УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МАРУШКА ВІКТОР ІВАНОВИЧ

УДК 539.18

ПРОЦЕСИ НАДПРУЖНОГО РОЗСІЯННЯ ЕЛЕКТРОНІВ

НА МЕТАСТАБІЛЬНИХ АТОМАХ МАГНІЮ ТА СТРОНЦІЮ

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 – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Ужгородському національному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Шафраньош Іван Іванович

Ужгородський національний університет,

професор кафедри квантової електроніки

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук

Щедрін Анатолій Іванович

Інститут фізики Національної Академії наук України,

відділ газової електроніки, м. Київ

провідний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук, професор

Лазур Володимир Юрійович

Ужгородський національний університет,

завідувач кафедри теоретичної фізики

Провідна  установа:   Київський національний університет

імені Тараса Шевченка Міністерства освіти і

науки України, радіофізичний факультет,

кафедра фізичної електроніки, м. Київ

Захист відбудеться 27 грудня 2002 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К .051.01 при Ужгородському національному університеті за адресою: 88000, м. Ужгород, вул. Волошина, 54, аудиторія 181.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Ужгородського національного університету (88000, м. Ужгород, вул. Капітульна, 9).

Автореферат розісланий 22 листопада 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук,

професор Блецкан  Д. І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Експериментальне вивчення процесів зіткнень за участю електронів та збуджених атомів дає вкрай необхідну інформацію, яка використовується для побудови фундаментальних фізичних моделей атомних систем та перебігу елементарних процесів зіткнень. Поряд з цим їх вивчення забезпечує дані, які можна безпосередньо застосувати там, де величини концентрацій збуджених атомів є значними, зокрема, в лазерних, іонізованих, плазмових середовищах природного та штучного походження. Ці чинники обумовлюють пріоритетність досліджень процесів зіткнень, а також й те, що їх вивчення представляє як фундаментальний, так і практичний інтерес.

Найменш вивченою залишається область малих енергій, де можливості як експерименту, так і теорії суттєво обмежені. Саме в цій області серед зіткнувальних процесів істотно зростає ймовірність перебігу надпружного розсіяння електронів. Однак, незважаючи на свою важливість, вивчення надпружного процесу знаходиться на початковому етапі. Майже відсутні дані, що стосуються його ефективного перерізу – в літературі зустрічаються лише поодинокі спроби встановлення величин диференціального перерізу надпружного розсіяння електронів на атомах натрію [1] та визначення коефіцієнтів швидкості реакції, а на їх основі – знаходження усереднених перерізів надпружного розсіяння електронів на атомах інертних газів [2] та атомах ртуті [3]. Тому для даного наукового напрямку актуальним є створення надійної методичної та експериментальної бази, постановка та проведення повних експериментальних досліджень хоча б для одного елементу. Зважаючи на те, що будь-які дані з надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію відсутні взагалі, проведення експериментів для цих атомів наразі також є актуальним і розширює клас досліджуваних елементів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені у дисертаційній роботі результати отримані у відділі електронних процесів Проблемної науково-дослідної лабораторії фізичної електроніки УжНУ. Здійснені дослідження входили складовими частинами у виконання двох держбюджетних науково-дослідних тем: “Визначення основних характеристик непружних взаємодій електронів малих енергій з метастабільними атомами та бімолекулярними структурами” (№держреєстрації теми 0100U005342, 1999-2002 рр.); “Отримання нових даних про утворення від’ємних іонів в процесах зіткнень електронів з метастабільними атомами кальцію та барію” (№держреєстрації теми 0198U003111, 1996-1998 рр.)”.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень було проведення комплексних досліджень з надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію, які включали в себе створення комплексної експериментальної установки, розробку методик із виявлення надпружного процесу, знаходження абсолютних величин перерізів та їх енергетичних залежностей, пошук механізмів перебігу даного процесу. Для реалізації поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі дослідження:

1. Створення експериментальної установки для одержання спектрів втрат енергій розсіяних електронів на метастабільних атомах з метою виявлення явища надпружного розсіяння електронів.

2. Вибір оптимального джерела первинного пучка електронів, яке б дозволяло отримати пучок електронів достатньої інтенсивності та необхідної енергетичної неоднорідності в області малих енергій.

3. Створення експериментальної установки для знаходження енергетичної залежності перерізу надпружного процесу та його абсолютної величини.

4. Проведення експериментів з надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію і стронцію, отримання енергетичних залежностей перерізів надпружного розсіяння та їх абсолютних величин.

