Изучение упругого и неупругого взаимодействия атомов и молекул методом рассеяния быстрых пучков на малые углы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБ ИГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

-ДУБРОВНИКИ* ДМИТРИЯ ЮРЬЕВИЧ

ИЗУЧЕНИЕ УПРУГОГО И НЕУПРУГОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ МЕТОДОМ РАССЕЯНИЯ БЫСТРЫХ ПУЧКОВ НА МАЛЫЕ УГЛЫ

01.04.08 - физика и хмиия плазки

Авторе^рат диссертнцнн на соискание ученой стспени кандидата физико-математических нз/к

ии «=Г

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЯ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

!'осква-1997

Работа выполнена в лаборатории физической кинетики Hnrrnryia проблем механики Российской академии наук.

Научный руководи 1ель:

кандидат фш-мат. наук А.П. Калинин:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук II.Д. Родионов' кандидат физики-матемшнчески.ч на>к В.Д. Беля с и;

Ведущая организация -

Институт космических исследований РАН.

Защит состоится " 2é " 1УУ? ¡ода, в У/

па заседании диссертационного conexa ¡C.063 9I06 но мшите диссертаций на соискание ученой степени кандидата фншко-мап магических наук при Московском филп-о-ичьическс.м И1(С11!ту:е по адресу: 141700, г. Долншрулпын Московской oú.i ¡ciii. Институтски. переулок, ;ьы 9.

С диссертацией можно ошакомигься к Гж'Ъиинске Московского фтико-технического инеппуы.

Автореферат paюсл ч А'с Я S/tSj ¡497 г

Ученый секретарь диссертационного совета* кандидат фит-мат. наук '^¿А-в----В.Е.'Ьрапш

общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие современной науки и техники требует знания спойств различных газовых смесей, в том числе и для экстремальных условий, таких как высокие температуры, сильное сжатие, сильное нарушение термодинамического равновесия. Поскольку проведение измерений свойств вещества н таких условиях весьма сложно, а зачастую просто невозможно, то единств!, иным реальнымподходом к решению этой задачи является расчет свойств на основе элементарных, процессов взаимодействия атомных 4.11т иц, происходящих в данных условиях. Физические характеристики этих процессов (такие, например, как потенциал взаимодействия), в принципе, могут быть найдены с помощью квантопомеханических расчетов. Однако точный расчет возможен только для системы Н-1 [, а в остальных случаях требуются различные упрощающие предположения, влияние которых на достоверность конечного результата не всегда известно. Поэтому часто иегшпь !ую| эмпирические константы, основанные на изучении (ффекпт рассеяния атомных частиц.

Настоящая работа посвящена исследованию

высокоэнергегнческого рассеяния, т.е. рассеяния быстрых (г •энергией ~ 1 кэВ) пучков частиц на малые (10М0:раа) >1:11,1. Актуальность работы обусловлена тем, что доспи ну гая но».¡ожиость прямого пшеренич двойных дифференциальных сечений, с одной сюроны, значительно расширяет вошожносщ экспериментальною исследования )иеменмрны\ акт» при сто.п човенин точных части (и члетпеш, пртнтш эчем ронно! о и кочеба1е'1ЫЮ| о возбуждении), с др\ I ни ,кс стороны сущее тетю ш'погмс! пропе,ч\ру оиреде ленпа >чп ¡игичкич по тншачон мс.кч.нч .441101 о и !аимо;к'йс1 пня. нред1ча» шошнх (¡пн.ымниа.'и.нын шперее.

Целью данной радом,I яичястся развито меюла рапеянн ■ омстрых пучков, '.л о предполагало ечндаине установки и'., непосредственного измерешп двойных диффер.чпимльных ссч'чшн (по узлу н энергии) при рассеянии быстрых молекулярных пучков па малые углы, ра ¡рабо гку чаперпмент;гп мин метлики и программною обеспечения и проведение тмеренни диоптр, дифферешшальиык сечений рассеяния для сип ем. содерж. пцп\ дву.ча томные мозс к \ лы.

Научная повита работы заключается в следующем:

Создана уникальная установка, позволяющая измерять двойные дифференциальные сечения (по углу и энергии) при рассеянии быстрых молекулярных пучков на малые углы.

Проведены измерения двойных дифференциальных сечении рассеянии для систем He-N:, Не-СО, lle-Н; и He-Ch.

На основании полученных дифференциальных сечении рассеяния и спектров потерь энергии проведена идентификация первого неупругого инка на спектрах потерь энергии и определены переходы, дающие вклад в лог неупругий пик, и их соответствующие сечения.

