Спектроскопия многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой Чурилов Сергей Семенович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Методики анализа спектров многозарядных ионов. 20

1.1. Источники возбуждения спектров. 20

1.2. Спектральная аппаратура высокого разрешения . 26

1.3. Обработка спектрограмм. 30

1.4. Теоретические расчеты спектров многозарядных ионов. 37

1.5. Классификация спектральных линий и критерии корректности анализа спектров. 42

Глава 2. Спектры многозарядных палладие-подобных ионов . 47

2.1. Структура уровней Pd-подобных ионов. 47

2.2. Исследование резонансных переходов в спектрах Pd-подобных ионов. 50

2,3. Анализ переходов между возбужденными конфигурациями в спектрах Pd-подобных ионов . 57

2.3.1. Исследование высоковозбужденных конфигураций в спектрах Sb VI -IVIII. 59

2.3.2. Анализ спектров Хе IX и Cs X. 65

2.3.3. Анализ спектров ВаXI, La XII и Се XIII, 68

2.3.4. Анализ спектров Рг XIV и Nd XV. 71

2.4. Обобщение спектроскопических данных для изоэлектроннои последовательности Pd I. 74

Глава 3. Спектры ионов изоэлектронных последовательностей Ag I и Cd I. 85

3.1. Проблемы селекции линий в спектрах многозарядных ионов. 85

3.2. Анализ спектров Ag-подобных ионов от Sb У до Nd XIV. 88

3.3. Анализ спектров многозарядных Cd-подобных ионов . 95

3.3.1. Спектр Хе VII. 96

3.3.2. Спектр Ва IX. 99

3.3.3. Спектр LaX. 102

3.3.4. Спектр Се XI. 104

3.3.5. Спектры Рг XII и NdXIII. 106

Глава 4. Спектры 4d ионов ксенона в дальней ВУФ области , 114

4.1. Изученность спектров ионов с заполняющейся 4d оболочкой. 114

4.2. Специфические особенности конфигураций 4dm l4f и 4p54dm+1. 117

4.3. Спектры ионов ксенона в дальней ВУФ области . 126

4.4. Анализ Хе X и изоэлектронных спектров IIX - Ва XII. 130

4.5, Анализ спектра Хе XI и изоэлектронного спектра IX, 136

Глава 5. Спектры 4d ионов олова и индия в дальней ВУФ области . 143

5.1. Общая характеристика спектров ионов олова и индия в области 100-200 А. 143

5,2. Анализ конфигураций 4d64f и 4p54da в спектрах In VII и Sn VIII. 150

5.3. Анализ спектров In XII-XIII и Sn XIII-XIV. 153

5.4. Классификация переходов в сложных спектрах In VIII-XI и Sn ГХ-ХП. 163

5.5. Диагностика плазмы искрового источника для ВУФ литографии. 169

5.5.1. Измерение электронной температуры плазмы. 171

5.5.2. Определение электронной плотности плазмы, 175

5.5.3. Оценки оптической толщины излучающей плазмы. 182

Заключение. 187

Список литературы.

• Спектральная аппаратура высокого разрешения
• Анализ переходов между возбужденными конфигурациями в спектрах Pd-подобных ионов
• Анализ спектров многозарядных Cd-подобных ионов
• Спектры ионов ксенона в дальней ВУФ области

Введение к работе

Ионы, имеющие в основном состоянии электронные конфигурации 4d^m(m=l-10), согласно сложившейся терминологии обозначаются как 4d ионы. Данный класс ионов образуется в относительно тяжелых атомах 5-7 периодов таблицы элементов с атомными номерами более 40. Спектры многозарядных 4d ионов сконцентрированы в вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) и мягкой рентгеновской (MP) областях длин волн и состоят из переходов между весьма сложными электронными конфигурациями, содержащими от нескольких десятков до нескольких сотен уровней. Соседние ионы с заполняющейся 4d оболочкой имеют мало отличающиеся потенциалы ионизации, поэтому даже в однородной и равновесной плазме одновременно могут существовать несколько ионов разной кратности. Как правило, получаемые спектрограммы 4d ионов содержат до нескольких тысяч спектральных линий, а возбуждаемые в различных ионах переходы зачастую расположены в одной и той же области спектра. Детальный анализ таких спектров представляет собой довольно трудную и кропотливую задачу. Поэтому до настоящего времени более или менее полно изучены лишь спектры 4d ионов небольшой кратности ионизации с зарядом 7.<, 5 % Помимо этого, были исследованы относительно простые спектры резонансных переходов в более многозарядных ионах с основными конфигурациями 4d и 4d , Спектроскопические данные для подавляющего большинства многозарядных 4d ионов либо вообще отсутствовали, либо были неполны и требовали дальнейших уточнений и дополнений.

