Измерение сечений ионизации свинца, индия и галлия электронным ударом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

Введение.

ГЛАВА I Анализ основных методов измерения сечений полной, одно- и многократной ионизации атомов металлов электронным ударом.

§ I Методы измерения сечений полной ионизации атомов электронным ударом

§ 2 Методы измерения сечений одно- и многократной ионизации атомов электронным ударом.

§ 3 Основные результаты измерения сечений ионизации атомов металлов.

ГЛАВА П Метод и установка измерения сечений полной, - одно- и многократной ионизации атомов металлов электронным ударом.

§ I Метод измерения сечений полной, одно-и многократной ионизации атомов металлов.

§ 2 Установка для измерения сечений полной, одно- и многократной ионизации атомов металлов.

§ 2.1 Описание установки.

§ 2.2 Источник электронов, камера ионизации и коллектор электронов.

§ 2.3 Источник нейтральных атомов

§ 2.4 Измерение полного тока ионизации.

§ 2.5 Регистрация ионов различной кратности ионизации.

§ 2.6 Использование метода кварцевых микровесов для измерения потока атомов в пучках.

§ 2.7 Измерение средней концентрации атомов в пучке методом атомной абсорбции

§ 2.8 Нормировка Функций одно-, двух- и трехкра тнойл ионизации по Функции полной ионизации.

§ 2.9 Электрическая схема установки

§ 2.10 Система автоматизации эксперимента

§ 2.11 Метод выявления систематических погрешностей при измерении с|унк-ций ионизации.

ГЛАВА Ш Измерение сечений полной, одно-, двух-и трехкратной ионизации свинца, индия и галжя.

§ I Процедура измерения и расчет суммарной погрешности эксперимента.

§ 2 Обсуждение результатов эксперимента и сравнение их с теоретическими расчетами.

Выводы по диссертации.172'.

При исследовании неравновесной плазмы, расчет параметров которой при помощи термодинамических соотношений невозможен, становится необходимнм использование сечений различных элементарных процессов взаимодействия частиц в плазме и, в частности, процесса ионизации, определяющего генерацию носителей тока. Сечения ионизации определяют течение основных элементарных процессов во многих практически важных устройствах, таких как магнито-гидродинамические генераторы, раз/ личные газонаполненные и электровакуумные приборы, оптические квантовые генераторы, разрядники и др.

В последнее время данные по ионизации атомов электронами находят применение для исследования процессов в верхних слоях атмосферы и при изучении космического пространства. Информация по сечениям одно- и многократной ионизации имеет существенное значение для количественного масс-спектрометри-ческого анализа,- Разработка различных методов корпускулярной диагностики разреженной плазмы, источников ионов, способов детектирования молекулярных пучков и решения других важных задач современной экспериментальной физики требуют знания надежно определенных значений сечений ионизации.

Всем этим обусловлен большой интерес, проявляемый в настоящее время к теоретическому и экспериментальному исследованию процесса ионизации атомов электронным ударом.

Поведение сечения ионизации в зависимости от энергии электронов для простых атомов довольно хорошо описывается соотношениями, полученными с помощью квантовомеханических расчетов в приближении Борна и его модификаций при энергиях от нескольких сот электронвольт и выше» При энергиях электронов, лежащих в диапазоне от потенциала однократной ионизации до 200 * 300 эВ, надежных и универсальных методов расчета вечений ионизации не существует и единственным источником надежных данных является эксперимент.

Однако, разрабатываете в настоящее время экспериментальные методы исследования ионизации атомов предназначены, в основном, для исследования сечении полной ионизации. Поэтому надежные экспериментальные данные по сечениям одно-и многократной ионизации получены только для некоторых газов и металлов I и 2 групп. Полностью отсутствуют данные по сечениям одно- и многократной ионизации атомов Ш группы, таких как А& , 1п 9Са. , Т£ , несмотря на то, что эти металлы широко используются в полупроводниковой и вакуумной технике. Экспериментальное изучение полной, одно- и многократной ионизации атомов Ш группы электронами также необходимо для проверки теоретических предположений о механизмах ионизации атомов.

