ВСТУП
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
Іщенко Руслан Миколайович
УДК 535.343.2; 535:548
ОСОБЛИВОСТІ АВТОІОНІЗАЦІЙНИХ ПРОЦЕСІВ У L – ТА М – ЕЛЕКТРОННИХ ОБОЛОНКАХ АТОМІВ 3d – ТА 5d – ЕЛЕМЕНТІВ
01.04.07 – фізика твердого тіла
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико–математичних наук
Київ – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі загальної фізики
Київського національного університету
ім. Тараса Шевченка
Науковий керівник:
кандидат фізико-математичних наук, доцент
Боровий Микола Олександрович
Київський національний університет ім. Тараса Шевченка,
завідувач кафедри загальної фізики
Офіційні опоненти:
доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник
Зауличний Ярослав Васильович
Інститут проблем матеріалознавства ім.
І.М. Францевича НАН України, провідний науковий співробітник
доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник
Дегода Володимир Якович
Київський національний університет ім. Тараса Шевченка,
провідний науковий співробітник кафедри експериментальної фізики
Провідна установа:
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, м. Київ
Захист відбудеться „23” жовтня 2006 р. о 16:30 годині
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 в
Київському національному університеті ім. Тараса Шевченка
за адресою: 03022, м. Київ, проспект акад. Глушкова, 2,
корп.1, фізичний факультет, ауд. № 200
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці
Київського національного університету ім. Тараса
Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58
Автореферат розісланий „15” „вересня” 2006 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23
доктор фізико-математичних наук, професор Поперенко Л.В.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Серед напрямків рентгенівської спектроскопії твердих тіл в останні роки значну увагу привертають дослідження рентгенівських емісійних спектрів кратноіонізованих атомів. В першу чергу, це обумовлено практичними потребами подальшого підвищення точності методів рентгенівського флуоресцентного та електронно–зондового аналізу, що вимагає коректного виділення і врахування слабких рентгенівських емісійних ліній та смуг, які випромінюються при електронних переходах в атомах з декількома вакансіями у внутрішніх електронних оболонках (сателітні лінії). Присутність різних типів сателітів у спектрах рентгенівської К–, L– та М– емісії значно ускладнює інтерпретацію таких спектрів і потребує систематичних досліджень основних параметрів рентгенівських емісійних спектрів кратноіонізованих атомів. З іншого боку, спектри, що випромінюються атомами з декількома вакансіями у глибоких електронних оболонках, несуть суттєву інформацію про динаміку багатоелектронної взаємодії в атомі, механізми первинної іонізації атома бомбардуючими частинками та його подальшої автоіонізації, характер міжатомної взаємодії атома, що випромінює, з атомами найближчого оточення. Така експериментальна інформація є необхідною для розвитку сучасних багаточастинкових теоретичних моделей атому, які б коректно враховували електронні кореляції при відгуку електронної підсистеми атому на зовнішнє збурення. Нарешті, дослідження рентгенівської емісії кратноіонізованих атомів дозволяє визначати такі важливі фізичні параметри, як перерізи іонізації електронних оболонок атомів, ширини рівнів та виходи флуоресценції, швидкості радіаційних та безрадіаційних переходів, ефективні заряди атомів у твердому тілі тощо.
Незважаючи на фундаментальні дослідження процесів кратної іонізації атомів при взаємодії з потоками електронів та фотонів, які було виконано за останні 10–15 років, на сьогодні залишається нез’ясованим цілий ряд питань щодо фізики таких автоіонізаційних процесів, як радіаційний Оже–ефект (РОЕ) та переходи Костера–Кроніга (КК). Зокрема, загальноприйнята теоретична модель, що описує явища К–ММ та K–LM РОЕ, базується на одноелектронному наближенні миттєвого збурення [1]. Однак, такий підхід може виявитися обмеженим, оскільки не забезпечує врахування усіх основних типів міжелектронних кореляцій при двоелектронному однофотонному переході, яким є РОЕ. У свою чергу, відомі експериментальні значення відносних інтенсивностей рентгенівських емісійних спектрів К–ММ і К–LM РОЕ 3d–елементів є нечисельними та суперечливими. Отже, відсутність достовірних експериментальних даних щодо основних характеристик спектрів К–ММ і К–LM РОЕ 3d–елементів не дозволяє коректно враховувати сателіти РОЕ при виконанні рентгенівського елементного аналізу та з’ясувати можливість застосування одноелектронного наближення миттєвого збурення до опису такого явища, як РОЕ.
Значною проблемою при інтерпретації рентгенівських L–спектрів 5d–елементів, для яких енергетично дозволені КК– переходи типу L1–L3M5 (Z >73), є суттєве перевищення теоретичних значень ширини L1–рівня (Г(L1)) над експериментальними. Це обумовлено тим, що головний внесок у значення Г(L1) надає Костер–Кронігівська ширина, а теоретичне обчислення її частини, пов’язаної з виходом відносно повільного електрону при створенні вакансії в М–оболонці, в одноелектронному наближенні є досить неточним. Отже, вирішення проблеми уточнення ширини Г(L1) пов’язано з отриманням достовірних значень частини ширини L1– рівня, пов’язаної з КК– переходом типу L1–L3M5, тобто парціальної ширини Г13М. Необхідно відзначити, що відсутність точних значень ширини L1–рівня значно обмежує можливості визначення таких важливих параметрів, як ймовірності КК–переходів, виходи флуоресценції, перерізи іонізації L–підоболонок при електронному бомбардуванні та фотоіонізації тощо.