Современные компьютерные методики расчета, обработки и анализа спектров в принципе позволяют проводить детальные исследования сложных спектров 4d ионов. Первые результаты анализа относительно простых конфигураций показали, что существенную роль в формировании спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4d^m оболочкой играют переходы с

сильно взаимодействующих возбуждённых конфигураций типа 4d^m" 4f и 4p⁵4d^m+l. Данные конфигурации обладают аномально большими интегралами обменных кулоновских взаимодействий (4d,4f) и (4p,4d) электронов, превышающими в большинстве многозарядных 4d ионов интегралы прямого кулоновского (4d,4d) взаимодействия. Теоретически было показано, что аномальные величины интегралов обменных взаимодействий приводят к перестройке структур энергетических уровней и к возникновению внутри каждой конфигурации двух групп уровней, отличающихся как. энергиями возбуждения, так и вероятностями переходами . Как следствие, возникают эффекты терм-зависимости энергетических параметров конфигураций, а спектры переходов с данных конфигураций принимают весьма специфический вид. Набор конфигураций, в которых существуют эффекты подобного типа, весьма широк и не ограничивается лишь 4d ионами. Сильные обменные взаимодействия в значительной степени определяют структуры ряда электронных конфигураций и в других типах ионов, например: 4(f5s4f, 4d*4f² в Ag-подобных ионах, 4d*5s²4f, 4d⁹4f¹ в Cd-подобных ионах, Зр^^т+| в 3d ионах и 5<Г"'5Ґ, 5pⁱ5d^mft, Sd^Sf... в тяжелых 5d ионах. Поэтому анализ спектров многозарядных 4d ионов весьма важен для развития методов спектроскопии многократно ионизированных тяжелых атомов. Спектроскопическая информация по многозарядным 4d ионам востребована и для решения ряда прикладных научных и технических задач.

Во-первых, переход 4d*5p'Pi — 4d⁹5d¹So в многозарядных Pd-подобных ионах с основным состоянием 4d S« перспективен для получения лазерной генерации в дальней ВУФ и MP областях спектра. Процесс образования инверсии на уровнях Pd-подобных ионов происходит согласно хорошо известному механизму электронного возбуждения с основного состояния, реализованному в Ni-подобных ионах с основной конфигурацией 3d¹⁰. Спектры Ni-подобных ионов были детально исследованы вплоть до Sn XXIII⁴, а лазерный эффект наблюдался на переходах 3d⁹4p 'р₍ - 3d⁹4d 'So и

3d'4d'Pi — 3d⁹4f'Pi во множестве ионов в широком интервале длин волн вплоть до зоны прозрачности воды, Х,=18-45 А*. Спектры палладие-подобных ионов были достаточно полно изучены лишь до Sn V. В более многозарядных ионах не были измерены даже энергии верхнего уровня лазерного перехода 4d⁹5d 'So. В Cs X и в спектрах более тяжелых ионов были уверенно идентифицированы лишь отдельные резонансные переходы. Конфигурация 4d*4 оказывающая существенное влияние на кинетику населекностей уровней Pd-подобных ионов, вообще не изучалась. В настоящее время ведутся теоретические и экспериментальные работы по созданию коротковолновых лазеров на переходах палладие-подобных ионов. Лазерный эффект усиления излучения на переходах в палладие-подобных ионах пока наблюдался лишь в спектре ХеІХ на длине волны 418 А⁶. Отсутствие надежных экспериментальных данных для спектров многозарядных Pd-подобных ионов существенно осложняло проведение точных адекватных расчетов кинетики генерирующей плазмы и оптимизацию активной среды.

Разрабатываемые в настоящее время технологии для оптической литографии нового поколения предполагают создание эффективного источника излучения в области длин волн 130-140 А⁷. Такой источник позволит довести пространственное разрешение литографических методов до нескольких десятков нанометров, что, несомненно, вызовет очередной прогресс в технологии изготовления интегральных схем для микропроцессоров. Выбор области спектра для литографии нового поколения был предопределен полосой отражения ..интерференционных Mo/Si зеркал нормального падения⁸: другой широкоапертурной оптики для дальней ВУФ области пока не существует. Одним из определяющих параметров разрабатываемых литографических источников является коэффициент преобразования подводимой мощности в узкополосное излучение, фокусируемое оптическим коллектором (2-% интервал вблизи

максимума отражения). В настоящее время наиболее перспективными признаны источники плазмы, использующие излучение ионов ксенона, олова или индия. В спектрах этих ионов наблюдаются интенсивные пики излучения в области 130-140 А, состоящие, согласно предварительным расчетам, из переходов с возбужденных конфигураций типа 4dⁿ"^,5p, 4d^m"^l4f и 4р⁵4(1^т+| в спектрах 4сГ ионов Xe^№(m=8), Sn"»-Sn^,i+(m=5-l) и In*Mn^m(m=S-l). Сложные спектры этих ионов до сих пор не исследовались, что существенно затрудняло диагностический мониторинг и оптимизацию параметров плазмы литографических источников с целью достижения максимальной эффективности последних. Цеяр и направление исследований.

Данная диссертационная работа посвящена детальному исследованию спектров многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой в ВУФ области длин волн (Х~5 0-2000 А). Особое внимание уделено спектрам палладие-подобных ионов С основной конфигурацией 4d и спектрам ионов ксенона, олова и индия с основными конфигурациями типа 4d^ra (m =1-8). На Рис.1 изображена таблица изученности спектров тяжелых многозарядных ионов по состоянию на 1995 год. Черным цветом выделены ионы, спектры которых были в достаточной степени изучены к началу наших исследований. Серым цветом выделены ионы, спектры которых исследовались в данной диссертационной работе. Спектры 4d ионов In V,VI, Sn VI.VII, Sb VII,VIII и TeVIII,IX с основными конфигурациями 4d⁹ и 4d* были исследованы в соавторстве с другими сотрудниками отдела атомной спектроскопии ИСАН ⁹. Результаты этих исследований не включены в данную диссертацию, но были использованы в процессе анализа спектров других многозарядных 4d ионов.

В диссертационной работе анализировались спектры около SO ионов, принадлежащих двенадцати изоэлектронным последовательностям. Помимо десяти последовательностей 4d^m (m-1-10) ионов были исследованы лежащие в тех же областях длин волн спектры ионов последовательностей Ag I и Cd I

fcl»№Ktatthfetb*l ftClBlliaPrWfiMbQIIblfrHo&TnYbliH* ИЬОікПАиНдТІПЕІ

Рис.1. Таблица изученности спектров ионов по состоянию на 1995 год.

