УЖГОРОДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МАРГІТИЧ МИКОЛА ОЛЕКСІЙОВИЧ
УДК 539.184.52
539.186.2
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ІОНІЗАЦІЇ
МЕТАСТАБІЛЬНИХ АТОМІВ Mg, Ca, Sr,Ва
ЕЛЕКТРОННИМ УДАРОМ
01.04.04 – фізична електроніка
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Ужгород – 1999
Робота виконана в Проблемній науково-дослідній лабораторії
фізичної електроніки Ужгородського державного університету
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор
Шафраньош Іван Іванович
Ужгородський державний університет, професор
кафедри квантової електроніки
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор
Лазур Володимир Юрійович
Ужгородський державний університет, завідувач
кафедри теоретичної фізики
доктор фізико-математичних наук, ст.н.с.
Імре Арпад Йосипович
Інститут електронної фізики НАН України,
завідувач відділу електроних процесів
Провідна установа: Інститут фізики НАН України, м.Київ.
Захист відбудеться ” 6 ” травня 1999 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К61.051.01 при Ужгородському державному університеті за адресою: 294000,м.Ужгород, вул. Підгірна, 46.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Ужгородського держуніверситету (м.Ужгород, вул.Капітульна, 9)
Автореферат розісланий ” 31 ” березня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
д.ф.-м.н.,проф. Блецкан Д.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальнiсть теми дослiджень.
Експериментальні дослідження взаємодій електронів з атомами викликані потребами пізнавального та прикладного характеру. Початок даних досліджень припадає на період становлення і розвитку квантово-механічного опису будови мікросвіту (30 – ті роки ХХ – го століття). Серед процесів, які тоді найбільш уважно досліджувалися, слід назвати пружне розсіювання електронів на простих атомах та молекулах, збудження та іонізація атомів із основних станів електронним ударом. Процеси взаємодій електронів із збудженими атомами розглядалися лише як принципово можливі. Їх дослідження (як експериментальні, так і теоретичні) ще протягом тривалого часу не проводилися з причин відсутності конструктивних ідей, методик та відповідних експериментальних засобів.
Наступний імпульс, що спричинив масштабне розгортання досліджень електрон-атомних взаємодій, був викликаний усвідомленням унікальних можливостей технічного використання плазми. Виходячи з того, що макроскопічні характеристики плазми (інтенсивність випромінювання, концентрація заряджених частинок та їх енергетичний розподіл, температура та ін.) визначаються елементарними процесами взаємодій частинок плазми, виникла потреба у надійних та систематичних даних про ефективні перерізи та коефіцієнти швидкостей електрон-атомних взаємодій. Поряд із проблемами прикладного характеру ставилися і фундаментальні задачі, зумовлені необхідністю поглиблення наших уявлень про властивості атомних систем та їх будову.
Послідовний опис всіх процесів, які відбуваються в плазмі, вимагає відомостей і про характеристики взаємодій електронів із збудженими атомами. В широкому класі збуджених атомних станів особливе місце займають метастабільні стани, час життя яких більший за 10-5с, внаслідок чого їх концентрації у плазмі є відносно великими. Слід додати, що порогові значення енергії непружних процесів за участю електронів та метастабільних атомів суттєво понижуються, а ефективні перерізи цих процесів можуть на порядок і більше перевищувати перерізи взаємодії електронів з атомами, які знаходяться в основному стані. Внаслідок цих причин в плазмі за певних умов непружні процеси взаємодій електронів із метастабільними атомами можуть стати домінуючими. Особлива роль при цьому відводиться процесам іонізації метастабільних атомів, оскільки саме вони, в першу чергу, визначають концентрацію заряджених частинок в плазмі, її відносну електропровідність та енергетичний баланс. В той же час експериментальні дослідження процесів іонізації метастабільних атомів виконані лише для обмеженого числа хімічних елементів. До того ж певні судження про достовірність отриманих результатів можуть бути зроблені лише для атомів водню та гелію. Що стосується досліджень інших об’єктів (атоми інертних газів та деякі атоми металів), то вони є фрагментарними, а ступінь достовірності їх залишається невідомий. Практично невиясненими залишаються також фізичні механізми утворення іонів із метастабільних атомних станів. Таке становище з експериментальними дослідженнями зумовлене величезними труднощами при їх постановці. Зокрема, це проблеми, пов’язані з отриманням необхідних концентрацій метастабільних атомів, визначенням їх величин, реєстрацією малих корисних сигналів на великому фоні супутніх процесів. Мала кількість експериментальних даних гальмує проведення теоретичних досліджень та створення на їх базі адекватних моделей взаємодії електронів із збудженими атомами.
