УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Овчаренко Євгеній Вікторович

УДК 539.186

539.188

збудження іонів індію повільними електронами

01.04.04. – фізична електроніка

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Ужгород 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі електронних процесів Інституту електронної фізики НАН України.

Науковий керівник – доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Імре Арпад Йосипович

Інститут електронної фізики НАН України,

с.н.с. відділу електронних процесів.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

ШИМОН Людвиг Людвигович

Ужгородський національний університет
МОН України,
завідувач кафедри квантової електроніки;

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Гнатченко Олена Василівна

Фізико-технічний інститут низьких температур

ім. Б.І. Вєркіна НАН України,

с.н.с. відділу спектроскопії молекулярних

кріогенних систем.

Провідна установа – Інститут фізики НАН України, відділ газової електроніки, м. Київ.

Захист відбудеться “15“ червня 2007 року о 14 00 годині на засіданні cпеціалізованої вченої ради К61.051.01 при Ужгородському національному університеті за адресою: 88000, м. Ужгород, вул. Волошина 54, ауд. 181.

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

Автореферат розісланий “14“ травня 2007 року.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

д. ф. - м. н., професор |

Міца В.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Експериментальне вивчення механізмів непружних процесів зіткнення повільних електронів з важкими багатоелектронними позитивними іонами металів на сьогодні є важливою задачею, актуальність якої обумовлена як фундаментальною роллю атомної фізики в пізнанні основних закономірностей матеріального світу, так і численними її практичними застосуваннями в різних сферах фізики, астрофізики, інших галузях науки й техніки. За останні роки інтерес до таких досліджень значно зріс внаслідок важливої ролі процесів збудження та розпаду зв’язаних іонних і автоіонізаційних станів, а також діелектронної рекомбінації у низькотемпературній плазмі, які істотним чином визначають її енергетичний баланс та зарядовий стан. Дослідження цих процесів становить також інтерес для фізики електронних зіткнень, що зумовлено важливістю вивчення механізмів електрон-електронних взаємодій у валентних і субвалентних оболонках таких атомних систем та впливу релятивістських, кореляційних і резонансних ефектів на їх перебіг.

Огляд та аналіз літературних даних вказує на практичну відсутність експериментальних та теоретичних результатів з дослідження непружних процесів взаємодії електронів з іонами складних багатоелектронних атомних систем, що унеможливлює глибоке розуміння механізмів їх перебігу. Для таких елементів найбільш повно проведено експериментальні дослідження зі збудження спектральних ліній іонів підгрупи цинку. У цих роботах було виявлено як ефективний внесок резонансних процесів у перерізи збудження, так і суттєвий вплив субвалентної (n-1)d10 – оболонки на механізми процесів, які відбуваються у валентній оболонці. Що стосується іонів підгрупи алюмінію, схожі дослідження проведено лише для спектральних ліній іона талію та резонансної лінії іона галію. Крім того, відомі результати теоретичних розрахунків ефективних перерізів збудження для інтеркомбінаційних переходів більш легкого іона Al+. Поряд з тим в літературі відсутні результати зі збудження іона In+, який є важливим елементом для встановлення загальних закономірностей електронного збудження спектральних ліній іонів підгрупи алюмінію. Викладені обставини обумовлюють актуальність теми дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано у відділі електронних процесів Інституту електронної фізики Національної академії наук України під час виконання наступних відомчих науково-дослідницьких тем згідно розпорядження Бюро відділення фізики і астрономії НАН України:  “Фізичні процеси та явища в атомних та молекулярних системах, ініційовані електронними, фотонними пучками і газовим розрядом”, № U006127 (2002 –  рр.); “Спектроскопія зв’язаних та автоіонізаційних станів багатоелектронних атомних систем”, № U000887 (2003 –  рр.).

Метою роботи є виявлення загальних закономірностей та особливостей збудження іонів індію повільними моноенергетичними електронами, з’ясування впливу релятивістських, кореляційних і резонансних ефектів на механізми збудження, а також проведення порівняльного аналізу ефективних перерізів електронного збудження спектральних ліній іонів у межах підгрупи алюмінію.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

1)

2)

3)

4)

Об’єктом дослідження є вивчення загальних закономірностей і особливостей електронного збудження складних багатоелектронних однозарядних іонів підгрупи алюмінію, які мають заповнену (n-1)d10 субвалентну оболонку, а також з’ясування впливу релятивістських і кореляційних ефектів на механізми прямих та резонансних процесів.

Предметом дослідження є збудження іонів індію повільними електронами.