Черным цветом обозначены ионы, спектры которых были известны. Серым цветом - ноны, исследуемые в данной диссертационной работе.

с основными конфигурациями 4d'5s и 4d'5s¹. Некоторые из исследуемых в данной работе спектров ионов относительно малых кратностей, Cd III, InIV,Vn, SnV.VIII, Sb V-VI, TeVI-VII, IVII-IX, XeVIII-X, Cs IX,X, изучались и ранее. Результаты анализов этих спектров были в значительной мере дополнены и частично исправлены в данной диссертационной работе. В ряде спектров более многозарядных ионов изоэлектронных последовательностей Ag I (Cs IX - Nd XIV) и Cd I (Хе VII - Nd XIII) ранее были идентифицированы только переходы с относительно низковозбужденных состояний, причем, как показали настоящие исследования, некоторые из них были классифицированы неверно, В КЬ-подобных спектрах In ХШ, Sn XIV и в Pd-подобных спектрах Ва XI - Nd XV были классифицированы лишь отдельные линии, эти спектры исследовались практически заново. Спектры InVIII - InXII, SnIX - SnXIII, IX u XeXI

вообще не изучались ранее и впервые исследуются именно в данной диссертационной работе.

Анализ каждого спектра заключался в классификации линий и измерении энергий уровней исследуемых электронных конфигураций с помощью теоретических расчетов, проведенных с учетом всех имеющихся для конфигураций подобного типа экспериментальных данных. На основе измеренных энергий уровней уточнялись значения интегралов электронного взаимодействия (полуэмпирические энергетические параметры) и вероятности исследуемых переходов. Полученные спектроскопические данные использовались для экстраполяции на более многозарядные ноны, а также для точного расчета спектров изучаемых ионов и моделирования спектров излучения различных источников плазмы.

Автором диссертации созданы мощная лазерная установка и несколько усовершенствованных модификаций искровых источников, используемых для возбуждения анализируемых спектров ионов. Регистрация, обработка и анализ спектров, квантово-механические н полуэмпирическне расчеты исследуемых в данной диссертационной работе спектров также выполнены непосредственно автором диссертации. Им же предложена и апробирована методика диагностики плазмы проектируемых литографических источников с использованием методов В УФ спектроскопии высокого разрешения. Методы исследований и обоснование результатов.

Исследуемые спектры регистрировалось на двух спектрографах высокого разрешения ИСАИ. 3-м спектрограф скользящего падения, оснащенный гслографической дифракционной решеткой 3600 штр/мм, использовался в области длин волн 50-350 А. Регистрация спектров в области 250-2000 А осуществлялась на 6.65-м спектрографе нормального падения, оснащенном двумя сменными решетками 1200 штр/мм. Разрешающая способность этих приборов составляет 2-10^-2-10⁵ в диапазоне длин волн от 100 А до 2000 А, что заведомо превышает необходимое разрешение для спектров источников с

контурами линий, уширенными эффектом Доплера. Спектры возбуждались с использованием широкого набора источников плазмы. В основном, использовались различные модификации искровых разрядов с пиковыми токами от 1 до 100 кА: скользящая искра, малоиндуктивная вакуумная искра, разряд в капилляре. Для возбуждения интенсивных спектров многозарядных ионов была создана мощная лазерная установка на неодимовом стекле с использованием эффекта обращения волнового фронта. Использование источников плазмы с варьируемой в широких пределах эффективной электронной температурой (кТ_с~10-100 эВ) позволило эффективно разделять регистрируемые спектры по кратностям ионизации и возбуждать спектры ионов с кратностями от 2 до 20.

Обработка и анализ полученных спектров проводились с применением уникальных компьютерных методик, разработанных в отделе атомной спектроскопии ИСАИ. Использовалась программы автоматического измерения положений спектральных линий на спектрограммах и измерения их длин волн и интенсивностей с помощью набора стандартов длин волн и модельной кривой отклика фотоэмульсии, а также программа IDEN, предназначенная для классификации сложных спектров. В процессе анализа использовался полный набор известных в спектроскопии критериев корректности классификации спектров. Учитывались следующие факторы:

1. Принадлежность классифицируемой спектральной линии данной кратности ионизации (селекция линий посредством регистрации спектров различных источников);

2. Соответствие экспериментальной и расчетной величии длины волны классифицируемой линии;

3. Соответствие относительной интенсивности линии рассчитанной вероятности перехода;

4. Согласованность волновых чисел линий переходов по комбинационному принципу Ритца;

5. Соответствие энергий измеренных уровней полуэмпирическим значениям, вычисленным при варьировании энергетических параметров исследуемых конфигураций (средне-квадратичном фнттинге энергий);

6. Согласованность полученных полуэмпирических параметров вдоль изоэлектронной (изоядерной) последовательности ионов.

Выполнение всех упомянутых критериев гарантировало корректность

проведенного анализа, а использование спектрографов высокого разрешения

при возбуждении спектров в источниках плазмы различного типа

обеспечивало точность и надежность представляемых спектроскопических

данных.

Новизна и практическая иенностъ результатов работы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Спектроскопические данные для многозарядных Pd-подобных ионов
от Sb VI до Nd XV. Классификация переходов между конфигурациями
4d*4f, 4d*5s, 4d*5p, 4d⁹5d и 4d⁹5f, энергии уровней и полуэмпирические

параметры этих конфигураций. Результаты экстраполяции спектроскопических данных на более тяжелые палладие-подобные ионы.