Обнаружено, что для системы Ые-N; вклад переходов на раншчные возбужденные состояния молекулы N: для первого неупругого пика на спектре потерь энергии не меняется с изменснием угла рассеяния, в то время как для изоэлекфонной системы Пе-СО аналогичный вклад переходов меняется и зависимости от угла рассеяния.

I фактическая ценность__работы: Созданная установка

пошолила проводить одновременные измерения дифференциальных сечений по >тлу и энергии при рассеянии быстрых молекулярных пучков на м..лые утлы. СЧиданне подобной установки имеет значительную практнческ>ю ценность в связи с шпможностмо экспериментальною определения потенциалов межмолекуляртло ыапмоденствня и элементарных фишчески.х и химических кончат.

Анробацни работы: Материалы диссертации опубликованы в 3 печатных работах и докладывались на XXXIX юбилейной научной конференции МФ1П (Ло.п омр>лнмй, ноябрь 1996). на семинарах в llnciyiyie проблем Mexai ikii РАН и на семинаре в Пнеппуте космических исследований РАН.

Обы'м II структура диссертации. Диссертация состот из введения, 4 глав, >аключешш и списка лшер.пурм. включающею 70 наименовании. Работа (пложена на 119 страницах, включая 39 рисунков.

Y

содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы работы, формулируется ее цель, научная новизна н практическая ценность, приводится аннотация содержания диссертации по главам.

В Главе_1 рассматриваются особенности метода быстрых

молекулярных пучков, анализируются ■ достоинства к недостатки

этого метода.__К достоинствам метода -можно отнесш

относительную простоту получения монокинетических ионных и нейтральных пучков, возможность пренебречь скоростью частиц мишени и изменением их внутреннего состояния в процессе соударения при интерпретации результатов измерении, относительную легкость регистрации частиц быстрого пучка, умеренные требования к вакуумным условиям при работе с быстрыми пучками и возможность применения метода в большом диапазоне энергий взаимодействия частиц. Как недостатки можно отметить необходимость работать при достаточно малых углах рассеяния и ограничения применимости метода, связанные с очень большими относительными скоростями сталкивающихся частиц.

Также в главе рассматриваются некоторые теоретические основы анализа упругого рассеяния быстрых пучков. Особое внимание уделено анализу неупругих столкновений на быстрых пучках времяпролетным способом, поскольку именно пот способ реализуется в работе.

Глава_2 содержит подробное описание созданном

экспериментальной установки. Ii ней рассмотрены как конпруьппя отдельных узлов установки, 1ак и их работа. Г1осьочьк\ сои.нше * ново!! уолнонкп было бы невозможным бе» специальною коорчштно-'|\не!нин'типпо деикюра (КЧД) к нсшымоианнх ЭПМ I i i wip.m H'iin:i ikiTicpiiMciuoM, то особое внимание \детепо ycipoiici bv К'ЧД и и oiepnн'лыю-управляюшсго комплекса.

Па рис 1. приведена блок-схема установки. Установка состоит in следующих составляющих часчеп: секции масс-спектроме1ра /. секции модуляции //, перезарядки III и рассеяния /Г, преммпролсшой секции Г и, наконец, секции длекзора 17.

Macc-cneKipoML'ip используется для счлдапия непрерывном! монокпнетическом) пучка ионов заданной массы и шергпп. Попы образую!С!1 ионизацией электронным ударом в тазовом источнике

8

□:

: □ CDg:

9

•rT.yi

Стоп

г—1_Ст,1"

-1 12--------

-c¿]

''Гм!

-[ nj---------Lltl"

И j-----: и i

Piic.l. Схема экспериментальной установки.

1- ионный источник. 2- магнитным ¡шалиштор масс, 3- фор». |рующие щели, 4- модулирующий конденсаюр, 5- камера персчарядки, 6- отклоняющие план шил, 7 - камера рассеяния, 8 - монитор пучка. 9- взаимно перпендикулярные пластины. 10- делекюр, II - генератор, 12- время-амплитудный преобразователь, 13 - аналого-цифровой преобраювалель. 1-1 - тарядочуиствительный усилшель, 15 - персональная ЭВМ.

ниш Пира 1, ускоряю i cu i селектирую кя но массам и магншшш поле анализатора 2. Энергия ионов регулируется к диапазоне от Ü.6 до 4 к >Н с помощью высоковолыного стабилизатора ВС-22.

Секция модуляции расположена на ньиоде масс-спектромефа и П|)едсташ1яе1 собой ciicier.iy peí улир\емых шелен 3, обеспечивающих необходимые icoMeipiciccKiie параметры пучка, н модулирующий конденсатор (МК) 4. Ионный щчок иод действием МК, на который от [еператора подаются импульсы прямоуюлыюй (|юрмы, сканирует по ошерстию камеры рассеяния (размеры других 01верстий существенно больше), при лом формнрукнея короткие, порядка нескольких наносекунд, пакеты поной.