5. Пошук механізмів перебігу надпружного процесу та його модельне описання.

Наукова новизна одержаних результатів. Всі отримані в дисертаційній роботі результати мають пріоритетний характер у світовій практиці. Зокрема, вперше:

1. В спектрах втрат енергій розсіяних електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію виявлено лінії, викликані процесом надпружного розсіяння електронів на триплетних метастабільних станах цих атомів.

2. В області енергій, менших 2 еВ виявлено випромінювання спектральних ліній на довжині хвилі інтеркомбінаційного переходу для атомів магнію та стронцію відповідно. Встановлено, що дане випромінювання є результатом розпаду збуджених станів негативних іонів. Запропоновано оригінальну зондову методику безпосередньої реєстрації негативних іонів, яка базується на особливостях руху заряджених частинок в електричному та магнітному полях.

3. Визначені енергетичні залежності та абсолютні величини перерізів надпружного розсіяння електронів на атомах магнію та стронцію, в яких виявлено резонансну структуру. Встановлена фізична природа походження цієї структури, яка обумовлена внеском процесу утворення та розпаду негативних іонів. Запропонована двоканальна модель перебігу надпружного процесу дістала своє експериментальне підтвердження.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в дисертаційній роботі результати мають як фундаментальне, так і прикладне значення. Зокрема, описуються деякі аспекти взаємодії електронів та збуджених атомів, розкривається динаміка їх надпружної взаємодії. Встановлені нові механізми утворення та розпаду збуджених станів негативного іону у процесах взаємодії електронів із метастабільними атомами. Отримані результати дали цінну інформацію про багатоканальність перебігу процесів надпружного розсіяння та розпаду негативних іонів, а також стосовно переходів між збудженими системами атома та іона.

Визначені основні закономірності й характеристики надпружного процесу та наукова інформація, отримана в роботі, також можуть бути впроваджені для: аналізу механізму та динаміки енергообміну в лазерних, плазмових та іонізованих середовищах; встановлення повних кількісних характеристик зіткнувальних процесів в таких середовищах; моделювання елементарних процесів у космічних об’єктах та в атмосферах планет; розрахунків та конструювання лазерних пристроїв на парах металів; подальшого теоретичного та експериментального вивчення інших класів досліджуваних елементів.

Особистий внесок здобувача. Розробка та виготовлення певних вузлів комплексної експериментальної установки, а саме: джерела пучка електронів та енергоаналізатора розсіяних електронів для запису електронних спектрів, створення відповідної системи реєстрації; створення плоского енерго-аналізатора електронів гальмівного типу для встановлення величини ефективного перерізу надпружного процесу; розробка та виготовлення зондової системи для реєстрації утворених негативних іонів. Створення відповідних методик дослідження та обробки результатів на різних етапах проведення експериментів. Підготовка та проведення експериментальних досліджень на всіх його етапах. Обробка, аналіз та інтерпретація отриманих результатів, підготовка та написання наукових статей, основних положень та висновків дисертаційної роботи.

Разом з тим слід відмітити, що всі статті написані у співавторстві з науковим керівником, оскільки в експериментах використовувалися деякі ідеї, розробки та конструкційні елементи, створені раніше науковим керівником, як то джерело пучка метастабільних атомів, система реєстрації оптичних вимірів та методичний підхід до вивчення процесів іонізації атомів як з основного, так і з метастабільних станів. Теоретичні R-матричні розрахунки перерізів надпружного процесу для магнію проведені групою теоретиків.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на всеукраїнських та міжнародних наукових конференціях: Міжнародних конференціях з фізики електронних та атомних зіткнень (ICPEAC) – XX (Відень, Австрія, 1997 рік) і 21йСендай, Японія, 1999 рік), VI Єврофізичній конференції з атомної та молекулярної фізики (ECAMP) (Сієна, Італія, 1998 рік), Першій єврофізичній конференції “Елементарні процеси в атомних системах” (CEPAS) (Ужгород, Україна, 2000 рік), XV Єврофізичній конференції “Атомна й молекулярна фізика іонізованих газів” (ESCAMPIG) (Мішкольц, Угорщина, 2000 рік), Першій міжнародній науковій конференції молодих вчених з прикладної фізики (IYSCAP) (Київ, Україна, 2001 рік), Всеукраїнській конференції молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики “ЕВРІКА-2002” (Львів, Україна, 2002 рік), 34 Єврофізичній конференції “Європейська група з атомної спектроскопії” (Софія, Болгарія, 2002 рік).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 12 друкованих наукових працях, список яких приводиться в кінці автореферату.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 152 сторінки друкованого тексту. Вона містить 54 рисунки та 4 таблиці, які займають повністю 23 сторінки роботи, а список використаних джерел налічує 85 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, сформульовано мету і задачі досліджень, визначені наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, відображено особистий внесок здобувача, апробацію і публікації результатів дисертації.

