Исследование динамических и кинематических особенностей электронного возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов в пересекающихся пучках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. МЕТАСТАШЛБНЫЕ. СОСТОЯНИЯ АТОМОВ И МЕТОДЫ. ИХ.

ИССЛЕДОВАНИЕ.II

2.1. Экспериментальные методы исследования метаста- . бйльных состояний атомов.

2.1.1. Метод анализа; электронов по энергиям.

2.1.2. Метсцз^непосредственнога, детектирования. метастабильных: частиц . . . ♦.Г

2.1.3. Другие методы: исследования метастабильных . частиц.

2.2. Результаты экспериментальных исследований возбуждения метастабильных.уровней атомов инертных. . газов

2.2.1. Атом гелия.

2.2.2. Атомы Afe, Ar t Кг

3. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕЩПЩА ИЗМЕРЕНИЙ.

3.1. Экспериментальная установка для исследования возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов электронным ударом.

3.1.1. Газодинамический источник.

3.1.2. Источник моноэнергетических электронов.

3.1.3. Система детектирования метастабильных. атомов

3.2. Измерительно - вычислительный комплекс.

3.2.1. Система регистрации дифференциальныхсечений.55'

3.2.2. Времяпролетное устройство и система регистрации распределений по скоростям метастабильных атомов.

3.8. Методика измерений.

3.3.1. Оптимизация экспериментальной установки

3.3.2. Методика измерений дифференциальных; . сечений возбуждения.

3.3.3. Методика: измерений энергетических зависимостей дифференциальных: и полных се-. чений возбуждения

3.3.4. Определение эффективных сечений возбуж-. дения

3.3.5. Методика измерений скоростных: распреде-. лений метастабильных атомов

4 . РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА.

4.1. Контрольные опыты.

4.1.1. Оценка пространственных параметров эксперимента

4.1.2. Анализ влияния немонокинетичности. взаимодействующих пучков

4.1.3. Возбуждение метастабильных уровней молекул U2 и Аг.

4.1.4. Калибровка энергетической шкалы:.

4.1.5. Чистота рабочих газов.

4.2. Возбуждение метастабильных уровней атомов.

Ие , А/е , Air , Kir и Хе.

4.2.1. Дифференциальные сечения возбуждения

4.2.2. Энергетические зависимости дифференциальных сечений возбуждения

4.2.3. Полные сечения возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов электронным ударом.

5. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

5.1. Системы отсчета и связь между ними Стр.

5.2. Атом гелия.

5.2.1. Дифференциальные сечения возбуждения.

5.2.2. Энергетические зависимости дифференциальных сечений .

5.2.3. 0 роли дополнительных каналов заселения. метастабильных уровней атома гелия.

5.3. Атомы неона, аргона, криптона и ксенона.

5.3.1. Дифференциальные сечения возбуждения п£>[2>/2]21 ns' [-t/2j0 - уровней атомов. неона, аргона криптона и ксенона

5.3.2. Энергетические зависимости дифферента альных: сечений

5.4. Распределения по скоростям пучков метаета- . . . . . бильных атомов Ue, A/ef Air t Kv и Хе.

Актуальность настоящей темы диктуется необходимостью получения данных по сечениям возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов, выяснения рож кинематических эффектов в поведении сечений процесса и определения вклада состояний отрицательных, ионов в изучаемый процесс. Выбор объектов исследования основывалея на анализе потребности практических отраслей науки и техники. Подобные данные требуются при расчете и получении новых лазерных сред, различных плазменных устройств, при моделировании условий планетных атмосфер.

В данной работе разработана новая методика; изучения возбуждения метастабильных атомов инертных газов электронным ударом с использованием сверхзвуковых атомных пучков, генерируемых газодинамическим источником [28 ] . Отличительной чертой предложенной методики является анализ процесса; возбуждения по поведению не налетающей, а рассеянной частицы /метастабильного атома/. Предложенная методика позволяет осуществлять комплексное; исследование энергетических, пространственных и временных зависимостей возбуждения метастабильных уровней электронным ударом. Впервые измерены дифференциальные сечения, возбуждения исследуемых уровней атомов гелия, неона, аргона, криптона и ксенона по углу рассеяния метастабильных атомов, даны анализ и обсуждение динамических и кинематических особенностей сечений. Впервые обнаружено влияние: анизотропии рассеяния метастабильных атомов на поведение особенностей, классифицируемых как резонансные. Впервые определены абсолютные полные сечения возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов в широком диапазоне энергий электронов. По данным распределений по скоростям метастабильных атомов исследованы закономерности передачи импульса при электронном возбуждении.

