимы многочисленные данные об элементарных процессах, имеющих место при взаимодействии электронов с атомными системами. При этом представляет интерес получение новых данных о возбуждении не только валентных, но и замкнутых оболочек атомов.
Состояния, возникающие при возбуждении электронов из замкнутых оболочек атомов, распадаются посредством безызлуча-тельных и излучательных переходов, в результате которых испускаются соответственно электроны с определенной энергией или же кванты излучения. Эти возбужденные состояния в зависимости от присущего им набора квантовых чисел характеризуются различным соотношением вероятностей излучательного и безызлучатель-ного распадов. Наиболее распространенные экспериментальные методы исследования процессов электронного возбуждения замкну-
тых оболочек атомов - методы электронной и радиационной спектроскопии, основаны на регистрации продуктов распада возбужденных состояний. Результаты исследований, полученные указанными методами, взаимно дополняют друг друга и совместно дают более полную информацию о процессах возбуждения замкнутых оболочек атомов.
Возбуждение безызлучательных переходов, возникающих при образовании вакансий во внешних замкнутых оболочках атомов, изучено в работах [l-2l] практически для всех щелочных и щелочноземельных металлов. Преимущественное большинство из этих работ посвящено исследованию спектров электронов, испущенных при распаде автоионизационных состояний, и лишь в работах [7,12] исследованы энергетические зависимости эффективности электронного возбуждения безызлучательных переходов Li и Cs Что касается излучательных переходов, возникающих при возбуждении внешних замкнутых оболочек этих атомов, то процесс их электронного возбуждения изучен лишь в видимой и ультрафиолетовой [22-35] , а также вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) [36-59] областях спектра, и практически отсутствуют надежные данные об электронном возбуждении спектральных переходов, сопровождающихся излучением в ультрамягкой рентгеновской (УМР) области. При этом на УМР-область спектра приходится наиболее интенсивное излучение, возникающее в результате распада состояний, образующихся при возбуждении внешних замкнутых оболочек атомов таких легких металлов, как Li , Na , Ма> . Кроме того, излучение в указанной области спектра возникает также при распаде состояний с вакансиями в более глубоких оболочках атомов тяжелых металлов.
Исследование процессов возбуждения атомов металлов, сопровождающихся излучением в УМР-области спектра, относится к
7 числу актуальных задач физики электронных столкновений. Использование спектральных методов в научных и прикладных исследованиях и народном хозяйстве в качестве отправного пункта требует получение первичной информации о длинах волн и сечениях возбуждения спектральных линий. Получение новых экспериментальных данных об процессах возбуждения замкнутых оболочек атомов необходимо для расширения наших знаний о структуре атомов и свойствах электронных оболочек атомов, для развития и совершенствования теории процессов возбуждения атомов электронным ударом, для понимания явлений, происходящих в высокотемпературной астрофизической и лабораторной плазме. Такие исследования необходимы для решения фундаментальных задач атомной физики [бі] , а также многих практических задач атомной спектроскопии [б2] , внеатмосферной астрофизики [бЗ] , квантовой электроники [64-] и т.д. В частности, исследование электронного возбуждения излучения УМР-области спектра может способствовать целенаправленному поиску рабочих сред для создания источников коротковолнового излучения, в т.ч. лазерных [б5,бб] .
Теоретические исследования процессов электронного возбуждения внешних замкнутых оболочек атомов, как ионизация с одновременным возбуждением, возбуждение автоионизационных состояний и др. к настоящему времени малочисленны и далеко несовершенны. А как известно, для разработки и развития теоретических методов расчета крайне необходимы надежные экспериментальные данные. В этой связи особый интерес представляют результаты экспериментального исследования процессов возбуждения внешних замкнутых оболочек относительно простых атомных систем, какими являются атомы легких металлов /_с , N& ,
В последнее время выполнен целый ряд экспериментальных и теоретических исследований процессов во внутренних оболочках атомов. Было обнаружено, что в неупругих процессах заметную роль играют многоэлектронные, корреляционные эффекты (б7-72~| . Экспериментальные исследования [б7] показали важность многоэлектронных эффектов в Ы (Nif 5)~ фотоэлектронных спектрах некоторых атомов с 48^2-^ 70. Вместе с тем процессы возбуждения N -оболочек тяжелых щелочных и щелочноземельных атомов до настоящего времени не исследовались. Интерес к этим исследованиям повышается в связи с работами [71,72] , результаты которых показали, что динамические эффекты во внутренних оболочках имеют большое влияние на характер УМР-спектров излучения инертных газов.