В секции перезарядки ионный пучок в процессе реакции перезарядки превращается в пучок нейтральных частиц, ' а неперезарядившнеся ионы удаляются отклоняющим конденсатором 6. Камера перезарядка (КП) 5 может вводиться в пучок и выводиться из него с помощью микрометрического винта. Для перезарядки обычно используется резонансная или квазирезонансная перезарядка на газовой мишени.

Сформированный ионный пучок попадает в камеру рассеяния . (КР) 7, располагающуюся п секции рассеяния. Исследуем!,ni газ напускается в камеру рассеянир через дозирующий натекатель. Также реализована возможность напуска газа в объем секции рассеяния, что позволяет регистрировать и учитывать в дальнейшем "фоновое" рассеяние, то есть рассеяние на остаточном тазе вне камеры рассеяния. После камеры рассеяния находятся монитор пучка 8 на основе канального умножитстч ВЭУ-6 и пластины двух взаимно перпендикулярных конденсаторов 9, позволяющих осуществлять сканирование ионным пучком по детектору для определения его характеристик. Далее рассеянные и нерассеянпые частицы попадают во времяпролетную секцию длиной около 1,5 м, которая служит для увеличения разрешающей способное! и. измерения времени. После времяпролетной секции чаепщм попадают в камеру детектора. Суммарное расстояние, комрое преодолевают рассеянные и нерассеянные частицы, (времяпролс! пая база) составляет 2,06 м.

Для достижения необходимых вакуумных условии » успновке применялась дифференциальная откачка. Для откачки исполыовались турбомолекулярные и фориакуумпые насосы. Секции установки, требующие особых вакуумных усповий (секция модуляции и камера детектора) были сделаны ripoiр. лаемыми. Контроль вакуума и секциях осуществлялся иошпацпонными мапомсI рамп.

Пшерсние двойных дифференциальных сечений рассеяния бычо бы ненозможио без использования специально ра фабокшпш о коор шнашо-чувсгвшелыюго детекюра на основе сборки m ipe\ мнкроканальных пластин (МКГ!).

Конструкция КЧД состоит из двух основных упои. Умножит ельная чааь предепт.чяет собой сборку мнкроканальных п.тасшн. Перед входом нерпой пластины находится зкранируюныя сака. на кото])ую при необходимости может бьмь полай задерживающий или ускоряющий noieumiaa. Коллекторная член, включает в себя собственно коллектор, мекы шчеекую ес:к\ и

охранные кольца для создания однородного электростатическою поля между последней MKI1 и коллектором. Детектор укреплен на подвижной платформе на фланце вакуумной камеры и с помощью микрометрических винтов может перемещаться в двух направлениях в плоскости, перпендикулярной падающему молекулярному пучку.

В де1екторе был использован коллектор типа "клинья н полосы". Коллектор состоит из трех изолированных друг от друга проводящих элементов: клиньев IV, полос S и змейки Z между ними. Все клинья одинаковы, ширина полос изменяется линейно по координате )'. Если размер лавины, попадающей на коллектор, превосходит в несколько раз таг структуры коллектора, то относительные координаты ее "центра тяжести" можно определить по соотношениям:

= . Г--ÖL.

Qsum Qsum

Qsum = О»' + Q\ + <J:, где (?u, Qs. Q: - заряды, попадающие на клинья, полосы и змейку соответственно.

Для преобразования сигналов, принимаемых с детектора, накопления, хранения и обработки данных был создан н 1мерп1елыю-управляющий комплекс на основе модулей системы КАМАК и персональной ЭВМ.

Общий алгоритм обработки сигналов с детектора сосюял в следующем. При попадании частицы на детектор с него снималось одновременно четыре пинала: три с коллектора (обработка коюрых давала информацию о координатах пришедшей частицы) и один с сетки детектора, исполыуемый дчя определения времени прихода чаепшы. Сит налы с коллектора через зарядочувстшггельные усилители подавались на амплитудно-цифровые преобразован* ш (АЦП). Сигнал с icikii, усиленный быстрым усилителем, шел на блок формирователей стандартных сш налов, а опуда - на старт блока нреобра ниппеля время-амнлшуда (ПВА). Сигнал "стоп" был спнхронн шров.ш с генератором модулирующей системы. Сигнал с ИВА подавался на вход четвертого АЦ11. быстрый сигнал с формирователя шел также на счетчик сш налов, интепсиметр и па запик спнхронн iiipvioineio тенеразора, которым осуществлялась внешняя спнхронн ¡аипя всех четырех АЦП. Интепсиметр исполыовазся яля вшуалыюго кон (роля интенсивности детектируемого пучка.' Счетчик

опрашивался ЭВМ и, в случае прибавления на нем единицы, производилось считывание значении всех четырех Л ЦП. Полученные значения запоминались, а все АЦП приводились в исходное состояние. Таким образом, каждому событию соответствовал набор из четырех чисел, полностью описывающий координаты и время прихода данной частицы.

