ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 97, № 4, с. 544-558
^ АТОМНАЯ
СПЕКТРОСКОПИЯ
УДК 539.18
ЭЛЕКТРОННОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМОВ АРГОНА В МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ И ИЗ МЕТАСТАБИЛЬНЫХ В ВЫШЕЛЕЖАЩИЕ
© 2004 г. А. А. Митшрева, В. В. Смирнов
Научно-исследовательский институт физики Санкт-Петербургского государственного университета
198504 Петергоф, Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 17.06.2003 г. В окончательной редакции 30.03.2004 г.
Детально исследованы образование метастабильных состояний 3р54,у атома аргона электронным ударом и электронное возбуждение из этих метастабильных состояний на вышележащие уровни 3р54р Аг1. Определены сечения электронного возбуждения при использовании ранее предложенного подхода к обобщению экспериментальных и теоретических результатов. Предложенный метод состоит в интерполяции по всему набору значений сечений для каждого из исследованных уровней аргона, измеренных в собственных работах и полученных из данных других авторов, с помощью че-тырехпараметрической аппроксимации зависимостей сечений от энергии налетающих электронов.
I. ВВЕДЕНИЕ
Аргон занимает особое место среди инертных газов в связи с его относительно большим присутствием в атмосфере Земли (по процентному содержанию он занимает третье место после азота и кислорода) и по частому использованию в плазменных средах: естественных и лабораторных, атмосферных, лазерных и других. Аргон - инертный газ, однако, находясь в метастабильном состоянии, он становится высокореакционно способным и соответственно может играть большую роль в процессах взаимодействия микрочастиц между собой.
Известно, что в физике элементарных процессов метастабильными называют состояния, из которых правилами отбора запрещены спонтанные переходы. Таким образом, метастабильные атомы оказываются мощными аккумуляторами энергии с временами жизни, на много порядков величины превышающими времена жизни других возбужденных состояний и время протекания многих фото- и электрохимических реакций. Кроме того, весьма велики сечения взаимодействия метастабильных атомов с другими частицами. В частности, как показали наши работы [1-8] и работы других авторов [9-14], в реакциях взаимодействия метастабильных атомов с электронами эти сечения сильно превышают соответствующие вероятности взаимодействия электронов с атомами в основном состоянии, а именно, в 102104 раз. Таким образом, наличие метастабильной компоненты в среде делает последнюю активированной, чем преодолевается потенциальный барьер многих элементарных и химических реакций, протекающих в ней.
Необходимость учета метастабильных образований в общем балансе процессов в активной среде, необходимость правильной оценки их парциальных плотностей требуют знания констант образования и разрушения метастабильных атомов, причем знать эти константы надо, естественно, в абсолютной мере. Главными из таких констант являются сечения взаимодействия с электронами и зависимость этих сечений от энергии взаимодействия.
Настоящая работа по исследованию взаимодействия электронов и метастабильных атомов аргона преследует две главные цели.
Первая - это определение вероятности образования метастабильных атомов Аг при столкновениях электронов с атомами аргона, находящимися в основном состоянии:
Аг0 + е = Агт5 + е
(назовем этот процесс образованием метастабильных состояний (ОМС)), и вероятности разрушения метастабильных атомов электронным ударом с соответствующим возбуждением вышележащих уровней:
Агт + е = Аг** + е
(возбуждение метастабильных состояний (ВМС)). Схематическое изображение соответствующих уровней приведено на рис. 1. Работа основана на собственных измерениях сечений названных процессов, а также на анализе литературных данных.
Вторая - это обоснование и использование предложенного нами в [15] общего подхода к представлению совокупной информации по рас-
сматриваемому вопросу на основании данных всех опубликованных работ. Мы рассматриваем все опубликованные работы, не только свои и не выборочно. Более подробные пояснения и мотивировка сказанного будут приведены ниже.
1. Для аргона данных о сечениях ОМС атомом сравнительно немного и они во многом противоречивы. Наиболее полные сведения о сечениях ОМС содержатся в оригинальных работах [1628] и нашем обзоре [25]. Основная причина противоречий, как нам кажется, состоит в недостаточно четком определении, сечение какого именно процесса исследуется. Дело в том, что в подавляющем количестве экспериментальных работ сечение ОМС находится не путем регистрации рассеянных электронов, а путем регистрации образовавшихся метастабильных атомов, а они, кроме прямого электронного удара, могут быть заселены еще и каскадным процессом.
Для пояснения сказанного остановимся на терминологии. Под эффективными сечениями Qom мы, как принято в литературе, понимаем сумму
сечения Q'0nn прямого электронного возбуждения уровня т из основного состояния и всех оптических сечений д1т при каскадном заселении уровня т с вышележащих уровней I:
Qom = Qom + ^
(1)
l > m
Qmk = ^ qki - ^ qlk,
(2)
i < k
k < l
BOC
m
Рис. 1. Упрощенная схема уровней и процессы, изучаемые в работе (о - основной уровень; г, к, I - излучающие уровни; т - метастабильный уровень; прямая стрелка е - электронное возбуждение уровня, волнистая стрелка - спонтанное разрушение; ВОС - процесс возбуждения из основного состояния, ВМС -возбуждение из метастабильного состояния, ОМС -процесс образования метастабильного состояния.