Все вышесказанное свидетельствует в научной актуальности и практической важности всестороннего изучения процессов электронного возбуждения атомов щелочных и щелочноземельных металлов, приводящих к возникновению излучения в УМР-области.
ЦЕЛЬЮ настоящей работы является исследование процессов возбуждения электронным ударом внешних замкнутых оболочек атомов лития, натрия и магния, а также более глубокой N -оболочки атома бария путем детектирования сопутствующего этим процессам ультрамягкого рентгеновского излучения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В результате выполнения работы впервые:
- сконструирована и создана автоматизированная экспериментальная установка для исследования электронного возбуждения спектральных линий металлических элементов в области 8-40 нм при электронно-атомных столкновениях;
исследованы УМР-спектры излучения, возбуждаемые при столкновении электронов с атомами лития, натрия, магния и бария;
обнаружен ряд неизвестных ранее линий, соответствующих излучательному распаду автоионизационных состояний и рентгеновским переходам атомов, а также широкая эмиссионная полоса бария, соответствующая "поляризационному" тормозному излучению;
изучены энергетические зависимости эффективных сечений возбуждения обнаруженных спектральных линий от порога до 1000 эВ;
определены относительные интенсивности возбуждения спектральных линий исследуемых элементов в УМР-области, Оценены абсолютные значения сечений возбуждения электронным ударом спектральных переходов натрия и магния.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные результаты полезны для расширения наших знаний о структуре и свойствах электронных оболочек атомов, а также могут быть использованы для диагностики примесей высокотемпературной плазмы и интерпретации спектроскопических наблюдений астрофизической плазмы.
Исследование возбуждения спектральных линий атомов металлов в УМР-области может способствовать целенаправленному поиску рабочих сред для создания источников коротковолнового излучения, в том числе, лазерных.
Результаты проведенных экспериментальных исследований будут способствовать развитию и совершенствованию теоретических методов исследования процессов возбуждения замкнутых оболочек атомов электронным ударом.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:
I. Результаты исследования УМР-спектров излучения, воз-
буждаемых при столкновении электронов с атомами лития, натрия, магния, бария и классификация обнаруженных спектральных линий.
Экспериментальное обнаружение излучательных переходов с автоионизационных состояний атомов лития, натрия и магния, а также рентгеновских переходов магния и бария.
Результаты измерения энергетических зависимостей, эффективных сечений возбуждения спектральных линий лития, натрия,
магния и бария электронным ударом.
Вывод о том, что на функциях возбуждения спектральных переходов нейтральных атомов лития и натрия в припороговой области имеются резонансные особенности.
Результаты исследования эффективности возбуждения электронным ударом спектральных линий атомов и ионов в УМР-области.
Интерпретация широкой эмиссионной полосы бария с максимумом при 11,2 нм, возникающей в результате "поляризационного" тормозного излучения при столкновении электронов с атомами.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты настоящей работы докладывались на П и Ш Всесоюзных семинарах по актуальным проблемам физики электронных столкновений (г. Ужгород, 1980,1983), Всесоюзном семинаре "Автоионизационные явления в атомах" (г. Москва,
1980), УШ Всесоюзной конферении по физике электронных и атомных столкновений (г. Ленинград,1981), УІ Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом (г. Москва, 1982).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликованы
следующие статьи:
Вукстич B.C., Іменяк Ю.В., Постой Е.Н. Излучательный распад некоторых автоионизационных состояний Мд 1 и Majj .- Письма в 1ЭТФ, 1979, т. 30, № 5, с. 282-286.