Для управления измерительным комплексом был написан пакет специальных программ на языке высокого уровня QUASK'. Этот пакет помимо основной программы управления установк'-'i по время эксперимента включал ряд вспомогательных программ для калибровки, настройки м контроля работы установки.

В Главе 3 подробно освещены методические особенности эксперимента, рассмотрены проблемы калибровки и опенки разрешающей способности установки. Также описана методика численной обработки экспериментальных данных.

Калибровка трактов измерительного комплекса преследовала две цели. Во-первых, определение области линейное in преобразования сигналов во всех трактах. Во-вторых, вычисление поправочных коэффициентов a(i) и h(i), которые, будучи шкчепм н программы, обеспечили бы идентичность преобразования зарядовых сигналов с каждо! о элемента коллектора в код:

ainp'(i) = íí(í) х amp(i) + h(¡) Границы линейности для каждого тракта тоже были введены в •погра:..му. Это позволяло при наборе событий проверять их на принадлежность к облает линейности трактов и oiópaiunan. нежс iельные события.

;;:!< как координат, вычисляемые из соот пошепн i ветчин заряда im различных 1лемеша\ коллектра. являю кя ветчинами отопи.' п.ними, ю необходима ич нрпвяжа к pe.i'iuiuMV MacHii.uiy. Кроме ют, поскольку »леметы коллектора пе чв иишгя одел п.ними, iipoiii ходи i определенная деформация двумерпоп к.ичним рассеяния, i >бе ни проблемы Moivr быть решены с помощью нолучснп'1 нюбрачеении от какою-либо обьекта и nu i i m ni формы. Лля создания тестовом) и юбрджеппл т'ред входом первой МКП детектора была установлена маска, пре/кч авляшпая in себя фольгу с сине]« шямп. (Jinepciipi располагались параллельными рядами, создавал прямоул о.льпую ceiKV, расстояния между узлами которой сос i ли. шло 5 мм. !!рн освещении источником части маска давала leiiei'oe п ¡oop,i/i.¡ mir

на поверхности первой МКП. Для этого деформированного изображения было найдено линейное преобразование, возвращающее изображение сеткик реальному виду: Л"= К, х(Л'-С, х У) Г = К, х (К - С, х Л') Данные линейные преобразования включают в себя как взаимную ортоганализацию X и У, так и приведение их в истинный масштаб.

Энергетическое разрешение определялось по полуширине пика упруго рассеянных частиц на ВП спектрах. Оно изменялось в пределах //: * (1,3 +2,8) х 10 ' в зависимости от настройки модулирующей системы, что хорошо согласуется с результаты теоретических оценок. Но ВП спектрам нерассёянных части оценивался разброс по энергиям в модулированном пучке. Он не превышает ,Ф'1П~5х\0' и определяется, в основном, разбросом, вносимым в пучок МК.

Пространственное разрешение рассчитывалось по изображениям от отдельных отверстий тестовой маски. Для ими определялся диаметр изображения отверстия и in неге вычитался диаметр самого отверстия (100 мкм). Разрешение составило около 300 мкм в центре детектора и до 450 мкм на краях, чю соо1ветствуег угловому разрешению \а * 0,15 + 0,22 мрад.

В процессе работы перед каждым измерением проводилась настройка ионного источника п модулирующей системы. Ионный источник сначала настраивался на максимум ионного тока, приходящего на цилиндр Фарадея, расположенный после МК. )io доепналось установлением оптимальною давления в источнике и юстировкой его ионной и электронной оптики. Окончательная н.ктроика источника проводилась по монитору в секции рассеяния после ¡перезарядки ион ото пучка. В камере перетарядки подчеркивалось давление, обеспечивающее максимальную перезарядку ионною пучка.

Качество настройки модулирующей системы проверялось но контрольным ВП спектрам нерасссяшшго пучка частиц При лом учитывалось эпертешческое ра ¡решение, интенсивность модулированного пучка и интенсивность фоновых нейтральных частиц, образующихся при неремрядке ионов пучка па остаточном газе до МК и создающих равномерную "подставку" па ВП спектрах. В отсутствии электромагнитных нолей такие центральные частицы движутся но той же траектории, что и иоииый пучок.

однако, подавая на одну из пластин МК небольшом потенциал (I г2 В) и искривляя таким обратм траекторию попов, уливаюсь практически полностью разделить траектории движения центра юн и ионов с тем, чтобы затем перекрыть поток напра льных часищ. передвигая коллимиругашие диафрагмы. Г)га пропс п ра потопы существенно подавить фон, вызванный нейтральными частицами.

