Разработка и исследование соударительного фотоионизационного метода анализа ультрафиолетового излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Обзор литературы и обоснование работы.II

§ I.I. Фотоэлектронная спектроскопия.II

§ 1.2. Фотоионизационная спектроскопия излучения.

§ 1.3. Энергоанализаторы электронов.

§ 1.4. Выводы.

ГЛАВА П. Анализ процессов, происходящих в соудари-тельном фотоионизационном спектрометре излучения и моделирование их на ЭВМ.

§ 2.1. Процессы, приводящие к уширению электронных линий в спектрометре.

§ 2.2. Оценка влияния пространственного заряда на положение и ширину электронной линии.

§ 2.3. Расчёт среднего изменения энергии элек-. трона и его дисперсии при упругом соударении с атомом.

§ 2.4. Изменение энергии электронов при упругих соударениях с атомами рабочего газа.

§ 2.5. Моделирование процесса диффузии электронов в камере спектрометра на ЭВМ.

§ 2.6. Выводы.

ГЛАВА Ш. Теория соударительного фотоионоизационного спектрометра излучения.

§ 3.1. Постановка задачи.

§ 3.2. Идеализированная вольт-амперная характеристика фотоионизационного спектрометра.

§ 3.3. Аппаратная функция фотоионизационного спектрометра.

§ 3.4. Уширение электронных линий при упругих соударениях с атомами рабочего газа при работе фотоионизационного спектрометра в линейном режиме.

§ 3.5. Уширение аппаратной функции фотоионизацион-нбго спектрометра, работающего в насыщенном режиме, при низких температырах рабочего газа.

§ 3.6. Уширение аппаратной функции фотоионизационного спектрометра вследствие теплового движения атомов рабочего газа.

§ 3.7. Вольт-амперная характеристика и аппаратная функция фотоионизационного спектрометра при низких давлениях рабочего газа.

§ 3.8. Выводы.III

ГЛАВА 1У. Аппаратура и экспериментальные результаты.

§ 4.1. Оценка условий наблюдения уширения электронных линий соударениями.

§ 4.2. Описание экспериментальной установки.

§ 4.3. Электронные зеркала с малыми потерями электронов. Насыщенный режим работы фотоионизационного спектрометра.

§ 4.4. Использование коллиматора электронов для анализа их по энергиям.

§ 4.5. Конструкция энергоанализатора и детектора электронов.

§ 4.6. Автоматизация и программное обеспечение эксперимента.

§ 4.7. Измерение давления рабочего газа в фотоионизационном спектрометре излучения.

§ 4.8. Измерение уширения электронных линий в фотоионизационном спектрометре при упругих соударениях с атомами рабочего газа.

§ 4.9. Измерение уширения электронных линий упругими соударениями с использованием неупругого рассеяния электронов.

§ 4.10.Измерение сечений упругого рассеяния электронов на атомах рабочего газа в фотоионизационном спектрометре излучения.

§ 4.II.Установка для измерения сечений рассеяния электронов на атомах. Экспериментальные результаты.

§ 4.12.Выводы.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ.

Настоящая диссертация посвящена исследованию метода фотоионизационной спектроскопии излучения. Суть метода состоит в том, что спектральный состав излучения определяют по кинетическим энергиям фотоэлектронов, образующихся при ионизации этим излучением атомов и молекул.

Фотоионизационная спектроскопия излучения - один из новых методов спектроскопии излучения. Он возник в результате развития фотоэлектронной спектроскопии - метода исследования вещества по энергетическим спектрам электронов, выбиваемых из вещества под воздействием электромагнитного излучения рентгеновского или УФ-диапазона, который в настоящее время стал мощным орудием исследования структуры молекул, физики поверхности, нашел ряд применений в аналитической химии.

В начале 60-х годов в Ленинградском университете Вилесо-вым Ф.И., Терениным А.Н., Курбатовым Б.А. было сделано открытие / 7 /, связанное с эмиссией фотоэлектронов с характеристическим спектром под воздействием вакуумного ультрафиолетового излучения из свободных атомов и молекул.

