Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Основные понятия. Формулировка задачи
1. Введение. Предварительные замечания и обоснование темы. 4
2. Понятие сечения взаимодействия. Основные определения 7
3. Конкретная цель исследования и постановка задачи 13
Глава II. О метастабильныж состояниях вообще и в атомной физике в частности
1. Понятие метастабильности и основные свойства метастабильных состояний 15
2. Экспериментальные способы образования, удержания и регистрации метастабильных атомов 19
3. Основные спектральные характеристики метастабильных состояний атомов инертных газов 25
Глава III. Экспериментальные методы определения сечений
1. Принцип классификации различных экспериментальных методов, их общий обзор и анализ 34
2. Электронные пучки 47
3. Зона взаимодействия, или камера столкновений 62
4. Оптический метод в вариантах методов лучеиспускания и поглощения 67
5. Принципиальная формула для определения сечений возбуждения атомов электронным ударом 73
6. Предлагаемая концепция определения обобщенных совокупных результатов для сечений ОМС и ВМС 75
Глава IV. Экспериментальная установка
1. Общая схема проведения эксперимента 79
2. Способы измерения конкретных величин 90
3. Условия проведения экспериментов 102
Глава V. Образование метастабильных атомов инертных газов при столкновениях электронов с нормальными атомами ("into metastable") - разработанные методы измерения сечений
1. Способы измерения сечений образования метастабильных состояний 111
2. Многопроходная система с наклонным падением лучей в методе относительного поглощения 119
3, Вариант метода поглощения для определения числа возбуждений в частотном (или временном) представлении 134
4. Метод сдвига фазы для определения времени жизни метастабильного состояния атома и сечения его электронного возбуждения 148
5. Эксперимент 158
6. Конкретные условия и параметры и особенности эксперимента для каждого элемента 164
Глава VI. Результаты определения сечений образования метастабильных состояний атомов инертных газов электронным ударом
1. Гелий 174
2. Неон 180
3. Аргон 190
4. Криптон 201
5. Ксенон 208
6. Общий анализ измеренных величин сечений. Выявленные закономерности 213
Глава VII Возбуждение метастабильных атомов электронным ударом в вышележащие излучающие состояния ("from metastable") - разработанные методы
1. Два подхода к решению проблемы 226
2. Особенности экспериментов при измерении сечений ВМС - процесса при пространственном разделении двух электронных ударов 234
3. Система трех электронных пушек 246
4. Временной метод 249
Глава VIII. Результаты определения сечений ВМС в инертных газах
1. Гелий 258
2. Неон 275
3. Аргон 289
4. Криптон 304
5. Ксенон 310
6. Общий анализ измеренных сечений ВМС. Выводы и закономерности 322
Глава IX. Новый подход к обобщению результатов разных работ
1. Общие соображения 329
2. "Сжатие информации" в процессе представления данных по сечениям. Предложенные аппроксимации зависимостей сечений от энергии налетающих электронов 333
3. Обобщенные результаты по сечениям электронного возбуждения атомов гелия из основного и метастабильных состояний 339
4. Обобщенные результаты по сечениям электронного возбуждения атомов аргона из основного и метастабильного состояний - процессы ОМС и ВМС 361
5. Общий вывод по предлагаемому подходу к представлению обобщенного результата и заключение 375
Заключение 378
Литература 383
- Понятие сечения взаимодействия. Основные определения
- Экспериментальные способы образования, удержания и регистрации метастабильных атомов
- Принципиальная формула для определения сечений возбуждения атомов электронным ударом
- Вариант метода поглощения для определения числа возбуждений в частотном (или временном) представлении
Введение к работе
Проведенные в диссертации исследования посвящены изучению процессов электронно-атомного взаимодействия с участием метастабильных атомов в области средних энергий столкновения (1-10 эВ), при которых эффективность этих процессов достигает максимальных величин.