Інтенсивності ліній рентгенівської М–емісії надають суттєву інформацію як про будову зовнішніх 4d– та 4f– оболонок атомів 5d–елементів, так і про деякі важливі суто внутрішньоатомні параметри – перерізи іонізації М–підоболонок, радіаційні та безрадіаційні ширини відповідних рівнів тощо. В той же час, рентгенівські емісійні лінії М–серії важких елементів, зокрема 5d–елементів, мають досить складну природу, оскільки до 60% інтенсивності в них зумовлено радіаційними переходами в атомах з декількома вакансіями, що генеруються за рахунок чисельних каскадів КК– переходів у L– та M– підоболонках. Тому відомі в літературі спроби врахування таких каскадів не дозволили побудувати послідовну модель опису інтенсивностей ліній М–спектру, яка б коректно описувала результати експерименту та дозволяла визначати внески окремих типів автоіонізаційних процесів у загальну інтенсивність ліній М–емісії.
Таким чином, дослідження особливостей таких автоіонізаційних процесів, як радіаційний Оже–ефект та переходи Костера–Кроніга в атомах 3d– та 5d– елементів, є актуальним як з точки зору можливості практичного застосування для підвищення точності методів рентгеноспектрального аналізу твердих тіл, так і для подальшого розвитку сучасних багаточастинкових моделей опису електронної підсистеми атому та її взаємодії з потоками електронів і фотонів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі загальної фізики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка відповідно до плану наукових досліджень, передбачених д/б темою № 01БФ04–09 „Теоретичне та експериментальне дослідження фізичних властивостей неоднорідних систем на основі модифікованих вуглеграфітних матеріалів та матеріалів акусто – опто – електроніки”.
Мета і задачі дослідження
Мета даної роботи полягала у з’ясуванні особливостей автоіонізаційних процесів (радіаційний Оже–ефект та переходи Костера–Кроніга) у L– та M– електронних оболонках атомів 3d– та 5d–елементів за спектрами рентгенівської K–, L– та M– емісії. Для цього необхідно було вирішити наступні задачі:
Виконати систематичне експериментальне дослідження структури та відносних інтенсивностей рентгенівських емісійних спектрів радіаційного К–ММ та K–LM Оже–ефекту в атомах 3d–елементів Cr, Fe, Co, Ni, Cu та їх порівняння з відомими теоретичними розрахунками.
Експериментально дослідити відносні інтенсивності діаграмних та сателітних ліній Lв–спектру атомів 5d–елементів Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt з метою визначення парціальної ширини L1– рівня, пов’язаної з переходами Костера–Кроніга типу L1–L3M5.
Визначити відносні інтегральні перерізи іонізації L–підоболонок атомів W при електронному бомбардуванні за відносними інтенсивностями ліній Lв–спектру. З’ясувати на прикладі W, які з відомих теоретичних моделей найкращим чином описують процес іонізації L–підоболонок важких елементів Z > 70 при електронному ударі.
Розробити модель опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб– емісії в атомах 5d–елементів, яка б враховувала найбільш важливі канали генерації та міграції вакансій в М–підоболонках і дозволяла б визначити відносну інтенсивність М5N–сателітів. Експериментально перевірити коректність запропонованої моделі.
Об’єкт дослідження. Дана робота присвячується дослідженню автоіонізаційних процесів, які відбуваються у внутрішніх електронних оболонках атомів 3d– та 5d– елементів, при первинній іонізації атома електронами та фотонами.
Предмет дослідження. Предметом дослідження є радіаційний Оже–ефект К–ММ і K–LM типів в атомах 3d–елементів, переходи Костера–Кроніга та процеси струшування в L– та М– електронних підоболонках атомів 5d–елементів.
Методи дослідження. У роботі використовувався метод рентгенівської емісійної спектроскопії при збудженні спектрів електронним ударом та через фотоіонізацію. Рентгенівські емісійні К–спектри Cr, Fe, Co, Ni, Cu та Lв–спектри W при електронному ударі було отримано за допомогою брегівського спектрометра з плоским кристалом–аналізатором. Рентгенівські флуоресцентні Lв–спектри Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt та Мб– спектри Au було отримано при використанні спектрографу ДРС–2.
Наукова новизна одержаних результатів
Вперше виконано систематичне експериментальне дослідження структури та відносних інтенсивностей рентгенівських емісійних спектрів радіаційного Оже–ефекту К–ММ і K–LM типів в атомах 3d–елементів Cr, Fe, Co, Ni, Cu. Виявлено систематичне перевищення теоретичних значень відносних інтенсивностей обох типів РОЕ над експериментальними, що може бути зумовлене неврахуванням кореляційних ефектів у одноелектронній моделі миттєвого збурення при К–ММ і К–LM автоіонізації атомів 3d–елементів.
Запропоновано метод визначення парціальної ширини L1–рівня Г13М, пов’язаної з переходами Костера–Кроніга типу L1–L3M5, за експериментально визначеними відносними інтенсивностями ліній Lв–спектру 5d–елементів. Виявлено, що парціальна ширина Г13М в ряду елементів W, Re, Os, Ir, Pt монотонно зростає, залишаючись (за винятком Ir) у (2.3ч1.3) рази меншою, ніж передбачає розрахунок, виконаний у наближенні “заморожених” орбіталей.
Вперше визначено відносні інтегральні перерізи іонізації L–підоболонок атомів W при електронному бомбардуванні за експериментальними значеннями відносних інтенсивностей ліній L–спектру. Виявлено, що залежності відношень інтегральних перерізів іонізації L1–, L2– та L3– підоболонок W від енергії бомбардуючих електронів добре описуються у наближенні класичних бінарних співударів.
Розроблено модель опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб– емісії в атомах 5d–елементів, яка враховує найбільш важливі канали генерації та міграції вакансій в М–підоболонках і дозволяє розраховувати відносну інтенсивність М5N– сателітів.