Цель данной работы состояла в разработке методики измерения сечений полной, одно- и многократной ионизации атомов металлов и измерений сечений полной, одно-, двух- и трехкратной ионизации атомов свинца, индия и галлия. Выполнение работы потребовало решения следующих задач:

I. Создания экспериментальной установки для измерения сечений полной, одно- и многократной ионизации атомов метал' лов электронным ударом, состоящей из: а) высокостабильного источника атомного пучка с блоком модуляции, обеспечивающего в области ионизации концентрацию атомов в пучке Ю^-Ю^ат.см""3; б) электронной пушки с фокусировкой пучка в однородном магнитном поле; в) блока ускорения, фокусировки и отклонения пучка ионов, предшествующего квадрупольному фильтру масс; г) электронной системы разделения по времени процессов ионизации атомов в пучке и вытягивания ионов из области ионизации; д) прибора для измерения полного тока ионов с коллектора при потенциале до 500 В относительно земли; ж) устройства для измерения потока атомов в пучке методом кварцевого вибратора и концентрации атомов в пучке методом атомной абсорбции; з) системы автоматизации процесса измерений сечений ионизации на базе микро-ЭВМ.

2, Разработки и применения метода выявления системати-' ческих погрешностей при измерении функциональных зависимостей.

3. Измерения абсолютной величины сечений полной, одно-, двух- и трехкратной ионизации свинца, индия и галлия в диапазоне энергий от порога до 200 эВ, а также анализа применимости различных теоретических оценок сечений ионизации в указанном диапазоне энергий к атомам третьей группы путем сравнения экспериментально определяемого сечения ионизации с рассчетным на основе приближения Борна и квазиклассических моделей.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработана методика и создана автоматизированная установка для измерения сечений полной, однократной и многократной ионизации атомов металлов электронным ударом.

2. Измерены сечения полной, одно- двух- и трехкратной ионизации атшов ввинца':в -диапазоне энергий от порога однократной ионизации до 200 эВ с суммарной погрешностью измерений, 12$, 13$, 17$ и.24$. Результаты измерений ,в пределах погрешности измерений совпадают с данными работы С.И.Павлова и Г.И.Стоц-кого / I /. »

3. Измерены сечения полной ионизации 1л и Са. в диапазоне энергий от 200 эВ с погрешностью 3$ для функций ионизации и 17$ для абсолютных значений сечений. Максимальные значения сечений полной ионизации в пределах измерений совпадают с результатами работы Л.Л.Шиомна и др. / 3 /, однако имеются существенные расхождения в форме кривых, которые превосходят точность измерения функций полной ионизации.

4. Впервые измерены сечения одно-, двух- и трехкратной ионизации индия и галлия, максимальные значения которых достигаются для индия при 31, 98 и 170 эВ и составляют 7.54*1.31,

1.89 ¿0.48 и 0.75 ± 0.21 Ю~16 см2 , а для галлия -при 30, 128 и 200 эВ составляют 6.02 +Л.05, 0.95 1 0.24 и 0.60 + 0.17 ТО"16 см2 соответственно.

1..K.T.C«mpton, С.С.Van Voehris. Probability of ionisati»» of gas molecules by electron impact.- Phys. Rev., 1925, v. 26, pp.436*452.

2. T.J.Jones. Probability of ionisation of mercury vapor by electron impact.- Phys.Rev., 1927, v. 29, pp. 822-829.

3. P.Smith. The ionisation of gelium, neon and argon by elect* ron impact.-Phys.Rev.,1930,v.36,pp.1293-1302.

4. P.T.Smith.The ionisation of mercury vapor by electron im;~y pact.-Phys.Rev.,1931,v.37,pp.808-814.

5. J.T.Tate,P.T.Smith.The efficiencies of ionisation and ionisation and ionisation potentials of various gases under electron impact.-Phys.Rev.,1931,v.39,pp.270-277.

6. W.Bleakney.A new method of positive ray analysis and its application to the mesurement of ionisation potentials,-Phys.Rev.,1929,v.34,pp.157-160.

7. W.Bleakney.The ionisation of hydrogen by single electron impact.-Phys.Rev.,1930,v.35,pp,1180-1186.

8. W.Bleakney.Ionisation potentials and probabilities for the formation of multiply charged ions in helium neon and argon #-Phys.Rev.,1930,v.36,pp.1303-1308.

