Исследование взаимодействия электронов и метастабильных атомов инертных газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Митюрева, Алла Александровна

• Митюрева, Алла Александровна
• доктор физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Митюрева, Алла Александровна

Глава I. Основные понятия. Формулировка задачи

§ 1. Введение. Предварительные замечания и обоснование темы.

§ 2. Понятие сечения взаимодействия. Основные определения

§ 3. Конкретная цель исследования и постановка задачи

Глава II. О метастабильных состояниях вообще и в атомной физике в частности

§ 1. Понятие метастабильности и основные свойства метастабильных состояний

§ 2. Экспериментальные способы образования, удержания и регистрации метастабильных атомов

§ 3. Основные спектральные характеристики метастабильных состояний атомов инертных газов

Глава III. Экспериментальные методы определения сечений

§ 1. Принцип классификации различных экспериментальных методов, их общий обзор и анализ

§ 2. Электронные пучки

§ 3. Зона взаимодействия, или камера столкновений

§ 4. Оптический метод в вариантах методов лучеиспускания и поглощения

§ 5. Принципиальная формула для определения сечений возбуждения атомов электронным ударом

§ 6. Предлагаемая концепция определения обобщенных совокупных результатов для сечений ОМС и ВМС

Глава IV. Экспериментальная установка

§ 1. Общая схема проведения эксперимента

§ 2. Способы измерения конкретных величин

§3. Условия проведения экспериментов

Глава У. Образование метастабильных атомов инертных газов при столкновениях электронов с нормальными атомами ("into metastable") - разработанные методы измерения сечений

§ 1. Способы измерения сечений образования метастабильных состояний

§ 2. Многопроходная система с наклонным падением лучей в методе относительного поглощения

§ 3. Вариант метода поглощения для определения числа возбуждений в частотном (или временном) представлении

§ 4. Метод сдвига фазы для определения времени жизни метастабильного состояния атома и сечения его электронного возбуждения

§ 5. Эксперимент

§ 6. Конкретные условия и параметры и особенности эксперимента для каждого элемента

Глава VI. Результаты определения сечений образования метастабильных состояний атомов инертных газов электронным ударом

§ 1. Гелий

§2. Неон

§ 3. Аргон

§4. Криптон

§ 5. Ксенон

§ 6. Общий анализ измеренных величин сечений. Выявленные закономерности

Глава VII. Возбуждение метастабильных атомов электронным ударом в вышележащие излучающие состояния ("from metastable") - разработанные методы

§ 1. Два подхода к решению проблемы

§ 2. Особенности экспериментов при измерении сечений ВМС - процесса при пространственном разделении двух электронных ударов

§3. Система трех электронных пушек

§ 4. Временной метод

Глава VIII. Результаты определения сечений ВМС в инертных газах

§ 1. Гелий

§ 2. Неон

§3. Аргон

§ 4. Криптон

§5. Ксенон

§ 6. Общий анализ измеренных сечений ВМС. Выводы и закономерности

Глава IX. Новый подход к обобщению результатов разных работ

§1. Общие соображения

§ 2. "Сжатие информации" в процессе представления данных по сечениям. Предложенные аппроксимации зависимостей сечений от энергии налетающих электронов

§ 3. Обобщенные результаты по сечениям электронного возбуждения атомов гелия из основного и метастабильных состояний

§ 4. Обобщенные результаты по сечениям электронного возбуждения атомов аргона из основного и метастабильного состояний - процессы ОМС и ВМС

§ 5. Общий вывод по предлагаемому подходу к представлению обобщенного результата и заключение

Заключение диссертации по теме «Оптика», Митюрева, Алла Александровна

Заключение

Подводя итог, сформулируем основные результаты и выводы настоящей работы.

1. Впервые создана и научно обоснована методическая база для изучения процессов образования метастабильных атомов электронами и возбуждения метастабильных атомов электронным ударом в вышележащие энергетические состояния в условиях прямого наблюдения, когда исследуемый процесс является практически единственным в эксперименте, а искомая величина сечения может быть получена из непосредственных измерений в абсолютной мере. Основой всех экспериментов явился метод электронного пучка в газовой ячейке с оптической регистрацией продуктов реакции и мишени в процессе возбуждения метастабильных атомов.

2. Для исследования и измерения сечений процесса образования метастабильных атомов электронным ударом были предложены и разработаны методы измерения концентраций и времен жизни или непосредственно чисел образования метастабильных состояний из наблюдения и анализа фазовых (и временных) зависимостей относительного поглощения.

3. Для исследования процесса возбуждения электронным ударом из метастабильных состояний атомов в вышележащие состояния предложены и разработаны методы, составившие два разных подхода к изучению проблемы: это способы пространственного и временного разделения метастабиль-образующего и метастабиль-возбуждающего электронных ударов;

- при пространственном разделении - это два варианта методик: с газоразрядным способом создания метастабильных частиц в системе плазма-пучок" и с пучковым способом образования метастабилей -система "трёх электронных пушек";

- при временном разделении - это методы двухимпульсного пучка электронов или одноимпульсного пучка с постоянной подложкой с системами временной задержки, синхронизации и стробирования.