Наукова новизна одержаних результатів:

–

–

–

–

–

–

Практичне значення отриманих результатів. Отримані дані можуть бути використані в аналітичній техніці, фізиці лазерів, при розробці нових технічних пристроїв та технологій, а також при моделюванні та діагностиці лабораторної плазми. У випадку іона In+, інтерес до таких даних зростає у зв’язку з використанням інтеркомбінаційного  s5p 3Рo1  s2 1S0 переходу в якості джерела оптичного стандарту частоти.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є підсумком досліджень, виконаних спільно з науковими співробітниками групи з вивчення процесів електрон-іонних взаємодій відділу електронних процесів. У роботах [3, 13] автор проводив розробку, випробування та впровадження джерела іонів і системи формування іонів у пучок з метою забезпечення стабільного за величиною та у часі пучка позитивних іонів хімічно-агресивних металів при високих робочих температурах. У роботі [3] проведено теоретичний розрахунок прямого процесу збудження цієї ж лінії за напівемпіричною формулою Ван-Режемортера. Внесок автора в роботи [6, 9, 11, 12] полягає у проведенні довготривалих складних експериментальних досліджень функцій електронного збудження спектральних ліній. У роботі [8] проведено аналіз спектра іона In+ та енергетичних положень АІС атома In. У роботах [2] і [5] автору належить ведуча роль у підготовці статей до друку.

Апробація результатів дисертації. Результати, які представлено у даній роботі, доповідалися й обговорювалися на: міжнародних конференціях молодих учених та аспірантів Інституту електронної фізики НАН України „ІЕФ-2003” (Ужгород, Україна, 10-12 вересня, 2003 р.), „ІЕФ-2005” (Ужгород, Україна, 18-20 травя, 2005 р.); 8-ому з’їзді зі швидких іон-атомних зіткнень “FIAC-2004” (Дебре-цен, Угорщина, 1-3 вересня, 2004 р.); 12-ій міжнародній конференції з фізики багатозарядних іонів “HCI-2004” (Вільнюс, Литва, 6-11 вересня, 2004 р.); XXIV міжнародній конференції з фотонних, електронних та атомних зіткнень “ICPEAC-2005” (Росаріо, Аргентина, 20-26 липень, 2005 р.); 3-ій конференції з елементар-них процесів в атомних системах “CEPAS-2005” (Мішкольц, Угорщина, 31 серпня – вересня, 2005 р.); XXIII з’їзді зі спектроскопії (Звенігород, Московська область, Росія, 17-21 жовтня, 2005р.), 23 міжнародному симпозіумі з фізики іонізованих газів “SPIG-2005” (Копаонік, Сербія, 28 серпня – 1 вересня, 2006р.).

Публікації. Автором дисертаційної роботи опубліковано 5 наукових статей у фахових журналах (із них 2 без співавторів) та 9 робіт у збірниках конференцій (у тому числі 2 без співавторів). Перелік цих наукових праць наведено у кінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел зі 114 найменувань та двох додатків. Роботу викладено на 146 сторінках, яка містить 42 рисунка та 1 таблицю.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та перераховано поставлені завдання для її досягнення, вказано метод досліджень, визначено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, вказано особистий внесок автора, а також наведено інформацію щодо апробації результатів проведених досліджень.

У першому розділі коротко розглянуто стан наукової проблеми з дослідження процесів електронного збудження однозарядних іонів при електрон-іонних зіткненнях. Результати цих робіт нами умовно поділено на три групи.

До першої групи віднесено результати експериментальних і теоретичних досліджень, які проводились на іонах простих атомів. Вони дозволили отримати важливі дані для розвитку фізики плазми. Крім того, вони показали, що фізика електрон-іонних взаємодій набагато складніша ніж фізика електрон-атомних взаємодій. У цих роботах вперше було виявлено незначні структурні особливості на енергетичних залежностях ефективних перерізів електронного збудження іонів легких атомів, які пояснювалися як каскадним внеском з вищих збуджених станів, так і процесом захоплення іоном електрона з утворенням АІС, які розпадаються через електронний канал.

До другої групи віднесено дані, які були отримані при вивченні резонансних процесів збудження лужноземельних елементів, де субвалентною є (n-1)p6 оболонка. У цих дослідженнях не було виявлено впливу субвалентної оболонки на процеси, які мають місце при збудженні валентної оболонки. Крім того, для цієї групи елементів внесок резонансних процесів у ефективні перерізи збудження нижніх рівнів не призводить до чіткої структури, що обумовлено великою ймовірністю збудження прямого процесу. Вище-перераховані особливості наводять на думку, що кореляційні ефекти для таких елементів проявляються достатньо слабо, на відміну від релятивістських, роль яких збільшується при переході від іона Mg+ до іона Ва+.