Вперше виконано експериментальне дослідження відносної інтенсивності М5N– сателітів Au при різних енергіях іонізуючих фотонів. Встановлено коректність запропонованої моделі опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб– емісії в атомах 5d–елементів.
Практичне значення одержаних результатів
Отримані експериментальні значення відносних інтенсивностей та енергетичного положення компонентів структури слабких протяжних спектрів радіаційного Оже–ефекту К–ММ і K–LM типів 3d–елементів можуть бути використані для підвищення точності якісного і кількісного рентгенівського флуоресцентного та електронно–зондового аналізу твердих тіл.
Експериментально отримані значення парціальної ширини Г13М і проведене на їх основі корегування значень виходів процесів Костера–Кроніга f12, f13 та виходів флуоресценції щ1 для 5d–елементів W, Re, Os, Ir, Pt можуть бути використані для кількісного опису інтенсивностей ліній рентгенівського емісійного L– спектру зазначених елементів.
Відносні інтегральні перерізи іонізації L–підоболонок W при електронному ударі та відносні інтегральні перерізи фотоіонізації L–підоболонок W, Re, Os, Ir, Pt можуть бути використані при розв’язку задач кількісного рентгеноспектрального аналізу твердих тіл, теорії зіткнень електронів та фотонів з атомами.
Отримані значення числових параметрів напівемпіричної формули Бете можуть бути рекомендовані для розрахунків інтегральних перерізів іонізації L–підоболонок 5d–елементів при електронному ударі.
Запропонована модель опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб– емісії може бути використана для визначення ряду характерних атомних параметрів 5d–елементів, зокрема відносних інтегральних перерізів іонізації М– підоболонок.
Особистий внесок здобувача. Внесок здобувача в сумісно опубліковані за матеріалами дисертації роботи полягає у виконанні переважної частини експериментальних робіт по визначенню відносних інтенсивностей сателітних ліній К–, Lв– та Mб– спектрів досліджуваних елементів та значної частини проведених у роботі обчислень. Автор приймав участь у розробці методу визначення парціальної ширини L1– рівня Г13М та розробці моделі опису інтенсивностей ліній рентгенівського Мб–спектру. У всіх роботах, виконаних у співавторстві, здобувач безпосередньо брав участь в обговоренні та аналізі результатів досліджень, написанні та оформленні статей і матеріалів конференцій. Формулювання ідеї роботи, постановка задач досліджень та шляхів їх реалізації, підбір об’єктів та методик досліджень здійснено спільно з науковим керівником канд. фіз.-мат. наук, доцентом Боровим М.О. при участі доктора фіз.-мат. наук, професора Шияновського В.І.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на наступних конференціях:
III, IV, V International Young Scientists Conferences “Problems of Optics and High Technology Material Science” (Kyiv, 2002, 2003, 2004);
11th Young Scientists Conferences on Astronomy and Space Physics (Kyiv, 2004);
20th International Conference X05: X–ray and Inner–Shell Processes (Melbourne, Australia, 2005);
XXIV International Conference of Photonic, Electronic and Atomic Collisions ICPEAC 2005 (Rosario, Argentina, 2005);
13th Open Young Scientists Conferences on Astronomy and Space Physics (Kyiv, 2006).
Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено у 15 роботах, з них 6 статей, опублікованих у наукових журналах, і 9 тез доповідей на міжнародних та українських наукових конференціях.
Основний Зміст роботи
Вступ містить інформацію про актуальність теми дисертації, зв’язок роботи з науковими програмами, мету і задачі дослідження, наукову новизну одержаних результатів, їх практичне значення, особистий внесок здобувача та апробацію результатів дисертації.
У першому розділі наведено огляд літературних джерел, в яких досліджувалися автоіонізаційні процеси, що відбуваються в L– та М– електронних оболонках атомів 3d– та 5d– елементів.
Проаналізовано відомі в літературі експериментальні та теоретичні значення відносних інтенсивностей рентгенівських емісійних спектрів К–ММ і К–LM РОЕ для широкого кола елементів. Виявлено, що експериментальні значення відносних інтенсивностей спектрів К–ММ РОЕ 3d–елементів є досить суперечливими, а систематичні експериментальні дослідження структури та відносних інтенсивностей спектрів К–LM РОЕ зазначених елементів у літературі практично відсутні. Зроблено висновок про доцільність проведення систематичного експериментального дослідження відносних інтенсивностей рентгенівських емісійних спектрів К–ММ і K–LM РОЕ атомів 3d–елементів та їх порівняння з відомими теоретичними розрахунками, виконаними в одноелектронному наближені миттєвого збурення [1].
З’ясовано, що для 5d–елементів W, Re, Os, Ir, Pt теоретичні значення повних ширин L1– рівня Г(L1) суттєво перевищують відомі експериментальні та напівемпіричні значення, що обумовлено завищеними значеннями парціальної ширини Г13М, яка відповідає КК– переходам типу L1–L3M5.
В той же час, теоретичні значення парціальної ширини Г13М в одноелектронному наближенні розраховуються зі значною неточністю. Для зазначених елементів розрахунок Г13М з урахуванням багаточастинкових ефектів не проводився. Отже, вирішення проблеми уточнення ширини Г(L1) пов’язане з отриманням достовірних значень частини ширини L1– рівня, пов’язаної з переходами Костера–Кроніга типу L1–L3M5, тобто парціальної ширини Г13М.
Не зважаючи на існування значної кількості теоретичних та напівемпіричних методів обчислення інтегральних перерізів іонізації електронних оболонок атомів при електронному бомбардуванні до цього часу немає єдиного підходу щодо обчислення інтегральних перерізів іонізації L–підоболонок атомів 5d–елементів в області проміжних (1.254) та, особливо, біляпорогових (1.25) енергій налітаючих електронів (=Е0/Еі – перевищення енергії налітаючого електрона (Е0) над потенціалом іонізації (Еі) відповідної оболонки чи підоболонки).