Вукстич B.C., Іменяк Ю.В., Постой Е.Н., Запесочный
И.П. Возбуждение L -оболочки атомов магния электронным ударом.-
Укр. физ. а., 1980, т. 25, їй 12, с. 2008-2012.
Вукстич B.C., ІІменяк Ю.В. Исследование УМР-излучения, сопровождающего электронные переходы во внутренних оболочках атомов >а и Т/. .- Всесоюзный семинар "Автоионизационные явления в атомах". Ы., 1980. Материалы семинара, с. 339-342.
Вукстич B.C., Яменяк Ю.В., Запесочный И.П. Исследование ультрамягких рентгеновских переходов бария, возбуждаемых электронным ударом.- УШ Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений. Л., 1981. Тезисы докладов, с. 192.
Жменяк Ю.В., Вукстич B.C., Постой Е.Н. Многоэлектронное возбуждение атомов лития электронным ударом.- УШ Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений. Л., 1981. Тезисы докладов, с. 193.
Ійіеняк Ю.В., Семенюк Я.Н. Возбуждение радиационных переходов с дважды возбужденных состояний 12р ) Р Неї и(U2f)) Р
Li і при электронно-атомных столкновения.- В сб.: Метастабиль-ные состояния атомов и молекул и методы их исследования". Чебоксары, 1981, изд. Чувашского госуниверситета, с. 29-34.
7. Яменяк Ю.В. О возбуждении ультрамягкого рентгеновского
перехода Lll электронным ударом.- Укр. физ. ж., 1982, т. 27,
№ 2, с. 289-292.
Бменяк Ю.В., Вукстич B.C., Запесочный И.П. Об излуча-тельном распаде автоионизационных состояний Л/а j , возбуждаемых при электронно-атомных столкновениях.- Письма в ЖЭТФ, 1982, т. 35, й 8, с. 321-323.
Вукстич B.C., їїменяк Ю.В., Дащенко А.И., Фронтов В.И. Исследование сечений возбуждения ионных линий натрия в области 15-40 нм электронным ударом.- УІ Всесоюзная конференция по физи-
ке вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом.- М., 1982. Тезисы докладов, с. 38.
Іменяк Ю.В., Вукстич B.C., Запесочный И.П. Исследование излучательных переходов с автоионизационных состояний атомов Li и Но, в ультрамягкой рентгеновской области спектра.-УІ Всесоюзная конференция по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом. М., 1982. Тезисы докладов, с. 46.
Іменяк Ю.В., Вукстич B.C., Запесочный И.П. Возбуждение спектральных линий главной серии ионов Li Л ш Li при электронно-атомных столкновениях.- Укр. физ. ж., 1982, т. 27, № 10,
с. 1583-1585.
12. Іменяк Ю.В., Вукстич B.C., Дащенко А.И., Запесочный
И.П., Фронтов В.И. Исследование сечений электронного возбужде
ния спектральных переходов Nail и NaJl в ультрамягкой рентгенов
ской области спектра.- Опт. и спектр., 1983, т. 54, У& 3, с. 558-
561.
13. Vukstich T.S., Zhmenyak Yu.Y., Zapesochnyi I.P.
Ultrasoft X-ray emission of barium study in electron-atomic col
lisions. Thirteenth International Conference'on the Physics of
Electronic and Atomic Collisions. Berlin, 1983, Abstracts of
contributed papers, p. 745.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы из 133 наименований и приложения, изложена на 172 страницах машинописного текста и содержит 51 рисунок и б таблиц.