Актуальность темы диссертации
Изучение рассеяния электронов на атомах, в частности, на возбужденных, в том числе на метастабильных атомах, имеет не уменьшающуюся с годами актуальность. Интерес к этой проблеме объясняется развитием областей науки и техники, имеющими дело с активными средами: с физикой низкотемпературной плазмы, газового разряда, атмосферной физики, физики лазеров, биофизики и др., развитие которых невозможно без количественной информации об элементарных процессах взаимодействия частиц, участвующих в них, в частности, электронов и метастабильных атомов. Метастабильные атомы являются мощными аккумуляторами энергии, обладающими временами жизни, на много порядков величины превышающими время жизни любого другого возбужденного состояния и характеристическое время многих элементарных фото-, био- и электрохимических реакций. Наличие метастабильной компоненты в среде делает последнюю активированной, а в активной системе может быть преодолен потенциальный барьер многих реакций, практически невероятных в обычных условиях. Вероятность рассеяния электронов на возбужденных метастабильных атомах на порядки величины превышает вероятность их рассеяния на атомах в основном состоянии. Таким образом, присутствие метастабильной составляющей в реакции рассеяния, благодаря её специфике, оказывает большое влияние на эффективность и качество процесса взаимодействия. Хотя все сказанное известно довольно давно, до сих пор в литературе отсутствовали надежные и систематизированные количественные характеристики вероятностей взаимодействия электронов с метастабильными атомами, которые не поддавались измерению в прямом эксперименте. Отсутствие этих параметров сдерживает прогресс в развитии практических приложений плазмы.
Предложенные и разработанные впервые в настоящей работе прямые экспериментальные методы количественного исследования взаимодействия электронов с метастабильными атомами позволили в значительной восполнить нехватку таких данных и способствовали широкомасштабному изучению обсуждаемой проблемы в других странах.
Диссертационная работа посвящена исследованию двух групп процессов взаимодействия электронов и метастабильных атомов:
1) образованию метастабильных атомов при столкновениях электронов с атомами,
находящимися в основном состоянии:
Ас + е ~ Ат + е - образование метастабильных состояний (ОМС), и
2) возбуждению этих метастабильных атомов электронным ударом на вышележащие
уровни:
Ат, + е =А** + е - возбуждение метастабильных состояний (ВМС).
Цель и задачи работы
Цель работы состояла в систематическом измерении величин сечений процессов ВМС и ОМС для пяти атомов инертных газов от Не до Хе в абсолютной мере и
в измерении зависимостей этих сечений от энергии возбуждающих электронов в широком диапазоне энергий, где эти сечения достигают максимИЛТіІГМТ iiU'iminii;
~t>0C МАШИНАЛЬНАЯ | БИБЛИОТЕКА |
в создании экспериментальных методов для решения этих задач определения
абсолютных значений ВМС и определения абсолютных значений сечений ОМС 2-х
метастабильных атомов порознь в прямом эксперименте и
в реализации этих методов в оригинальных экспериментальных установках для
проведения соответствующих измерений;
в анализе всего объема полученных результатов и выявлении закономерностей в
сечениях процессов ВМС и ОМС для атомов инертных газов, а также в представлении
этих сечений в удобном для приложений виде.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
-
Исследовать способы создания достаточных для эксперимента плотностей метастабильных атомов и возможности разделения вклада от них и от атомов в основном состоянии для процесса ВМС.
-
Создать и реализовать в прямом эксперименте методы измерения абсолютных величин сечений и функций электронного возбуждения из метастабильных состояний - ВМС.
-
Разработать методы и создать соответствующие экспериментальные установки для измерения абсолютных величин сечений и функций возбуждения в процессе ОМС с учетом необходимости раздельного измерения сечений для двух разных метастабильных состояний атомов инертных газов.
-
Выявить и исключить влияние вторичных процессов на результаты определения ВМС и ОМС сечений, кроме каскадного заселения.
-
Измерить соответствующие сечения и провести их анализ, имея целью установить закономерности рассеяния и сопоставить полученные значения с сечениями возбуждения из основного состояния атома (для ВМС), а также с сечениями возбуждения излучающих уровней (для ОМС).