Огляд робіт по дослідженню рентгенівських емісійних М–спектрів атомів 5d–елементів показав, що в літературі не представлено загальної моделі опису інтенсивностей ліній рентгенівського емісійного М–спектру, яка б враховувала найбільш важливі процеси генерації та міграції вакансій в М–підоболонках і дозволяла б визначити відносні інтенсивності діаграмних та сателітних ліній М–спектру атомів зазначених елементів. Зроблено висновок про актуальність розробки такої моделі.
Матеріал, представлений у першому розділі, використовувався при обговоренні оригінальних результатів.
У другому розділі дисертації розглянуто методи отримання експериментальних результатів. Дослідження рентгенівських емісійних спектрів К–ММ і К–LM РОЕ атомів 3d–елементів Cr, Fe, Co, Ni, Cu та L–спектрів W виконувалося за допомогою брегівського спектрометра з плоским монокристалом кварцу у другому та, відповідно, у третьому порядку відбивання від площин при сцинтиляційній реєстрації рентгенівського випромінювання. За джерело рентгенівського випромінювання використовувався модуль ИРИС–7М, який здійснював живлення рентгенівських трубок типу БСВ–29 з анодами Cr, Fe, Co, Ni, Cu та W. Наведено режими зйомки спектрограм та методику їх обробки, включаючи корекції, які враховували кутову залежність коефіцієнта відбивання кристала–аналізатора, дисперсію приладу при переході від шкали кутів до шкали енергій, відмінності у поглинанні різних діаграмних ліній у речовині аноду рентгенівської трубки, повітрі та берилієвому віконці трубки. Оцінено похибки визначення відносних інтенсивностей сателітних ліній різних типів.
Дослідження флуоресцентних Lв–спектрів 5d–елементів Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt та Мб– спектрів Au виконувалося за допомогою довгохвильового рентгенівського спектрографу ДРС–2. Реєстрація Lв–спектрів зазначених 5d–елементів здійснювалася в першому порядку відбивання від площин монокристалу кварцу; реєстрація Мб–спектрів Au – у першому порядку відбивання від площин монокристалу кварцу. Збудження Lв–спектрів Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt здійснювалося поліхроматичним випромінюванням рентгенівської трубки типу БХВ–12 з Ag анодом, Мб– спектрів Au – поліхроматичним випромінюванням рентгенівських трубок типу БХВ–12 з Cr та Cu анодами. Вказано режими роботи трубок, описано методику обробки спектрограм, включаючи проявлення та фотометрію експонованого фотоматеріалу, введення поправок на денситометричну характеристику плівки РФ–3, обмеження апертури фокусуючого кристала–аналізатора, вертикальну розбіжність променів у спектрографі та на поглинання первинного і самопоглинання вторинного випромінювання у зразку. Оцінено похибки досліджуваних величин.
У третьому розділі представлено результати експериментального дослідження структури та відносних інтенсивностей рентгенівських емісійних спектрів К–ММ і К–LM РОЕ 3d–елементів Cr, Fe, Co, Ni, Cu. Типові рентгенівські емісійні спектри Кв1,3– ліній і К–ММ РОЕ та Кб1,2– ліній і К–LМ РОЕ Fe представлено на рис. 1 та рис. 3. У вставці рис. 1 наведено низькоенергетичну область Кв1,3– ліній разом з К–ММ РОЕ, у вставці рис. 3 – низькоенергетичну область К1,2– ліній разом з К–LМ РОЕ. Щодо спектрів Cr, Co, Ni та Cu, то вони принципово подібні до спектрів Fe. Як видно, спектри К–ММ та, особливо, К–LМ РОЕ мають низьку інтенсивність та є досить протяжними. Тому на етапі виділення спектрів РОЕ із загального спектрального масиву існували певні труднощі, пов’язані з необхідністю максимально коректної апроксимації Кв1,3– та К1,2– дублетів зазначених 3d– елементів у досить широкому діапазоні енергій. Було встановлено, що найкраща апроксимація досягається в тому випадку, коли форми зазначених дублетів описуються двома функціями Фойгта.
Рис. 1. Рентгенівський емісійний спектр К1,3– ліній та К–ММ РОЕ Fe
Рис. 2. Виділений рентгенівський емісійний спектр К–ММ РОЕ Fe
Рис. 3. Рентгенівський емісійний спектр Кб1,2– ліній та К–LМ РОЕ Fe
Рис. 4. Виділений рентгенівський емісійний спектр К–LМ РОЕ Fe
Крім того, на високоенергетичному схилі К1– лінії розташовані короткохвильові К3,4– сателіти (переходи КL2,3–L2,3L2,3 ), які також апроксимувалися за допомогою двох функцій Фойгта (див. рис. 3). Параметри функцій Фойгта підбиралися таким чином, щоб апроксимуюча крива максимально точно співпадала з експериментальними точками як на низькоенергетичному, так і на високоенергетичному краях Кв1,3– і Кб1,2– ліній. Інтенсивності діаграмних ліній (І(Кв1,3), І(Кб1,2)) визначалися як площі під їх експериментальними контурами. Типові виділені спектри К–ММ і К–LM РОЕ Fe, на яких вказано розраховані в роботі напівемпіричні значення енергій максимумів інтенсивностей окремих типів К–MiMj та К–LiMj радіаційних Оже (РО)– переходів, представлено на рис. 2 та рис. 4. Інтенсивності спектрів К–ММ і K–LM РОЕ (І(К–ММ), I(K–LM)) визначалися як площі під їх експериментальними контурами. Відносні інтенсивності спектрів обох типів РОЕ (ч(К–ММ), ч(К–LМ)) зазначених 3d–елементів визначалися як відношення інтенсивностей спектрів РОЕ до інтенсивностей відповідних діаграмних Кв1,3– та Кб1,2– ліній:
ч(К–ММ) = І(К–ММ) / І(Кв1,3), ч(К–LМ) = І(К–LМ) / І(Кб1,2).