9. W.Bleacney,L.G.Smith.The ionisation probabilityes of He.-Phys.Rev.,1936,v.49,p.1955.

10. H.Heil,B.Scott.Phys.Rev.,1966,v.145,p.279.

11. K.J.Nygaard.J.Chem.Phys.,1968,v.49,p.1955.

12. Ю.П.Корчевой,А.М.Пржонский.Эффективные сечения возбуждения и ионизации атомов цезия,рубидия и калия электронным ударом в припороговой области.-ЖЭТФ,1966,т.51,сс.1617-1621.

13. А.H.Несмеянов.Давление пара химических элементов.-Изд. АН СССР,196I,с.178.

14. Л.И.Хавкин.О погрешности компрессионного манометра, создаваемой существованием в нем ртутного пара.-ПТЭ,1964, №5,с.165-167.

15. H.D.Smith,A new method for studying ionising potentials.-Proc.Roy.Soc.,1922,v.A102,pp.283-293.

16. A.Hippel.Ionisierung durch Electronenstos.-Ann.d.Phys., 1928, v.87,pp. Ю35-Ю87.

17. R.W.Ditchburn,F.L,Arnot,The ionisation potentials of cesium vapor.-Proc.Roy.Soc.,1929,v.A123,p.516-536,

18. H,Funk,Ann.der.Phys,,1930,v.396,N4,p.149.

19. G.O.Brink.Absolute ionisation cross sections of the alkali metals.-Phys.Rev.,1964,v.34,pp,A345-346,

20. R.H.McFarland,J.D.Kinney.Absolute cross sections of lithium and other alkali metal atoms.-Phys.Rev.,1965,v.137,pp.A1058-1061.

21. R.H.McFarland,Phys.Rev.,1967,p.20.

22. W.L.Fite,R.T.Brackmann.Collisions of electrons with hydrogen atoms.-Phys.Rev.,1958,v,112,pp.1141-1150.

23. W.L.Fite,R.T,Brackmann.Ionisation of atomic oxygen by elect ron impact.-Phys,Rev.,1959,v.113,pp.815-816,

24. E,W.Rothe,L.L.Marino,R.H.Neynaber,S.M.Trujillo.Electron impact ionisation of atomic nitrogen.-Phys.Rev.,1962,v,127, pp.1647-1649,

25. G.O .Brink. Ionisation of alkali atoms electron impact.-Phys.Rev.,1962,v.127,PP,1204-1206.26. a.С.H.Smith,E.Capllinger,R.H.Neynaber,E.W.Rothe,S.M.Tru-jillo.Electron impact ionisation of atomic oxygen.-Phys. Rev.,1962,v.127,pp.1204-1206.

26. А.П.Любимов,С.И.Павлов,В.И.Раховский,H.Г.Зайцева.Метод измерения эффективных сечений ионизации атомов металлов при электронном ударе.-Изв.АН СССР:сер. физ.,1963,т.27,№8, cc.I060-I064.

27. Г.М.Бейлина,С.И.Павлов,В.И.Раховский и др.-Журн.Прикл. Мех. и Теор. Физ.о,Т9§5,№2.

28. В.И.Раховский, A.M.Степанов.-ТВТ,1969,т.77,Р6,с.1071.

29. Л.А.Вайнштейн, В.И.Очкур, В.И.Раховский, А.М.Степанов.-Абсолютные значения сечений ионизации магния, кальция, стронция и бария.-ЖЭТФ,1971,т.61,сс.511-519.

30. Л.Л.Шимон, Э.И.Непийлов, И.П.Запесочный.Экспериментальное изучение эффективных сечений полной ионизации атомов алюминия, галлия, индия и таллия электронным ударом.-ЖТФ, 1975,т.45,сс.688-689.

31. В.Г.Некрашевич,В.И.Раховский,В.М.Шустряков.Метрология, 1978,№7,с.62.

32. В.Г.Некрашевич,В.И.Раховский,В.М.Шустряков.Метрология, 1980,№3,с.54.

33. В.И.Раховский,С.И.Павлов.Способ определения коэффициента ионизации паров металлов.Авт. свид. №146092.-Бюллетень изобретений, 1962, №7.

34. L.J •Kieffer,G.H.Dunn.Electron impact ionisation cross section data for atoms, atomic ions and molecules: I. Experimental data.-Phys. Rev.,1966,v.38,pp.1-35.