І, нарешті, до третьої групи слід віднести дослідження, проведені для складних багатоелектронних іонів підгруп цинку та алюмінію, у яких субвалент-ною є (n-1)d10 оболонка. Аналіз отриманих результатів з електронного збудження резонансних ліній іона Zn+ вказує на те, що саме збудження 4d10  субвалентної оболонки призводить до значного збільшення резонансного внеску в ефективний переріз збудження цих ліній як у біляпороговій області енергій електронів, так і за потенціалом іонізації іона. Крім того, виявлено, що резонансний внесок у ефективні перерізи збудження резонансних ліній іона Cd+ є більш виразним і більшим за величиною, ніж у випадку іона Zn+. Це зумовлено більш сильним впливом релятивістських і, особливо, кореляційних ефектів на механізми збудження.

Проведені експериментальні дослідження зі збудження спектральних ліній іона Tl+ також вказують на те, що саме збудження 5d10 субвалентної оболонки призводить до значного збільшення резонансного внеску в ефективні перерізи збудження цих ліній, як у біляпороговій області енергій, так і за потенціалом іонізації іона. Однак, щоб зробити узагальнюючі висновки про вплив субвалентної оболонки на процеси, які мають місце у валентній оболонці, потрібно мати результати систематичних досліджень інших іонів багатоелектронних атомних систем. Відмітимо, що існують також результати теоретичних розрахунків ефективних перерізів збудження для інтеркомбінаційних переходів іона Al+ та експериментальні дані зі збудження резонансної лінії іона Ga+. Тому дослідження електронного збудження іона In+, який, як й іони Al+, Ga+ та Tl+ має заповнену 4d10 субвалентну та 5s2 валентну оболонки, є необхідними, оскільки отримані результати суттєво доповнять спектроскопічні дані про механізми непружних процесів зіткнень електронів з іонами та дозволять додатково вивчити вплив релятивістських і кореляційних ефектів на їх перебіг. Це надасть можливість провести аналіз впливу кореляційних та резонансних ефектів у залежності від складності електронної будови атома в межах підгрупи алюмінію, де субвалентною є (n-1)d10 оболонка.

У другому розділі дисертації описано експериментальну установку, принцип роботи якої базується на методі електронного та іонного пучків, що перетинаються під кутом 90, зі спостереженням випромінювання в напрямку, перпендикулярному до площини перетину пучків.

На початку розділу розглянуто загальні положення методу пучків, що перетинаються, методика розділення корисного сигналу і фона, а також наведено основні вимоги, які висуваються до таких експериментів. Вказано, що використаний метод, не дивлячись на певні складнощі його реалізації, є найбільш надійним методом безпосереднього дослідження непружних процесів зіткнень електронів з іонами.

Далі описано експериментальну установку, яка складається з наступних основних вузлів: високовакуумної камери зіткнень, джерела іонів, селектора іонів, електронної гармати, вакуумного монохроматора з механізмом керування кутом обертання дифракційної ґратки, вузла детекторів випромінювання, системи вакуумної відкачки, модуля живлення установки, модуляційної системи реєстрації досліджуваного випромінювання, крейта КАМАК і персонального комп’ютера, який використовується для обробки та зберігання отриманої під час проведення експериментів інформації.

Особливу увагу приділено джерелу іонів і системі формування іонів у пучок, оскільки специфічні особливості металу, що досліджувався, змусили нас провести вдосконалення вже існуючого джерела іонів з урахуванням наступних чинників:

1)

2)

3)

Тому з метою отримання стабільного у часі та за величиною пучка іонів індію, розроблено конструкцію джерела іонів з іонізатором, виготовленим у вигляді увігнутої сферичної танталової поверхні закритого типу, нагрівання якої здійснюється за допомогою вольфрамової спіралі. Важливим досягненням створеного джерела є те, що його використання надало можливість надійного та багаторазового отримання стабільного пучка іонів хімічно-агресивних металів та металів із низькою пружністю насичених парів при високих робочих температурах протягом тривалого часу (2000   год.) без додаткових змін параметрів налаштування роботи джерела. Таке джерело дозволило отримати в області зіткнень пучок іонів In+ зі струмом 1,4  ,6 мкА, енергією 800 еВ та перерізом 2   мм2. Відділення іонів від нейтральних атомів відбувалося за допомогою 90-градусного електростатичного селектора іонів.