На защиту выносятся следующие положения:

- методика комплексного исследования динамических и кинематических особенностей образования метастабильных атомов Не, А/е , Аг, Кг и Хе при столкновении с моноэнергетическими электронами низ1 ких энергий.

- методика измерения полных сечений возбуждения метастабильных уровней.

- результаты измерения дифференциальных сечений возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов электронным ударом.

- экспериментальные данные по исследованию энергетических зависимостей сечений возбуждения, метастабильных атомов Не , Л/е , 4г , Кг и Хе .

- результаты определения полных абсолютных сечений возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов.

- данные по скоростным распределениям метастабильных атомов.

Основное содержание настоящей диссертационной работы докладывалось на УП Всесоюзной конференции, по физике электронных и атомных столкновений /Петрозаводск, 1978 г./, П и Ш Всесоюзных семинарах по актуальным вопросам физики электронных столкновений /Ужгород, 1980, 1983 гг./, УГ Всесоюзной конференции по динамике разреженных газов /Новосибирск, 1979 г./, Ж и ЫУ Всесоюзных конференциях ИТФ 00 АК СССР /Новосибирск, 1980,1981 гг./, Ж Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений /Ленинград, 1981 г./, Ж Международном симпозиуме по динамике разреженного газа /Новосибирск, 1982 г./, Ж Международной конференции по физике электронных и атомных столкновений /Зап.Берлин, 1983 г./ и опубликовано в следующих работах:

1. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский , Б.В.Шкоба. Исследование угловых распределений метастабильных атомов аргона при электронном ударе. - Тезисы докладов УП ВКЭАС, ч.1, ПетрозаводскД978, с.45.

2. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский, О.Б.Шпеник. Рёзонансы при электронном возбуждении метастабильных уровней молекул. - Письма,в ЖЭТФ, 1980, т.31, Ж, с.14-17.

3. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский. Экспериментальное исследование образования метастабильных атомов и молекул при электронном ударе. - В сб.: Метастабильные состояния атомов и молекул и методы их исследования. Чебоксары, Изд.Чуваш. ун-та. 1980, с.70-92.

4. А.В.Снегурский. Применение газодинамического источника молекулярных пучков для исследования резонансных эффектов при электронном возбуждении метастабильных состояний атомов и молекул.

В сб.: Физическая гидродинамика и тепловые процессы. Новосибирск, 1980, с.127 -135.

5. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский, О.Б.Шпеник. Возбуждение метастабильных состояний атома гелия электронным ударом. - Тезисы докладов Ш ВКЭАС, Ленинград, 1981, с.188.

6. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский, О.Б.Шпеник, Н.Н.Куцина. Возбуждение метастабильных состояний атомов инертных газов электронным ударом в припороговой области энергий. - ЖЭТФ, 1981, т.81,

Jtè3/9/, с.842 - 850.

7. Ф.Ф.Напп, Е.Э.Контрош, Н.И.Романюк, А.В.Снегурский, А.Н.Завилопуло . Измерение времяпролетного спектра сверхзвукового пучка с помощью многоканального анализатора импульсов АН -128 - 2. - ПТЭ ,

1982, 114, C.I7S-I78.

8. А.Н.Завилопуло, А.В.Снегурский, О.Б.Шпеник. Способ определения газового состава. Авт.свидетельство tè 913802 от.16.07.80.

9. Фабрикант Й.И.,Шпеник О.Б.,Завилопуло А.Н. ,Снегурский A.B. Особенности возбуждения метастабильных состояний атома Не электронным ударом. - Опт.и спектр., 1983, т.55, в.4, с.625-637.

O.O.B,Shpenilc,A.ÎT.Zavilopulo,A.V.Snegursky,I.I.Fabricant. Excitation of metastable levels of noble gas atoms by electron impact in intersecting beams.- XIII Int.Conf.PEAC., Abstr. Berlin,

1983, p.747.

2. МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ АТОМОВ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

Метастабильными состояниями атомов /молекул, ионов/ принято называть широкий класс возбужденных состояний, распад которых с испусканием фотона невозможен из - за. запрета.дипольного излучате-льного перехода в основное /или более низколежащее / состояние [29]. Как правило, метастабильными являются наиболее низкие возбужденные уровни, время жизни которых относительно излучательного перехода обычно превышает Ю""3 с. При этом времена жизни наиболее долгожи-вущих частиц / 1-1 ¿>-)/г)» 0(40) , РТгй/<а)/ оказываются существенно большими и могут достигать /например, в случае вежчин порядка 10® с [зо] .