2. Результаты исследования спектров многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Ag I. Энергии конфигураций 4d¹*nf; 4d¹⁰mg (n=4,5; m»5,6) в спектрах Sb V — I VII и высоковозбужденных конфигураций 4d^]0nl(n=6,7; t=p,d,f,g), 4d*5s5p, 4d*4f5s и 4d^e4f* в спектрах Cs IX - Nd XIV.

3. Результаты анализа спектров многозарядных ионов изоэлектронной последовательности Cd I. Энергии конфигураций 4f5s, 4fSp, 4f5d, 5p5d, 5s6p и 5s5f в спектрах Хе VII, Ва IX — Nd ХЩ и конфигураций 4? к 4f5g в спектрах Рг XII и Nd ХІП.

4. Результаты анализа спектров Хе X и Хе XI, и шоэлектронных им спектров I DC, IX, Cs XI, Ва XII. Энергии конфигураций 4d⁸4f и 4p^s4d' в спектрах

IIX - Ва XII и конфигураций 4d'5p, 4d^T4f и 4p⁵4d^fl в спектрах IX и Хе XI.

классификация спектра излучения ионов ксенона в области 130-140 А, представляющей интерес для оптической литографии в дальней ВУФ области длин волн.

5. Спектроскопические данные для 4d ионов олова Sn VIII - Sn XIV. Классификация наиболее интенсивных переходов в области длин волн 130-140 А, энергии уровней и полуэмпирические параметры конфигураций 4d^m, 4d 5р, 4d 4f и 4р 4d в спектрах ионов олова,

6. Спектроскопические данные 4d ионов индия In VII — In XIIL

Классификация наиболее интенсивных переходов в области 140-150 А и энергии уровней и полуэмпирические параметры конфигураций 4d^m, 4d^m'^l5p, 4d^№l4f 4p^s4d^m*¹ в спектрах ионов индия.

7. Параметры плазмы малоиндуктивной вакуумной искры при токах разряда 15-25 кА: электронная температура, электронная плотность и оптическая толщина, измеренные с использованием методов спектроскопии высокого разрешения в дальней ВУФ области.

8. Создание спектроскопической базы для мониторинга, диагностики и оптимизации спектров излучения источников оптической литографии нового поколения на базе полученной в диссертации информации по спектрам 4d ионов ксенона, олова и индия.

В диссертационной работе впервые исследованы спектры 20 ионов, сведения о спектрах еще около 30 конов были существенно дополнены и частично исправлены. В результате данных исследований впервые идентифицировано более 3200 спектральных линий в вакуумной ультрафиолетовой области длин волн и найдено около 1500 энергий уровней. По измеренным энергиям уровней определены полуэмпирические энергетические параметры большого количества электронных конфигураций в исследуемых ионах.

Полученная в диссертации информация о спектрах Pd-подобных ионов используется при разработке источников лазерного излучения в дальней ВУФ области длин волн. Спектроскопические данные по многозарядным

ионам ксенона, от Хе VII до Хе XI, включены в справочное издание по спектрам ионов, выпускаемым Национальным Институтом стандартов и технологий США¹⁰.

Основные результаты диссертации докладывались на XVI Конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Звенигород, 1998), на VII Международной Конференции по рентгеновским лазерам (Сан-Мало, Франция, 2000), на VII Коллоквиуме по атомной спектроскопии и силам осцилляторов (Дублин, Ирландия, 2001), на XXXVII Конференции Европейской группы по атомным системам (Дублин, Ирландия, 2005), на XXIII Съезде по Спектроскопии (Звенигород, 2005) и на 2-ой Международной Конференции по Атомной и Молекулярной Физике и Оптике (Нью-Дели, Индия, 2006). По результатам проведенных в диссертации исследований опубликовано 27 научных работ в рецензируемых отечественных и иностранных журналах.

Спектральная аппаратура высокого разрешения

Наиболее интенсивные переходы в спектрах многозарядных ионов сконцентрированы в вакуумном ультрафиолетовом (ВУФ. АкЗОО-2000 А), мягком рентгеновском (MP, А,к20-300 А) и рентгеновском (А«1-20А) диапазонах длин волн. Процесс становления спектроскопии многозарядных ионов сопровождался бурным развитием экспериментальной спектроскопии именно в этих областях спектра [2]. Следует отметить, что границы упомянутых диапазонов являются условными и, как правило, определяются типом спектрографов, используемых для регистрации соответствующих спектров. В ВУФ области спектра обычно применяются спектрографы нормального падения, снабжённые отражающими и фокусирующими излучение дифракционными решётками. При длинах волн А, 400-500 А коэффициенты отражения всех материалов при нормальном падении резко уменьшаются [65], поэтому в диапазоне длин волн Х-20-500 А для регистрации излучения используются спектрографы со скользящим падением излучения на решётку, т.е. при углах падения 80-89. Данный диапазон длин волн часто называтся дальней ВУФ областью спектра (в англоязычной литературе: extreme или far ultraviolet), В рентгеновском диапазоне (А. 20 А) применяются кристаллические спектрографы на брэгговском отражении.