У першому розділі розкрито суть основних фізичних понять, що використовуються в даній роботі, розглянуто основні експериментальні методи дослідження процесу надпружного розсіяння електронів на збуджених атомах. Приведений аналіз літературних даних стосовно експериментального і теоретичного вивчення досліджуваного процесу показав, що практично відсутні залежності перерізів надпружного процесу від енергії налітаючих електронів. Виявлено значні розбіжності (до двох порядків) у абсолютних величинах ефективних перерізів надпружного процесу, отриманих різними авторами для одного елементу. Вказується на можливі джерела таких розбіжностей.

У кінці розділу сформульовано висновки.

У другому розділі описані експериментальні установки для запису спектрів розсіяних електронів та визначення абсолютних величин перерізів надпружного процесу, їх енергетичних залежностей, детально розглянуті окремі їх вузли та системи реєстрації корисного сигналу. Описано методики запису спектрів втрат енергій розсіяних електронів та визначення абсолютних величин перерізів процесу, їх енергетичних залежностей. Приведено результати контрольних дослідів, розглянуто калібрування енергетичних шкал та похибки вимірювань.

Для дослідження процесу надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах були сконструйовані оригінальні експериментальні установки, що складалися із вакуумної камери з системою помпування, електронного спектрометра та системи реєстрації утворених продуктів реакції. Реалізація досліджень здійснювалася у три послідовні етапи.

Метою досліджень на першому етапі було створити експериментальні засоби виявлення та спостереження процесу надпружного розсіяння електронів. Для цього був використаний такий експериментальний прийом, як запис спектрів втрат енергій розсіяних електронів. Для одержання первинного пучка електронів використовувалися п’ятиелектродна електронна гармата або 90° циліндричний монохроматор електронів, а енергетичний аналіз розсіяних електронів вівся за допомогою 127° циліндричного аналізатора. Пучок метастабільних атомів одержувався шляхом пропускання пучка нормальних атомів, отриманих ефузійним способом, через розрядну камеру. Пучок атомів перетинався з пучком електронів під прямим кутом. Розсіяні електрони спостерігалися під кутом 90° до площин електронного й атомного пучків. Дана установка дозволяла проводити записи спектрів втрат енергій розсіяних електронів на атомах в основному та метастабільних станах. За нуль енергетичної шкали в спектрі втрат енергій бралося положення лінії пружно розсіяних електронів. Калібрування шкали енергій налітаючих електронів здійснювалося, використовуючи вольт-амперну характеристику джерела пучка електронів. Енергетичні роздільності спектрометра визначалася експериментально і складали відповідно 0.2 еВ та 0.4 еВ для випадків, коли в якості джерела пучка електронів використовувався 90° циліндричний монохроматор електронів та п’ятиелектродна електронна гармата.

Завданням другого етапу досліджень було знаходження абсолютної величини перерізу надпружного розсіяння та його енергетичної залежності. Для його виконання було створено експериментальну установку та розроблено відповідні методики досліджень. На цьому етапі для одержання первинного пучка електронів був виготовлений трохоїдний електронний монохроматор (ТЕМ) на основі роботи [4]. Методика досліджень полягала в наступному. Пучок електронів перетинався в області зіткнень під прямим кутом з пучком атомів, що містив атоми в основному та метастабільних станах. Розсіяні на атомах електрони спостерігалися вздовж напрямку поширення електронного пучка (“розсіяння вперед”). Аналізатор енергій розсіяних електронів був гальмівного типу і представляв собою систему з трьох плоских електродів з круглими діафрагмами. Потенціали крайніх електродів задавалися рівними прискорюючому потенціалу, а на середній електрод подавався затримуючий від’ємний потенціал, близький по величині до потенціалу катоду. Створений потенціальний бар’єр могли подолати тільки надпружно розсіяні електрони., які в результаті взаємодії з метастабільними атомами отримали надлишок їх енергії збудження. Процедура вимірів проходила наступним чином. На двокоординатному самописці реєструвалася залежність величини сигналу від прискорюючого потенціалу. Ця залежність, віднесена до значення струму первинного пучка електронів, визначала енергетичну залежність перерізу надпружного розсіяння електронів у відносних одиницях в області заданих кутів розсіяння. Експериментальні виміри проводилися для енергій налітаючих електронів Е .15   В. Величина затримуючого потенціалу аналізатора бралася меншою на десяті долі величини потенціалу збудження першого метастабільного рівня досліджуваного атома. Аналізований кутовий діапазон розсіяння при цьому знаходився у межах  .2  .3 рад, а енергетична роздільність спектрометра для таких умов була не гіршою 0.1 еВ.