Таким образом, предложенный в 1975 году Вилесовым и др. / 16 / способ исследования оптических и рентгеновских спектров, названный впоследствии методом фотоионизационной спектроскопии излучения (ШСИ), явился естественным продолжением и развитием работ по фотоэлектронной спектроскопии.

В последующие годы метод ФСЙ успешно развивался в группе профессора Г.С.Кватера в Ленинградском университете / ZO-23 /. С помощью фотоионизационного спектрометра, установленного на метеорологической ракете MP-I были получены спектры Солнца в области вакуумного ультрафиолета / 24 /. Появился также ряд зарубежных работ, в которых сообщалось об использовании данного метода / 17,18 /.

ФСИ обладает целым рядом достоинств по сравнению с традиционными методами исследования излучения. Главные из них -возможность проведения абсолютных фотометрических измерений, а также отсутствие в спектрометрах подвижных механических частей и, следовательно, высокая надежность приборов, возможность безынерционной развертки спектра. Последнее особенно важно для космических приложений (например, патрулирования Солнца), так как аппаратура должна вцдерживать большие механические перегрузки.

Одним из существенных недостатков первых фотоионизационных спектрометров излучения была их низкая пороговая чувствительность, которая объяснялась противоречием между условиями, необходимыми для образования фотоэлектронов, и условиями, необходимыми для анализа их кинетических энергий. Действительно, для образования фотоэлектронов нужны атомы, причем, чем выше давление рабочего газа, тем эффективнее идет процесс фотоионизации. Напротив, для энергоанализа фотоэлектронов необходимо было отсутствие соударений с атомами, т.е. низкие давления рабочего газа.

Для устранения данного недостатка Мищенко Е.Д. с сотрудниками было предложено измерять энергию фотоэлектронов после того, как они претерпят несколько упругих соударений с атомами / 21 /, так как вследствие того, что масса атомов значительно больше массы электронов, энергия последних при упругих соударениях меняется незначительно. Это позволило на 1-2 порядка повысить давление рабочего газа и увеличить эффективность регистрации электронов, что значительно повысило чувствительность метода.

Новая модификация метода ФСИ получила название метода соударительной фотоионизационной спектроскопии излучения. Его разработке и изучению была посвящена работа Абдуллаева A.M. / 23 /, в которой была разработана конструкция фотоионизационного спектрометра, сделана оценка ;зависимости сигнала от параметров спектрометра, экспериментально показана возможность использования метода ФСй для анализа спектрального состава излучения на примере исследования спектра излучения разряда в инертных газах в капилляре.

Существенным недостатком предложенного в / 23 / фотоионизационного спектрометра излучения было использование электронных зеркал с большими потерями электронов на электродах. Нами был разработан спектрометр с новым типом электронных зеркал, в которых потери электронов на электродах малы, что привело к неприменимости к таким спектрометрам результатов, полученных в работе / 23 /. Кроме того, Абдуллаевым не был рассмотрен ряд процессов, происходящих в фотоионизационном спектрометре излучения, которые могут существенно повлиять на положение и форму электронных линий, а, следовательно, и на такую важную характеристику прибора, как разрешение.

Настоящая диссертация посвящена усовершенствованию фотоионизационного спектрометра излучения с целью повышения его чувствительности, улучшения отношения сигнал/шум и упрощения алгоритма обработки результатов, а также исследованию спектрометра и рассмотрению происходящих в нем процессов и их влияния на положение, ширину и форму электронных линий с целью оптимизации конструктивных параметров спектрометра для решения тех или иных задач и обеспечения правильной интерпретации получаемых данных.

Актуальность работы обусловлена важными достоинствами метода фотоионизационной спектроскопии, ставящего его вне конкуренции при абсолютных фотометрических измерениях в вакуумном ультрафиолете, а при использовании ионизации с возбужденных уровней атомов - в видимой и инфракрасной областях спектра, а также при проведении космических спектральных исследований, например, патрулировании вакуумного ультрафиолетового излучения Солнца, необходимого для составления долгосрочных метеорологических прогнозов.