4. Созданы оригинальные экспериментальные установки. Существенным моментом многих из них было применение электронного пучка с большой поперечной протяженностью и малой длиной зоны взаимодействия, что позволило увеличить чувствительность системы регистрации метастабильных атомов по оптическому поглощению и повысить качество эксперимента. Также была разработана и применена многопроходная система в методе оптического поглощения с наклонным падением лучей, которая тоже позволила в несколько раз повысить чувствительность измерений.

5. С использованием разработанных методов и созданных установок были измерены абсолютные величины и энергетические зависимости

•2 о

- сечений электронного образования метастабильных Рг и Р0 состояний инертных газов Ые, Аг, Кг, Хе;

- сечений возбуждения электронным ударом из метастабильных состояний инертных газов Не, Аг, Кг, Хе на вышележащие уровни Б-, Р-, Б- уровни гелия, 2р- уровни неона, аргона и криптона и 2р-, 3(1-, 4с1- и Зр- уровни ксенона.

Практически все эти сечения были измерены впервые, как в нашей стране, так и за рубежом.

6. Проведен анализ полученных результатов и проведено сравнение с измеренными позже данными других работ.

- Показано, что для процесса образования метастабильных атомов тяжелых инертных газов основным процессом заселения метастабильных состояний является каскад и измеренные сечения являются эффективными; сечения прямого электронного возбуждения измерены до порога появления каскадов;

- отмечено, что этот впервые сделанный вывод позволяет правильно объяснить расхождение в результатах некоторых других работ как несопоставимых;

- дана критическая оценка некоторых недавно появившихся литературных данных для сечений образования уровней метастабильных атомов, основанная на некорректности способа получения этих данных как очень малой разности двух больших сигналов, определенных со значительной погрешностью;

- впервые в прямом эксперименте систематически показано, что процесс электронного возбуждения из метастабильных состояний характеризуется в 102 - 104 раз большими сечениями, чем электронное возбуждение из основного состояния, и для каждого исследованного уровня приведены эти отношения; отмечено, что значения величин этих отношений представляют ценность как измеренных с большой надежностью;

- указано на возможность дальнейшего уточнения приведенных данных по сечениям электронного возбуждения из метастабильных состояний в соответствии с уточнением литературных данных для сечений возбуждения из основного состояния.

7. Разработанные методики, впервые измеренные с их помощью сечения, весь накопленный материал позволили думать, что пришло время поменять стратегию в этом вопросе. Параллельно с совершенствованием методик, созданием новых установок, с дальнейшим уточнением результатов требуется проводить обобщение накопленного материала, и в настоящей работе предлагается, как это сделать.

8. Предложена, разработана и апробирована концепция обобщения совокупного литературного результата по сечениям вообще и сечениям образования и возбуждения метастабильных атомов, в частности. Концепция основана на использовании предложенной нами 4-х параметрической аппроксимации энергетической зависимости сечения электронного возбуждения, опирающейся на известные общефизические законы электронно-атомного взаимодействия и "глобальной" интерполяции по всему литературному набору имеющихся данных для исследуемого сечения при каждой конкретной энергии электронов.

9. В соответствие с предложенной концепцией обработаны все данные для сечений электронного возбуждения атомов гелия из основного и метастабильных состояний и сечений образования и возбуждения метастабильных состояний атома аргона для них приведены соответствующие параметры аппроксимации и обобщенные величины сечений в максимумах функций возбуждения.

10. Показано, что весь набор литературных данных, полученных разными методами, в разных группах, в разное время укладывается в довольно стройную систему, даже в тех случаях, когда казалось, что первоначальные данные не слишком хорошо согласуются друг с другом. Это позволило сделать вывод, что вычисленный таким образом совокупный результат имеет большую надежность и, видимо, точность, чем исходные, поскольку погрешности разных методов бывают направлены в разные стороны, и при таком подходе частично компенсируют друг друга.

11. Полученные при этом обобщении результаты для исследованных нами процессов в инертных газах позволили более ярко и полно продемонстрировать некоторые закономерности, не противоречащие известным теоретическим положения.

- это сериальные закономерности для всех Б-, Р-, Б- уровней Не с одинаковым показателем степени, равным 3.2 для возбуждения из основного состояния атома и с показателем, примерно равным 5-ти -для возбуждения из метастабильных состояний;

- разные зависимости скоростей энергетического спада сечений для обменных и безобменных переходов: соответствующие показатели степени при этом равны, соответственно, трем и одному;

- проверить зависимостей сечений от энергии электронов на выполнимость правила подобия Бете.