Абсолютну величину перерізу надпружного розсіяння електронів вдалося визначити шляхом його нормування на відомий переріз іонізації метастабільних атомів електронним ударом. У роботі під слід розуміти частину інтегрального перерізу надпружного розсіяння електронів в діапазоні кутів розсіяння , межі якого визначаються кутовим розділенням аналізатора. Відносна похибка у визначенні абсолютної величини складала ~ %. У випадку вимірюванні відносної величини загальна похибка складала ~ %. Калібрування шкали енергій налітаючих електронів проводилося по порогу функції іонізації атомів з основного стану з похибкою 0.1 еВ.

Зіставлення одержаних в роботі контрольних даних зі спектрів втрат, функцій іонізації та збудження свідчить про добре їх узгодження з відомими результатами та про коректність запису спектрів втрат і вимірювань енергетичних залежностей перерізів процесів, що приводяться у дисертації.

У кінці розділу сформульовані висновки.

У третьому розділі приведені результати досліджень надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію і стронцію та їх обговорення. Дається інтерпретація виявлених особливостей на енергетичних залежностях перерізу розсіяння та пропонується модель перебігу процесу.

Напочатку розділу наводяться спектроскопічні характеристики атомів магнію та стронцію. В подальшому приводяться спектри втрат енергій розсіяних електронів на атомах магнію та стронцію для енергії первинного пучка електронів 15 еВ. При записі спектрів в експериментах з атомами магнію в якості джерела первинного пучка електронів використовувалися електронна гармата, а з атомами стронцію – 90° циліндричний монохроматор. Записи спектрів велися для двох випадків – коли в атомному пучку була наявна лише атоми в основному стані і для випадку, коли в пучку були присутні й атоми у метастабiльних станах. Результати отримані для кута розсіяння  ° і приведені на рис. , а їх співставлення вказує на чіткі відмінності між ними. Аналіз їх на прикладі магнію показує наступне. У випадку розсіяння електронів тільки на атомах в основному стані (спектр на рис.  а) домінуючий пік при нульовій втраті енергії характеризує пружне розсіяння. В області додатних втрат енергій спостерігаються піки, які відносяться за рахунок збудження нижніх триплетних (перший пік) та синглетного (другий пік) Р-рівнів. В області від’ємних втрат енергій відмічаються лише статистичні коливання фонового сигналу. У випадку, коли в атомному пучку присутні й атоми в метастабільних станах (спектр на рис.  а), в області від’ємних втрат при енергії ~ .71 еВ помітно виділяється пік, що не має аналогів на спектрі . Він відповідає надпружному розсіянню електронів на метастабільних 3Р0,2-станах атома магнію.

Рис. . Спектри втрат енергій електронів, розсіяних на атомах магнію (а) та стронцію (б) для енергії пучка 15 еВ та кута розсіяння  °: 1 – в атомному пучку присутні тільки атоми в основному стані; 2 – в атомному пучку наявні атоми в метастабільних станах.

Подібна картина відмічається і для атома стронцію, для якого на спектрах втрат спостерігається особливість при енергії ~ .8 еВ (спектр на рис.  б), яка характеризує надпружне розсіяння електронів на метастабiльних 3Р0,2-станах атома стронцію. Основним результатом цього етапу досліджень був доказ принципової можливості спостереження надпружного процесу у вибраних експериментальних умовах.

На другому етапі досліджень були встановлені енергетичні залежності перерізів надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію і стронцію та визначені їх абсолютні величини (криві на рис.  а та рис.  б).

Рис. . Енергетичні залежності перерізів для магнію (а) та стронцію (б): 1 – надпружного розсіяння електронів на метастабільних 3Р0,2 станах; 2 – утворення негативних іонів; 3 – збудження спектрального переходу 1S0-3P1.