З метою проведення прецизійних досліджень ефективних перерізів збуджен-ня радіаційних переходів іона In+ в інтервалі енергій 5   еВ нами була вико-ристана низькоенергетична трианодна електронна гармата, яка дозволяє отриму-вати добре сфокусований стрічковий пучок електронів зі струмом 0,1 0,2 мА, перерізом 8   мм2 та енергетичною неоднорідністю E1/2,5    ,7) еВ при її налаштуванні на енергію Ee  еВ.

Для спектрального розділення випромінювання використовувся 70  градусний вакуумний монохроматор, який побудований за схемою Сейя-Наміока на базі увігнутої тороїдальної гратки (меридіальний радіус Rm =  мм, сагітальний радіус Rs ,4 мм, заштрихована площа 50   мм2, 1200 шт./мм). Детектування спектрально розділеного випромінювання здій-снювалося "сонячно-сліпим" фотоелектронним помножувачем типу ФЭУ  .

Відокремлення корисного сигналу від фону відбувалось за допомогою модуляційної системи реєстрації випромінювання. Пучки електронів та іонів модулювалися прямокутними імпульсами напруги, які зсунуті по фазі на одну четверту періода модуляції (відносно один одного). Окрім модуляції електронного та іонного пучків, модуляційна система реєстрації виконує функції перетворення аналогової інформації в цифрову, накопичення отриманої інформації від первинного вимірювального перетворювача у відповідних регістрах пам’яті, підрахунку корисного сигналу тощо. Отримана інформація надходила до персонального комп’ютера через крейт КAМАК.

Далі у цьому розділі наведено процедуру визначення відносної спектральної чутливості установки в діапазоні довжин хвиль (149,3  ,4) нм за відомими перерізами дисоціативного збудження спектральних ліній атомарного азоту, який знаходиться у залишковому газі.

Умови дослідження функцій електронного збудження спектральних ліній, які випромінюють при непружних взаємодіях електронів з іонами індію, були наступні: час накопичення корисного сигналу – 1500   с у точці; величина корисного сигналу складала 0,2  1 імп./с при співвідношенні сигнал фон від 1/30 до 1/10; калібрування енергетичної шкали проведено з точністю  ,1 еВ; середньоквадратична похибка відносних вимірів, яка визначена з довірчою ймовірністю 68,3% не перевищувала 15% для резонансної лінії та була у 2 – 3 рази більшою для інших досліджених ліній.

Третій розділ дисертації присвячено викладенню основних результатів проведених досліджень зі збудження найбільш інтенсивних спектральних ліній іона індію.

На початку розділу розглянуто особливості спектра іона індію, а саме:

- на валентній оболонці іона індію знаходяться два s  електрони, що призводить до утворення (окрім синглетних та триплетних термів) зміщених термів за рахунок одночасного збудження 5s2 електронів;

- енергії зв’язку електронів на валентній 5s2- та субвалентній 4d10 - оболонках близькі, що призводить до ефективного збудження електронів із субвалентної оболонки та утворення бейтлерівських термів;

- іон In+ відноситься до складних багатоелектронних атомних систем де спостерігається значне енергетичне розщеплення збуджених рівнів;

- до збуджених рівнів іона індію збігається множина атомарних АІС. Вище наведені особливості призводять до суттєвого ускладнення спектра іона In+.

Далі описано виміри, які було проведено з метою вибору оптимальних параметрів проведення експерименту. Вони полягали у вивченні вольт-амперних характеристик електронної гармати, визначенні кривих розподілу електронів за енергіями у пучку (використаний метод затримуючого потенціалу), вивченні впливу просторового заряду іонного пучка на геометрію та енергію електронів у пучку (прискорюючий ефект), а також впливу просторового заряду електронного пучка на енергію електронів (гальмівний ефект). Це надало можливість провести калібрування енергетичної шкали для всіх досліджених функцій електронного збудження спектральних ліній іона індію.