Встановлено, що для 3d–елементів Cr, Fe, Co, Ni, Cu енергетичні області, в яких експериментально спостерігаються спектри К–ММ і К–LM РОЕ, узгоджуються з розрахованими в роботі напівемпіричними значеннями енергій максимумів інтенсивностей окремих типів К–МiМj та К–LiMj РО– переходів. З’ясовано, що РО– переходи типу К–M2,3M4,5, К–M4,5M4,5 та К–L2,3M4,5, що призводять до виникнення в кінцевому стані 3d–вакансій, енергетично розташовані в контурах Кв1,3– та Кб1,2– ліній відповідно. Тому такі РО–переходи експериментально не виділяються і, як наслідок, не надають внеску до експериментально визначених відносних інтенсивностей спектрів К–ММ та К–LM РОЕ 3d– елементів.
Визначені в даній роботі експериментальні значення відносних інтенсивностей спектрів К–ММ та K–LM РОЕ ч(К–ММ), ч(К–LМ) Cr, Fe, Co, Ni, Cu а також теоретичні [1,2] та експериментальні значення [2-5] інших авторів для широкого кола елементів наведено на рис. 5, 6.
Рис. 5. Залежність теоретичних та експериментальних значень ч(К–ММ) від порядкового номеру Z елемента
? – дана робота
¦ – теоретичні значення [1]
^– теоретичні значення [2]
+ – експериментальні значення [2-4]
Рис. 6. Залежність теоретичних та експериментальних значень ч(К–LМ) від порядкового номеру Z елемента
? – дана робота
¦ – теоретичні значення [1]
+ – експериментальні значення [3,5]
У вставках рис. 5 та рис. 6 окремо представлено експериментально отримані в даній роботі величини ч(К–ММ) і ч(К–LМ) для 3d–елементів а також теоретичні значення [1,2]. Видно, що отримані величини ч(К–ММ) для Cr, Fe, Co, Ni, Cu систематично менші (в 23 рази) за дані теоретичних розрахунків [1]. Однак, отримані величини ч(К–ММ) краще узгоджуються з даними теоретичних розрахунків [2], що виконувались без урахування РО–переходів типу К–М2,3М4,5 і К–М4,5М4,5, та з експериментальними значеннями іншими авторів [2-4] (див. рис. 5). Експериментально визначені в роботі величини ч(К–LМ) для Cr, Fe, Co, Ni є систематично дещо меншими за дані теоретичних розрахунків [1] (в середньому в 1.2 рази), хоча в цілому значно краще узгоджуються з теоретичними результатами, ніж дані інших авторів [3,5] (див. рис. 6). Можливі причини вказаних розбіжностей можуть бути зумовлені, по-перше, систематичним неврахуванням в експерименті деякої частини інтенсивності спектрів обох типів РОЕ в низькоенергетичній області, яка виходить на рівень фону; по-друге, неможливістю реєстрації К–M2,3M4,5, К–M4,5M4,5 та К–L2,3M4,5 РО– переходів, які накладаються на високоінтенсивні частини контурів Кв1,3– та К1,2– ліній. Нарешті, виявлене систематичне перевищення теоретичних значень відносних інтенсивностей обох типів РОЕ над експериментальними може бути пов’язане з неврахуванням в одноелектронній моделі миттєвого збурення кореляційних ефектів при К–ММ і К–LM автоіонізації атомів 3d–елементів. Однак, на підставі отриманих експериментальних значень величин ч(К–ММ) і ч(К–LМ), можна говорити про те, що одноелектронна модель миттєвого збурення в цілому задовільно описує явища К–ММ та K–LM РОЕ в атомах 3d–елементів.
У четвертому розділі наведено результати дослідження процесів генерації та розпаду вакансій в L–електронних оболонках атомів 5d– елементів Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt за рентгенівськими емісійними Lв–спектрами.
У першому підрозділі запропоновано метод визначення парціальної ширини L1– рівня Г13М, пов’язаної з КК–переходами типу L1–L3M5, за експериментально визначеними відносними інтенсивностями ліній Lв–спектру 5d–елементів. Наведено співвідношення, які визначають інтенсивності Lв2,15– і Lв3– ліній та їх сателітів з урахуванням КК–переходів типу L1–L3M5, L1–L2N, L2–L3N, L1–L3N та процесів струшування. З системи рівнянь для інтенсивностей Lв2,15– і Lв3– ліній та їх сателітів отримано співвідношення, яке дозволяє визначити парціальну ширину L1– рівня Г13М, пов’язану з КК–переходами типу L1–L3M5 :
(1)
де Г(3) – частина природної ширини L1–рівня, пов’язана з радіаційним переходом типу L1–М3;
Г(2) – частина природної ширини L3–рівня, пов’язана з радіаційним переходом типу L3–N5;
Г(L3) – повна природна ширина L3–рівня; Г(M5)– повна природна ширина M5–рівня;
g – відношення інтенсивності L3–лінії разом з сателітами до інтенсивності L2–лінії разом з відповідними сателітами, яке визначається експериментально;
а – відносна інтенсивність L2S– сателітів, що визначається експериментально;
РМ – ймовірність процесу струшування, при якому створення вакансії в одній з Li– підоболонок може супроводжуватися викидом M4,5– електрона.