Основные положения, которые выносятся на защиту:

- сравнительный анализ процессов, влияющих на положение и ширину электронных линий, определение условий, в которых основное влияние оказывают упругие соударения электронов с атомами рабочего газа;

- анализ влияния теплового движения атомов на уширение электронных линий в спектрометре;

- исследование уширения и сдвига электронных линии в спектрометре при упругих соударениях с атомами рабочего газа методом машинного моделирования;

- разработка теории фотоионизационного спектрометра излучения, работающего в линейном и в насыщенном режиме;

- новая конструкция электронного зеркала с малыми потерями электронов на электродах;

- установка коллиматора электронов с переменным ускоряющим напряжением после электронного зеркала;

- экспериментальное исследование уширения электронных линий соударениями;

- измерение сечений упругого и неупругого рассеяния электронов на атомах инертных газов в фотоионизационном спектрометре для проверки разработанной нами теории спектрометра.

Основные результаты выполненной работы сводятся к следующему :

1. Проведен сравнительный анализ процессов, оказывающих влияние на величину кинетической энергии электронов в соударительном фотоионизационном спектрометре излучения, сделаны оценки величины сдвига и уширения электронных линий, происходящих при этих процессах. Получено выражение для теоретического предела разрешения фотопонизационного спектрометра /в отсутствии соударений электронов с атомами/, который определяете ушцренпем электронных линий вследствие теплового движения ионизируемых атомов,

2. Получено выражение для предельной частоты актов фотоионизации, при которой влиянием пространственного заряда, образующегося в камере спектрометра,на положение и форму электронных линий можно пренебречь.

3. Показано, что основное влияние на положение и форму электронных линий в соударительном фотоионизационном спектрометре издученля оказывают упругие соударения фотоэлектронов с атомами рабочего газа. Получены выражения, описывающие сдвиг и уширение электронных линий в зависимости от числа соударений, претерпеваемых электроном до попадания в анализатор.

4. Методом машинного моделирования блуждания электрона в объеме спектрометра получены распределения электронов по энергиям и вольт-амперные характеристики спектрометра, показано влияние температуры рабочего газа на вольт-амперпую характеристику,

5. Разреботана последовательная теория соударительно-го фотоионизациоиного спектрометра излучения в диффузионном приближении. Покзано, что существуют два режима работы спектрометра, в которых связь вольт-амперной характеристики с исходным спектром наиболее проста: резким работы на линейном участке вольт-амперной характеристики и решил насыщения.

6. Введена аппаратная Функция спектрометра в обоих режимах. Для линейного режима она пропорциональна второй производной вольт-амперной характеристики, получающейся при освещении спектрометра монохроматическим излучением, а для режима насыщения - первой производной. Получены выражения для аппаратных функций спектрометра, проведен сравнительный анализ двух режимов. Показано, что линейный режим обладает большим разрешением, но меньшей чувствительностью.

7. Получены выражения, описывающие влияние упругих соударений электронов с атомами на аппаратную фикцию спектрометра в обоих режимах. Найдены величины сдвига и ушире-ния электронных линий, получены выражения, описывающие разрешение спектрометра.

8. Показано, что все полученные в диффузионном приближении результаты могут быть распространены на случаи малых давлений, когда длина свободного пробега электрона сравнима или больше, чем геометрические размеры камеры спектрометра.

9. Разработано и изготовлено электронное зеркало с малыш потерями электронов на электродах; с помощью такого зеркала осуществлен насыщенный режим работы фотоионизационного спектрометра, обеспечивающий почти ICO/o-ную регистрацию фотоэлектронов,

10. Разработана методика использования коллиматора электронов для получения спектров в привычном для исследователей линейчатом виде путем установки его после электронного зеркала. Показана возможность регулировки разрешения спектрометра путем изменения напряжения на коллиматоре, боб-ран спектрометр с коллиматором, экспериментально получены линейчатые спектры.