-
Обобщить и представить результаты определения сечений электронно-атомного взаимодействия в компактной форме, учитывая весь накопленный по данному вопросу материал.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том, что
впервые были измерены абсолютные величины сечений процессов ОМС и ВМС, и впервые создана и научно обоснована методическая база изучения этих процессов. Был создан и разработан ряд новых оригинальных методов исследования, с помощью которых определены абсолютные величины сечений возбуждения большого количества уровней атомовіїе, tie, Аг, Кг и Хе в широкой области энергий налетающих электронов и полученные результаты представлены в компактном и удобном для приложений виде, а именно:
впервые в мировой практике поставлена актуальная научно-исследовательская задача и созданы не плазменные методы измерения абсолютных величин сечений и зависимостей их от энергии возбуждающих электронов на основе пространственного и временного разделения метастабиль-образующего и метастабиль-возбуждающего электронных ударов для процесса ВМС (несколько разных методов);
эти методы апробированы и реализованы в задаче систематического измерения сечений взаимодействия электронов с метастабильными атомами инертных газов (Не, Ne, Аг, Кг, Хе) и впервые определены соответствующие абсолютные значения величин сечений;
в результате проделанных исследований впервые выявлены закономерности как в величинах, так и в форме энергетических зависимостей сечений ВМС, и сделаны соответствующие обобщающие заключения;
впервые созданы методы измерения в абсолютной мере интегральных сечений образования каждого из метастабильных состояний атомов па основе двух новых вариантов оптического метода поглощения;
разработанные методы апробированы и реализованы в задаче систематического измерения сечений образования метастабильных Рг И Ро атомов инертных газов Ne, Аг, Кг, Хе электронным ударом и впервые получены соответствующие значения сечений;
в результате проведенных измерений впервые определено, что для тяжелых инертных газов сечения электронного возбуждения, измеряемые путем регистрации метастабильных атомов, являются сугубо эффективными величинами, и метастабильные состояния практически полностью заселяются за счет каскадных переходов;
для наиболее исследованных в литературе атомов гелия и аргона впервые представлены обобщающие значения сечений возбуждения электронами на метастабильные и излучающие уровни из основного состояния и из метастабильных -на вышележащие уровни.
Практическая ценность работы. Определенные величины сечений являются атомными константами и, помимо академического, представляют интерес для многих областей науки и техники, где возможны процессы, связанные с присутствием свободных электронов:
они способствуют правильному пониманию механизма процессов, протекающих в низкотемпературной лабораторной и технической плазме, в верхних слоях атмосферы и астрофизике;
служат оптимизации работы лазеров и, в частности, могут повысить коэффициент полезного действия работы электроионизационных лазеров на смесях с инертными газами за счет учета ВМС процесса;
способ представления сечений рассеяния в обобщенной и компактной форме, учитывающий всю совокупность экспериментальных и теоретических данных, и позволяющий определенным образом "сжать" эту информацию до обозримого предела, должен существенно облегчить и повысить качество ее использования в приложениях;
предложенные в работе методы могут быть использованы при исследовании других процессов электронно-атомных столкновений и имеют самостоятельный интерес.
Как сказано, подавляющее большинство представленных в диссертационной работе результатов получено впервые. Результаты работы использованы в экспериментальных и теоретических исследованиях отечественных и зарубежных авторов по физике лазеров, атмосферной и плазменной физике и физике столкновений. Многие результаты работы освещены в справочнике, статьях и докладах обзорного характера, а также используются в лекционных курсах, читаемых на кафедре оптики физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, в Московском государственном университете.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Создание и реализация прямых методов изучения процесса возбуждения электронов из метастабильных состояний атомов в вышележащие, основанных на пространственном и временном разделении метастабиль-образующего и метастабиль-возбуждающего электронных ударов.
-
Абсолютные величины сечений электронного возбуждения атомов инертных газов Не, Ne, Аг, Кг и Хе из метастабильных состояний на вышележащие S, Р, D - уровни и зависимости этих сечений от энергии налетающих электронов.
-
Создание и реализация метода измерения интегральных сечений электронного образования двух разных метастабильных состояний атомов порознь на основе нового варианта оптического метода поглощения в абсолютной мере.
-
Абсолютные величины сечений электронного возбуждения атомов инертных газов Ne, Аг, Кг и Хе из основного состояния на Рг И Ро метастабильные уровни.
-
Сечения электронного возбуждения из метастабильных состояний нижних уровней атомов инертных газов на 1-3 порядка величины превосходят соответствующие сечения возбуждения из основного состояния атома.
-
Электронное образование метастабильных атомов тяжелых инертных газов определяется эффективным сечением, и метастабильные состояния их практически полностью заселяются за счет каскадных переходов с вышележащих уровней.
-
Представление совокупного результата для сечений возбуждения в физике электронно-атомного взаимодействия, учитывающего все данные, полученные в эксперименте и теории, позволяющего представить их в компактной форме и выявить на основе этого закономерности в сечениях.
-
Определенные при этом подходе значения сечений процессов электронного возбуждения атомов Не и Аг на метастабильные и излучающие уровни из основного состояния и из метастабильных - на вышележащие.