При длительном накоплении картины рассеяния тниможеп дрейф положения пиков па ВП спектре, чго приводит пч эффективному уптиренито. а также пространственный дрейф пучка Учет них дрейфом обеспечивался соответствующем методикой и тмеренпй.

Измерения осуществлялись циклами, в каждом мт которых сначала в течение определенного промежутка времени (доскиочно малою, чтобы пренебречь дрейфом пучка), рет нетриронл.и л нерассеянный пучок, а затем, также достаточно непродолжительное время, рассеянный. Такая методика понюляет контролировать дрейф пиков но положению нерассеянного пучка п вшчип. необходимые поправки мри обработке репдьглтов. совметп.тя положение рассеянных и нерассеянныч пикон. (Иск* ры накапливались в виде четырех колонок данных. В первые три колонки относились координатные сш налы с члемешои коллектора, а в четвертую - временной сигнал. Таким образом, каждая строка полностью описывала положение и время прихода . отлельнои ■лстпцы на детектор. На основе зтпх данных рассчтыва Iл-Д1 -.фферлщиалытые сечения рассеяния и премяпролешыс спектры "

Дифференциальные сечения а{0,1-) онрелечнются ш тпмереппй угловых рлепралелешп! рассеянных части ют кино оиредегц нию дифференциального сечения:

ЦО)<п х 1;п(0,1-:) ■. Здесь /и • ин Iеи( I!н}п 1стI. перассслнно! о пучка, и - плотность кил мшиепн. / - дтипа камеры рассеяния. а ЛИ - телесный \то|. в т.отром регистрируются часшпы.

Гакпм образом, для получения днот'иплх дифферепппа тьпыч сечений необходимо определить 1(0) и ВИ спектр. Д т т их нахождения был написан ряд программ на я тыке ГшЬо Рим-л! 6 0.

Первым паном обработки является определение времени и места прихода частиц перассеяннот о пучка. ||рн пом д тл к.'.кд.ио файла нерассеянны.х частиц нодсчшынается сре нтсе

I I

арифметическое, которое определяет центр нерассеянно! о пучка, и дисперсия координат и времени прилета частиц. Центр пучка и дальнейшем определяет точку, относительно которой б уде г о1счшмна1ься радиус рассеяния частицы, а среднее шачение времени задает момент прихода нерассеянного пучка. Дисперсии соответственно определяют пространственную ширину нерассеянного пучка и разброс в нем частиц по энергиям.

Определение пространственных координат по значениям величин си1 налов с разных элементов коллектора происходи 1 следующим обраюм. Сперва в значение каждою сигнала вводная поправка, опряделяемая калибровкой усилительного тракта. Далее, согласно формулам для катода тина "клинья и полосы", вычисляются ошосительные координаты. Для приведения их в .реальный масштаб п компенсации деформаций, святанных с нендеадыюстью детектора, используются пр^обра юваинч. полученные в резулыате обработки двумерного изображения, полученного с помощью тестовой маски. Получившиеся таким образом значения пространственных координат затем исполыуются для счета моментов распределения. Момешы временною распределения считаются без дополнительной обрабо1ки.

Для учета дрейфа иарам<мров пучка значения моментов распределения считаются для каждого цикла итмеренпн отдельно И записываются в виде таблицы в файл, из которою впоследствии они \ioiyi быть вызваны в процессе дальненшей обработг

После того, как был сформирован файл момснюв. проводится ибрабо1ка непосредственно данных рассеяния частиц на ганжой мишени. Для каждою события первым делом определяются координат прихода частицы и проводная проверка, попадает ли час ним в зону линейности детектора. Для построения узловых р.ипр.лс леннй вся'поверхность детектора условно ратбивается на, ряд копнен 1рнчески\ колец с Петром в нет ре нерлсссянного пучка. 1! снят с тем, что место попадания нерассеянного пучка не совпадает с центром детектора, а смещено к ею краю (»10 было специально сделано ятя того, чюбы иметь возможность и плат к рассеяние на как можно большие утлы), ряд внешних колен обрежется краем детектора. Полому .для каждою кольца рассчитывается та доля ею площади, которая поил чает в область линейности детектора и. следовательно, вносит вклад в набор картины рассеяния. Отношение всей площади кольца к пой доли дает ко>ффшшснг, определяющий вклад частицы, попавшей в

данное кольцо, в общее распределение. При обработке события щ координат прилетевшей частицы определяется расстояние о! цен фа нерассеянного пучка и, таким обраюм, дащюе событие сопостовлястся тому или иному кольцу.