11. Разработана и создана автоматизированная экспериментальная установка с камерой спектрометра большой длины для наблюдения и измерения упщрения электронных линий упругими соударениями электронов с атомами рабочего газа. Измерено уширение электронных линий в аргоне и криптоне, получено согласие теории с экспериментом. Разработана методика измерения уширения электронных линий, использующая сохранение ширины электронной линии при неупрутом рассеянии электронов на атомах; с использованием этой методики измерено уширение электронных линий в ксеноне, получено согласие теоретических и экспериментальных результатов. ;

12. Показана возможность измерения сечений упругих и неупругих соударений электронов с атомами в фотоионизационном спектрометре. Собрана специальная иамера и измерены сечения упругого рассеяния электронов в аргоне, криптоне и ксеноне при нескольких энергиях электронов, а также сечение неупругого рассеяния электронов с энергреи 9,1 эВ в ксеноне. На основании хорошего согласия полученных результатов с литературнымп данныглп сделан вывод о правильности разработай-ной теории соударительного йотоионизационного спектрометра излучения.

В заключение выражаю глубочажшую благодарность моим руководителям профессору Н.И.Калитеевскому и ст.н.с. Е.Д.Мищенко за постоянное внимание и указание направления исследований. Глубоко благодарен доценту Е.И.Вутикову за помощь при проведении теоретической части исследований.

Особенно признателен профессору М.П.Чайке за ряд ценных обсуждений и замечаний при написании настоящей работы.

Весьма признателен также всему коллективу Первой кафедры общей физики за доброжелательное отношение и помощь в работе.

1. Robinson H.r.f Rawlinson W.F. The Magnetic Spectrum of the jb Rays exited in Metals by Soft X-Rays.-Phil. Mag., 1914, v.28, N164, p.277.

2. Robinson H.R. X-Ray Terms and Intensities.-Phil. Mag., 1925, v.50, N6, p.241.

3. De Broglie M. Sur les spectres corpuaculaires des elements.-Compt.Rend., 1921, v.172, p.274.

4. Зигбан К., Нордлиндг К., Фальман А., Нордберг Р., Хам-рин К., Хедман Я., Йохансон Г., Бергмарк Т., Карлссон С., Линдгрен И., Линдберг Б. Электронная спектроскопия.-М: Мир, 1971, с.11-45, 241-312.

5. Вилесов 5.И., Курбатов Б.Л., Теренин А.Н. Распределение электронов по энергиям при ионизации ароматических аминов в газовой аазе.-Доклады АН СССР, 1961, т. 138, Ш, с.1329.

6. Курбатов Б.Л., Вилесов Ф.И., Теренин А.Н. Распределение электронов по кинетическим энергиягл при фотоионизацш метилпроизводних бензола.-Доклады АН СССР, 1961, т.140, М, с.797.

7. Turner D.W., A1 Jobory. Determination of Ionization Potentials by Photoelectron Energy Measurement.-Journ. Chem. Phys., 1962, v.37, N12, p.3007.

8. Turner D.W., May D.P. Franc-Condon Factors in Ionization: Experimental Measurement Using Molecular Photo-electron Spectroscopy.-Journ. Chem.-Phys., 1966,v.45,p471

9. Ю. Turner D.W. Limits to Resolving Power in Photoelectron Spectroscopy.-Nature, 1967» v.213, N5078, p.795.

10. Бейкер А., Беттеридж Д. Фотоэлектронная спектроскопия. -М: Мир, 1975, с.52-63, I3I-I59.

11. Brundle C.R., Baker A.D. An Introduction to Electron Spectroscopy. Theory, Techniques and Applications,v.1. -London; Academy Press, 1972, p.2-4,35-44.

12. Blake A.J., Carver J.H. Determination of Partial Photo-ionisation Cross Sections by Photoelectron Spectrosco-py.-Joum. Chem. Phys., 1967» v.47, N3, p.1036.