Возбуждение внешних замкнутых оболочек атомов щелочноземельных металлов
В работах [22-33, 36-44-J исследовано электронное возбуждение спектральных переходов ионов щелочных металлов, образующихся при одновременном возбуждении двух атомных электронов (одного - в континуум, а другого - в дискретное состояние):
Наиболее интенсивные нерезонансные переходы (у которых конечное состояние не является основным) ионов щелочных металлов соответствует преимущественно линиям видимой и ультрафиолетовой областей спектра. Процесс возбуждения спектральных линий нере-зонансных переходов с уровней конфигураций tip fn+f]p , nf (ti+l) d , /1 (/1+2) S ионов Najit К !1 , RoJ! , Cs/f электронным ударом исследовался Волковой [22] , Шимоном и Запесочным [23 ] , Постой и др. [24--27J , а также Шапочкиным и Смирновым [28-33] . Было установлено, что эффективные сечения возбуждения исследованных линий примерно на порядок меньше сечений возбуждения нерезонансных атомных линий. Исключение составляют лишь некоторые линии Cs Ц , эффективные сечения которых аномально большие.
Отметим, что исследования эффективных сечений возбуждения ионных линий проводились различными авторами по-разному. В ра 15 боте [22j использовался фотографический метод регистрации излучения, в то время как авторами других работ [23-33] регистрация излучения проводилась фотоэлектрическим методом.
Для определения абсолютных значений сечений возбуждения спектральных линий ионов в работах [22-27] определялась концентрация атомов в области столкновений, а также проводилась калибровка чувствительности установок по излучению эталонных ламп с известным распределением интенсивности.
В работах [28-33] эффективные сечения возбуждения ионных линий определялись косвенным методом - путем сравнения интен-сивностей исследуемых линий и линий нейтральных атомов, сечения возбуждения которых известны из работ [23,24-] .
Возбуждение нерезонансных переходов ионов щелочных металлов наиболее полно исследовано в работах [24-27] и [28-33] . Однако необходимо отметить, что имеются расхождения в результатах измерения ФВ нерезонансных переходов, полученных разными авторами в указанных работах. Из исследований [24-27J следует, что вид ФВ ионных линий сильно изменяется при переходе от No. к более тяжелым металлам. Так, если ФВ нерезонансных линий А/а// подобны и характеризуются широким максимумом в районе 150 эВ, то для переходов К Н , доЦ , LsJ/ обнаружены ФВ трех типов. ФВ первого типа характеризуются плавным ходом и широким максимумом в районе 100 эВ. ФВ второго типа резко возрастают у порога возбуждения, достигают максимального значения при энергии -1,5ло&и в дальнейшем имеют быстрый спад. ФВ третьего типа характеризуются наличием двух максимумов: узкого у порога возбуждения и широкого при энергии 80-100 эВ. По данным работ [28-33] ФВ всех нерезонансных переходов Na II, К , RiJ! , С%1[ имеют один довольно узкий максимум вблизи порога (при с =1,3 16
Имеются также расхождения и в определенных различными авторами абсолютных значениях сечений возбуждения нерезонансных переходов ионов. Так, отличие сечений возбуждения нерезонансных переходов по данным работ [23,24-,28] достигает иногда фактора 10, причем отличаются не только определенные различными авторами абсолютные значения сечений возбуждения, но и относительные интенсивности спектральных линий.
К настоящему времени отсутствует единое мнение о причинах, указанных выше расхождений результатов, полученных различными авторами. По-видимому, наиболее достоверными можно считать результаты, полученные в работах [24-27] Эти результаты получены в наиболее чистых условиях: измерения проводились в условии однократности столкновений; исследуемая область столкновений электронов с атомами имела небольшие размеры; особое внимание было уделено устранению эффекта искажения результатов при перефокусировках электронного пучка.
В [31,33] Шапочкин и Смирнов, исследуя эффективные сечения электронного возбуждения большого числа нерезонансных переходов No.Л и Roll , определили сечения возбуждения уровней конфигураций Пр(П+1)р, Пр(П+1)а,Пр (п+2) . . Было установлено, что наибольшая величина сечения возбуждения у уровней наиболее глубокой возбужденной (ҐІ+І) р -подоболочки, а с увеличением как главного, так и орбитального квантового числа возбужденного электрона величина сечений возбуждения уровней уменьшается. Для уровней конфигурации kp 5р в работе [зі] определена величина каскадного заселения. Она оказалась значительной, и у большинства уровней находится в пределах 50-90% от полного сечения возбуждения. Авторы работ [31,33] на основании измеренных сечений возбуждения спектральных переходов и имеющихся в литературе данных о временах жизни уровней определили также вероятности исследованных нерезонансных переходов ионов щелочных металлов Na,Ro.