Після цього наведено результати детально досліджених енергетичних залежностей ефективних перерізів електронного збудження резонансних ліній (включаючи інтеркомбінаційну), а також спектральних переходів зі зміщених 5p2 3P0,1,2 рівнів на триплетний 5s5p 3Pо1 рівень. Енергетичні залежності ефективних перерізів збудження резонансних ліній іона індію наведено на рис. . Їх пряме збудження описується згідно реакцій:

e + In+(4d105s2)1S0 In+*(4d105s5p)1Po1 + e1

In+(4d105s2)1S0 + h1 158,6 нм) (1)

e + In+(4d105s2)1S0 In+*(4d105s5p)3Po1 + e1

In+(4d105s2)1S0 + h ( 230,6 нм) (2)

При проведенні досліджень енергетичних залежностей електронного збудження вище наведених ліній, нами було спостережено випромінювання до порогу збудження резонансної лінії ( 158,6 нм). Дослідження показали, що це випромінюють діелектронні сателіти цієї лінії, основним механізмом збудження яких є процес діелектронної рекомбінації:

e + In+(4d105s2)1S0 **[4d105s5p(1Po1)np]  4d105s2np hn (158,6  ,7 нм). (3)

Через наявну енергетичну неоднорідність електронів у пучку енергетичні залежності електронного збудження діелектронних сателітів та функції збудження резонансної лінії накладаються одна на одну, що призводить до спотворення останньої в порозі збудження.

Як видно, вище порогів збудження на отриманих енергетичних залежностях спостерігаються чіткі структурні особливості майже у всьому досліджуваному енергетичному інтервалі. Ці особливості обумовлені сумарним внеском від каскадних переходів та від електронного розпаду АІС, які утворюються шляхом резонансного захоплення налітаючого електрона іоном з одночасним збудженням одного із його зв’язаних електронів:

In** (4d105snln1l1) In+*(4d105s5p) 3Po1 e'

e ++(4d105s2) 1S0 In** (4d105p2nl) (4)

In** (4d95snln1l1n2l2) In+*(4d105s5p) 1Po1 e''

Причому, виявлену структуру на резонансних лініях до енергії збудження 5s6s 3S0 –рівня (11,64 еВ) можна пояснити лише резонансним внеском атомарних АІС, які розпадаються як в електронному так і в радіаційному каналах, що призводить до конкуренції каналів розпаду. За рахунок значного енергетичного розщеплення збуджених рівнів іона індію в енергетичному інтервалі розщеплення 3Pоj, 1Pо1 – рівнів відбувається ефективний розпад атомарних АІС без зміни головного й орбітального квантових чисел, тобто в процесі Костера-Кроніга. З іншого боку, АІС, які збігаються до 5s5p 1Pо1 резонансного рівня, як видно з отриманих результатів, ефективно розпадаються й у радіаційному каналі (тобто відбувається радіаційний перехід між атомарними АІС та збудженими станами атома індію в процесі діелектронної рекомбінації). Починаючи з енергії 11,64 еВ, відкриваються додаткові канали заселення резонансних рівнів за рахунок каскадних переходів зі звичайних збуджених, зміщених і бейтлерівських рівнів, а також розпаду АІС, які до цих термів збігаються. Найбільш ефективний розпад АІС відбувається в процесі Костера-Кроніга в енергетичному інтервалі розщеплення 5s6s (1S0 і 3S1) та 5s5d (3Dj і 1D2) збуджених рівнів, після чого з 5s6s 3S1 та 5s5d 1D2 рівнів спостерігається каскадне заселення резонансних рівнів згідно правил відбору.

Вище 12 еВ спостерігаються чітко виражені структурні особливості на функціях електронного збудження резонансних ліній за рахунок каскадного заселення зі зміщених 3P0,1,2, 1D2 та 1S0 рівнів 5p2 конфігурації іона In+. З метою підтвердження такого висновку, нами були проведені дослідження енергетичних залежностей електронного збудження спектральних переходів зі зміщених 5p2 P0,1,2 рівнів на триплетний s5p 3Pо1 рівень, результати яких наведено на рис. .

Як бачимо, на цих функціях електронного збудження також спостерігаються структурні особливості як до порогів збудження спектральних ліній, так і за ними. Слід відмітити, що структурні особливості до порогів збудження (що є діелектронними сателітами досліджуваних спектральних переходів) обумовлені радіаційними переходами між АІС 4d105p2nl конфігурації, які розташовані нижче за 5p2 3P0 зміщений рівень, та АІС 4d105s5p(3P1)nl конфігурації в процесі діелектронної рекомбінації. Вище за поріг збудження 5p2 3P0 рівня відкривається більш енергетично вигідний електронний канал розпаду АІС, які збігаються до зміщених термів. Причому, найефективнішим каналом є розпад АІС у процесі Костера-Кроніга згідно реакції:

In**[4d105p2( 3Pj, 1D2, 1S0)nl] In+*4d105p2( 3PJ) + e1 (5)

з урахуванням правил відбору для переходів між зміщеними та звичайними термами: J=0; 1 (J1=J2=0, J0), парний непарний.