Для визначення парціальної ширини Г13М групи 5d–елементів W, Re, Os, Ir, Pt було експериментально досліджено відносні інтенсивності ліній Lв–спектру зазначених елементів, за якими визначалися параметри а та g у формулі (1). При розрахунку величини Г13М за форм. (1) відомі літературні дані щодо значень ймовірностей процесів струшування РМ та ширини рівнів Г(L3) і Г(M5) вважались достовірними, оскільки вони не містять КК– ширину типу Г13М, а відношення радіаційних ширин Г(3)/Г(2) дорівнювало відношенню теоретичних значень швидкостей відповідних переходів.
Обчислені в такий спосіб значення Г13М було порівняно з теоретичними розрахунками, виконаними в наближенні “заморожених” орбіталей. Як виявилось, парціальна ширина L1– рівня, пов’язана з КК– переходами L1–L3M5, в ряду 5d–елементів W, Re, Os, Ir, Pt монотонно зростає, залишаючись (за винятком Ir) у (2.3ч1.3) рази відповідно меншою, ніж передбачає розрахунок, виконаний у наближенні “заморожених” орбіталей. Зростання парціальної ширини Г13М при збільшенні порядкового номера елементу корелює зі зростанням кінетичної енергії ежектованого M5–електрона (у випадку Pt – і M4–електрона), що може свідчити про суттєво багатоелектронний характер L3M5– автоіонізації атома біля енергетичного порогу L1–L3M5 КК–переходу. Використовуючи отримані експериментальні значення Г13М, було уточнено значення ширин L1–рівня Г(L1), виходів КК–переходів f12, f13 та виходів флуоресценції щ1 для 5d– елементів W, Re, Os, Ir, Pt.
У другому підрозділі експериментально досліджено відносні інтенсивності ліній L–спектру W при електронному збудженні (діапазон прискорюючих напруг – U=(13ч35)кВ). Вперше визначено відносні інтегральні перерізи іонізації L1–, L2– та L3– підоболонок атомів W 2/1 та 3/1 за експериментальними значеннями відносних інтенсивностей ліній L–спектру. Виявлено, що залежності відношень інтегральних перерізів іонізації L–підоболонок W від енергії бомбардуючих електронів добре описуються у наближенні класичних бінарних співударів. Отримано значення числових параметрів у напівемпіричній формулі Бете [6], за яких досягається найкраще узгодження між експериментальними значеннями відношень 2/1 та 3/1 W та обчисленими за цією формулою, яка має вигляд:
(2)
де уі – інтегральний переріз іонізації і – підоболонки при електронному бомбардуванні;
ni – кількість електронів у і – підоболонці; а0 – перший борівський радіус;
R=13,61 еВ – стала Ридберга; Ei – потенціал іонізації і – підоболонки;
величина G(е) описується співвідношенням:
(3)
де =Е0/Еі – перевищення енергії налітаючого електрона Е0 над потенціалом іонізації Еі відповідної підоболонки; a= 2.979, b= – 4.422, c= 1.527, d= 2.0305, k= – 0.316, f= 0.1545 – числові параметри, отримані в даній роботі.
Отримані значення числових параметрів напівемпіричної формули Бете можуть бути рекомендовані для розрахунків інтегральних перерізів іонізації L– підоболонок 5d–елементів при електронному збудженні.
У третьому підрозділі визначено відносні інтегральні перерізи фотоіонізації L1–, L2– та L3– підоболонок атомів 5d–елементів W, Re, Os, Ir та Pt за експериментальними значеннями відносних інтенсивностей ліній L–спектру. Встановлено, що для коректного визначення відносних інтегральних перерізів фотоіонізації L–підоболонок атомів тих 5d–елементів, у яких КК–переходи типу L1–L3M5 енергетично дозволені (Z>73), необхідно попередньо експериментальним шляхом уточнювати значення природної ширини Г(L1) та виходів КК– переходів f12 і f13.
У п’ятому розділі запропоновано модель опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб– емісії в атомах 5d–елементів. При використанні запропонованої моделі вперше проведено розрахунок відносної інтенсивності М5N–сателітів Au та експериментально перевірено коректність запропонованої моделі.
У першому підрозділі представлено модель опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб– емісії в атомах 5d–елементів, яка враховує найбільш важливі канали генерації та міграції вакансій в М– підоболонках. Зокрема, враховується, що до загального Мб– контуру 5d–елементів надають внесок як діаграмні Мб1,2–лінії (переходи М5–N6,7), так і група сателітних ліній, які випромінюються М5N– і M5X– іонізованими атомами (Х=О, Р). Важливо відзначити, що для М1,2– ліній, що випромінюються атомами 5d–елементів, групи переходів M5N–N6,7N (M5N–сателіти) відділені на (520)еВ від відповідних М1,2–ліній, тоді як для переходів M5X–N6,7X (M5X–сателіти) такі зсуви не перевищують (12)еВ. Це означає, що для таких елементів відповідні М5N–сателіти, на відміну від М5Х–сателітів, можуть бути виділені з повного М–контуру.
Запропонована модель дозволяє обчислювати відносну інтенсивність М5N–сателітів, яка може бути визначена експериментально. Модель враховує усі можливі КК–переходи між Мі– підоболонками, процеси струшування та їх каскади, кінцевим результатом яких є виникнення двовакансійних станів. У такому наближенні інтенсивність М1,2– ліній разом з M5X–сателітами (І(М1,2 + М5Х)) (в числах фотонів) описується співвідношенням:
(4)
де Г(1,2) – парціальна ширина М5–рівня, що відповідає радіаційному переходу типу М5–N6,7;
Г(M5) – повна ширина M5–рівня; Mі – інтегральний переріз фотоіонізації Mі– підоболонки (і=1ч5);–
ймовірність процесу струшування, при якому поява вакансії в Мі– підоболонці супроводжується ежекцією одного з X– електронів;
GMi – коефіцієнт міграції вакансій в М– оболонці, який визначається співвідношенням:
(5)
де fijX – вихід КК–переходу типу Mi–MjX, при якому вакансія переходить з Мі– до Mj– підоболонки (ji), а один з X– електронів вилітає з атома;
МiMj – вихід флуоресценції для радіаційного переходу типу Mi–Mj.