Возбуждение резонансных переходов ионов щелочных металлов, излучение которых попадает в ВУФ-область спектра, исследовалось Вукстичем и др. [36-42] , а также Богачевым и др. [43,44]. В работах [36-42] исследована ФВ суммарного излучения перехо-дов Ndji с уровней 2/з 3s и 2р 3s , а также измерены ФВ резонансных переходов К Л , R&Jj , Cs с уровней конфигураций ftp fft+i)S, їір Па . Авторами [36-42J установлено, что ФВ резонансных переходов иона одного и того же щелочного металла не зависит от того, к какой конфигурации Пр (п- -1) S или ґїр ҐІСІ относятся верхние уровни. В то же время ФВ линий NCLJ! резко отличаются от ФВ резонансных линий ионов КJI , М Ц и С$ Ц (см. рис. I.I). Резонансные линии N&I! характеризуются пологим ростом эффективности возбуждения с увеличением энергии бомбардирующих электронов и широким максимумом при Е 200 эВ. ФВ линий К Jl , Ro II и Съ имеют крутой рост непосредственно за порогом возбуждения и четкие максимумы при энергиях, равных примерно 2п0 Особенности поведения ФВ резонансных линий ионов, рассматриваемых элементов, обсуждались авторами [41-42] на основании различных процессов, которые могут давать вклад в заселение резонансных уровней.
Определение эффективных сечений электронного возбуждения спектральных линий
Для атомов щелочных и щелочноземельных металлов проведены спектроскопические исследования лишь по возбуждению внешних замкнутых оболочек, причем эти исследования являются разрозненными и далеко не полными. Наиболее полно исследовано возбуждение спектральных переходов однозарядных ионов щелочных металлов К , R( , Cs , а также возбуждение спектральных переходов с автоионизационных состояний Kl , RII, Съ1 и Call, Sn.1 ,Да//. Для Са ъ, && исследовано также электронное возбуждение наиболее интенсивных резонансных переходов двухзарядных ионов. Возбуждение переходов (ninp) S —WftS Пр ) 9 , возникающих при образовании вакансии в MS -подоболочке, исследовано лишь у ионов К III ж tW % а некоторые сведения о возбуждении нерезонансных переходов двухзарядных ионов щелочных металлов имеются лишь для К и Cs .
Очень малочисленны сведения о возбуждении внешних замкнутых оболочек атомов легких щелочных и щелочноземельных металлов, таких как Li , На. и Ma, . Наиболее интенсивное излучение, возникающее при распаде состояний, образующихся вследствие возбуждения внешних замкнутых оболочек этих атомов, расположено преимущественно в УМР-области спектра, В этой области у натрия исследована лишь ФВ суммарного излучения резонансных линий Naji 37,2 нм + 37,6 нм. У лития исследованы ФВ линий 19,9 нм, 18,7 нм и LuJH 13,5 нм, однако точность результатов измерения является неудовлетворительной. Сведения о спектроскопическом исследовании электронного возбуждения замкнутых оболочек атомов Ма отсутствуют вообще. Поэтому, систематические исследования спектральных переходов в УМР-области, возникающих вследствие различных процессов возбуждения внешних замкнутых оболочек атомов Lu , N& и My, , как образование резонансных состояний ионов различной зарядности, возбуждения автоионизационных состояний нейтральных атомов, образование состояний с вакансиями в замкнутых подоболочках, являются весьма актуальными.
Процессы возбуждения более глубоких оболочек атомов щелочных и щелочноземельных металлов до сих пор вообще не исследованы. При этом из литературы известно, что внутренние оболочки атомов, особенно атомов тяжелых элементов, играют заметную роль в возбуждении внешних замкнутых оболочек. Поэтому непосредственное исследование процессов электронного возбуждения внутренних оболочек атомов металлов путем регистрации УМР-излучений, сопутствующего процессу возбуждения, также представляет несомненный интерес.