13. Samson J.A.R., Cairns R.B. Photoelectron Spectroscopy of the Rare Gases.-Phys. Rev.,1968, v.173, N1, p.80.

14. Вилесов Ф.И. Первые адиабатические потенциалы ионизации и внутримолекулярные индукционные взаимодействия.-Успехи фотоники, 1969, вып.1, с.5.

15. Вилесов Ф.И., Вовна В.И., Лопатин С.Н. Способ спектрометрии оптического излучения. Авторское свидетельство M587I8 по заявке М934584/2625 от 26.06.73.-Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки. 1975, М,С.82.

16. Sato К., Sugawara Н., Oda Т., Hosokawa М., Ishii К., Sasaki Т. Intensity Measurements of Extreme Ultraviolet Radiation From Helium Plasma by Photoelectron Spectroscopy.-Phys.Lelt., 1976, v.58A,N5» p.310,

17. Sasaki Т., Oda Т., Sugawara H. Measurement of Absolute Intensity of Radiation in XUV by a Rare Gas Photoelectron Counter.-Appl.Opt.,1977»v.l6,N12,p3115*

18. Белин В.П., Бобашев С.В., Пкаенок Л.А. Фотоионизационный к в ант оме тр для вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена.-Всесоюзный сеглинар по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом.-Ленинград, IS78, с.86.

19. Кватер Г.С., Мищенко Е.Д., Лоренцзон Е. Фотоионизационный спектрометр излучения для области 20-100 нм.-Тезисы докладов 17 Всесоюзной конференции по спектроскопии вакуумного ультрафиолета и взаимодействию излучения с веществом.- Ужгород, 1975, с.42.

20. Мищенко Е.Д., Абдуллаев A.M., Казачевская Т.В., Кватер Г.С. Метод столкновительной фотоионсзацион-ной спектроскопии и прибор для его реализации.-Опт. и спектр., 1978, т.44, А^б, с.1076.

21. Мищенко Е.Д., Абдуллаев A.M. Анализатор энергий электронов методом задерживающего поля для работыв газовой среде.-Приб. и техн. экспер.,1979,М,с.45.

22. Абдуллаев A.M. Разработка метода фотоэлектронной спектроскопии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук.-Ленинград, ЖУ им. А.А.Жданова, IS78.

23. Мищенко Е.Д., Уткин А.Б. Новый столкновительный фотоионизационный спектрометр излучения.-Тезисы докладов У1 Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом.-Москва, 1982, с.210.

24. Gelbwachs J.A., Klein C.F., Wessel J.E. Infrared Detection by an Atomic Vapour Quantum Counter.-IEEE Journ. Quant. Electronics, 1978,v.QE-14, N2, p.77-79.

25. Gallagher T.F., Cooke W.E. The Detection 300°K Black-body Radiation with Rydberg Atoms.- Appl. Phys. Lett., 1979, v.34, N6, p.369.

26. Samson J.A.R. Techniques of Vacuum Ultraviolet Spectroscopy. -New York, London Sydney, 1967.

27. Тумаркин Я.Н. Исследование уширения электронных линий в соударителыюм фотоионизационногл спектрометре излучения. Дипломная работа.-Ленинград, Л1У шл.А.А.ЗКдано-ва, 1978.

28. Beamson G., Pearce S.J., Turner D.W. Photoelectron Spectroscopy in a Strong Magnetic Field.-Phys.Scripta, 1977, v.16, N5-6, p.186.

29. Beamson G., Pearce S.J., Turner D.W. Photoelectron Energy Analysis in a Strong Magnetic Field; the Role of Elastic Scattering.-Chem. Phys. Lett., 1978, v.56, N1, p.5.

30. Мищенко Е.Д., Тумаркин Я.Н. Моделирование и измерение уширения электронных линий в столкновительном фотоионизационном спектрометре излучения.-Опт. и спектр., 1984,т.57, веш.1, с.135.

31. Фриш С.Э. Оптические спектры атомов.-М.: Гос. Издат. <1из.-мат. литературы, IS63, с.476.

32. Хастед Да. Физика атомных столкновений.-М.: Мир, 1965, с.335.