Абсолютні величини перерізів надпружного процесу визначені при енергії 0.6 еВ і вони складали для атомів магнію та стронцію відповідно 310_ см2 та 2010_ см2. Аналіз отриманих залежностей на прикладі атома магнію вказує на певну структуру на отриманій кривій (рис.  а) у формі вузького максимуму при енергії 0.4 еВ. Звертає на себе увагу різкий ріст перерізу надпружного розсіяння для енергій, менших 0.2 еВ. Аналогічну картину спостерігаємо і для атома стронцію, для якого максимум лежить при енергії 0.45 еВ (рис.  б). Встановлений резонансний характер отриманих енергетичних залежностей не може бути пояснений з точки зору існуючої в літературі схеми перебігу надпружного процесу як потенціального розсіяння електрона на полі атома.

Встановлення природи походження виявлених особливостей складало зміст третього етапу досліджень. Було запропоновано модель перебігу надпружного процесу, згідно досліджуваний процес протікає за двома схемами: 1) потенціальна схема розсіяння електрона на полі атома; 2) схема включає в себе проміжкові ланку – утворення та розпад збуджених станів негативного іону. Згідно цієї моделі реакція перебігу надпружного процесу запишеться як: , де – атом до взаємодії в j-му збудженому стані; – негативний іон у збудженому стані;  – атом після взаємодії в i-му збудженому стані; та – відповідно налітаючий та розсіяний електрони. Розгляд сказаного проілюстровано на прикладі магнію. Збуджені стани іону утворюються на триплетних 3s3p 3Р0,2 станах атома магнію. У відповідності з [5] слід вважати, що найбільш ймовірно проходить утворення конфігурації 3s3p2 станів , оскільки рівні такої конфігурації лежать найнижче. Проведений аналіз показав, що для такої конфігурації можливі чотири системи термів – квартет 4Р та дублети 2D, 2S і 2P, і схема утворення збуджених станів має наступний вигляд: . Дані з енергетичних положень таких термів у літературі практично відсутні. У дисертації проведені розрахунки положень цих станів , застосовуючи екстраполяцію вздовж ізоелектронного ряду AlI, SiII, PIII, SIV, ClV. Використовуючи правила відбору (випадок LS-зв’язку), можливі схеми розпаду станів виглядають наступним чином ( - заборонений перехід):

Запропонована схема передбачала експериментальну перевірку: 1) безпосередню реєстрацію утворених негативних іонів; 2) розпад негативного іону у атомний стан 3 3Р1, який у свою чергу радіаційно розпадається в основний стан (спектральний перехід 3 1S0 _  3P1). Дослідження проводилися на комплексній експериментальній установці із залученням систем виявлення й реєстрації іонів та фотонів, які могли утворитися в області перетину електронного й атомного пучків. Запропонований методичний підхід дозволив вперше безпосередньо зареєструвати негативні іони магнію та визначити енергетичну залежність перерізу їх утворення , результат чого приведений кривою на рис.  а. Як випливає з рисунку, отримана залежність має вид вузького резонансу при енергії 0.45 еВ. Складний характер може бути проявом утворення іонів у різних станах. Абсолютну величину перерізу утворення негативних іонів знайдено шляхом його нормування на відомий переріз іонізації атомів з метастабільних станів для енергії 0.7 еВ, і в області максимуму вона досягає значення 310_ см2.

З метою виявлення можливих каналів розпаду негативних іонів досліджувалося випромінювання, стимульоване електронами в області їх перетину з атомним пучком. В результаті для випадку, коли в атомному пучку були присутні атоми в метастабільних станах, в області енергій електронів, менших 2 еВ, вперше було зареєстровано випромінювання спектральної лінії на довжині хвилі  .1 нм (перехід 3 1S0 _  3P1). Була отримана енергетична залежність перерізу збудження цієї спектральної лінії (крива на рис. . а), яка характеризується максимумом при енергії 0.5 еВ. Абсолютну величину перерізу визначено шляхом нормування на переріз збудження цього ж спектрального переходу з основного стану атома. В результаті для при енергії електронів 0.5 еВ була отримана величина 410_см2.

Співставлення отриманих енергетичних залежностей для магнію (рис.  а) вказує на практично повну їх подібність, а схема перебігу надпружного процесу виглядає наступним чином. Утворюються стани негативного іону конфігурації 3s3p2. У свою чергу розпад станів відбувається багатоканально. Найбільш ймовірним є розпад дублетних 2Р термів і проходить він виключно у триплетні 3 3Р атомні стани, причому найефективніше відбувається розпад у стан 3 3Р1, оскільки у цьому випадку можливий викид р-електронів з різними j. У свою чергу стан 3 3Р1 розпадається у радіаційному каналі з випромінюванням спектральної лінії з довжиною хвилі  .1 нм, що й реєструється в оптичному каналі. Максимум на функції збудження при енергії 0.5 еВ добре корелює з енергетичною віддалю між атомними та іонними станами, знайденою в роботі методом екстраполяції і рівною  .6 еВ і можна вважати, що в межах похибки калібрування енергетичних шкал вони співпадають між собою. Такий великий переріз радіаційного розпаду (410_см2 у максимумі) підтверджує високу ймовірність розпаду 2Р станів .