35. С.К.Crawford,К.I.Wang.Electron impact ionisation cross sections for silver.-J.Chem.Phys.,1967,v.47,pp.4667-4669.

36. С.К.Crawford.AFML-TR-67-376,Air force materials lab, Wright-Patterson AFB,Dayton,Ohio,1967.

37. M.Knudsen.Die Verdichtung von Mettall dampfen an abgekühlten Korpern. -Ann. d. Phys.,1916,v.50,pp.472-478.

38. И.П.Запесочный,И.С.Алексахин.Ионизация атомов щелочных металлов медленными электронами.-ЖЭТФ,т.55,сс.76-85.

39. С.И.Павлов,В.И.Раховский,Г.М.Федорова.Измерение сечений ионизации электронным ударом веществ с низкой упругостью пара.-ЖЭТФ,1967,т.52,сс.21-28.

40. S.Gahudra,G.D.Scott.J«Phys,,1958,v.36,p.1148.

41. В.В.Канцель,С.И.Павлов,В.И.Раховский.Метод определения коэффициента конденсации паров металлов.-ЖТФ,1968,т.38, сс.751-756.

42. J,M.Schroerer,D.Gunduz,S.Livingston.Electron impact ionisation cross sections of Cu and Au between 40 and 250eV, and the velosity of evaporated atoms.-J.Chem.Phys.,1973, v.58,pp.5135-5140.

43. R.Jalin,R.Hagemann,R.Botter.Absolute impact ionisation cross sections of Li in the energy range from 100 to 2000eV J.Chem.Phys.,1973,v.59,pp.5135-5140.

44. А.И.Акишин,В.С.Зазулин.Контроль толщины пленок,получаемых в вакууме,кварцевым резонатором.-ПТЭ,1963,№1,сс.152-155.

45. R.E.Imhof,F.H.Read.Measurement of lifetimes of atoms, molecules and ions.-Reports on progress in physics.-1977, v.40,111,pp.1-104.

46. W.Bleakney.Probabilities and critical potentials for the formation of multiply charged ions in Hg vapor by electron impact.-Phys.Rev.,1930,v.35,pp.139-148.

47. W.Bleakney.Phys.Rev.,1932,v.40,p.496.

48. В.В.Канцель,С.И.Павлов,В.И.Раховский.-ЖГФ,1968,с.751.

49. J.T.Tate,P.T.Smith.Ionisation potentials and probabilities for the formation of multiply charged ions in the alkali vapors and in krypton and xenon .-Phys.Rfev.,1934,v.46,pp.773-776.

50. J.C.Halle,H.H.Lo,W.L.Fite.Ionisation of uranium atoms by electron impact.-Phys.Rev.A,1981,v.23,pp.1708-1716.

51. С.И.Павлов,Г.И.Стоцкий.Однократная и многократная ионизация электронами атомов свинца.-ЖЭТФ,1970,т.58,сс.108-ПЗ.

52. Y.Kaneko,I.Kanomato.Single and double ionisation of Caby electron impact.-J.Phys.Soc.Jap.,1963,v.18,pp.1822-1825.

53. S.Okudaira,Y.Kaneko,I.Kanomata.Multiple ionisation of Ar and Mg by electron impact.-J.Phys.Soc.Jap.,1970,v.28, pp.1536-1541.

54. Y.Kaneko.Single and double ionisation of Na,K,Mg by electron impact.-J.Phys.Soc.Jap.,1961,v.16,pp.2288-2293.

55. K.Stephan,H.Helm,T.D.Mark.Mass spectrometric determination of partial electron impact ionisation cross sections of He, Ne, Ar, Kr from threshold up to 180eV.-J.Chem.Phys., 1980,v.73,N8,pp.3763-3778.

56. J .M.Dettman.F.Karstensen.Absolute ionisation funktions for electron impact with barium.-J,Phys.B.,1982,v.15, pp.287-300.

57. V.Piacente,L.Malaspina,G.Bardi.Mass spectrometric determination of relative electron impact cross sections for some metal atoms.-High Temp. Sci.,1973,v.5,pp.395-402.

58. С.И.Павлов,Измерение функций ионизации атомов металлов электронным ударом.-Дис. . канд. физ.-мат. наук.-Москва,1970.