Виходячи із сказаного вище, можна стверджувати, що пошук і розробка надійної методики експериментів, створення необхідних експериментальних засобів та проведення на їх основі систематичних досліджень процесів іонізації метастабільних атомів електронами на сьогодні є актуальною задачею. Результати, одержані в ході таких експериментів, представляють цінність як у фундаментальному, так і в прикладному плані.
Мета роботи полягала у проведенні комплексних експериментальних досліджень процесів іонізації атомів Мg, Са, Sr, Ва із триплетних метастабільних станів електронним ударом та встановленні основних механізмів і закономірностей цих процесів. Для досягнення цієї мети в роботі були розв’язані наступні задачi:
– розроблено методику та апаратуру досліджень;
– визначено абсолютні величини перерізів іонізації атомів Мg, Са, Sr та Ва із триплетних метастабільних станів електронами та виміряно їх енергетичні залежності;
– проведено спектроскопічні дослідження процесів утворення однозарядних іонів Мg та Sr;
– встановлено основні закономірності та запропоновано механізми іонізації метастабільних атомів електронами.
Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в слідуючому.
1. Вперше проведено комплексні дослідження іонізації метастабільних атомів Мg, Са, Sr та Ва, які включали в себе:
– визначення абсолютних повних ефективних перерізів іонізації та їх енергетичної поведінки із застосуванням високомоноенергетичного пучка електронів;
– визначення абсолютних величин та енергетичних залежностей перерізів збудження спектральних ліній однозарядних іонів Мg та Sr.
2. Встановлено, що перерізи іонізації атомів із метастабільних станів суттєво перевищують перерізи іонізації із основних станів.
3. Виявлено відмінність енергетичної поведінки перерізів іонізації та збудження іонних спектральних ліній із метастабільних та основних станів атомів; показано, що це зумовлено відмінністю механізмів утворення іонів із цих станів.
4. На припорогових ділянках енергетичних залежностей перерізів іонізації та збудження іонних спектральних ліній із метастабільних станів виявлено структуру та дано тлумачення причин її походження.
Наукова i практична цiннiсть виконаних досліджень полягає, насамперед, в отриманні фундаментальних констант взаємодії електронів із метастабільними атомами, знання яких поглиблюють наші уявлення про властивості атомних систем. Крім того, результати дисертаційної роботи представляють також і прикладний інтерес при проведенні аналізу механізмів енергообміну та моделювання процесів, що відбуваються в низькотемпературних плазмових середовищах, а також в атмосферах планет та кометній астрофізиці. Застосована методика може бути використана для дослідження іонізації метастабільних атомів інших металів.
Апробацiя роботи.
Основні результати, викладені в дисертації, доповідались і обговорювались на IV-ій (Рига, Латвія,1992р.) та V-ій (Едінбург, Великобританія, 1995р.); європейських конференціях з атомної та молекулярної фізики; ХIХ-ій Міжнародній конференції з фізики електрон-атомних зіткнень (Ванкувер, Канада, 1995р.); 28-ій конференції Європейської групи з атомної спектроскопії (Грац, Австрія, 1996р.); Міжнародій коференції IСАМDАТА (Гейтерсбург, США, 1997р.); Міжнародній багатогалузевій конференції (Румунія, Байа-Маре, 1996р.) та Міжнародній конференції “Сторіччя електрона” (Ужгород, Україна, 1997р.); Тристоронньому семінарі з процесів атомних зіткнень (Ужгород, Україна, 1993р.); Румунській національній фізичній конференції (Сібіу, 1994р.), а також на ХI-ій Всесоюзній конференції з фізики атомних зіткнень (Чебоксари, 1991) та II Всесоюзному семінарі з атомної спектроскопії (Суздаль, 1992р.).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 16 робіт, основні з яких приведені в кінці автореферату.
Структура роботи.
Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків, та списку літературних джерел, що включає 79 найменувань. Загальний об’єм дисертації складає 130 сторінок машинописного тексту, включаючи 39 рисунків і 6 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступi обгрунтована актуальність теми досліджень, сформульована мета роботи, показані наукова новизна та практична цінність отриманих результатів.
У першому розділі розкрито суть основних понять та визначень, що використовуються в даній роботі. Проведено аналітичний огляд відомих методик досліджень процесів іонізації метастабільних атомів електронами та отриманих за їх допомогою експериментальних результатів. Констатується, що в науковій літературі відсутні систематизовані дані по іонізації атомів Мg, Са, Sr та Ва із триплетних метастабільних станів електронами (за винятком деяких фрагментарних відомостей по атомах Sr [1] та Ва [2]); практично не проводився пошук та аналіз можливих механізмів утворення іонів із метастабільних атомних станів. Наведено основні співвідношення класичної і квантово-механічної теорії, які стосуються розрахунку перерізів іонізації метастабільних атомів, та здійснено порівняння отриманих з їх допомогою результатів із даними експерименту. Аналізується правомірність застосування методів класичної механіки для розрахунків повних перерізів іонізації.