Інтенсивність окремої групи М5Nk–сателітів (І(М5Nk)) (в числах фотонів) визначається співвідношенням:
(6)
де – коефіцієнт міграції вакансій в М– оболонці, який враховує усі можливі КК– переходи між Мі– підоболонками, процеси струшування та їх каскади, що призводять до двократної М5Nk– іонізації атому (k=1ч7) при створені первинної вакансії в Мі– підоболонці;
Г(Nk) – повна ширина Nk– рівня.
Таким чином, повна інтенсивність М5N– сателітів (I(М5N)) визначається як сума інтенсивностей усіх груп М5Nk– сателітів:
(7)
Відносна інтенсивність М5N–сателітів (S) визначалась як відношення інтенсивності зазначених сателітів до інтенсивності відповідних М1,2–ліній разом з М5Х–сателітами: S=I(М5N)/І(М1,2+М5Х).
У другому підрозділі для перевірки коректності запропонованої моделі опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб–емісії в атомах 5d–елементів експериментально було визначено відносну інтенсивність М5N–сателітів Au при збудженні вторинних М–спектрів поліхроматичним випромінюванням рентгенівських трубок типу БХВ–12 з Cr та Cu анодами. Оцінка частини фотонів вторинного Мб–спектру Au, яка при таких умовах генерується гальмівним спектром, по відношенню до частини, яка збуджується К– та Кв– лініями Cr та Cu, не перевищує 3%. Отже, можна вважати, що збудження Мб–спектрів Au практично здійснювалося характеристичним випромінюванням К–серії Cr та Cu. Типовий спектр Мб1,2–ліній з М5Х– сателітами та М5N–сателітів Au при збудженні випромінюванням Cu аноду представлено на рис.7.
Рис. 7. Рентгенівський емісійний спектр Мб1,2– ліній з М5Х– сателітами та М5N– сателітів Au при збудженні випромінюванням Cu аноду
Встановлено, що отримані експериментальні значення відносної інтенсивності М5N– сателітів Sб добре узгоджуються з розрахованими за запропонованою в роботі моделлю. Зокрема, розбіжність між розрахованими значеннями величин Sб та експериментально визначеними не перевищує 5%. Такий результат свідчить про коректність запропонованої моделі опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб–емісії. Також виявлено, що головний внесок у повну інтенсивність М5N–сателітів Au надають групи сателітів, що пов’язані з радіаційними переходами в M5N6,7–іонізованих атомах. Зазначені групи сателітів складають більш ніж 85% від повної інтенсивності усіх груп М5N–сателітів Au. Отже, розроблена модель може бути використана для визначення внесків різних кратноіонізованих станів у повну інтенсивність М5N–сателітів 5d– елементів. В подальшому запропонована модель опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб– емісії може бути використана для визначення характерних атомних параметрів 5d–елементів, зокрема відносних інтегральних перерізів іонізації М– підоболонок.
ВИСНОВКИ
Вперше виконано систематичне експериментальне дослідження рентгенівських емісійних спектрів радіаційного К–ММ і К–LM Оже–ефекту в атомах 3d–елементів Cr, Fe, Co, Ni, Cu. Виявлено систематичне перевищення теоретичних значень відносних інтенсивностей радіаційного К–ММ і К–LM Оже–ефекту над експериментальними, що може бути зумовлене як неможливістю реєстрації К–M2,3M4,5, К–M4,5M4,5 та К–L2,3M4,5 радіаційних Оже– переходів, які накладаються на високоінтенсивні частини контурів Кв1,3– та К1,2–ліній відповідно, так і неврахуванням в одноелектронній моделі миттєвого збурення кореляційних ефектів при К–ММ і К–LM автоіонізації атомів 3d– елементів. Зроблено висновок, що одноелектронна модель миттєвого збурення в цілому задовільно описує явища радіаційного К–ММ і К–LM Оже–ефекту в атомах 3d–елементів.
Запропоновано метод визначення парціальної ширини L1– рівня Г13М, пов’язаної з переходами Костера–Кроніга типу L1–L3M5, за експериментально визначеними відносними інтенсивностями ліній Lв–спектру 5d–елементів. Виявлено, що парціальна ширина Г13М в ряду елементів W, Re, Os, Ir, Pt монотонно зростає, залишаючись (за винятком Ir) у (2.3ч1.3) рази меншою, ніж передбачає розрахунок, виконаний у наближенні “заморожених” орбіталей. Зростання парціальної ширини Г13М при збільшенні порядкового номеру елементу корелює зі зростанням кінетичної енергії ежектованого M5–електрона (у Pt – і M4 – електрона), що може свідчити про суттєво багатоелектронний характер L3M5–автоіонізації атома біля енергетичного порогу L1–L3M5 переходу Костера–Кроніга.
Вперше визначено відносні інтегральні перерізи іонізації L–підоболонок атомів W 2/1 та 3/1 при електронному бомбардуванні за експериментальними значеннями відносних інтенсивностей ліній L–спектру. Виявлено, що залежності відношень інтегральних перерізів іонізації L1–, L2– та L3– підоболонок W від енергії бомбардуючих електронів добре описуються у наближенні класичних бінарних співударів. Отримано значення числових параметрів у напівемпіричній формулі Бете, за яких досягається найкраще узгодження між експериментальними значеннями відношень 2/1 та 3/1 W та обчисленими за цією формулою.