-
Закономерности в сечениях S-, Р-, D- термов атома гелия для процессов возбуждения из основного и метастабильного состояний. Корреляция в величинах сечений 2р-уровней атома аргона, возбужденных из метастабильных Рг и Ро состояний, с соответствующими силами осцилляторов. Выполнение правила подобия для уровней атома гелия, возбужденных из метастабильных состояний. Выравнивание в величинах эффективных сечений возбуждения резонансных и метастабильных 1S2J уровней атомов тяжелых инертных газов за счет каскадного заселения.
Апробация работы
Результаты вошедших в диссертацию исследований представлены на DC, XV, XVI, XVII, XVIII, XX, ХХШ Международных конференциях по физике фотонных, электронных и атомных столкновений (ICPEAC: Сиетл, 1975; Брайтон, 1987; Нью-Йорк, 1989; Брисбен, 1991; Орхус, 1993; Вена, 1995; Стокгольм, 2003), на V Европейской конференции по атомной и молекулярной физике (ЕСАМР: Эдинбург, 1995),
на 31 и 34 Европейских группах по атомной спектроскопии (EGAS: Марсель, 1999; София, 2002),
на Объединенной европейской и национальной астрономической встрече, сопутствующий коллоквиум "Атомные и молекулярные данные для астрофизики" (JENAM-2000: Москва, 2000),
на Международном семинаре по физике электронных и атомных столкновений (ISPEAC: Клязьма, 2001),
на VI - XI Всесоюзных конференциях по физике электронных и атомных столкновений (ВКЭАС: Тбилиси, 1975; Петрозаводск, 1978; Ленинград, 1982; Рига, 1984; Ужгород, 1988; Чебоксары, 1991), на XX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Киев, 1988),
на Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (ФНТП: Петрозаводск, 1995), на IV Всесоюзном совещании по атомным данным для астрофизики (Ленинград, 1991),
на V, VI Конференциях и II, III семинарах - Атомные данные для астрофизических
исследований (С.Петербург, 1993; С.Петербург, 1995; С.Петербург, 1998; С.Петербург,
2000),
на I, III и IV семинарах по атомной спектроскопии (Ростов-Великий, 1990;
Черноголовка, 1992; 1993).
Обобщение результатов работы приведено в Справочнике констант элементарных процессов с участием атомов, ионов электронов и фотонов (п/ред. А.Г. Жиглинского, С.Петербург, 1994, гл. 2),
публикациях в журналах J. Phys. В 1994, Оптика и спектроскопия: 1989, 1999, 2002; и докладах на
V Всесоюзной школе по физике электронных и атомных столкновений (Бакуриани, 1980),
XXIII Международной конференции по физике фотонных, электронных и атомных столкновений (Стокгольм, 2003),
ГУ Всесоюзном совещании по атомным данным для астрофизики (Ленинград, 1991), Всесоюзных и региональных семинарах по спектроскопии и физике электронно-атомных столкновений и семинарах по астрофизике (Ужгород, 1976; Ростов -Великий, 1990; Черноголовка, 1992-1993; Санкт-Петербург, 1993,1995,1998,1999).
Публикации и личный вклад
Теме диссертации посвящено 56 публикаций; основное её содержание изложено в работах, ссылки на которые приведены в конце автореферата. Постановка задач, способы решения и полученные при этом основные результаты принадлежат автору. В диссертацию включены данные самостоятельных исследований автора, из совместных работ - результаты, полученные под её научным руководством, и при непосредственном участии.
Структураи объем диссертации
Диссертация состоит из девяти глав и заключения. Она изложена на 411 странице, включая 247 страниц текста, 132 рисунка, 43 таблицы и список литературы из 344 наименований.
Понятие сечения взаимодействия. Основные определения
Как известно [1.1.2], существует два определения понятия "метастабильное состояние вещества". Это, во-первых, состояние неполного равновесия макроскопической системы, соответствующее одному из минимумов термодинамического потенциала системы при заданных внешних условиях, причем устойчивому (стабильному) состоянию отвечает самый глубокий минимум, и во-вторых. это метастабильное состояние в квантовых системах - состояние с временем жизни г, много большим характерного времени жизни остальных возбужденных состояний, спонтанно распадающихся ( 10"8 с). Во втором случае метастабильными обычно считают возбужденные состояния, излучающие (радиационные) переходы из которых в другие состояния запрещены строгими правилами отбора. Как правило, они расположены непосредственно над основным состоянием, релаксировать в которое самопроизвольно не могут. Основное (устойчивое) состояние характеризуется минимальной энергией, метастабильное (не вполне устойчивое) - имеет, как правило, минимальную энергию из всех возбужденных состояний.