Другий розділ присвячений описові експериментальної установки в цілому та окремих її вузлів, а також методиці дослідження процесів іонізації метастабільних атомів Мg, Са, Sr та Ва, приведено результати контрольних вимірювань та похибки експериментів.
Дослідження процесів іонізації атомів Мg, Са, Sr та Ва із триплетних метастабільних станів виконувалися в умовах перехресних електронного та атомного пучків на оригінальній експериментальній установці, основними вузлами якої були: камера зіткнень із системою вакуумної відкачки, джерела електронного та атомних пучків, система реєстрації.
В даній роботі було використано джерела електронних пучків двох типів: п’ятиелектродна електронна гармата системи Пірса (енергетична однорідність електронного пучка якої складала 0,5 еВ), яка застосовувалась при вивченні іонізації із збудженням, та 90° -ний циліндричний електронний монохроматор з електростатичним фокусуванням (з однорідністю електронів по енергіям 0,2 еВ) – в експериментах по вивченню повних перерізів іонізації. Калібровка шкали енергій електронів здійснювалася наступним чином:
– при дослідженні процесу іонізації – по відомим порогам іонізації нормальних атомів (точність 0,1 В);
– при дослідженні процесу іонізації із збудженням – по відомим порогам збудження найбільш інтенсивних атомних спектральних ліній із основного стану досліджуваного елемента (точність 0,2 В).
Для створення пучка метастабільних атомів застосовувався розрядний метод, який полягав у наступному. Спочатку створювався вузькоколімований інтенсивний пучок атомів в основному стані. Далі цей пучок пропускався через спеціальну камеру, в якій запалювався електричний розряд. В умовах розряду частина нормальних атомів конвертувалася у збуджені стани. Короткоживучі збуджені стани радіаційно розпадалися практично в місці утворення, а іони та електрони, що виникали в розряді, виловлювалися на виході розрядної камери електростатичним конденсатором. Таким чином, після розрядної камери в атомному пучку частина атомів знаходилася в основному, а частина – в метастабільнихстанах.Описаним методом були отримані пучки метастабільних атомів Са, Sr та Ва, які мають низький потенціал іонізації ( менше 6 В). При дослідженні іонізації метастабільних атомів магнію, який має найвищий (серед досліджуваних елементів) потенціал іонізації, для забезпечення стабільності розряду в розрядну камеру додатково вводився пучок атомів натрію, який формувався окремим термоефузійним джерелом.
Дослідження іонізації метастабільних атомів Мg, Са, Sr та Ва включали в себе визначення повних ефективних перерізів іонізації та їх енергетичної поведінки, а також визначення абсолютних величин та енергетичних залежностей перерізів збудження спектральних ліній однозарядних іонів Мg та Sr. У зв’язку з цим нами була розроблена оригінальна методика, яка дозволила в одному експерименті вивчати повні перерізи іонізації та процеси іонізації із збудженням.Відповідна цій методиці блок-схема реєстрації приведена на рис.1.
Іони, які утворювалися в результаті взаємодії метастабільних атомів із електронним пучком, попадали в прохідний конденсатор (колектор) -1, всередині якого містився осьовий електрод (зонд) – 2 (див. рис.1). Повнота збору іонів зондом визначалася струмом насичення, яке наступало при його від’ємному потенціалі, рівному 25 В.Система реєстрації іонів та обробки даних експерименту складалася із колектора іонів, двох електрометрів -14, двох двокоординатних самописців – 15, пристрою для розгортки прискорюючого потенціалу пучка електронів – 16, 17, та комп’ютера ІВМ РС/АТ.