Весь спектр энергетических потерь также ра нтвипс» на каналы, цена канала АЕ при этом определяемся калибровкой премяпролешого тракта:

где L - длима пролетной ба)Ы, m - масса части пучка. /.' - их кинетическая энергия, А/ - иена временною канала, определяемая шкалой ПВЛ.

При обработке снача.ча строятся времяпролетные спектры для каждого отдельною кольца. То есть в cooniei ст вне каждому кольну сганится массив, »лементы которого определяются временем прихода частицы, и в зависимости от координат и времени прихода частицы пронммдгпся прнрашеншЭ соответствующею помета соответствующего массива.

В результате предварительною анали ta но ним времяпролетным спектрам определяются характерные шергегпческие днапаюны: область упругою рассеяния, об глин неупругого рассеяния, отвечающие рамичным пикам на времяпролетио'.! спектре, снетанпыч с иектроннымн переходами и нонигаппеи, и шумовые области.

Далее в соответствии с ним ратбиением строятся угловые зависимости интенсивности рассеяния (точнее крон (веления чис ы частиц, пришедших в данное копаю, на радиус ною ко или • именно на величина в постановке опг.па пропортиюпл пли приведенному дифференциальному сечению- /> ■-- <т ■ О ). )ш гаинспмости строятся язя всех диана юнотт \npyioio и неумрмою рассеяния, причем как для рассеянного, так и ,%чя порассеянною пучка. Последнее делается тля тю. чтобы учесть рассеянно на остаточном u.'te в секции рассеяния и каморе детектора. ,1 тя получения окоичак-льных ыписимостеи нрписдсниы х дифференциальных сечении проинюдигся ш.тчитание прпведеинот о дифференциально! о сечения хтя нерасссинно! о пучка (с коэффициентом, учитывающим р.нличие времен пакоп юння рассеянных и нерассеянтгых событий) ni приведенною дифференциальною сечения для рассеянною пучка Днадот ичная

I.Î

процедура проводи i ся и для получения окончательною времяироле!пого спектра.

При калибровке шкалы энергетических потерь неизбежно появляется некошрая неопределенность п определении цены канала, связанная с i ем. чю энергия частиц пучка швсстна нам лишь с некоторой тчностыо. Моному для повышения [ОЧНОСГИ времянролешых измерений необходимо было проводить соответствующую коррекции!. Основой для такой коррекции может послужить ИМ спектр, полученный для системы с трансе известной /iiepi neii ьтеюронных переходов. Для точной калибровки шкалы inepi ем нчеекпх iioiepi. была выбрана система Me-Ne, первый иеупр>1пй пик для ко юрой связан со столкновениями, сопровождающимися во збуждеппем Ne нч основного 2'Su уровня на 25Г'i (16,67 - 3s п 16.85 - .4s'). Эти два перехода и использовались для mío, чтобы о1каппброва1ь шкалу потерь энергии.

Проверка па других благородных газах (Лг, Кг, Хе) показала cooiBeiciiine положения наблюдаемых пиков на oí калиброванной но Ne эпсргешческой шкале с положением побужденных состояний рассмотренных благородных la iOB.

iUiuiBe^d! прсдсшвлспы результат измерений двойных шфференцнальных сечений взаимодействия дня систем lle-N';, lle-( i), 1 le-11: II Пе-О:.

Система lle-N: была выбрана для тестирования установки п.ному, чю для нее имелись результаты раздельною исследования дифференциальных сечений рассеяния и спектров нсупругих по i ерь inepi пи. Из литературы было известно, что на полном дифференциальном сечении рассеяния (полным называется сумма упруюго и неупругого дифференциального сечения) имеется выброс, который можно обьясмнть влиянием электронною пли колебательного возбуждения. Исследование спектров потерь шергип подтвердит) наличие электронного возбуждения молекул N':. Новая экспериментальная установка позволила одновременно тмерин. дифференциальные сечения рассеяния п спектры потерь жерпш во всем диапазоне углов рассеяния. В результате пого s.i.ijioei. пепоередензенно определить упрут ис и неупрутие сечения рассеяния. Особый интерес представляла возможность сравнения ынтем lle-N: и 11е-(.'(), поскольку они являются изоэлектронпы.чи .'и>\г дрхту Измерения проводились для пучков с эпергнен 2.5 юВ . ¡ T:i систем lle-N;, Не-11; и 1.5. 2.5 кэВ для He-СО, Пе-0_ и

углового диапазона 10 41.5/10: рал. что соответствует жерт ни взаимодействия порядка 1И0эВ.