В связи с этим, имеется необходимость в исследовании процессов возбуждения электронным ударом замкнутых оболочек атомов щелочных и щелочноземельных металлов по излучению в УМР-области.
Для исследования электронного возбуждения спектральных линий атомов металлов в УМР-области (8-40 нм) изготовлена экспериментальная установка с пересекающимися электронным и атомным пучками и фотоэлектрическим методом регистрации. Установка состоит из помещенных в камеру столкновений источников электронного и атомного пучков, спектрального прибора на УМР-область, системы регистрации коротковолнового излучения, системы вакуумной откачки и системы электропитания.
Принцип работы установки следующий. Электронный пучок круглого сечения пересекает под прямым углом пучок нейтральных атомов. Излучение, возбуждаемое при столкновении электронов с атомами, собирается из области пересечения пучков сферическим зеркалом и фокусируется на входную щель спектрального прибора. В качестве спектрального прибора используется вакуумный монохроматор (ВМ) скользящего падения лучей на решетку с постоянным углом отклонения лучей 164. Излучение, спектрально разложенное ВМ, детектируется каналовим электронным умножителем, работающим в режиме счета. Сигнал с выхода детектора поступает на автоматизированную систему регистрации.
Экспериментальная установка представляет собой сочетание сложной электронной, вакуумной и спектральной аппаратуры, поэтому рассмотрим конструкцию и работу каждого из основных узлов в отдельности,
Взаимодействие электронов с атомами происходит в специальной дифференциально откачиваемой камере (камере столкновений), представляющей собой параллелепипед объемом 0,22 х 0,28 х 0,35 м3. Стенки камеры изготовлены из листовой нержавеющей стали XI8HI0T. Схематическое размещение деталей в камере столкновений представлено на рис. 2.1. Источники электронного и атомного пучков смонтированы на одном несущем фланце и помещены в водяную ловушку. На другом фланце заварены водяная и азотная ловушки. Водяная ловушка, окружающая источники пучков, имеет отверстия для вывода излучения в ВМ, на смотровое окно, а также для откачки источников. Азотная ловушка служит коллектором атомов. Обе ловушки сводят до минимума загрязнение внутренних стенок вакуумной камеры и средств откачки исследуемым металлом. Попадание паров металла в объем ВМ предотвращает система коллимирующих охлаждаемых диафрагм, установленных на пути излучения в монохроматор.
Эффективные сечения возбуждения спектральных линий электронным ударом
Расстояние оз! выходной щели до решетки рассчитывалось по следующей формуле где R - радиус кривизны решетки, 1 - расстояние от нее до входной щели. Расчет по формуле (2.2) показывает, что расстояние 4-і при сканировании спектра от 0 до 30 нм изменяется достаточно линейно. А далее, учитывая малую апертуру решетки и, вследствие этого, малый угол расходимости выходного луча, расфокусировкой при 40 нм за счет нелинейности можно пренебречь.
Вместе с выходной щелью перемещается платформа, на которой укреплен детектор излучения. Между решеткой и щелями установлены регулируемые коллимирующие диафрагмы, ограничивающие поток рассеянного излучения на решетку и детектор (на рис. 2.4 они не показаны). В монохроматоре применяются стандартные спектральные щели типа УФ. Спектральные щели имеют регулировку раскрытия от 0 до 0,4 мм, точность отсчета ширины щелей равна 0,001 мм. Оригинальной конструкции механизм поворота решетки обеспечивает линейнцю связь шкалы отсчетного устройства с длиной волны регистрируемого излучения. В приборе используются решетки с радиусом кривизны І М, 600 штрихами на миллиметр, покрытые золотом или платиной.