Розпад дублетного 2SЅ стану можливий вже у двох каналах – в атомні 3 3Рj та 3 1S0 стани. Внесок розпаду в основний 3 1S0 стан реєструється безпосередньо в надпружному каналі, причому знайдена величина перерізу складає в максимумі 310_ см2. Навіть за умови, що переріз розпаду в стани 3 3Рj такий самий, його внесок у заселення стану 3 3Р1 є дуже малий у порівнянні із внеском за рахунок розпаду дублетів 2Р. Енергетичне положення максимуму на кривій , визначене як 0.4 еВ, добре корелює з віддалю між станами 3 3Р та 2S, яка визначена і складає  .5 еВ, і можна вважати, що в межах похибок калібрування шкал енергій вони співпадають.

Прояв розпаду 2D станів слід чекати в області нульових енергій, що може проявитися на кривих і 2 у вигляді різкого росту ходу залежностейх при зменшенні енергії електронів до нульових значень. Найбільш складною представляється картина у каналі реєстрації утворених негативних іонів. Запропонована методика дозволяє реєструвати всі негативні іони, що не розпалися в області зіткнень. Знайдена величина , яка у максимумі склала 310_ см2, вказує на їх порівняно невелику кількість.

Таким чином, експериментально показано, що подібність кривих на рис.  а у частині співпадіння їх максимумів має закономірний характер, і свідчить про єдину природу походження вказаних особливостей, оскільки всі вони відображають процес утворення й розпаду негативного іону магнію, а тому є прямим підтвердженням пропонованої схеми перебігу надпружного процесу через негативний іон. Можна констатувати, що переріз надпружного процесу, який включає в себе як потенціальне розсіяння, так і розсіяння через негативний іон, у максимумі характеризується величиною 410_см2.

Запропонований методичний підхід застосований і до атомів стронцію. Картина виявилася повністю подібною. Вперше було зареєстровано утворення негативних іонів стронцію на 5 3Р2 родоначальному стані, визначена енергетична залежність перерізу їх утворення та встановлена його абсолютна величина. Також в ході експерименту спостерігалося свічення спектральної лінії на довжині хвилі  .3 нм в області взаємодії електронного й атомного пучків. У результаті було отримано функцію збудження цього спектрального переходу. Дані результати приведені на рис.  б. Спостерігається подібність одержаних кривих у частині співпадіння їх максимумів, що свідчить про єдину природу походження цих особливостей, і що вони відображають процес утворення й розпаду негативного іону стронцію.

Для атома магнію виявилося можливим порівняти експериментальні результати з теоретичними розрахунками надпружного процесу, які були виконані методом сильного зв’язку у наближенні R-матриці з псевдостанами [6]. Відмічено задовільне узгодження експериментальних і теоретичних даних для енергій, більших за 0.4 еВ.

У кінці розділу сформульовано висновки.

Висновки містять результати досліджень, а саме:

1. Вперше виконані комплексні дослідження процесу надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію, які включали в себе дослідження спектрів втрат енергій розсіяних електронів та визначення ефективних перерізів надпружного процесу.

2. Показано, що особливості, виявлені на спектрах втрат енергій розсіяних електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію в області від’ємних втрат енергій спричинені перебігом процесу надпружного розсіяння електронів на триплетних метастабільних станах цих атомів.

3. Вперше визначені ефективні перерізи надпружного розсіяння електронів, максимальні числові значення яких складають відповідно 310_ см2 для магнію та 2010_ см2 для стронцію. На енергетичних залежностях перерізів надпружного розсіяння виявлена резонансна структура, для пояснення якої пропонується двоканальна модель перебігу процесу: 1) потенціальне розсіяння електрона на полі атома; 2) розсіяння через проміжкову ланку – утворення та розпад збуджених станів негативного іону. Пропонована модель дістала своє експериментальне підтвердження.

4. В області енергій електронів, менших 2 еВ для атомів магнію та стронцію вперше виявлено випромінювання спектральної лінії на довжині хвилі інтеркомбінаційного переходу. Встановлено, що дане випромінювання є результатом розпаду збуджених станів негативних іонів. Визначені ефективні перерізи збудження цих ліній, максимальні числові значення яких складають відповідно 410_см2 для магнію та 1010_см2 для стронцію. Запропоновано зондову методику безпосередньої реєстрації негативних іонів, яка базується на особливостях руху заряджених частинок в електричному та магнітному полях.