Метастабильное состояние можно рассматривать как некое переходное состояние системы, занимающее промежуточное положение между сугубо устойчивым и сугубо неустойчивым, между сугубо стабильной и нестабильной фазами. Если система находится в метастабильном состоянии, то при очень малом отклонении от него система возвращается в исходное состояние, а при некотором достаточном отклонении она может не вернуться в исходное состояние и стремится перейти в другое состояние равновесия (рис. 2.1.1) [2.1.1]. Хотя метастабильное состояние в известных пределах устойчиво, но рано или поздно система все равно перейдет из него в другое, стабильное состояние. Соответственно этому среди состояний равновесия и различают метастабильные, стабильные и неустойчивые состояния. При достаточно больших возмущениях система переходит в абсолютно устойчивое состояние.
К характерным признакам или свойствам метастабильного состояния можно отнести - большое время жизни (но меньшее, чем бесконечное время существования самого устойчивого состояния) и высокую энергоемкость метастабильного состояния.
Также можно отметить некое свойство, связанное с явлением перехода к равновесию. Характерные времена отдельных релаксационных процессов образуют цепочку времен - иерархию. Скорость релаксации отдельного процесса определяется его вероятностью, или сечением и при определенных условиях процесс релаксации для отдельных групп процессов можно рассматривать независимо друг от друга. Определенные условия в данном случае означают, что при анализе выбирают такие масштабы времен, на которых все более быстрые процессы закончились, а более медленные не начались, что и дает возможность рассматривать процессы с участием метастабильных состояний изолированно.
Существенным для метастабильнои системы является наличие начальной стадии фазового перехода в процессе релаксации. Это могут быть или флуктуационный путь, или "зародышевый" путь. Суть первого, видимо, пояснять не надо, относительно второго можно сказать, что он означает наличие какой-либо примеси в основной фазе. В случае микро-метастабильных систем это некая неконтролируемая разрушающая примесь в объеме газа, или "стенка" камеры, т.е. наличие границы существования самого объекта исследования. При этом имеет место уменьшение величины определенного параметра - энергии системы, в результате чего осуществляется снижение соответствующего барьера, препятствующего релаксации. Яркие примеры тому - уменьшение потенциала зажигания газового разряда при наличии в системе "примеси"-метастабильной компоненты, или возможность снижения потенциала ионизации атома, если он имеет метастабильное состояние.
Это свойство метастабильного состояния проявляется в скачкообразном, т.е. резонансном характере динамики его образования и разрушения. Известно, например, что вероятность образования метастабильных состояний атомов электронным ударом характеризуется резкой зависимостью эффективных сечений от энергии возбуждающих электронов. То же можно сказать и о процессе их разрушения электронным ударом при возбуждении вышележащих уровней или о разрушении за счет так называемой "гибели на стенке" при скачкообразной передаче последней энергии метастабильного состояния -эти процессы характеризуются резонансным видом вероятности их протекания.
Мы привели некое качественное описание метастабильной системы с точки зрения понятия "микро-метастабильности". Названные свойства метастабильного состояния присущи, как нам представляется, метастабильным системам вообще , т.е. и в макро- и микропредставлении, однако обсуждение этого вопроса выходит за рамки настоящей работы.
В следующих параграфах настоящей главы будут рассмотрены возможные пути образования, удержания и регистрации атомов в метастабильных состояниях, и будут приведены таблицы с конкретными параметрами метастабильных состояний атомов инертных газов.
Экспериментальные способы образования, удержания и регистрации метастабильных атомов
Вслед за выбором метода образования метастабильных атомов перед экспериментатором встает вопрос выбора способа их регистрации и определения их концентрации.
Если метастабильные атомы образуются электронным пучком, то для их регистрации применим метод, основанный на регистрации рассеянных электронов, потерявших энергию, равную энергии возбуждения атома в метастабильное состояние. Рассеянные электроны собираются на коллектор, к которому приложен задерживающий потенциал; меняя величину последнего, выделяют группу электронов, потерявших энергию, соответствующую энергии возбуждения исследуемого состояния. Точность выделения исследуемого состояния и точность анализа рассеянных электронов зависят от степени монокинетичности электронного пучка.