В спектроскопічних експериментах випромінювання спектральних ліній виводилось із вакуумної камери через кварцеві віконця перпендикулярно осям електронного та атомного пучків і за допомогою кварцової лінзи, розміщеної на подвійній фокусній віддалі (F=95 мм) від області взаємодії, проектувалося на вхідну щілину дифракційного монохроматора 4 (МДР-23), обернена лінійна дисперсія якого становить 1,3 нм/мм (в діапазоні =200-800 нм). Виділене монохроматором випромінювання детектувалося фотоелектронним помножувачем (ФЕП) 5 типу ФЭУ-106 (=200-800 нм). Високочутлива система
Рис.1. Блок-схема експериментальної установки
1 – прольотний конденсатор; 2 – пробний електрод (зонд); 3 – приймач електронів; 4 – спектральний прилад (МДР-23); 5 – фотоелектронний помножувач (ФЕП); 6 – попередній підсилювач; 7 – широкосмуговий підсилювач; 8 – формувач стандартних імпульсів; 9 – інтенсиметр; 10 – самописець; 11 – комутатор; 12 – модулятор; 13 – реверсивний лічильник; 14 – електрометр; 15 – двокоординатний самописець; 16 – джерело електричної напруги; 17 – цифроаналоговий перетворювач; А – атомний пучок; е- – електронний пучок.
реєстрації світлових потоків, що була використана в наших експериментах, працювала в режимі рахунку окремих фотоелектронів. Вихідні імпульси з ФЕП підсилювались попереднім 6 та широкосмуговим 7 підсилювачами, проходили через каскади формування і комутації 8 – 12 та подавалися на вхід 13 реверсивного лічильника Ф5007 (див.рис.1).
Абсолютна величина повного перерізу іонізації визначалася за допомогою виразу:
Imi = Nm Ime Qmi b, (1)
де – Imi – струм іонів,
Nm – концентрація метастабільних атомів,
Ime – струм пучка електронів,
Qmi – шуканий переріз,
b – шлях електронів в атомному пучку.
Інформація про утворення іонів у збуджених станах в даній роботі одержувалась із аналізу випромінювання, яке виникало внаслідок радіаційного розпаду цих станів. Абсолютні величини перерізів збудження іонних спектральних переходів визначалися шляхом їх порівняння з виміряним раніше [3,4] перерізом збудження реперної атомної спектральної лінії за допомогою формули:
Qm Jm k(p) m
(2)
Qmp Jmp k(m) p
де Jm та Jmp – відносні інтенсивності досліджуваної та реперної спектральних ліній;
k(m) та k(p) – функція, що характеризує чутливість спектрофотометра на довжинах хвиль m та p відповідно;
Qmp – реперний, Qm – досліджуваний перерізи відповідно.
Відношення k(p)/k(m ) визначалося емпіричним шляхом з використанням еталонного джерела неперервного спектру з відомим розподілом яскравості випромінювання.
Для визначення концентрацій атомів в основному (Nо) та метастабільних (Nm ) станах нами було застосовано один з варіантів абсорбційного методу – метод двох ідентични пучків, модифікований для умов наших експериментів.Для перевірки коректності обраної методики було поставлено ряд контрольних експериментів по вимірюванню повних перерізів іонізації та іонізації із збудженням з основних станів атомів, та порівняння отриманих результатів із відомими даними [5-9].Одержані в ході контрольних вимірів результати однозначно свідчать про високу надійність використаної методики.
Похибки експериментів становлять:
– при визначенні ординати функцій збудження та іонізації – не перевищувала 5%, а при визначенні абсциси – 2%.
– при вимірюванні абсолютних величин перерізів іонізації та збудження іонних спеткральних ліній сумарна похибка не перевищує 60%.
У третьому розділі подані результати комплексних досліджень іонізації атомів Мg, Са, Sr та Ва із триплетних метастабільних станів електронами. Дослідження процесів іонізації велися в три етапи. На першому етапі проводилися детальнівимірювання енергетичних залежностей повного перерізу
іонізації для даного елемента; на другому етапі для цього ж елемента проводилися досліди по визначенню абсолютної величини повного перерізу іонізації; на третьому етапі з метою вияснення механізмів утворення іонів здійснювалися спектроскопічні дослідження процесів утворення іонів у збуджених станах із метастабільних атомних станів (для атомів Мg та Sr). В завершальних експериментах перший і третій етапи проводилися одночасно.
Результати досліджень повних перерізів іонізації метастабільних атомів приведені в таблиці 1 та на рис. 2-5 (криві а).