Структурні особливості вище 15 еВ можуть бути обумовлені каскадними переходами з більш вищих збуджених рівнів 5snl конфігурації іона, а максимуми поблизу потенціалу іонізації – за рахунок радіаційних переходів з 4d95s25p рівнів, а також розпаду АІС, які до цих рівнів збігаються. Обмежена кількість даних про спектри атома та іона індію, які пов’язані зі збудженням електронів з субвалентної оболонки, ускладнює інтерпретацію виявлених структурних особливостей вище потенціалу іонізації іона In+. Однак, можна вказати принаймні на три процеси, відповідальні за їх походження: збудження внутрішнього електрона іона й утворення бейтлерівських рівнів; одночасне збудження обох валентних електронів і утворення зміщених термів, а також розпад АІС, межею збіжності яких є вказані іонні рівні.

Проведене співставлення функції електронного збудження спін-забороненого переходу та сумарної функції спектральних переходів зі зміщених 5p2 3PJ термів на 5s5p 3P1 рівень іона індію, спостерігається чітка кореляція виявлених структурних особливостей. Це свідчить про те, що досліджені переходи зі зміщених термів є одним із найефективніших каналів заселення інтеркомбінаційної лінії  230,6 нм (5s5p 3P1 5s2 1S0) іона In+ в енергетичному діапазоні від 12 еВ до 28 еВ.

У четвертому розділі проведено аналіз та узагальнення результатів досліджень. У першій його частині висвітлено роль автоіонізаційних станів у збудженні резонансних ліній іона індію. Вказано на складний механізм їх збудження, а також наголошено на тому, що відбувається конкуренція електронного та радіаційного каналів розпаду автоіонізаційних станів, яка зумовлена складністю електронної будови досліджуваного іона за рахунок кореляційних взаємодій.

У другій частині цього розділу проведено порівняльний аналіз отриманих нами результатів із вже відомими з літератури теоретичними та експерименталь-ними даними зі збудження спектральних ліній інших іонів підгрупи алюмінію. Перш за все, наведено співставлення функцій електронного збудження резонансних ліній іонів галію, індію та талію. З порівняння та аналізу цих енергетичних залежностей були зроблені наступні висновки: – 

ефективні перерізи електронного збудження резонансних ліній іонів підгрупи алюмінію близькі за абсолютною величиною у всьому дослідженому енергетичному інтервалі; – 

поріг збудження резонансного рівня іона індію розташований найнижче, що призводить до збільшення величини його ефективного перерізу збудження в порозі; – 

по мірі зростання атомної ваги іона відбувається збільшення внеску резонансних процесів у ефективні перерізи збудження спектральних ліній за рахунок збільшення ролі релятивістських та кореляційних ефектів; – 

збільшується роль кореляційних ефектів між валентною та субвалентною оболонками для більш важких атомних систем в межах однієї підгрупи.

З порівняння функцій електронного збудження триплетних рівнів іонів алюмінію, індію та талію випливає, що якщо домінуючі максимуми в ефективному перерізі збудження іона алюмінію обумовлені, переважно, розпадом АІС, які розташовані між 3s3p 3Pоj триплетним та 3s3p 1Pо1 синглетним рівнями у процесі Костера-Кроніга, то вже для більш важких іонів (таких як іон індію та талію) – за рахунок більшого енергетичного розщеплення збуджених триплетних рівнів спостерігається додатковий суттєвий внесок АІС, межею збіжності яких є nsnp 3Pо2 триплетний рівень. Крім того, для більш важкого іона Tl+ відбувається перерозподіл ефективності розпаду АІС, які збігаються до nsnp 3Po2 та nsnp 1Po1 рівнів. Тому, на відміну від іона In+, для іона Tl+ найбільш ефективним виявився внесок резонансних процесів за рахунок розпаду АІС, що розташовані між енергетичними рівнями розщеплення однієї конфігурації (6s6p 3Po1,2). Усе це обумовлено значним збільшенням енергетичного розщеплення триплетних рівнів (при збільшенні атомної ваги іона) внаслідок, як уже було відмічено раніше, зростання ролі кореляційних та релятивістських ефектів.