59. А.М.Степанов.Экспериментальное исследование абсолютных значений сечений ионизации атомов металлов.-Дисс. . канд.физ.-мат.наук,Москва,1970.

60. В.Г.Некрашевич.Измерение эффективного сечения ионизации молибдена электронным ударом.-Дисс. . канд. физ.-мат. наук.-Москва,1980.

61. M.R.C.McDowell.Case stydies in atomic collisions physics, 1969,n,p.249.

62. Y.Kaneko,I.Kanomata.Single and double ionisations of Caby electro» impact.-J.Phys.Soc.Jap.,1963,v.18,pp.1822-1825.

63. K.J.Nygaard,Y.B.Hahn.Total electron impact ionisation cross sections in rubidium from threshold to 250 eV,-J.Chem.Phys.,1973,v.58,pp.3493-3499.

64. Y.Okuno.Ionisation cross sections q£ CabàûduBa^'by'ieifectcim1 impact.-J.Phys.Soc.Jap.,1971,v.31,pp.1189-1195.

65. Y.Kaneko,I.Kanomata.Single and double ionisation of Na,K and Mg by electron impact,J.Phys.Soc.Jap.,1963,v.18,pp.1822-1825.

66. Y.Kaneko.Single and double ionisation of Na,KandMg by electron impact.-J.Phys.Soc.Jap.,1961,v.16,pp.2288-2293.

67. S.Okudaira.Multiple ionisation of Ca, Sr, Ba by electron impact.-J.Phys.Soc.Jap.,1970,v.29,pp.409-415.

68. S.Okudaira,Y.Kaneko,I.Kanomata.Multiple ionisation of Ar, and Mg by electron impact.-J.Phys.Soc.Jap.,1970,v.28,pp.1536-1541.

69. F.Karstensen,M.Shneider.Absolute cross sections for single and double ionisation of Mg atoms by electron impact.

70. J.Phys.B,1978,v.11,pp.167-172.

71. J.M.Dettman,F.Karstensen.Absolute ionisation funktions for electron impact with barium.-J.Phys.B.,1982,v.15, pp.287-300.

72. L.W.Liska.Phys.Rev.,1934,v.46,p.169.

73. H.Harrison,The experimental determination of ionisation cross sections of gases under electron impact.-Thesis (The catholic university of america press,Inc.»Washington,D.C., 1956)

74. Я4. JI.JI.Шимон,Э.И.Непийлов,И.П.Запесочный.Экспериментальное измерение эффективных сечений полной ионизации Ai,in,Ga,Tl электронным ударом.-ШТФ,1975,т.45,сс.688-689.

75. Н.Рамзей.Молекулярные пучки.-Изд. ин. лит.»Москва,I960.

76. К.Ф.Смит.Молекулярные пучки.-ГИФМА,1959.

77. И.Эстерман.Техника молекулярных пучков.-УФН,1947,т.32,с.89.

78. В.Б.Леонас.Современное состояние и некоторые новые результаты метода молекулярного пучка.-УФН,1964,т.82,с.287.

79. Д.Г.Головач,В.И.Раховский,В.М.Шусряков.Высоковольтный скоростной пикоамперметр.-Измерительная техника,1984,№5,с.45.

80. Г.С.Лине,Х.Кухук.Современная вакуумная техника.-Изд. ин. лит.,Москва,1963.

81. И.К.Кикоин.Таблицы физических величин.Справочник.-Москва,Атомиздат,1976,с .419.

82. E.J.McGuire.Scaled electron ionisation cross sections in the Born approximation for atoms with 55-Z-102.-Phys.Rev.A,1979,v.20,pp.445-446.

83. C.E.Moore.Atomic energy levels.-Natl.Bur.Stds. ,@US)Circ. N467/USGP0,Washington DC,1957,vol.3.

84. M.A.Браун,В.И.Очкур.Неупругое рассеяние электронов на атомах в квазиклассическом приближении.Изд. ЛГУ, Ленинград,1980, сс.101-120.

85. A.Burgess,I.С.Percival.Classical theory of atomic scattering. -Advances in atomic and molecular physics,1968,v.4, p.109.

86. W.Lotz.Electron binding energies in free atoms.-J.Opt.Soc.A., 1970,v.60,p.206-210.A