5. Проведена ідентифікація можливих збуджених станів негативного іону магнію трьохелектронної конфігурації 3s3p2, визначено їх енергетичне положення та детально розглянуті можливі канали їх розпаду.

6. Співставлення даних експериментальних та теоретичних досліджень процесу надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію виявило задовільне їх узгодження для енергій електронів, більших 0.4 еВ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Марушка  В. І., Угрин  С. Ю., Шафраньош  І. І. Надпружне розсіяння електронів на метастабільних атомах барію // Наук. вісн. Ужгородського ун-ту, сер. Фіз.- 1998.- №3.- С. –37.

2. Шафраньош  І. І., Марушка  В. І. Надпружне розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію // Журн. фіз. досл. - 2000.- Т. , №4.- С. –418.

3. Marushka  I. Measurement of cross section of superelastic electron scattering from magnesium // Uzhhorod Univ. Sci. Herald.- 2000.- №8, Pt .- P. –128.

4. Шафраньош  И. И., Марушка  В. И. Спектроскопические исследования распада отрицательных ионов, образовавшихся при взаимодействии ілектронов с метастабильными атомами магния // Опт. и спектр.- 2001.- Т. , №4.- С. –593.

5. Shafranyosh Shimon Bogacheva Gedeon Zatsarinna Zatsarinny Zajac  M. Measurement and R-matrix calculation of superelastic electron-scattering cross-section on the metastable (3s3p) 3P0,2 states in Mg // Uzhhorod Univ. Sci. Herald.- 2001.- №9.- P. –82.

6. Shafranyosh Observation of the superelastic electron scattering on the metastable Ba atoms // Absrt. of Contrib. Pap. XX.ICPEAC.- Vienna (Austria).- 1997.- P. .

7. Shafranyosh Experiments of the superelastic low-energy electron scattering by the metastable strontium atoms // Book of Abstr. ECAMPSiena (Italy).- 1998.- P. .

8. Ugrin Shafranyosh Studies of superelastic electron scattering by the metastable magnesium atoms // Absrt. of Contrib. Pap. 21Sendai (Japan).- 1999.- P. – .

9. Marushka Investigation of superelastic electron-magnesium scattering process // Abstr. of Invited Lectures and Contrib. Pap. XVMiskolc (Hungary).- 2000.- P. –119.

10. Superelastic electron collisions with excited magnesium atoms // Proc. of the First IYSCAP.- Kyiv (Ukraine).- 2001.- P. –178.

11. Шафраньош І., Марушка В. Ефективний переріз надпружного розсіяння електронів на 5s5p 3P0,2-станах атома стронцію // Збірник тез Всеукр. конфер. молодих наук. з теор. та експерим. фізики “ЕВРІКА”.- Львів (Україна).- 2002.- С. –154.

12. Shafranyosh The spectra of scattered electrons on normal and metastable atoms of magnesium // Absrt. Europhys. Confer. 34th EGAS.- Sofia (Bulgaria).- 2002.- P. – ).

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Shi Ying Vuљkoviж Bederson Superelastic electron scattering by polarized excited sodium // Phys. Rev. A- 1995.- V. , №5.- P. –3782.

2. Благоев  А. Б., Каган  Ю. М., Колоколов  Н. Б., Лягущенко  Р. И. Исследование функции распределения ілектронов по інергиям в плазме послесвечения. I // Журн. техн. физ.- 1974.- Т. 44, №2.- С. 333–338.

3.KovachevPetrovPopovSuperelastic collisions between slow electrons and excited Hg atoms // J. Phys. B- 1992.- V. , №7.- P. –1606.

4. Шпеник  О. Б., Совтер  В. В., Завилопуло  А. Н., Запесочный  И. П., Контрош  Е. І. Исследование резонансов в полных сечениях возбуждения атомов ртути медленными моноінергетическими ілектронами // ЖІТФ.- 1975.- Т. , №1(7).- С. –58.

5. Clark Atomic negative-ion resonances // Rev. Mod. Phys.- 1994.- V. .- P. .

6. Shafranyosh Shimon Bogacheva Gedeon Zatsarinna Zatsarinny Zajac Measurement and R-matrix calculation of superelastic electron-scattering cross-section on the metastable (3s3p) 3P0,2 states in Mg // Uzhhorod Univ. Sci. Herald.- 2001.- №9.- P. –82.