Повышение степени монокинетичности трудно совместить с требованием образования больших концентраций метастабильных атомов. Подробно этот способ будет описан в соответствующей главе при обсуждении методов измерения сечений электронно-атомного рассеяния. а). Метод вторичной электронной эмиссии. В этом методе используется свойство метастабильных атомов выбивать электроны из металлов, работа выхода которых меньше энергии атома в метастабильном состоянии. При этом измеряется ток вторичных электронов и, если известен коэффициент вторичной эмиссии у -определяется концентрация метастабилей. Помимо трудности точного определения у, в методе необходимо устранять искажения, вносимые попаданием на металл световых квантов или ионов, также способных выбивать вторичные электроны. В последние годы эта трудность преодолевается путем применения методики "времяпролетного" типа: метастабильные атомы, образованные импульсным пучком электронов, распространяются к детектору, расположенному на фиксированном расстоянии от камеры столкновений, детектором служит катод фотоумножителя. В силу того, что импульс фотоэлектронов образуется существенно раньше, чем импульс вторичных электронов, выбиваемых метастабилями, появляется возможность выделения последних из общего числа частиц. Отметим, что данный метод не применим в случае необходимости разделения разных метастабильных состояний. Надежность и точность его очень сильно ограничены параметром у, величина которого зависит не только от сорта и энергии метастабильных частиц, но, главное, от условий эксперимента, от чистоты и состояния поверхности металла, часто не контролируемых. б). Способ детектирования метастабильных атомов при ударах второго рода с атомами примеси. Он основан на том, что метастабильные атомы могут ионизовать отдельные атомы примеси с энергией ионизации, меньшей энергии возбуждения метастабильного состояния А" + В = А + В+ + е, что позволяет определить их концентрацию по току образующихся при этом ионов примеси или току электронов. Однако надо заметить, что при этом может быть сильно влияние процессов, сопутствующих основному, например, процесса прямого электронного возбуждения (ионизации) атомов примеси, возможность передачи возбуждения с другого уровня и т.п., вследствие чего количество параметров, которые надо дополнительно учитывать, возрастает, а точность конечного результата падает. Кроме того, метод пригоден только в том случае, когда известна вероятность процесса передачи возбуждения, что бывает довольно редко, поэтому метод не нашел широкого применения. в). Оптический метод поглощения, основанный на поглощении метастабильными атомами излучения с длиной волны Xim, соответствующей радиационному переходу между вышележащим и метастабильным уровнем. Это очень хороший и перспективный метод, и он и его модификации, в том числе предложенные нами, будут подробно изложены в следующих главах (гл. III, IV,V). г). Не останавливаясь на разборе, лишь упомянем некоторые другие возможные способы регистрации метастабильных атомов, способы, не имеющие широкого применения. Так, можно использовать для регистрации метастабильных атомов эффект "тушения" их в электрическом и магнитном полях, которые вынуждают их к излучению избытка энергии [2.4.1]. Можно наблюдать и регистрировать метастабильные атомы по методу Штерна - Герлаха : атомы, имеющие отличный от нуля полный момент импульса, отклоняются в неоднородном магнитном поле [9.3.54.]. Все перечисленные методы использовались при изучении процессов с участием метастабильных атомов в разной степени. Экспериментов, в которых проделаны абсолютные измерения, мало, и они будут обсуждены по ходу дела при конкретном разборе процессов ОМС и ВМС возбуждения.
Принципиальная формула для определения сечений возбуждения атомов электронным ударом
При общем рассмотрении процесса электронно-атомного взаимодействия в учебной литературе раздела физики столкновений ссылаются обычно на два классических способа экспериментального исследования этого процесса - метод ослабления и метод регистрации рассеянных электронов. Оба они связаны с измерением плотности электронов. Электронов, либо оставшихся в первоначальном пучке, падающем на мишень, и не претерпевших рассеяния, либо выбывших из него за счет столкновения с атомами, и эти измерения называют обычно типичными экспериментами по рассеянию частиц [3.1.1]. С помощью этих методов можно исследовать процессы полного или упругого рассеяния, но для исследования неупругих процессов они не годятся (вернее, второй из них имеет существенные технические ограничения). В научной литературе, посвященной изучению конкретных процессов электронно-атомного взаимодействия, известно гораздо больше методов исследования; во многих из них рассматривается состояние рассеянных электронов, в других - состояние мишени, претерпевшей удар; есть методы, регистрирующие сигналы от обоих этих изменений по схеме совпадения; используются различные способы регистрации продуктов реакции и т.д., и все они тоже имеют свои названия. Чтобы легче было в них во всех ориентироваться, разобьем эти методы на группы в соответствии со следующими признаками.