Исследуемые спектры регистрировались, в основном, на двух спектрографах высокого разрешения Института спектроскопии РАН: 6.65-м спектрографе нормального падения и 3-м спектрографе скользящего падения. Оба спектрографа сконструированы по плоской горизонтальной схеме Игля, в которой входная щель, сферическая дифракционная решетка и приемник (фотопластинка) расположены на окружности с диаметром равным радиусу кривизны решетки (окружность Роуланда). При таком расположении элементов входная щель фокусируется на окружность Роуланда для излучения с любой длины волны. Аппаратное разрешение спектрографа (SA,) равно в этом случае произведению ширины изображения щели и линейной дисперсии решетки. Согласно уравнению дифракционной решетки [66] в данной схеме: 8HS/sinp)(sini3/Rd)=S/Rd, (1.1) где S - ширина входной щели, (3 - угол дифракции излучения, R - радиус кривизны решетки, d - число штрихов на единицу длины решетки. Таким образом, спектральное разрешение спектрографов, сконструированных по данной схеме, зависит лишь от ширины входной щели и параметров решетки и не зависит от длины волны излучения. Разрешающая же способность растет пропорционально длине волны излучения: УЬХ = XKd/S (1.2)

В области длин волн 250-1200 А использовался спектрограф нормального падения с дифракционной решеткой 1200 штр/мм радиусом 6.65 м. Решетка была покрыта тонким слоем золота, а ее штрихи были нарезаны под углом 1.7 к поверхности подложки для получения угла блеска, соответствующего длине волны 450 А. В результате, удалось существенно повысить эффективность спектрографа в коротковолновой области спектра ( 250-500 А). Обратная линейная дисперсия спектрографа почти не меняется с длиной волны излучения и составляет около 1.25 А/мм. Спектры обычно регистрировались при ширине входной щели 0.01 мм, что соответствовало аппаратному разрешению 0.0125 А и разрешающей способности спектрографа 20000-80000 в области длин волн, соответственно, 250-1000 А. Спектры фотографировались на пластинках Kodak SWR или SC-5. На данном спектрографе были зарегистрированы спектры палладие-подобных ионов Sb VI — I VIII, возбуждаемые в искровых разрядах, спектры ионов ксенона в капиллярном разряде и спектры палладие-подобных ионов Cs X - Nd XV, возбуждаемые в лазерной плазме (см. Главы 2,3).

В дальней ВУФ области спектра использовался 3-м спектрограф скользящего падения ДФС-26. Спектрограф был снабжен голографической дифракционной решеткой 3600 штр/мм с золотым покрытием. Угол падения излучения на решетку составляет 85, рабочая область спектрографа 70-350 А. Обратная линейная дисперсия варьируется от 0.20 до 0.4 АУмм в области длин волн 100-300 А. Ширина входной щели обычно составляла 0.005 мм, что соответствует аппаратной разрешающей способности спектрографа 20000-70000 (спектральное разрешение 0.005 А во всей спектральной области). Спектры фотографировались на пластинках Kodak SWR или И ford Q2. При использовании спектрографа ДФС-26 были получены исследуемые в данной работе спектры 4d ионов индия и олова (Глава 5), а также спектры резонансных переходов в палладие-подобных ионах (Глава 2).

Для регистрации некоторых спектров ионов йода, ксенона и цезия также использовались ВУФ спектрографы высокого разрешения, установленные в других лабораториях. В частности, 10,7-м спектрограф нормального падения с дифракционной решеткой 3600 штр/мм в Парижской обсерватории (Медон, Франция) применялся для фотографирования спектров йода и цезия. Он обладает уникальной дисперсией в ВУФ области спектра, 0.26 А/мм, обеспечивающей разрешающую способность порядка 200000-400000 в области 500-1000 А при ширине входной щели 0.01мм, и обычно используется для регистрации молекулярных спектров. В наших экспериментах с целью повышения эффективности регистрации ширина щели увеличивалась до 0.02 мм. что обеспечивало ширину аппаратной функции 0.005 А.

Анализ переходов между возбужденными конфигурациями в спектрах Pd-подобных ионов

Как отмечалось в начале главы, спектры Pd-подобных ионов вплоть до Sn V исследованы достаточно детально [1,94,95,99,100,105]. В спектрах Sb VI и Те VII были изучены переходы 4d95s - 4d95p - 4d95d и найдены энергии конфигураций 4d95s, 4d95p и 4d95d [95-97]. В последующих спектрах I VIII, Хе IX и Cs X были исследованы только конфигурации 4d95s и 4d95p [101-103], причем результаты анализа этих конфигураций в спектрах Хе IX и Cs X не совсем надежны и требуют уточнений и дополнений. Более того, ни в одном Pd-подобном ионе (кроме Pd I и Ag И) не были установлены энергии очень важного уровня 4d95d So - верхнего уровня лазерного перехода. Анализ спектров Pd-подобных ионов проводился строго вдоль изоэлектронной последовательности. Сначала были исследованы спектры Sb VI, Те VII IVIII, возбуждаемые в вакуумных искрах (НВИ, МВИ), для которых уже имелись более или менее проверенные спектроскопические результаты. Анализ спектров Sb VI - I VIII позволил приступить к исследованию спектров более многозарядных Pd-подобных ионов. Однако, в плазме МВИ не удалось возбудить достаточно интенсивные переходы между высоколежащими конфигурациями в спектрах VIII и более тяжелых ионов. Резонансные линии в спектрах Pd-подобных ионов, обладающие гораздо большими вероятностями переходов, наблюдались в плазме МВИ вплоть до спектра Се XIII при регистрации на 3-м спектрографе скользящего падения ИСАН. При исследованиях же спектров переходов между возбужденными состояниями (переходы типа 5-5) в многозарядных ионах использовались более горячие источники плазмы. Спектры ионов ксенона возбуждались в быстром капиллярном разряде с максимальным током до 80 кА, а спектры более тяжелых ионов возбуждались в лазерной плазме. Эти источники подробно описаны в 1.1 данной диссертации. Все эти спектры регистрировались на 6.65-м спектрографе нормального падения в лаборатории ИСАН.