есть сумма оптических сечений всех спектральных линий, испущенных с уровня к на нижележащие, а второй - сумма оптических сечений всех каскадных переходов на уровень к. Таким образом, в пренебрежении каскадными переходами
а оптические сечения есть сечения возбуждения спектральных линий ц_1т, возникающих как при прямом электронном возбуждении уровня I из всех состояний к (с сечениями Qkl, где к < I), так и за счет каскадных спонтанных переходов на него со всех высоколежащих уровней, которые в свою очередь также заселяются прямым электронным ударом и путем каскадных переходов (рис. 1). Оптическими эти сечения названы потому, что они измеряются оптическим путем по регистрации спонтанного излучения. Оптические сечения связаны с сечением прямого возбуждения уровня
Q'nmk (а именно оно представляет конечную константу и им оперирует теория, что важно для сопоставления теории и эксперимента) соотношением (1) для метастабильных уровней. Для излучающих уровней, возбужденных в процессе ВМС, соотношение между сечением прямого возбуждения уровня к из метастабильного состояния т и оптическими сечениями д имеет вид
Qmk = Qmk ~ ^ qkr
(3)
i < k
т.е. прямое сечение ВМС приближенно равно эффективному сечению Qmk этого состояния и может быть определено через сумму оптических сечений всех линий, испущенных с него. Если из всей суммы рассматривается только одно слагаемое, пусть соответствующее самой сильной линии, то в этом случае
nef
Qmk ~ qki
(4)
где суммирование ведется по г от 1 до к - 1 и по I от к + 1 до бесконечности. Первый член разности
Такое пояснение терминологии нам кажется не бесполезным, поскольку имеются факты неверного сопоставления несопоставимых данных, которые приводят к ошибочным выводам (см. раздел IV). И кроме того, как уже было отмечено в [8], используемое иногда зарубежными авторами (например, в работах [9, 12, 29]) вместо общепринятого и понятного термина "оптические сечения" термина "кажущиеся сечения" (Qapp - apparent cross section) нам представляется неудачным, так как он не отражает сути явления, вносит путаницу, что, возможно, и приводит к неверным сопоставлениям.
l
o
Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки. НК - лампа с полым катодом, Г1-Г3 - генераторы прямоугольных импульсов; -К, +А и С3 - катод, анод и система формирующих электронный пучок электродов, т - время задержки строб-импульса.
U
ВМС
U
Рис. 3. Временная диаграмма импульса напряжения электронной пушки. ^омс и ^вмс - напряжения, соответствующие ОМС- и ВМС-процессам.
2. Что касается процесса электронного возбуждения из ВМС атомов на вышележащие уровни, то он еще менее изучен по сравнению с ОМС [1, 3, 6, 9-11, 13, 30], и расхождение в результатах разных работ довольно заметное.
3. Выполняемая работа по определению сечений ОМС и ВМС включала в себя три основных этапа: а) измерение абсолютных собственных значений сечений ОМС и ВМС 2р-уровней атома Лг методом двухимпульсного пучка электронов в газовой ячейке при оптической регистрации сигналов возбуждения путем измерения концентрации метастабильных атомов Лг в 3P2(1s5)- и 3Р0(1 ^-состояниях методом оптического поглощения, измерения абсолютных яркостей спектральных линий 2p1-10 —► 1я2-5-переходов; б) анализ литературных данных, полученных при помощи методов, используемых для нахождения эффективных сечений и сечений ОМС и ВМС, определение сечений и их зависимостей от энергии возбуждающих электронов; в) обработка и сопоставление всех полученных результатов и ис-
пользование их для получения обобщенных сечений ОМС 1я3, 5-уровней и сечений ВМС 2р1-10-уровней атома аргона при возбуждении их раздельно из 1я5- и 1^3-состояний в соответствии с нашим общим подходом к обобщению совокупной информации.
II. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА
Эксперимент
Идеи используемых нами экспериментальных методов измерения абсолютных величин сечений ОМС и ВМС опубликованы в [1, 18, 25, 30], а краткое их изложение состоит в следующем.
Для исследования ВМС и ОМС методом пучка электронов в газовой ячейке (рис. 2) через камеру возбуждения, заполненную спектрально чистым аргоном под низким давлением, пропускается дву-химпульсный пучок моноэнергетических электронов, первый импульс которого имеет энергию, соответствующую максимальной вероятности образования метастабильных состояний (МС), а второй, сдвинутый во времени относительно первого на регулируемую задержку, соответствующую времени жизни МС, имеет переменную энергию, позволяющую переводить их в более высокое возбужденное состояние, которое регистрируется оптически при его последующем спонтанном разрушении (рис. 3).
При испол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.