Порівняльний аналіз структурних особливостей на функціях електронного збудження спектральних переходів зі зміщених np2 3P1 рівнів іонів алюмінію, індію та талію вказує на те, що якщо для іона алюмінію головні максимуми пов’язані з розпадом АІС, що збігаються до звичайних 3s4s 1S, 3s3d 3Dj та 3s4p 3Poj збуджених рівнів, то для більш важких іонів (таких як іон In+ та Tl+) вони обумовлені, передусім, розпадом АІС, які збігаються до np2 2D1 та np2 1S0 зміщених рівнів. Крім того, якщо для іона In+ ці максимуми пов’язані окрім розпаду np2 3,1Ljn1l1 AIC ще й з розпадом 4d95s25p2 АІС, то для іона Tl+, крім розпаду аналогічних АІС, додатково відкривається канал каскадного заселення 6p2 3P1 рівня зі 5d96s26p збуджених станів іона. Ця особливість призводить до того, що в енергетичному інтервалі розщеплення 2D1 та 1S0 зміщених рівнів на функції збудження 6p2 3P1 рівня іона Tl+ спостерігається чіткий максимум, у той час як для іона In+ аналогічний максимум не спостерігається.

У кінці розділу проведено порівняльний аналіз отриманих структурних особливостей на функціях електронного збудження резонансних ліній іонів Cd+ та In+, який вказує на однаковий механізм утворення цих особливостей – переважно за рахунок розпаду атомарних АІС. Але, якщо для іона In+ утворення цих АІС пов’язано зі значною роллю кореляційних ефектів як у середині валентної оболонки, так і між валентною та субвалентною оболонкам, то для іона Cd+ – переважно з кореляційними ефектами між валентною та субвалентною оболонками. Отже, можна зробити висновок, що при зміні кількості валентних s-електронів від одного до двох відбувається збільшення внеску резонансних процесів у ефективний переріз збудження спектральних ліній за рахунок взаємодій електронів у середині однієї (валентної) оболонки.

У додатках приділено увагу визначенню похибок калібрування енергетичної шкали, величини корисного сигналу від досліджуваного процесу, а також визначенню виносу випромінювання з області спостереження на підставі відомих часів життя збуджених рівнів іона індію.

У висновках викладено наступні положення:

1. Вдосконалені конструкції джерела та системи формування пучка іонів дозволяють отримувати при високих робочих температурах (1100 – 1300) К стабільний у часі (протягом 2000 – 3000 г) пучок іонів хімічно-агресивних металів, що мають низьку пружність насичених парів.

2. Вперше проведені детальні дослідження енергетичних залежностей ефективних перерізів електронного збудження резонансної  158,6 нм (5s5p 1Po1  5s2 1S0), резонансної інтеркомбінаційної  230,6 нм (5s5p 3Po1  s2 1S0) ліній та спектральних переходів зі зміщених 5р2 Pj термів на триплетний 5s5p 3Po1 рівень ( 171,7 нм; 166,7 нм; 160,7 нм) іона In+ виявили чіткі структурні особливості, які обумовлені безпосереднім або через каскадні переходи внеском резонансних процесів – утворенням АІС за рахунок захоплення налітаючого електрона іоном з подальшим їх розпадом в електронному та радіаційному каналах.

3. Встановлено, що до порогів електронного збудження досліджених спектральних ліній структурні особливості обумовлені як радіаційними переходами між АІС та збудженими станами атома (у випадку резонансних ліній), так і між АІС індію (у випадку спектральних переходів зі зміщених термів) у процесі діелектронної рекомбінації. Ефективні перерізи збудження спектральних ліній іона In+ та відповідних їм діелектронних сателітів є величинами одного порядку, що говорить про ефективний розпад атомарних АІС в радіаційному каналі. Це зумовлено сильним конфігураційним змішуванням АІС між собою.

4. Виявлено, що домінуючі структурні особливості в енергетичному інтервалі розщеплення збуджених рівнів іона In+ обумовлені ефективним каналом електронного розпаду атомарних АІС через процес Костера-Кроніга, а одним із найефективніших каналів заселення резонансних рівнів, починаючи з 12 еВ, є радіаційні каскадні переходи зі зміщених термів та іонних АІС індію.

5. Порівняння результатів наших досліджень та відомих із літературних джерел теоретичних і експериментальних робіт зі збудження спектральних ліній підгрупи іона алюмінію вказує на: –

близькі за абсолютною величиною ефективні перерізи їх збудження у всьому дослідженому енергетичному інтервалі;–

збільшення внеску резонансних процесів у ефективні перерізи збудження по мірі зростання атомної ваги іона за рахунок збільшення ролі релятивістських та кореляційних ефектів;

–

Cписок публікацій автора за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

Анотація

Овчаренко Є.В. Збудження іонів індію повільними електронами. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.04 – фізична електроніка. Ужгородський національний університет, Ужгород, 2007.