АНОТАЦІЇ

Марушка  В. І. Процеси надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 – фізична електроніка.- Ужгородський національний університет, Ужгород, 2002.

Дисертація присвячена експериментальному вивченню процесів надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію в умовах електронного й атомного пучків, що перетинаються. Створені експериментальні установки й відповідні методики для дослідження спектрів втрат енергій розсіяних електронів та для визначення абсолютних величин перерізів надпружного процесу і їх енергетичних залежностей. Вперше отримані спектри втрат енергій розсіяних електронів на метастабільних атомах, в яких присутні лінії, викликані процесом надпружного розсіяння електронів. Вперше визначені абсолютні величини перерізів надпружного розсіяння електронів на атомах магнію і стронцію та їх енергетичні залежності. На енергетичних залежностях перерізів виявлено резонансну структуру, для пояснення якої запропонована модель перебігу надпружного процесу. Вперше безпосередньо зареєстровані негативні іони та показані канали їх розпаду.

Ключові слова: надпружне розсіяння електронів, спектри енергетичних втрат, енергетична залежність ефективного перерізу, резонанси, модель перебігу процесу, збуджені стани негативного іону.

ABSTRACT

Marushka V.I. Processes of superelastic electron scattering by metastable magnesium and strontium atoms.– Manuscript.

Candidate of physical and mathematical sciences thesis, specialized field 01.04.04 – physical electronics.– Uzhgorod national university. Uzhgorod, 2002.

The thesis is devoted to the experimental investigation of superelastic electron scattering by metastable magnesium and strontium atoms in crossed electron and atomic beams. The original experimental set-ups and relevant methods for recording the scattered electron energy loss spectra and determining the absolute values of superelastic process cross sections and their energy dependences have been developed. The scattered electron energy loss spectra for metastable atoms have been obtained for the first time revealing the lines due to the superelastic electron scattering process. The absolute values of superelastic electron scattering by magnesium and strontium atoms and their energy dependences have been determined for the first time. The energy dependences of cross sections have revealed a resonance structure, which could be explained by the suggested two-scheme superelastic process model. The negative ions have been detected for the first time and the possible channels of their decay are shown.

Key words: superelastic electron scattering, energy loss spectra, energy dependence of effective cross section, resonances, model of process, excited states of negative ion.

АННОТАЦИИ

Марушка  В. И. Процессы сверхупругого рассеяния электронов на метастабильных атомах магния и стронция.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 – физическая электроника.- Ужгородский национальный университет, Ужгород, 2002.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, выводов и списка литературы (85 наименований). Общий объем диссертации составляет 152 страницы печатного текста. Она включает 54 рисунка и 4 таблицы, причем они занимают полностью 23 страницы работы.

Диссертация посвящена изучению процессов сверхупругого рассеяния электронов на метастабильных атомах магния и стронция в условиях пересекающихся электронного и атомного пучков. Созданы экспериментальные установки для исследования спектров потерь энергий рассеянных электронов и для определения абсолютной величины сечения сверхупругого процесса, его энергетической зависимости, разработаны методики исследований.

В ходе выполнения работы впервые получены спектры потерь энергий рассеянных электронов на метастабильных атомах. Результаты получены для энергии падающих электронов 15эВ и угла рассеяния 90°. На спектрах заметно проявляются линии, вызванные процессом сверхупругого рассеяния электронов на метастабильных триплетных состояниях магния и стронция.

Впервые определены абсолютные значения сечений сверхупругого рассеяния электронов на метастабильных атомах магния и стронция, измерены их энергетические зависимости. На зависимостях обнаружена резонансная структура, для объяснения которой предлагается двухсхемная модель протекания сверхупругого процесса. На подтверждение модели впервые непосредственно зарегистрированы отрицательные ионы и зарегистрировано излучение спектральной линии на длине волны интеркомбинационного перехода в области энергий, меньших 2 эВ, как результат электронного распада возбужденных состояний соответствующих отрицательных ионов в атомные состояния как для магния, так и для стронция. Впервые определены абсолютные сечения образования отрицательных ионов и возбуждения этих спектральных переходов, получены их энергетические зависимости. Проведён расчет энергий возможных состояний отрицательных ионов электронной конфигурации 3s3p2.

Ключевые слова: сверхупругое рассеяние электронов, спектры энергетических потерь, энергетическая зависимость эффективного сечения, резонансы, модель протекания процесса, возбуждённые состояния отрицательного иона.