В объеме ВМ расположено также сферическое зеркало, используемое совместно с пересекающимися пучками в качестве осветителя входной щели спектрального прибора. Специальный держатель позволяет легко устанавливать и юстировать зеркала различной кривизны, или одной и той же кривизны, но с различными отражающими покрытиями. Для зеркал любого радиуса от 1,0 до 6,0 метров расстояние от неподвижной оси их вращения до входной щели и от той же щели до области пересечения пучков постоянно и равно 140 мм. При этом для обеспечения условий фокусировки излучения на входной щели каждому определенному радиусу кривизны зеркала соответствует определенный угол падения и отражения. Условие фокусировки имеет место, то есть источник излучения и его изображение, а также вершина зеркала находятся на круге Роуланда, если выполняется равенство где ck - угол падения и отражения, / - расстояние от зеркала до источника и его изображения (в нашем случае L = 140 мм). Рассчитанные по формуле (2.3) скользящие углы, соответствующие стандартным радиусам зеркал приведены в таблице 2.1.
Устройство поворота зеркала обеспечивает его вращение на углы скольжения от 0 до 10 с точностью отсчета 0,01. Изменению скользящего угла падения лучей на зеркало от 0 до 8 соответствует перемещению пучков на 40 мм.
Для зеркала определенного радиуса по отсчетному устройству устанавливается соответствующий угол отражения. Потом перемещением пучков достигается равенство угла падения углу отражения, то есть размещение элементов схемы на круге Роуланда. Выбор того или иного радиуса кривизны зеркала и соответствующего отражающего покрытия на нем определяется углом максимального отражения излучения данной длины волны от данного покрытия.
В качестве отсчетного устройства углов поворота зеркала и решетки используются чувствительные индикаторы биений часового типа с ценой деления 0,01 мм. Используемые механизм и отсчет-ное устройство поворота решетки позволяют определить длину волны излучения с точностью ± 0,05 нм. Все узлы монохроматора и осветительного зеркала размещены на отдельной стальной плите, извлекаемой из вакуумного объема при юстировке и настройке прибора. Держатели щелей, диафрагм, решетки и зеркала имеют по 5 степеней свободы, необходимых для юстировки. Кроме того, плита с монохроматором перемещается в трех плоскостях в вакуумной камере для выбора необходимого положения зеркала по отношению к пучкам.
Все необходимые при эксплуатации монохроматора регулировки (поворот зеркала и решетки, регулировка ширины спектральных щелей и диафрагм, перемещение выходной щели относительно решетки и перемещение детектора относительно выходной щели) осуществляется без нарушения вакуума посредством вильсоновых вводов вращения. Подача высокого напряжения на детектор и вывод сигнала осуществляется через коваростекляные вводы. Монохроматор имеет окна для наблюдения за шкалой отсчетных устройств углов поворота решетки и зеркала, а такие лимбов щелей и диафрагм.
Для записи спектров на самопишущем приборе монохроматор снабжен синхронным двигателем и редуктором, обеспечивающим две скорости сканирования 0,7 и 2 нм/мин. Система вакуумной откачки. Система вакуумной откачки обеспечивает давление О,7-І,33«10 Па в объеме камеры столкновений и А.2,6 10" " Па в объеме вакуумного монохроматора. Блок-схема системы вакуумной откачки представлена на рис. 2.5. В нее входят магниторазрядные насосы типа НОРД-250, паро-маслянный диффузионный насос ВН-0,5, а также форвакуумний насос типа НВЗ-20. Форвакуумний насос обеспечивает предварительную откачку объемов камеры столкновений и вакуумного монохрома-тора через цеолитовую ловушку до давления І0"1 Па, а также работу паромасляного насоса. Паромасляный насос используется в качестве вспомогательного. Он обеспечивает откачку вакуумных объемов через охлаждаемую жидким азотом ловушку жалюзного типа при обезгаживании источников атомного и электронного пучков и при регенерации магниторазрядных.насосов НОРД-250. В рабочих условиях вакуум в камере столкновений и вакуумном монохроматоре обеспечивается магниторазрядными насосами. Контроль давления в вакуумных объемах осуществляется вакууметрами ВИТ-2 при помощи манометрических ламп ПМТ-2 и ПМЙ-2.