В качестве примера на Рис. 2.4 изображен участок спектра лазерной плазмы ионов церия в области 315-350 А. Видно, что помимо линий в палладие-подобном спектре Се XIII в спектре присутствуют и линии более низких кратностей ионизации, в частности, линии Ag- и Cd-подобных спектров Се XII и Се XI. Используемый спектрограф нормального падения почти стигматичен в данной области спектра, поэтому зарегистрированые спектры обладают пространственным разрешением по направлению разлета лазерной плазмы. Известно, что лазерная плазма пространственно неоднородна, ее электронная температура резко уменьшается при разлете плазмы от мишени (см., например, [119]). Поэтому линии ионов меньших кратностей излучают в большем объеме плазме, и по длине линии можно судить о ее принадлежности к определенной к определенной кратности ионизации. Линии Pd-подобного Се XIII излучают, в основном, в пределах существования интенсивного континуума ( 0.5 мм от поверхности мишени), тогда как наиболее интенсивные линии низкократных ионов излучаются и в области охлаждающейся лазерной плазмы (-1.0-1.5 мм). Вопросы селекции линий лазерной плазмы но кратностям ионизации более подробно изложены в следующей Главе.

Описание результатов проведенных анализов спектров многозарядных Pd-подобных ионов разбито на параграфы по мере продвижения к более высоким кратностям ионизации. Данное разбиение обусловлено различными методиками возбуждения и регистрации спектров, а также несколько отличающимися наборами исследованных конфигураций в разных ионах.

Исследование спектров Pd-подобных ионов было начато с детального анализа спектров Sb VI -1VIII. Спектроскопические данные, полученные в ходе этого анализа, создали надежный базис для исследования спектров более тяжелых Pd-подобных ионов. Спектры ионов сурьмы, теллура и йода регистрировались в области 400-1000 А на 6.65-м спектрографе нормального падения ИСАН. Для возбуждения спектров использовались скользящая искра (СИ), низковольтная вакуумная искра (НВИ) и малоиндуктивная вакуумная искра (МВИ) при варьировании пикового тока разряда в пределах I = 2 - 30 кА (см. 1.1). Предварительный анализ полученных спектрограмм показал, что линии Pd-подобных ионов Sb VI, Те VII и IVIII имеют максимальные относительные интенсивности в спектрах горячей плазмы при I = 20-30 кА, значительно ослабляются при 1=10 кА и исчезают при меньших токах. С другой стороны, известные линии спектров Ag- и Cd-подобных ионов, также присутствующие в исследуемых спектральных интервалах, имеют максимальные относительные интенсивности при 1=10 кА, а наиболее сильные из них присутствуют в спектрах скользящей искры. Спектр I VIII кроме того был зарегистрирован на 10-м спектрографе нормального Парижской обсерватории (Медон, Франция), оснащенном решеткой 3600 штр/мм. Источником в данном случае служила высоковольтная вакуумная искра (ВИ) с воздушным разрядником (см. 1.1).

Одной из основных задач при анализе спектров Pd-подобных ионов была идентификация "лазерного" перехода 4d5p1P1 - 4d95d!So и определение энергий верхнего состояния этого перехода. Трудность состоит в том, что уровень 4d 5d JS0 является самым высоковозбужденным в данной конфигурации, и его энергия сильно зависит от величины параметра обменного кулоновского взаимодействия G(4d,5d). Этот параметр, в свою очередь, очень слабо зависит от энергий остальных уровней конфигурации, поэтому даже при полностью известной энергетической структуре остальной конфигурации 4d95d для данного иона невозможно точно предсказать энергию уровня S0. Единственной возможностью решения этой проблемы является привлечение изоэлектронных данных. Аналогичная проблема, возникшая при анализе спектров Ni-подобных ионов, была решена экстраполяцией величин параметра G(3d,4d) с известных спектров Ga IV, Ge V [11] на более тяжелые ионы [40,41]. В Pd-подобных ионах энергия уровня 4d95d lSo была известна лишь в спекграх Pdl, Ag II [1].

Анализ спектров многозарядных Cd-подобных ионов

Спектры Cd-подобных ионов (основная конфигурация 4d105s2) детально изучены вплоть до I VI (см. [1,135-137]). Спектр Хе VII также интенсивно исследовался с применением различных источников возбуждения, в результате чего в нем были классифицированы переходы между наиболее низколежащими конфигурациями 5s - 5s5p - (5р +5s5d-r5s6s) и определены соответствующие энергии уровней [138-140]. Первый систематический анализ многозарядных Cd-подобных ионов был проведен В.Кауфманом и Дж.Шугаром, идентифицировавших переходы 5з2 - (5s5p+5s6p), 5s5p - (5p2+5s5d+5s6s) в Cs VIII - LaX и, частично, в Се XI - РгХП [141]. Ими также были классифицировано несколько переходов 4d105s2 - 4d95s25p,4f в Хе VII - LaX, резонансные переходы 5s2 % - 5s5p Р; в Nd XIII, Sm XV и Eu XVI и наиболее сильные переходы 4f5s-5s5d в Се XI, Рг ХШ, Sm XV и Ей XVI. Классификация переходов 5s5p-5p позже была подтверждена в работе [142], а в работе [143] были дополнительно идентифицированы переходы (5p2+5s5d) - 5p5d в спектре XeVII. Однако вскоре были проведены дополнительные анализы спектров Cs VIII [144] и LaX [145], выявившие ошибки в результатах исследований конфигурации 5s5d. Кроме того, в этих работах были определены энергии синглетных уровней SQ конфигураций 5р2 и 5s6s, а также впервые в последовательности Cdl классифицированы переходы 4f5s - 4s5p. В работе [130] была исправлена энергия уровня 5s5d х\ г и впервые определены энергии уровней 5pz !So, 5s6s So и 4f5s 1,3F3 в спектре Хе VII.