На рис.2 представлено дифференциальное сечение рассеяния для системы Ue-N: в приведенных координатах p=o(li,ü)\0: и т = Ох Е , где а{Е,0) - диференпиальное сечение рассеяния. О - уюл рассеяния, /:- энергия пучка. Полное лифсрсннналыюе сечение рассеяния измерялось непосредственно коордипапю-чувствительным детектором, а вклад упругою и . неупруюю диференниальных сечений определялся из niMepennii спектров потерь энергии, (рпс.З: спектры :ыя различных угловых дианаюноп рассеяния для наглядности рашессны по верГпкали). Па спектре потерь знерпш пик / соответствуй! упрую рассеянным частицам. Пики II и III соответствуют рассеянию частиц, испытавших различные электронные переходы. По соотношению пиков / и //. /// были найдены упругие и неупругие днфсренцпальныс сечения. IIa полных диференниальных сечениях рассеяния для всех систем видна особенность радужною типа в районе приведенною утла т = 10 эВ'рад.. которая определяется двумя конкурирующими каналами - упрут нм и неупрулпм. В свою очередь неунруюс сечение свя тано с электронным возбуждением двухатомных молекул. I|дентпфнкання переходов можст 6i.il!. проведена путем сравнения спектра потерь энергии с диаграммой термов молекул (так как первые возбужденные состояния атомов Не лежат в районе I'' >1!, ю возбу ждение т елня, по-видимому, не bhochi существенною вклада в измеренную картнну спектров noiepi. шертин).

Интересно сравнит!.- форму пика II для р.пличных м юных диана шпон раесечпия На рис 4.5 представлен!.! нормированные в некоторой точке неупруше пики д !я ра (личных yi юных диана юнон д тн систем lle-N.- и Пе-СО при »терши пучка Не 2 5 kjB. Iii ср-пшеннч мих рисунков вилно, что форма пик.! // дли систем!.I lle-N: прак i нчески не меняется с утлом рассеяния в ю время как ятя системы Не СО форма инка // ре ¡ко меняется с изменением утла рассеяния. ' )ю связано с тем. что пик II для систем Не-\': и Не-СО определяется электронными переходами по крайней мере на два возбужденных состояния. Совпадение формы пика II яля системы Не-\: свидетельствует о юм. что вероятности переходов на ли • побужденные состояния не меняются с утлом расеяния, ют;ы как для систем!.! Не-СО такое тпмсненнс пронеходпт.

Г-НУ-.!. Приведенные дифференциальные сечения рассеяния для системы Не-N2 при энергии П = 2.5кэВ.

Число (лсчсгоь в канале 1.4 -

I г

1 .0 0.8 о е -

0 40 2 -о о -

-4 0

Не - N1

П = 2.5 ктВ

6.4 - I 4.У м рад 2.8 - (1.4 мрад 1.2- 2.8 мрад 0.3 - 1 2 м рад

///

-30

-20

—I---,--г--

-10 0 10

Но гсрп )||ер| и и, эВ

Рне^ (лн.ктры )Н. ]! 1 ешчеспих потерь для сиаемм 11е - N2 для энергии пучка Е = 2.5 кчВ.

Нормированное число отсчетов в каннле

1.0 -0.8

0.0 -

0 4 -

0.2 -0 0

8.5 - 14.') мр 11,1 4. У к.5 чp;i;( 2.Н- 4.9 м р ¡rl 0.9 - 2.« крал

-12

-11

-9

И о 1 сри Tiicpi ми, >М

Рнс.4. Heynpyniii пик //для системы lie - N; (Н = 2.5 пН| для различных угловых диапаншов рассеяния.

Нормированное число огсчств в канале

1 2 -

Пс-СО 13 - 2.5 кэВ

6.4 - 14.Ч «рад 4.9 - 6.4 чра.1 3 7 - 4.'» мр.|Д II V • 3.? чрн.1

-11

-12

-11

-in

■ 7 -ft

! кри "tncpi mi. ili

Рис,5, I leynpyniii пик II для системы 11е - СО (I: - 2.5 к i!i) для различных уиювых диапазонов рассеяния.

оо-

Пыла сделана попытка на основе спектров потерь энергии и дшнрамм термов молекул интерпретировать в рамках модели Франка-Кондона неупругий пик II как результат перехода из основного состояния на некоторые возбужденные состояния двухатомных молекул и определить вклад этих электронных состояний. Для проведения подобной интерпретации предполагалось, что каждому переходу на отдельный колебательный уровень соответствует функция Гаусса с центром, соответствующим положению этого перехода, и дисперсией, равной дисперсии упруго рассеянного пучка. Электронным переходам в этом случае будет отвечать сумма таких Гауссов, относительная-высота • которых друг относительно друга определяется коэффициентами Франка-Кондона. Варьируя высоты построенных таким образом функции для разных электронных переходов, можно добиться наилучшего согласования с экспериментальным распределением.