33. Смирнов Б.Н. Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме.-М.: Атомиздат, 1968, с.136.

34. Худе он Д. Статистика для физиков.-М.: Мир, ЮТ, с.55-57.40. §еллер В. Введение в теорию вероятности и ее приложения, t.I.-M.:Мир, 1967, с.336.

35. Устройство специализированное управляющее вычислительное I5BCM-5. Инструкция по эксплуатации. Приложение 2, с.II.

36. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ, т.2. Получисленные алгоритмы.-М.:Мир, 1977, с.22-39.

37. Бутиков Е.И., Тумаркин Я.Н. Теоретическая вольт-амперная характеристика фотоионизационного спектрометра излучения. -Опт. и спектр., 1982, т.53, вып.6, с.1117.

38. Бутиков Е.И., Мищенко Е.Д., Тумаркин Я.Н. Уширение линий в фотоионизационном спектрометре при упругих соударениях электронов с атомами.-Опт. и спектр., 1984,т.56, вып.2, с. 228.

39. Бутиков Е.И., Тумаркин Я.Н. Теоретическая"аппаратная j гпункция фотоионизационного спектрометра излучения. I. -Опт. и спектр., 1984, т.56, Вып.З, с. 513.

40. Бутиков Е.И., Тумаркин Я.Н., Осипова Е.А. Теоретическая аппаратная санкция фотоионизациоиного спектрометраизлучения. П.-Опт. и спектр.,1984, т.Ш, вш.8,с.335.

41. Хаксли Л., Кромптон Р. Диффузия и дрейф электронов в газ ах.-М.: Мир, 1977, с.231-239.

42. Фриш С.Э., Тшлорева А.В. Курс общей физики, T.I.-M.: . Гос. издат. технико-теор. литературы, 1952, с.249.

43. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для инженеров и научных работников.-М.: Наука, 1977.

44. Лившиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика.-М.: Наука, 1979, с.116-125.

45. Справочник по специальным (пункциям. Под ред. Абрамовича М., Стиган И.-М.: Наука, 1979.

46. Смирнов В.И. Курс высшей математики, т.З. Часть 2.-М.: Наука, 1969, с.192.

47. Исследование возможности использования эффекта фотоионизации газов для определения спектрального состава электромагнитного излучения в оптическом диапазоне спектра.-Отчет ЛСМО им.В.И.Ленина, № Госрегистрации

48. У 60860.'-Ленинград, I9BI.

49. Мищенко Е.Д., Трилесшш И.И., Тумаркин Я.Н. Диалоговое программное обеспечение универсальных спектрально-вычна лительных комплексов.-Опт.-мех. пром., 1982, МО, с.50.

50. Митчнер М., Кругер Ч. Частично ионизированные газы. -М.: Мир,1976, с.108.

51. Мищенко Е.Д. Абсолютная фотометрия световых потоков в вшуумног^льтрафиолете 10-100 нм. Диссертация на соискание ученой степени кандидата фпз.-мат. наук.-Ленин-град, 1975.

52. Арцшовпч Л.А.,Сагдеев Р.З. Физика плазмы для фпзп-ков.-М.: Атомиздат, 1979, с.234-243.

53. Уткин А.Б. Создание установки п макета спектрометра для исследования метода столкновитёльной фотоэлектронной спектроскоппи. Дипломная работа.-Ленинград, 1982, с. 34.

54. Вилесов Ф.И., Клейменов В.И., Чи&шв Ю.В. Фотоэлектронная спектроскопия.-Успехи фотоншш. Сборник 2. Л1У, 1971,с.6.

55. Savitzky A., Golay M.j.E. Smoothing and Differentiationof Data by Simplified Least Squares Procedures.-Analytical Chemistry, 1964, v.36, N8, p.1627-1639.

56. Steinier J., Termonia Y., Deltour J. Comments on Smoothing and Differentiation of Data by Simplified Least Square Procedure.- Analytical Chemistry, 1972, v.44, N11, p.1906,1909.