В данной диссертационной работе был проведен независимый анализ спектров от Хе VTI до Nd XIII. В расчеты включались четные конфигурации 5s2, 5р2, 4г2, 5s5d, 5s6s, 4f5p, 5s5g, 4d95s25s, 4d95s25d и нечетные конфигурации 5s5p, 4f5s, 5p5d, 4f5d, 5s6p, 5s5f, 5p6s, 4d95s25p, 4d95s24f. Позже, при анализе спектров Рг XII и Nd ХШ, были дополнительно включены нечетные конфигурации 4f5g и 4ds4f3. В расчетах уже известных конфигураций использовались полуэмпирические параметры, полученные при средне-квадратичном фиттинге измеренных энергий. Энергетические параметры конфигураций, содержащих 4f электроны, масштабировались с учетом результатов исследований конфигураций 4f5s и 4f5p в спектрах Cs VIII [144] и La X [145]. Степени изученности спектров Хе VII - Nd ХШ существенно различались, поэтому результаты анализа изложены отдельно для каждого Cd-подобного иона. Спектр Cs VIII был детально изучен в работе [144], новых данных по этому спектру в данной работе получить не удалось.

Как уже отмечалось, спектр XeVII исследовался в работах [130,138-143], в которых были изучены возбужденные конфигурации 5s5p, 5р , 5s5d, 5s6s и 1 1 5p5d, а также определены энергии отдельных уровней конфигураций 4f5s F3, 5s6p (J=l), 4d 5s 5p (J=l) и 4d95s24f (J=l). Однако, энергии некоторых уровней были измерены по спектрам низкого разрешения [130] и требовали дальнейшего уточнения, а корректность анализа конфигурации 5p5d, проведенного а работе [143], вызывала сомнения. Кроме того, в спектре Хе VII оставался неизученным целый ряд высоковозбужденных конфигураций.

Спектры Хе VII возбуждались в вакуумной искре (ВИ) и в быстром капиллярном разряде (БКР) и фотографировались на 3-м спектрографе нормального падения в лаборатории Университета Св.Ф.Ксавьера (Канада) и на 6.65-м спектрографе нормального падения ИСАН (см. Таблицу 1). Результаты идентификации спектра Хе VII приведены в Таблице 3.7. Параметры приведенных линий соответствуют спектру капиллярного разряда, в котором переходы XeVII более интенсивны, спектр ВИ использовались лишь для селекции линий по кратностям ионизации. В этой и нижеследующих таблицах даны интенсивности, длины волн и волновые числа линий, а также величины gA переходов (g-статистический вес верхнего уровня, А-коэффициент Эйнштейна) и отклонения волновых чисел линий от значений, вычисленных по принципу Ритца (Av или ДА.). Полученные данные согласуются с результатами анализов, выполненных в работах [130,141]. В ходе данного анализа был идентифицирован ряд новых линий, подтверждающих эти результаты. Энергия уровня 5р So, 272646 см , была предварительно установлена в работе [130] по линии 772.9 А перехода 5s5p Р; -5р2 SQ. Однако в спектре МВИ на этой длине волны находится линия NIII, которая очень слаба в спектре БКР. Поэтому идентификация [130] была отвергнута, взамен была найдена пара линий переходов 5з5р Рі- 5р2 So (769.534 А) и 5s5p3P, - 5р2 S0 (578.850 А), дающая энергию уровня искомого уровня 273208 см 1. Также была изменена энергия уровня 4f5sJF3, измеренная в [130] по одной слабой линии. Вновь измеренные энергии уровней гораздо лучше согласуется с экстраполяцией вдоль изоэлектронной последовательности.

Спектры ионов ксенона в дальней ВУФ области

Как отмечалось в предыдущих параграфах, в дальней ВУФ области спектров ионов ксенона лежат переходы типа 4dm - (4dm"l5p+4dm"l4f+4p54dm+l) в спектрах Хе IX - Хе XVIII (т=10-1). Энергетические структуры первых возбужденных конфигураций в ионах Хе X, Хе XI и Хе XII схематически представлены на Рис. 4.5. Взаимодействующие конфигурации 4dm_14f и 4p54dm+1 обозначены как единые комплексы, поскольку большинство состояний этих конфигураций сильно перемешаны друг с другом в спектрах 4d ионов ксенона. Энергетическая структура этого комплекса конфигураций состоит из двух групп уровней ( 4.1), причем наиболее интенсивные переходы с состояний верхней группы сосредоточены в узком интервале длин волн 107-115 А для всех ионов ксенона от Хе X до Хе XVIIL Переходы с уровней нижней группы (заштрихованные области) гораздо слабее и практически не проявляются в зарегистрированных спектрах. Переходы 4dm-4dm 5р монотонно сдвигаются в коротковолновую область с ростом заряда иона и, начиная со спектра Хе XIII, блендируются более интенсивными переходами 4dm - (4dra"14f+4p54d"1+1). На Рис. 4.5 также обозначены спектральные интервалы переходов с обсуждаемых конфигураций и выделена область энергий возбуждения, соответствующая переходам в области 130-140 А. Видно, что лишь переходы 4ds-4d75p в спектре Хе XI лежат в данной области.