Спектроскопічним методом в умовах електронного та іонного пучків, що перетинаються під прямим кутом, проведено прецизійні дослідження енергетичних залежностей ефективних перерізів електронного збудження резонансних ліній та спектральних переходів зі зміщених 5p2 Pj термів на 5s5p 3Po1 триплетний рівень іона In+. Виявлені чіткі структурні особливості на цих енергетичних залежностях обумовлені безпосереднім або через каскадні переходи внеском резонансних процесів. До порогів збудження досліджених спектральних ліній структурні особливості обумовлені радіаційними переходами внаслідок процесу діелектронної рекомбінації. В інтервалі розщеплення збуджених рівнів спостерігається ефективний канал електронного розпаду автоіонізаційних станів у процесі Костера-Кроніга. Головним каналом заселення резонансних ліній, починаючи з енергії 12 еВ, є радіаційні каскадні переходи зі зміщених термів та іонних автоіонізаційних станів.

Проведений порівняльний аналіз спектральних ліній іонів підгрупи алюмінію показав, що структурні особливості для більш легких елементів зумовлені, головним чином, збільшенням ролі кореляційних ефектів у валентній оболонці, а для більш важких – збільшенням ролі кореляційних ефектів як у валентній оболонці, так і між валентною та субвалентною оболонками.

Ключові слова: електрон, іон, збудження, діелектронна рекомбінація, автоіонізаційний стан, ефективний переріз, кореляційний ефект.

Аннотация

Овчаренко Е.В. Возбуждение ионов индия медленными электронами. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 – физическая электроника. Ужгородский национальный университет, Ужгород, 2007.

Диссертация посвящена установлению общих закономерностей и особенностей возбуждения иона индия медленными моноэнергетическими электронами, выяснению роли релятивистских, корреляционных и резонансных эффектов на механизмы возбуждения, а также проведению сравнительного анализа процессов возбуждения іонов в пределах подгруппы алюминия.

Исследования энергетических зависимостей эффективных сечений электронного возбуждения спектральных линий иона индия выполнены на экспериментальной установке, в основе которой заложен метод электронного и ионного пучков, пересекающихся под углом 90, с наблюдением исследуемого излучения в направлении, перпендикулярном к плоскости пересечения пучков. Проведенные усовершенствования источника ионов и системы формирования пучка ионов, позволили получать стабильный во времени пучок ионов химически агрессивных металлов с низким давлением насыщенных паров при высоких рабочих температурах. Кроме того, были проведены исследования основных характеристик низко-энергетической трёханодной электронной пушки, а также определено влияние пространственного заряда ионного пучка на энергию и геометрию электронного пучка. Это дало возможность провести калибровку энергетической шкалы электронов.

Проведённые усовершенствования экспериментальной установки и контрольные эксперименты позволили определить оптимальные параметры проведения длительных по времени прецизионных исследований энергетических зависимостей эффективных сечений возбуждения резонансных линий, а также спектральных переходов со смещённых 5p2 P0,1,2 термов на 5s5p 3Pо1 триплетный уровень иона индия. Обнаруженные структурные особенности на всех исследованных энергетических зависимостях обусловлены непосредственным или через каскадные переходы вкладом резонансных процессов – образованием автоионизационных состояний за счёт захвата налетающего электрона ионом с последующим их распадом в электронном и радиационном каналах. До порогов возбуждения исследованных спектральных линий структурные особенности обусловлены как радиационными переходами между автоионизационными и возбуждёнными состояниями атома (в случае резонансных линий), так и между автоионизационными состояниями атома индия (в случае спектральных переходов со смещённых термов) в процессе диэлектронной рекомбинации. Установлено, эффективные сечения возбуждения спектральных линий и соответствующие им диэлектронные сателлиты являются величинами одного порядка, что говорит об эффективном радиационном канале распада автоионизационных состояний. На наш взгляд, это обусловлено сильным конфигурационным смешиванием автоионизационных состояний. Наличие значительной энергетической неоднородности электронов в пучке (Е1/2 ,6 еВ) приводит к наложению энергетических зависимостей эффективных сечений электронного возбуждения исследованных спектральных линий и их диэлектронных сателлитов, вследствие чего происходит существенное искажение истинного поведения функций возбуждения исследованных переходов в припороговой области энергий. В интервалах расщепления возбуждённых уровней иона индия, на исследованных функциях возбуждения наблюдаются чёткие структурные особенности, которые обусловлены электронным распадом атомарных автоионизационных состояний в процессе Костера-Кронига. Выше 12 еВ структурные особенности на энергетических зависимостях возбуждения резонансных линий обусловлены, в первую очередь, эффективным каналом каскадного заселения со смещённых