Визначено відносні інтегральні перерізи фотоіонізації L– підоболонок атомів 5d– елементів W, Re, Os, Ir та Pt за експериментально визначеними відносними інтенсивностями ліній L–спектрів. Встановлено, що для коректного визначення відносних інтегральних перерізів фотоіонізації L– підоболонок атомів 5d–елементів, у яких переходи Костера–Кроніга типу L1–L3M5 енергетично дозволені (Z>73), необхідно попередньо експериментальним шляхом уточнювати значення природної ширини Г(L1) та виходів переходів Костера–Кроніга f12, f13.
Запропоновано модель опису інтенсивностей ліній рентгенівської Мб– емісії в атомах 5d–елементів, яка враховує найбільш важливі канали генерації та міграції вакансій в М– підоболонках. При використанні запропонованої моделі вперше проведено розрахунок відносної інтенсивності М5N–сателітів Au.
Вперше виконано експериментальне дослідження відносної інтенсивності М5N–сателітів Au при різних енергіях іонізуючих фотонів. Виявлено, що отримані експериментальні значення відносної інтенсивності М5N–сателітів Au узгоджуються з розрахованими за запропонованою в роботі моделлю.
Використана література
1. Scofield J.H. Exchange corrections of K X–ray emission rates // Phys. Rev. A. – 1974. – V. 9, № 3. –
P. 1041–1049.
2. Keski–Rahkonen O., Ahopelto J. K to M2 radiative Auger effect in transition metals. II // J. Phys. C. – 1980. –V. 13, № 4. – P. 471–482.
3. Muhleisen A., Budnar M. K–LM and K–MM radiative Auger effect from Kr and Xe // Phys. Rev. A. – 1996. – V. 54, № 5. – P. 3852–3858.
4. Herren Ch., Dousse J.Cl. High–resolution measurements of K–MM radiative Auger effect in medium–mass atoms // Phys. Rev. A. – 1996. – V. 53, № 2. – P. 717–725.
5. Herren Ch., Dousse J.Cl. Experimental evidence for the K–LM radiative Auger effect in medium–mass atoms // Phys. Rev. A. – 1997. – V. 56, № 4. – P. 2750–2758.
6. Iriarte D.J., Di Rocco H.O. Electron impact ionization cross–sections for atoms and ions: a semiempirical study of trends and regularities // II. Nuovo Cimento.–1998.–V.20D, №6. –P. 731–748.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗДОБУВАЧЕМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Боровой Н.А., Ищенко Р.Н., Шияновський В.И. Парциальная ширина L1–уровня, связанная с переходом Костера–Кронига L1–L3M5 в атомах элементов W, Re, Os, Ir, Pt // Оптика и спектроскопия. – 2003. – Т. 95, № 4. – С. 566–570.
Боровий М.О., Іщенко Р.М. Напівемпіричне визначення відносних перерізів фотоіонізації L–підоболонок атомів елементів Hf, W, Re, Os, Ir та Pt // Вісник Київського університету. – Серія фіз.–мат. науки. – 2003. – № 4. – С. 363–369.
Borovoy M.O., Ischenko R.M., Shyyanovkyi V.I. Integral cross sections of ionization of L–subshells of tungsten atoms under electron bombardment near energetic threshold // Ukrainian journal of physics. – 2004. – V. 49, № 1. – P. 21–25.
Боровий М.О., Іщенко Р.М., Степаніщев М.Б. Особливості радіаційного К–ММ Оже–ефекту в 3d–металах Cr, Fe, Co, Ni та Cu // Вісник Київського університету. – Серія фіз.–мат. науки. – 2004. – № 3. – С. 369–375.
Borovoy M.O, Ischenko R.M., Shiyanovskiy V.I. Мб X–ray emission spectrum of multi–ionized Au atoms // Functional Materials. – 2006. – V. 13, № 1. – P. 150–153.
Боровий М.О., Іщенко Р.М., Степаніщев М.Б. Рентгенівські емісійні Мб– та Мв– спектри кратноіонізованих атомів Au // Вісник Київського університету. – Серія фіз. –мат. науки. – 2006. – № 2. – С. 361–369.
Ischenko R.M. X–ray emission high–resolution Lб1 and Lв2 spectra of Hf, Ta, W, Re and Os atoms // III International Young Scientists Conference of “Problems of Optics and High Technology Material Science SPO 2002”. Scientific works. – Kyiv, 2002. – P. 186.
Borovoy M.O., Ischenko R.M. High–resolution X–ray emission spectra of the radiative Auger effect in Cr, Fe, Co and Ni atoms // IV International Young Scientists Conference of “Problems of Optics and High Technology Material Science SPO 2003”. Scientific works. – Kyiv, 2003. – P.85.
Borovoy M.O., Ischenko R.M. Integral ionization cross sections of L–subshells of tungsten atoms // IV International Young Scientists Conference of “Problems of Optics and High Technology Material Science SPO 2003”. Scientific works. – Kyiv, 2003. – P. 90.
Borovoy M.O., Ischenko R.M. Ionization cross sections of L–subshells of heavy elements by electron impact and photoionization // 11th Young Scientists Conference on Astronomy and Space Physics. Abstracts. – Kyiv, 2004. – P. 61.
Borovoy M.O., Ischenko R.M., Stepanischev M.B. X–ray M–emission intensity of multiionized Au, Pb and Bi atoms by photoabsorption // V International Young Scientists Conference of “Problems of Optics and High Technology Material Science SPO 2004”. Scientific works. – Kyiv, 2004. – P. 122.
Borovoy N.A., Ischenko R.M., Shyanovskyi V.I. X–ray emission Lв– spectra of tungsten atoms under electron impact near the threshold // 20th International Conference X05: X–ray and