В таблиці 1 приведено: експериментальні значення порогів іонізації (Еiпор); спектроскопічні пороги іонізації з різних метастабільних станів (Еiспектр); абсолютні величини повних перерізів іонізації в їх максимумі (Qimax); відношення абсолютних величин перерізів іонізації із метастабільних та із основних станів при енергії 10 еВ (Qmi /Qoi ). Із порівняння експериментальних та спектроскопічних значень порогів іонізації в роботі робиться висновок про те, що в заданих умовах експерименту відбувалися процеси іонізації саме із триплетних метастабільних станів. Загальна характеристика даних табл.1 показує, що максимальні значення повних перерізів іонізації досягають величин порядку 10-15 см2 і більше, а відношення (Qmi /Qoi ) зростає до величини 6,3. При цьому із ростом порядкового номера лужноземельного елемента абсолютне значення ефективного перерізу іонізації збільшується, а параметр (Qmi /Qoi ) – зменшується. Енергетичні залежності перерізів іонізації – функції іонізації (ФІ) – метастабільних атомів приведені на рис.2-5 (криві а), де по осі абсцис відкладена енергія налітаючих електронів, а по осі ординат – переріз іонізації в довільних одиницях. Для порівняння на цих же графіках побудовані функції іонізації з основних атомних станів (криві б), які були одержані в наших експериментах. Як видно з рисунків, функції іонізації всіх досліджуваних метастабільних атомів характеризуються певними загальними закономірностями. По-перше, максимуми ФІ атомів з метастабільних станів зсунуті в бік менших енергій порівняно з ФІ тих же атомів з основних станів.
По-друге, на всіх ФІ метастабільних атомів спостерігається структура у вигляді зломів та уступів,додаткових максимумів, якої немає на ФІ нормальних атомів.Як свідчить аналіз проведених досліджень для атомів Мg та Sr, структурні особливості на функціях збудження іонних спектральних ліній та на функціях іонізації із метастабільних атомних станів проявляються при одних і тих самих значеннях енергій налітаючих електронів. Наявна структура, на наш погляд, є ознакою особливих механізмів утворення іонів із метастабільних атомних станів. Крім того, в роботі показано, що сумарний переріз збудження найбільш інтенсивних іонних ліній із метастабільних атомних станів складає більше 30% від повного перерізу іонізації. Цей важливий факт свідчить про те, що при іонізації метастабільних атомів Мg, Са, Sr та Ва значна частина утворених іонів знаходиться у збуджених станах.У випадку іонізації нормаль-
Рис.2.Енергетичні залежності перерізів іонізації атомів магнію із триплетних
метастабільних (крива а) та основного (крива б) станів
Рис.3.Енергетичні залежності перерізів іонізації атомів кальцію із триплетних
метастабільних (крива а) та основного (крива б) станів
Рис.4 Енергетичні залежності перерізів іонізації атомів стронцію із триплетних
метастабільних (крива а) та основного (крива б) станів
Рис.5. Енергетичні залежності перерізів іонізації атомів барію із триплетних
метастабільних (крива а) та основного (крива б) станів
Таблиця 1
Ефективні перерізи іонізації атомів Mg, Ca, Sr Ba із метастабільних станів
Елемент Початковий
Стан Еiпор, еВ Еiспектр, еВ Qimax . 1015,см2 Qmi /Qoi
Mg 3s3p 3P0,2 4,8 4,94; 4,93 1,5 6,3
Ca 4s4p 3P0,2
4s3d 1D2 4,3
4,23; 4,21
3,40 1,8 3
Sr 5s5p 3P0,2
5s4d 1D2 4,0 3,92; 3,84
3,19 2,4 4
Ba 6s6p 3D1,2,3
6s5d 1D2 4,1 4,09; 4,97; 4,02
3,80 3,2 1,5
них атомів таке співвідношення набагато менше. В цьому ж розділі аналізуються можливі механізми утворення однозарядних іонів із триплетних метастабільних атомних станів. Насамперед зазначимо, що механізми утворення іонів із метастабільних та із основного станів атома є різними. Так, наприклад, утворення однозарядного іона із основного стану атома Мg відбувається внаслідок одноелектронного або двоелектронного переходу за схемою:
s Mg+ (3s 2S1/2) + 2e (3)
Mg (3s2 1So) + e
Mg+ (nl 2Lj) + 2e (4),
в результаті чого один із зовнішніх 3s2 -електронів переводиться в континуум, а другий – на один із дискретних рівнів однозарядного іона Мg (тут n та l – відповідно головне та орбітальне квантові числа електронної конфігурації іона, 2Lj – терм утвореного іона).