Экспериментальные методы исследования ОМС и ВМС процессов во многом сходны с общеизвестными способами исследования взаимодействия электронов с атомами в основном состоянии. Однако, дополнительная проблема создания атомов в исходном возбужденном состоянии для исследования ВМС - процесса требует специальных пояснений. Следующие параграфы и главы V и VII, с учетом этого замечания, будут посвящены описанию работы каждого из названных узлов отдельно. Здесь ограничимся их краткой характеристикой и определим выбор использованного принципа работы каждого из узлов.
Прежде, однако, два слова о другом, имеющем место, направлении изучения процессов столкновения, именно, об исследовании их в газоразрядной плазме, где процессы ОМС и , особенно ВМС, который там естественным образом называют ступенчатым процессом, часто играют весьма важную роль.
В плазме газового разряда осуществляется уникальная, с точки зрения исследования ВМС, ситуация, когда и источник электронов и зона взаимодействия - совмещены и в пространственном и во временном отношении. Изучение различных физических явлений, имеющих место в плазме что помимо прочего представляет самостоятельный интерес, дает возможность получить данные по константам скоростей разных процессов взаимодействия многих микрочастиц между собой. Работы с пучками как правило, посвящены изучению какого-либо одного конкретного процесса. Исследования в обоих направлениях взаимно дополняют друг друга и тем самым дают возможность иметь более полные и точные сведения о процессах столкновений.
Достоинством газоразрядных методов является возможность изучения таких реакций, которые трудно исследовать в пучковых экспериментах. К ним относятся, в частности, ступенчатые возбуждения -ВМС. В то же время наличие большого числа процессов в разряде усложняет интерпретацию результатов, поскольку сложно учесть их все. Чтобы как-то избежать этой трудности, предварительными исследованиями стремятся подобрать такие условия, чтобы в возбуждении и разрушении уровня участвовало минимальное количество реакций, и среди них исследуемая играла доминирующую роль.
Коренное отличие газоразрядных методов от пучковых состоит в разном распределении возбуждающих электронов по скоростям. В пучках электроны имеют достаточно узкое распределение, много меньшее величины интервала энергий, в котором ведутся измерения. В разряде распределение настолько широкое, что в его интервале эффективное сечение может сильно меняться. Сечения, полученные путем анализа электрических и оптических параметров разряда, являются усредненными по энергетическому распределению электронов, имеющему место в плазме данного разряда. Зная вид функции возбуждения, можно найти максимальную величину сечения. Но измерить функцию возбуждения газоразрядный метод не позволяет. Последнее обстоятельство явилось решающим при выборе в качестве опорного - "прямого эксперимента с пучком электронов", так как одной из основных задач нашего исследования является измерение зависимостей сечений от энергии возбуждающих электронов. При этом для начала укажем на необходимость выполнения трех обязательных требований в прямом эксперименте с электронным пучком. Первое - мишень должна быть тонкой: Я»/ ( Я- длина свободного пробега электрона в газе, / - его путь, или характерный размер области взаимодействия), чтобы было соблюдено необходимое условие однократности столкновений. При этом существенно также то, чтобы по прохождении зоны рассеяния уменьшением плотности электронного пучка можно было пренебречь (см. рис. 1.1.1 ,б, гл. I).