Первые эксперименты по исследованию возбуждения метастабиль-ных уровней простейших атомарных объектов относятся к 30 - м годам [31]. С тех пор экспериментальные исследования в этом направлении ведутся весьма интенсивно. К настоящему времени метастабильные состояния обнаружены у большинства элементов и их соединений /см. табл.2 Л/. Однако, в столь широком спектре возбужденных образований особо следует выделить метастабильные состояния атомов инертных газов и, в особенности, атома гелия. Это обусловлено рядом причин. Во-первых, метастабильные атомы инертных газоы являются наиболее "энергетпчными", поскольку энергия их возбуждения лежит, в области 8-20 эВ / а у Не(245я)- выше 20 эВ/. Во-вторых, они характеризуются большими временами жизни /см.табл.2.1/, и, следовательно, обладают способностью длительно аккумужровать запасенную

- 12

Табл.2.1. Характеристики некоторых метастабильных частиц.

Атом Состояние Энергия возбуж- Время жизни, Литера-

Молекула дения, эВ с тура

Ж 2г5 4/г 10,20 2,4 • 10 "" 3 [71

Не 19,82 2,5-10 8 [29]

Ее 20,62 38 -Ю""3 [29]

Ne 33Р2 16,62 24,4 [32]

Ne 16,71 430 [32]

Ar 43Е2 11,55 55,9 [32]

Дг 43Е0 11,72 44,9 [32]

Кг 53р2 9,915 85,1 [32]

Кг 10,56 48 ,8 • Ю"2 [32]

Хе &3р2 8,315 149,5 [32]

Хе 63PQ 9,447 78 • 10 " 3 [32]

N 2,38 1,4 • 10 5 [29]

Л/ 2 [H 2,39 6,1 • 10 4 [29]

0 AD 1,97 140 [29,33]

G 4,19 0,8 [29] а 3,15 1,8 • КГ4- [29]

Не 63Р2 5,43 Г,0 [зо]

H* 6% 4,64 1,0 [эо] с-5 Пи 11,86 1,0 Ï30]

A4 a sz; 6,22 2,0 [29]

A4 о'Пя 8,54 1,7-ИГ4 [7]

О'Лq . 0 ,98 3,0-10 3 *29 ] со СРП 6,01 I 'зо] энергию, что обуславливает их значительную роль в процессах, проистекающих в плазменных образованиях естественного и искусственного происхождения /планетные ионосферы, звездные облака и т.п./ [34] . ВТ, наконец, в-третьих, инертные газы получают все более широкое; применение в различных прикладных задачах, в частности, в' качестве рабочих и буферных газов в лазерных: средах. Столкновения с участием метастабильных атомов инертных, газов играют важную роль в. механизмах, передачи энергии и заселении лазерных уровней [35] .

Атомы инертных газов являются удобным объектом для теоретических расчетов и. проверки различных теоретических моделей и гипотез, что очень важно для распространения определенных: теоретических взглядов и идей на более сложные соединения типа эксимер-ных. Особое место принадлежит атому гелия, для которого накоплен достаточно обширный теоретический и опытный материал, а вследствие простоты строения которого возможным является наиболее успешное и полное сопоставление расчетных и экспериментальных данных. Такое сравнение является очень важным в плане дальнейшего развития как экспериментальных, так и теоретических методов исследований.

Метастабильные атомы являются специфичными и с точки зрения извлечения информации о процессах, приводящих к их возникновению. Поскольку распад метастабильных уровней в излучательном канала крайне маловероятен: [зх] , а, зачастую и невозможен, то атомы в подобных состояниях оказываются /наряду с метастабильными молекулами/ практически единственными среди широкого класса возбужденных частиц, подсчет количества которых возможен путем их непосредственной регистрации, без применения каких-либо косвенных методов.

В целом, методы изучения метастабильных атомов можно разделить на две основные группы [Зб] - оптические и электрические.

Оптические методы используют явление поглощения излучения определенной длины волны атомом, находящимся в метастабильном состоянии. При этом возможно измерение либо ослабления излучения,соответствующего переходу атома в более высоколежащее состояние [37], либо излучения, испускаемого высоколежащим уровнем, заселенным вследствие оптической накачки с метастабильного уровня [38] .

Более широким классом экспериментальных методов являются электрические, основывающиеся либо на непосредственной регистрации метастабильной частицы, либо на измерении тока частиц, приводящих к образованию метастабилей, или возникших вследствие разрушения метастабильной частицы каким-либо внешним возмущением.

Рассмотрим основные методы исследования частиц в метастабильных состояниях, учитывая приведенную выше их классификацию.

6. ЗЛКЛЮЧ. Е.НИЕ

В ходе выполнения данной диссертационной работы получены новые сведения о механизмах, приводящих к образованию атомов в метастабильных состояниях, получены качественно новые сведения о сечениях электронного возбуждения метастабильных уровней атомов инертных газов.