Можливий також процес утворення іона Мg внаслідок розпаду проміжкових – автоіонізаційних – станів, які виникають в результаті одночасного збудження обох s2 -електронів, що ілюструється схемою:
Мg (3s2 1So ) + е Мg AIC (n1 l1 n2 l2 LJ ) + e (5),
Mg+(nl 2LJ) + e
де n1 , l1 , n2 , l2 та n, l – відповідно квантові числа автоіонізаційного стану атома та довільного стану утвореного іона. Очевидно, що сумарний результат перебігу процесів (3-5) і відображає ФІ нормального атома (див. криву б, рис.2). Однак, відсутність помітних структурних особливостей на кривій б (рис.2) свідчить про те, що внесок процесів (4) та (5) по відношенню до процесу (3) є незначним. Механізм утворення однозарядних іонів Мg з метастабільних атомних станів є більш різноманітний. Тут можливі такі процеси:
p Mg+ (3s 2S1/2) + 2e (6)
Mg (3s3p3P0,2) + e
Mg+ (nl 2Lj) + 2e (7)
s Mg+ (3p 2P1/2,3/2) + 2e (8)
Mg (3s3p3P0,2) + e
Mg+ (nl 2Lj) + 2e (9)
Мg (3s3p 3P0,2 ) + е Мg AIC (n l 3p LJ ) + e
Mg+(nl 2LJ) + e (10)
Мg (3s3p 3P0,2) + е Мg AIC (n1 l1 n2 l2 LJ ) + e (11)
Mg+(nl 2LJ) + e
Означимо наведені процеси наступним чином: (6) – p-іонізація; (7) – p-іонізація із збудженням; (8) – s-іонізація; (9) – s-іонізація із збудженням; (10), (11) – іонізація внаслідок розпаду атомних АІС.
Наведені вище механізми утворення однозарядних іонів із метастабільних атомних станів використовуються при фізичній інтерпретації структурних особливостей на енергетичних залежностях повних перерізів іонізації та перерізів іонізації із збудженням.
Приведено результати прецизійних вимірювань енергетичної залежності повного перерізу іонізації атома Мg в припороговій області енергій. Отримані нами експериментальні дані підтверджують квантово-механічну модель
Джелтмена, згідно якої переріз іонізації поблизу порогу пропорційний (Еe-Еi )1, де Еe та Еi – енергія налітаючих електронів та потенціал іонізації відповідно.
Здійснено теоретичні розрахунки повних перерізів іонізації в бінарному наближенні класичної механіки. Показано, що вибрана теоретична модель якісно узгоджується з результатами експерименту.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ
1.Створена експериментальна установка з перехресними електронним та атомним пучками, яка придатна для дослідження процесів іонізації метастабільних атомів широкого класу хімічних елементів.
2.Запропонована та реалізована нова методика досліджень іонізації метастабільних атомів з використанням моноенергетичного електронного пучка, яка грунтується на одночасному визначенні як повних перерізів іонізації, так і перерізів іонізації із збудженням.
3.Вперше проведені систематичні дослідження іонізації, в ході яких були виміряні абсолютні значення повних перерізів іонізації та іонізації із збудженням, а також визначені їх енергетичні залежності в інтервалі енергій від порогів процесів до 20 еВ.
4.Встановлено, що перерізи іонізації метастабільних атомів значно перевищують перерізи іонізації нормальних атомів; найбільшим повним перерізом іонізації із метастабільних станів характеризується атом Ва (3,2.10-15 см2 ), найменшим – відповідно атом Мg (1,4.10-15см2).
5.Виявлено, що енергетичні залежності перерізів іонізації метастабільних атомів та нормальних атомів суттєво відрізняються. На енергетичних залежностях повних перерізів іонізації та іонізації із збудженням метастабільних атомів знайдена структура, походження якої обумовлене особливими механізмами утворення іонів із метастабільних станів; встановлені основні механізми утворення іонів із метастабільних атомних станів.
6.На прикладі атомів Мg та Sr показано, що при іонізації із триплетних метастабільних станів в інтервалі енергій електронів 13- 20 еВ значна частина утворених однозарядних іонів ( 30%) знаходиться у збуджених станах.
7.Проведено теоретичні розрахунки повних перерізів іонізації метастабільних атомів у бінарному наближенні класичної механіки. Показано, що вибрана теоретична модель якісно узгоджується із даними експериментів. На прикладі атома Мg експериментально показано, що енергетична залежність повного перерізу іонізації поблизу порогу відповідає квантово-механічній моделі іонізації.
Основні результати дисертації опубліковані в наступних роботах:
1.Шафраньош І.І., Шимон Л.Л., Маргітич М.О. Іонізація метастабільних атомів барію електронним ударом// Укр.Фіз.Журн.- 1995.- Т.40, N 6.- С.532-536.
2. Shafranyosh I.I., Margitich M.O. Electron-impact ionisation of the metastable Mg (…2p6 3s3p 3P0,2) atoms// Z.Phys.D. – 1996.- V.37, N 2.- P.97-101.
3.Shafranyosh I.I., Snegurskaya T.A., Margitich N.A., Bogacheva S.P., Lengyel V.I., Zatsarinny O.I. Excitation of the Ca atom from the metastable states by electron impact // J.Phys.B.- 1997.- V. 30.- P.2261-2285.