Вариант метода поглощения для определения числа возбуждений в частотном (или временном) представлении
Таких работ довольно много [3.1.6-9 и др.]. Из них некоторые стоит отметить. Например, в японской работе [3.1.8] измерены дифференциальные сечения возбуждения 2 Р и 2 S - уровней гелия в широкой области энергий возбуждающих электронов, а главное - в широкой области углов регистрации рассеянных электронов в = (5-5-100). Весьма существенно, что авторами проделаны измерения при малых углах (5 45), что представляет наибольшую трудность для экспериментатора. В область еще меньших углов в, вплоть до почти нулевых значений, смогли продвинуться канадские, американские ученые [6.3.15], [9.3.47]. В других же работах, например, в [3.1.7, 6.3.8], диапазон был расширен в область больших углов регистрации рассеяния - до 138, 150. Таким образом, метод электронной спектроскопии развивается как в направлении расширения диапазона регистрации углов рассеяния, так и в направлении повышения степени углового разрешения Ав =(0.5-5-3), что позволяет повышать достоверность измеряемых дифференциальных сечений возбуждения и позволяет проводить более полное сопоставление с теорией. Такое сопоставление показывает, что именно при малых и больших углах наблюдаются наиболее сильные расхождения между экспериментальными и расчетными сечениями. Так, например, работы Траймера [9.3.47] из Калифорнийского Технологического института иллюстрируют такое расхождение для дифференциальных сечений 2 So и 2 Si - уровней гелия. Методом электронной спектроскопии обнаружен [9.3.35] узкий пик "вперед" в угловом распределении рассеянных электронов. Этот результат отличается от расчетов в 1-м порядке теории возмущений. В более поздних работах эти расхождения подтверждаются. Велики различия между теорией и экспериментом и для больших углов рассеяния 0=(90-5-180) [9.3.45, 52]. Положение дел в этой области по данным работ последних лет для 23Si - уровня гелия иллюстрирует наша работа [6.1.1]. Заметим, что экспериментов, выполненных в широкой области углов рассеянных электронов, мало, и метод электронной спектроскопии нашел главное применение для исследования резонансной структуры сечений в припороговой области энергий и для измерения дифференциальных сечений рассеяния в относительной мере. Для определения же интегральных сечений применение их ограничено, поскольку получить интегральные величины можно лишь в тех случаях, когда измерения ведутся в достаточно широком диапазоне изменения углов вылета рассеянных электронов, либо при экстраполяции дифференциальных сечений в область малых и больших углов, но это, как видно из предыдущего, может внести большую ошибку в полное сечение. Кроме того, эксперименты по электронной спектрометрии выполнены, как правило, лишь при нескольких фиксированных энергиях налетающих электронов, что не позволяет выявить зависимость сечения от энергии. Значительно больше результатов по определению интегральных сечений дал метод регистрации метастабильных атомов по току вторичных электронов.
Метод вторичных электронов использовался еще в 60-70ые годы в работах [6.2.4], [6.3.14], которые получили весьма точные данные для относительных величин сечений метастабильных уровней всех инертных газов. Однако, функции возбуждения получены лишь в узкой области энергий, на 4 +7 эВ превышающих пороги возбуждения. На функциях возбуждения была обнаружена резонансная структура, которую связывают либо с каскадным заселением, либо с заселением при разрушении определенных состояний отрицательного иона. Позже этот метод в более широкой области энергий налетающих электронов был использован в работах [6.3.6-7] для определения сечений метастабильных уровней аргона и гелия, а в [6,2.16] - для всех инертных газов. Относительные величины сечений были тем или иным способом нормированы. Полученные результаты будут обсуждены позднее в гл. VI.
В модифицированном виде метод вторичных электронов получил распространение в экспериментах "время-пролетного" типа (см. например, [3.1.10-11], [6.2.6]. В них импульсный электронный пучок пронизывает мишень - газ при постоянном давлении - или скрещивается с пучком атомов. Часть образованных при соударениях метастабильных частиц через сетки, окружающие пространство столкновений, или вместе с атомным пучком направляется к детектору, расположенному на фиксированном расстоянии от камеры столкновений. Детектором служит катод фотоумножителя, импульсы с которого подаются через время-амплитудный преобразователь на многоканальный анализатор. Время-пролетная техника в этих экспериментах используется для разделения атомов, радиационно распадающихся, и метастабильных, и для измерения распределения метастабильных атомов по скоростям. Сигнал от ультрафиолетовых фотонов пропадает много раньше, чем самые быстрые метастабильные атомы достигнут детектора. Время-пролетная кривая в таких экспериментах имеет форму максвелловского распределения, что, по мнению авторов [3.1.10], говорит, в частности, о том, что за время пролета отсутствует распад метастабильных состояний 2 0 и 23Sj гелия, который мог бы изменить форму кривой распределения. Функция возбуждения суммы метастабильных состояний He(2 So + 2JSi) получена суммированием всех точек на время-пролетной кривой при всех имеющих смысл временах пролета и контролированием этой величины в зависимости от энергии электронов.