Детального исследования изображенных на Рис. 4.5 переходов не проводилось, за исключением переходов 4d9 - 4ds5p в спектре Хе X [168] и идентификации нескольких переходов с высоковозбужденных состояний в спектрах Хе VIII [92] и Хе IX [143,144]. Наблюдаемый пик излучения в области 130-140 А был предварительно приписан переходам 4ds -4d75p в спектре Хе XI [58], однако спектры в данной работе были зарегистрированы с низким разрешением, и точность измерения длин волн линий была слишком низкой (0.4 А), что делало невозможным детальные исследования спектров соответствующих ионов. В связи с этим был проведен анализ спектров ионов ксенона в дальней ВУФ области, зарегистрированных с использованием ВУФ спектрографов высокого разрешения.

Спектры ионов ксенона возбуждались в разряде МВИ, инициируемом импульсным напуском ксенона в межэлектродный промежуток (см. 1.1). Спектры регистрировались на 10-м спектрографе скользящего падения НИСТ (Гайзерсбург, Мериленд, США) в области длин волн 100-200 А (см. 1.1). Для регистрации спектров использовались фотопластинки Kodak SWR, для получения нормальных почернений в линиях требовалось порядка 200 импульсов разряда. Длины волн линий измерялись по линиям ионов ТІ, сцектры которых накладывался на спектры ксенона, стандартное отклонение длин волн титановых линий ±0.003 А. Оцениваемая ошибка измерений абсолютных длин волн в спектре ксенона около ±0.005 А. Относительные интенсивности спектральных линий измерялись по плотностям почернений в центрах линий с учетом кривой отклика фотоэмульсии. Наиболее сильной линии в спектре присваивалась интенсивность 1000.

На рис. 4.6 изображены общие виды спектров ионов Хе в области длин волн 100-155 А, зарегистрированные в разряде МВИ с газовым напуском при напряжениях разряда 5 и 8 кВ. Разрешение на данных спектрах искусственно загрублено с целью выявления их основных особенностей. На верхнем более горячем спектре отчетливо видны максимумы в областях длин волн 106-111 А, 120-128 А, 132-138 А и 145-155 А. Согласно предварительной идентификации [58], первый наиболее интенсивный максимум содержит полностью или частично перекрывающиеся переходы типа 4dm - (4dm" 4f+4p54dm+I) в спектрах Хе XII -Хе XVIII. На длинноволновом крыле этого максимума видны отдельные сильных линий в интервалах длин волн 111-113 А и 115-117 А, принадлежащие аналогичным переходам в спектрах ХеХІ и Хе X (см. Рис. 4.5). Остальные максимумы образованы переходами 4d7 - 4d65p в спектре Хе XII (120-128 А), переходами 4d8 - 4d75p в спектре Хе XI (130-140 А) и переходами 4d9 - 4dB5p в ХеХ (145-155 А), Переходы 4dffl - 4dm_,5p в спектрах ХеХШ и XeXIV попадают в диапазон длин волн 106-117 А, где расположены гораздо более сильные переходы типа 4d-4f и 4p-4d в спектрах Хе X - Хе XVIII. На рисунке отмечена сильная линия перехода 4d10 LS0 - 4d94f Р] в Хе IX (см. Главу 2). Помимо этой линии классифицирована, как уже отмечалось, лишь группа линий, принадлежащая переходам 4d9 — 4ds5p в Хе X [168]. Следует отметить, что при напряжении разряда 3 кВ в спектре присутствуют лишь переходы Хе X, переходы в спектре Хе XI и в спектрах более высоких кратностей появляются при напряжении 5 кВ (нижний спектр на Рис. 4.6). Данный факт были использован для селекции классифицируемых линий переходов 4dm -(4p54dm+I+4dm"4f) по стадиям ионизации.

Похожие диссертации на Спектроскопия многозарядных ионов с заполняющейся 4d оболочкой

Исследование процессов возбуждения электронным ударом замкнутых оболочек атомов лития, натрия, магния и бария методом ультромягкой рентгеновской спектроскопииЖменяк, Юрий Викентиевич

Рентгеновская и ВУФ спектроскопия многозарядных ионов в лабораторной плазмеШевелько, Александр Петрович

Численные аспекты применения метода наименьших квадратов в спектроскопии атомов и ионовЛогинов, Андрей Васильевич

Спектроскопия возбужденных состояний ионов переходных металлов и редкоземельных элементов в кристаллических материалах для твердотельных лазеровКулешов, Николай Васильевич

Спектроскопия парных центров в кристаллах двойных фторидов, активированных ионами гольмия и тулияПыталев Дмитрий Сергеевич

Спектроскопия и индуцированное излучение разупорядоченных кристаллов, активированных ионами Yb^3+ Шукшин Владимир Евгеньевич

Фурье-спектроскопия высокого разрешения в исследовании кристаллов с редкоземельными ионамиПопова, Марина Николаевна

Спектроскопия и индуцированное излучение оксидных кристаллов с разупорядоченной структурой, активированных ионами Nd3+ и Tm3+Попов Александр Владимирович

Ае/Ве звезды Хербига : Спектроскопия высокого разрешения и структурно-кинематические особенности оболочекПогодин Михаил Александрович

Модификация структуры гидратной оболочки полипептидов апротонными органическими растворителями: исследование методами ИК-спектроскопии и квантово-химических расчетовМакшакова, Ольга Николаевна