4. Маргітич М.О. Дослідження процесу іонізації із збудженням метастабільних атомів Sr електронним ударом // Наук. вісн. УжДУ. Серія фізика. – 1998.- N3.- С.5-6.
5. Shafranyosh I.I., Shimon L.L., Margitich N.A. Electron impact ionization of metastable calcium atom // IV Europ. Conf. Atom and Molec. Phys. Abstr. of Pap.- Riga (Latvija).- 1992.- P.332.
6. Shafranyosh I.I., Snegurskaya T.A., Aleksakhin I.S., Margitich N.A., Shimon L.L. Electron impact excitation and ionization of alkaline-earth atoms from metastable states // Proc. 3rd Triang Seminar on Atomic Coll. Processes. Uzhgorod (Ukraine).- 1993.- P.48-51.
7. Margitich N.A., Shimon L.L., .Shafranyosh I.I. Electron-impact ionization cross-sections for the metastable Ca (4s4p 3P0,2) and Sr (5s5p 3P0,2) atoms // XIX ICPEAC, Abstr. Of Pap. Wankuver (Canada).- 1995.- P.507.
8. Margitich N.A., Shafranyosh I.I., Study the Ion-Formation from the 3s3p 3P0,2 Metastable States of Mg Atom by Electron Impact // ECAMP 5, Abstr. of Pap. Edinburg (UK).- 1995.- P.525.
9. Shafranyosh I.I., Margitich M.O.,Snegurskaya T.A.,Kovach V.V.Shimon L.L. Electron excitation of the Sr spectral lines from the Sr (…4p6 5s5p 3P0,2) states // 28th EGAS Conference Abstr. of Pap. Gratz (Austria). – 1996.- P.C4-29.
10. Margitich M.O., Snegurskaya T.A., Shimon L.L., Shafranyosh I.I. The mechanism of Mg+ formation from the metastable Mg states by electron impact // Proc. of the Internat.Conf. The Centenary of Electron. – Uzhgorod (Ukraine).- 1997. – P.152.
ЛІТЕРАТУРА
1. Алексахін І.С., Шафраньош І.І. Вивчення іонізації із збуджених станів атомів стронцію електронним ударом // УФЖ – 1974. – Т.19.- N11. – С.1843-1847.
2. Traimar S., Nickel J.C. and Antoni T. Electron-impact Ionisation of Laser-exited Ba (…5p6 6s6p) and Ba (…5p66s5d) atoms // Phys.Rev.A.-1986.-V.34.-6.-P.5154-5157.
3. Алексахин И.С., Небесный Ф.И., Семенюк Я.Н., Снегурская Т.А., Шафраньош И.И. Ступенчатое возбуждение спектральных переходов атомов стронция электронным ударом // Опт. и спектр. – 1988.- Т.64, N 2.- С.431-433.
4. Шафраньош И.И., Снегурская Т.А., Маргитич Н.А. Эффективные сечения возбуждения атомов кальция из метастабильных 43P0,2 -сотояний электронным ударом // Опт. и спектр. – 1994.- Т.77.- N 56.- С.725-729.
5. Okuno Ya., Okuno K., Kaneko Yo., Kanomata I. Absolute measurement of total ionization cross section of Mg by electron impact // Journ. Phys. Soc. Japan.- 1970.- V.29.- N 1.- P.164-172.
6. Okuno Ya. Ionization cross sections of Ca, Sr and Ba by electron impact // Journ. Phys. Soc. Japan.-1971.- V.31.- N 4.- P.1189- 1195.
7. Вайншейн Л.А., Очкур В.И., Раховский В.И. Абсолютные значения сечений ионизации магния, кальция, стронция и бария электронным ударом // ЖЭТФ.- 1971.-Т.61,N 2(8).-С.511-519.
8. Leep D., Gallagher A. Excitation of the Mg and Mg+ rezonance lines by electron impact on Mg atoms// Phys. Rev.A.- 1976.- V.13, N 31.- P.148-155.
9. Алексахин И.С., Запесочный И.П., Гарга И.И., Стародуб В.П. Возбуждение щелочноземельных атомов электронным ударом. I.Магний // Опт. и спектр.- 1973.- Т.34.- N 6.- С. 1053-1061.
Маргітич М.О. Дослідження процесів іонізації метастабільних атомів Мg, Са, Sr, Ва електронним ударом.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 – фізична електроніка. -Ужгородський державний університет, Ужгород, 1999.