Для системы' He-N: в качестве возможных кандидатов на основе правил запрета были выбраны переходы на термы а'П^, а'Чи и w'/V На рис.6 показана подгонка рассчитываемых и экспериментальных спектров потерь неупругого пика II. Оказалось, что переход на герм а'1!,г полностью подавляется, и неупругий пик II хорошо описывается переходами на термы aTIg и w'Au. Вклад этих переходов определяется отношением площадей пиков, показанных па рис.6 и равен 1,1.

Для системы He-СО в качестве возможных кандидатов были выбраны переходы на термы Л1П, I'L- и D'A. Однако оказалось, что для численного описания неупругого пика II достаточно лишь два in них: либо ATI п 1'1/, либо ATI n-D'A. Подгон неупругого пика II при энергии 1.5 кэВ практически одинаков для этих двух наборов icp.MOB. Однако для .¡nepi ии пучка 2.5 кэВ система термов ATI и заметно хуже отвечает экспериментальным данным, чем Л'П и П'Д. Пыли найдены зависимости сечений переходов на гермы А!П и 01Л для системы 11е-СО от утла рассеяния. Эти сечения определялись как площади пиков Л'П и D'A, описывающих неупругпй ник И для ра пичпых yi ловых диапазонов.

Для системы Пе-П; рассматривались возможности переходов па следующие термы: B'Li4. CTI.,-. DTI,г н При численном

подгоне переход на В'Ч.Л ока ¡алея подавленным и. таким обраюм, форма пика II определялась переходами на три остальных iep.\ia.

Число отсчетов » канале 2000

Не - Ni Е = 2.5 к>□ • (1.6 - 14.9 мрап)

1500 -

D _ эксперимент _____подгон

1000

500 -

0 -

,— переход на * 'Д .— переход на а'П

•14

-12

-10

■8

-в

П о терн inrpi it )t. ili

РисЛъ Интерпретация пеупругого пика //для системы Не - N; как результат перехода на два возбужденных терма.

В случае рассеяния атомов гелия на О; интерпретация неупругого пика //• затруднена тем. что в исследуемой области спектра энергетических noiepb кроме одной» святайного возбужденного состояния (а именно, терма В'1„) присутствует целый ряд отталкивателытых термов, а следоваie;ti.iio методика подгона пика суммой гауссов в данном случае неприменима.

заключении сформулированы основные результаты раоон.1.

1. Создана уникальная установка, ионюлятошая тпмерягь двоимые дифференциальные сечения (по углу и жертни) при рассеянии быст])ых молекулярных пучков на малые утлы в практически авзоматнтированном режиме. Со)дание такой установки стало вотможным благодаря использованию координат но-чувствительного детектора, времяпролетной схемы итмереиии noiepi. энергии и* управления установкой с помощью персональной ЭВМ.

2. Разработана методика и програмное обеспечение измерении.

3. Проведенные для систем He-N>, He-СО, Не-Н: и Не-О: измерения двойных дифференциальных • сечений рассеяния

продемонстрировали хорошие возможности изучения переходов в жпколежашие электронные состояния.

4. Помученные дифференциальные сечения рассеяния и спектры погерь энертии позволили разделить упругие и неупругие сюлкповения части, идентифицировать первый неупругий пик на спектре потерь энергии и определить переходы (и сечения), дающие вклад в этот неупругий пик.

5. Обнаружено, что для системы He-Ny* вклад переходов на различные возбужденные состояния'молекулы N2 для неупругого пика U на спектре погерь энергии не меняется с изменением угла рассеяния, в то время как для нзоэлектронной системы Не-СО аналогичный вклад переходов меняется в зависимости от угла рассеяния.

Полученные результаты дают возможность уточнить решение задачи по интерпретации особенностей на дифференциальных сечениях и спектрах энергетических погерь.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю к.ф.-м.н. А.II.Калинину за постановку задачи, руководство и помощь при ее исполнении, а также к.ф.-м.н. В.Л.Морозову за переданные опыт и знания.

основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Дубровицкии Д.Ю., Калинин А.П., Морозов В.А.. Установка лая и (мерепня двойных дифференциальных сечений (по углу и чтергип) при рассеянии быстрых пучков на малые утлы, ПГЭ, 1996, No 2, с.90-93.

2. Дубровицкии Д.К)., Исследование двойных дифференциальных сечений (по углу и энер1 ии) при рассеянии быстрых молекулярных пучков, Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики. Тезисы XXXIX науч. копф. МФТИ, Вып. 3, с. 51 (1996).

3. . Дубровицкии Д.Ю., Калинин А.П., Mopojoii В.А., И ¡учение ynpuoio н иеупрутго взаимодействия атомов и молекул метолом рассеяния быстрых пучков на малые углы, препринт ППМ 1'АН. Nu 591 (1997). _____________________

Ротапринт МФТИ Гираж С-0 экз. Заказ No1/l?i