О возбуждении излучательных переходов с автоионизационных состояний атомов щелочных металлов электронным ударом
Описанный режим работы системы регистрации имеет существенный недостаток. Как правило он используется только в тех случаях, когда измерения длятся непродолжительное время, на протяжении которого все условия эксперимента остаются неизменными. Длительное измерение ФВ спектральных линий по точкам может привести к искажениям результатов из-за изменения условий эксперимента. Поэтому данный режим работы применяется для получения предварительных результатов или для измерения интенсивного излучения. В случае излучения малой интенсивности, когда для получения удовлетворительной статистики требуется большая экспозиция измерений при каждой энергии электронов, трудно сохранить условия эксперимента постоянными на протяжении длительного времени. В таких условиях надежно провести эксперимент позволяет автоматический режим работы системы регистрации излучения.
При работе в автоматическом режиме система регистрации работает в сочетании с измерительно-управляющим комплексом (ИУК), созданным на базе мини ЭВМ "Электроника 100/И" [82] или анализатора импульсов АИ 128 [83] . На рис. 2.6 представлен вариант работы системы регистрации в сочетании с ИУК на базе мини ЭВМ.
ИУК выполняет следующие основные функции: - управляет энергией электронного пучка по заданной программе ; - осуществляет реверсивный счет сигнала и приведение его к току; - выводит результаты измерения на печатающее устройство (ЦПУ), двухкоординатный самописец (ДС) и экран осциллографа (0). Управление энергией электронов ИУК осуществляет путем подачи на вход УИН соответствующего опорного напряжения. Величина опорного напряжения, подаваемого на УИН от цифроаналогового преобразователя, определяется цифровым кодом, который вырабатывается ЭВМ. Энергия электронов изменяется ступенчато с определенным шагом по заданной программе от некоторого начального значения и0 до максимального Ем . При каждой определенной энергии электронов ИУК осуществляет реверсивный счет сигнала на выходе коммутатора и приведение его к току. Информация о зарегистрированном сигнале при каждой определенной энергии электронов хранится в отдельной ячейке памяти. После достижения максимального заданного напряжения U-M на блоке УИН система автоматически возвращается в исходное положение и цикл измерения повторяется. Значение начальной и максимальной энергии электронов количество точек измерения, время измерения в каждой точке (длительность ступеньки опорного напряжения), а также количество циклов измерения задаются программой. Выбор минимальной длительности ступеньки напряжения ограничен только постоянной времени релаксации блока УИН и составляет десятые доли секунды. Максимальная длительность ступеньки напряжения выбирается из соображений времени, необходимого для прохождения одного цикла измерений, то есть времени, на протяжении которого еще можно считать условия эксперимента постоянными. Количество циклов измерения определяется временем, достаточным для достижения необходимой точности, обусловленной статистическим характером регистрируемого сигнала.
Таким образом, работа системы регистрации в автоматическом режиме позволяет устранить влияние медленно изменяющихся во времени условий эксперимента на результаты исследований путем многократного циклического прохождения шкалы энергий электронов и последовательного накопления полезного сигнала.
Перед началом каждого цикла измерений производилась разборка всех узлов, находящихся в камере столкновений, их чистка и промывка. Особенно тщательно очищались электроды электронной пушки и источник атомов. Проводилась сборка и юстировка электронной пушки и коллектора электронов, а также замена оксидного катода. В источник атомов загружался исследуемый металл.
После сборки источники пучков крепились на несущем фланце. К электродам и коллектору электронной пушки, а также к нагревателю источника атомов присоединялись токопроводы. Далее производилась герметизация вакуумной камеры и ее откачка до давления -10 Па. Для очистки и обезгаживания источника атомов (рабочего вещества, эффузионной камеры, нагревателя) включалось пониженное питание танталовой спирали. Одновременно прогревались и обезгаживались электроды электронной пушки, что способствовало улучшению монокинетичности электронного пучка. Обезга-живание осуществлялось таким образом, чтобы вакуум в камере столкновений был не хуже I0""3 Па. После обезгаживания производилась активировка оксидного катода электронной пушки. Катод активировался путем постепенного увеличения тока подогрева до 0,4 А на протяжении 2-3 часов. При этом допускалось увеличение давления в камере до значения не более 3,66«10 Па.