Дисертацію присвячено експериментальному вивченню іонізації Мg, Са, Sr та Ва із триплетних метастабільних станів із застосуванням техніки перехресних електронного та атомного пучків. Визначені абсолютні величини та енергетичні залежності повних перерізів іонізації та іонізації із збудженням досліджуваних атомів. Встановлено механізми утворення однозарядних іонів Мg, Са, Sr, Ва із триплетних метастабільних атомних станів. Одержані експериментальні результати порівнюються із розрахунковими даними, отриманими в бінарному наближенні класичної механіки.
Ключові слова: іонізація, метастабільні стани, збудження, ефективний переріз.
Маргитич Н.А. Исследование процессов ионизации метастабильных атомов Мg, Са, Sr, Ва электронным ударом.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 – физическая электроника. -Ужгородский государственный университет, Ужгород, 1999.
Диссеpтация состоит из введения, тpех глав, выводов, списка литеpатуpы (78 наименований). Общий объем диссеpтации- 130 стpаниц печатного текста, включая 39 pисунков и 6 таблиц.
Диссертация посвящена экспериментальному изучению ионизации метастабильных атомов Мg, Са, Sr и Ва. Цель pаботы заключалась в пpоведении комплексных экспеpиментальных исследований пpоцессов ионизации Mg, Ca, Sr, Ba из тpиплетных метастабильных состояний электpонным удаpом и установлении основных механизмов и закономеpностей даных пpоцессов.
В экспеpиментах была использована техника пересекающихся электронного и атомного пучков. Коppектность используемой методики исследований опpеделялась в контpольных экспеpиментах путем нахождения абсолютных полных сечений ионизации и ионизации с возбуждением ноpмальных атомов исследуемых химических элементов с последующим сpавнением полученных нами pезультатов с опубликованными pанее данными дpугих автоpов.
В ходе выполнения pаботы были впеpвые пpоведены систематические исследования ионизации, котоpые включали в себя измеpение абсолютных
значений полных сечений ионизации и ионизации с возбуждением, а также опpеделение их енеpгетических зависимостей в интеpвале энеpгий от поpогов пpоцессов до 20 эВ. Установлены основные механизмы обpазования однозаpядных ионов Mg, Ca, Sr, Ba из метастабильных атомных состояний; на основании пpедложенных механизмов пpоводится интеpпpетация стpуктуpных особенностей на энеpгетических зависимостях полных сечений ионизации и ионизации с возбуждением. Hа пpимеpе атомов Mg и Sr показано, что пpи ионизации из тpиплетных метастабильных состояний в интеpвале энеpгий электpонов 13 – 20 эВ значительная часть обpазовавшихся ионов (30%) находится в возбужденных состояниях. Определены абсолютные величины и энергетические зависимости полных сечений ионизации, а также ионизации с возбуждением исследуемых атомов. Пpоведены теоpетические pасчеты полных сечений ионизации метастабильных атомов Mg, Ca, Sr, Ba в бинаpном пpиближении классической механики. Показано, что данная теоpетическая модель качественно согласуется с данными экспеpиментов. Hа пpимеpе атома Mg экспеpиментально показано, что энеpгетическая зависимость полного сечения ионизации вблизи поpога отвечает квантово-механической модели ионизации.
Hаучная и пpактическая ценность пpоведенных исследований состоит, в пеpвую очеpедь, в получении фундаментальных констант взаимодействия электpонов с метастабильными атомами, знание котоpых углубляет наше пpедставление о свойствах атомных систем. Кpоме того, pезультаты диссеpтационной pаботы пpедставляют также пpактический интеpес пpи анализе механизмов энеpгообмена и моделиpования пpоцессов, пpотекающих в низкотемпеpатуpных плазменных сpедах, а также в атмосфеpах планет и кометной астpофизике.
Ключевые слова: ионизация, метастабильные состояния, возбуждение, эффективное сечение.
Margitich M.O. Studies of electron-impact ionization of the metastable Mg, Ca, Sr, Ba atoms. – Manuscript.
Candidate of physical and mathematical sciences thesis.
Speciality 01.04.04 – physical electronics. – Uzhgorod state university, Uzhgorod, 1999.
The thesis is dedicated to the experimental studies of ionisation of Mg, Ca, Sr and Ba from the triplet metastable states by using the crossed electron and atomic beam technique. The absolute values and the energy dependences of total ionization cross sections as well as those for the ionization with excitation of atoms under study. The mechanismus of the formation of single-charged Mg, Ca, Sr and Ba ions from the triplet atomic metastable states have been found. The experimental data are
compared with calculated ones obtained within the classical mechanics binary approximation.
Key words: ionization, metastable states, excitation, effective cross sections.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
