Способ получения спектров излучения инертных газов в вакуумной ультрафиолетовой области Советский патент 1986 года по МПК G01J3/10 

112

Изобретение относится к источникам света, flarouuiM линейчатые, полосатые и: непрерывные спектры изл чения инертных газов (аргона, критона и ксенона) в области вакуумного ульт- рафиолета,(ВУФ).

Целью изобретения является увеличение интенсивности излучения отдельных участков спектра вакуумного ультрафиолета путем создания в сверх- звуковой струе инертного газа кластеров определенного среднего размера Для этого на вход в коническое сверхзвуковое сопло подают инертный газ, температура Т и давление Р,, которого должны удовлетворять соотношению

-2,5±о,2, ,

р т

с1 где а - постоянная величина, зависящая от участка спектра инертного газа, на котором требуется увеличение интенсивности излучения, и от параметров сопла.

На фиг. 1 схематически изображено устройство для реализации предлагаемого способа, на фиг. 2 - зави

симости интенсивности I,

нормированной на плотность газа на входе в сопло р , от TeNfflepaTypb газа Т., при давлении Р 0,98 Па и средние размеры кластеров (число атомов в кластере U), присутствующих в струе при ,98 Па и разных температу- рах Т„.

Устройство содержит расположен- Hbie в вакуумной камере теплообменник 2 с навитой на нем спиралью 3, камеру 4 истечения газа, коническое сверхзвуковое сопло 5 для формирования сверхзвуковой струи газа 6, злектроннун) пушку 7 и конденсационный насос 8. Для контроля давлени в камере 1 имеется ионизационный манометр 9. Теплообменник 2 представляет собой медный блок с внутренней резьбой, например пря моугольнойо Внутри блока плотно вставлен медный стакан 10, который с внутренней стекой теплообменника 2 образует канал 11 для прохождения исследуемого газа. Температура теплообменника изменяется в пределах 100-600 К, Охлаждение производится шадким азотом поступающим по трубке 12, которая находится в тепловом контакте с блоком теплообменника 2. Нагрев осу- .ществляется спиралью 3, Измерение температурь г аза до входа в сопло

5

5 производится с помощью медь-кон- стантановой термопары 13. Регулировка давления газа на выходе в сопло осуществляется при помощи вентиля 14.

Устройство работает следующим образом .

Инертный газ, пройдя через теплообменник 2, камеру 4 истечения и коническое сверхзвуковое сопло 5, со сверхзвуковой скоростью вытекает в вакуумную камеру 1 ., образуя плотную направленную струю 6, имеющую четкие границы с вакуумом. Сверхзвуковой поток газа откачивается конденсационным .насосом В, охлаждаемым жидким водородом.

На входе в коническое сопло с диаметром критического сечения 0,34 мм и отношением площадей выходного сечения к критическому, равным 36,7, устанавливается давление газа, например, Р 0, 98 1 О Па (| техн. атм). При этом на выходном сечении сопла давление газа 3 10 мм рт.ст,, а рядом со струей в камере 1 давление имеет величину -10 - мм рт.ст.Для получения максимальной интенсивности излучения на участках спектра отдельно для каждого газа: Аг 104-120 нм, Кг 116- 140 нм или Хе 129-160 нм при давлении ,98 Па газ до входа в сопло, согласно соотношению (i), нагревают до температуры Т, К (аргон), 35 T t;430 К (криптон) и К. (ксенон). При указанных температурах в струе инертного газа присутствуют зародьши конденсированной фазы - кластеры относительно малых размеров .

Например, для конического сверхзвукового сопла с углом конуса 8,6° диаметром критического сечения 0,34 мм и отношением площадей выходного сечения к критическому ,7 величина ,27-10 Па/К (для

0

5

0

40

45

участка спектра Аг 104-1 2,55 10 Па/К Кг 116-140 им)

Ю

нм

), а

..для участка спектра , и , 14 10 Па/К 50 (для участка спектра Хе Г 29-160 нм).

По истечении из сопла газ струи возбуждается электронным пучком с энергией i кэВ и плотностью тока ,2 А/см .

На фиг. 2 в качестве примера для резонансных линий излучения сверхзвуковой струи аргона (1 104,8 и 106,7 нм (кривые 15 и 16), а также

максимума интенсивности первого котинуума / 107,5 ни- (кривая 17} нред ставлены зависимости интенсивности I, нормированной на плотность газа на входе в сопло f , от температурь газа TO при давлении ,-98-Па, а также средние размерь; кластеров, присутствующих в струе при Р 0,98 Па и разных температурах Т (кривая 18), Эти данные получены из двумерных расчетов струйного течения газа с гомогенной конденсацией, вьтолненных по программе. Максимальная интенсивность излучения различных эмиссий участка спектра 104-120 нм (фиг, 2) достигается в районе температуры К, Причем для каждой эмиссии спектра максиму интенсивности наблюдается при определенной температуре Т, когда в струе присутствуют кластеры определенного среднего размера, содержащие 25-40 атомов в кластере. Для всех исследованных эмиссий участка спектра 104-120 нм максимум интенсивности излучения изменяется с давлением РО или температурой Т по за- 5±о,1°

кону РдТ const, Давление Р

и температура газа Т, при которых в струе присутствуют кластеры инертного газа одного и того же среднего размера, тоже связаны зависимостью Рд Т const. Приведенные данные сви детельствуют, таким образом, о том, что для каждой эмиссии БУФ спектра струи аргона, расположенной в диапазоне 104-120 нм, существуют, кластеры определенного среднего размера, взаимодействие электронов с которыми приводит к наиболее эффективному ее высвечиванию, В частности, для линийД 104,8, 106,7 нм и первого континуума с максимумом jf 107,5 нм соответствующие средние размеры кластеров, при которых наблюдается максимальная интенсивность излучения, равны 25,33 и 40 ат/кл.

Зависимость интенсивности .излучения разнь х эмиссий ВУФ-спектра Аг на участке 104-120 нм от среднего размера кластеров объясняется различными вероятностями образования квазиатомных и квазимолекулярных пентров высвечивания в кластерах разных размеров. Эти вероятности зависят от высоты дальнодействующего барьера отталкивания на потенциальных кривых взаимодействия возбужденных атомов с соседними невозбу аден86114

ными и cBofJcTB самих кластеров, В случае тяжелых инертных элементов Аг, Кг и Хе прохождение через барьер носит активационный характер и силь- j но зависит от температуры кластеров. По этой причине в кластерах аргона среднего размера N 25 ат/кл и имеющих белее низкую температуру преимущественно образуются квазиатомные

O центры высвечивания Ar ( Pj , Р ), ответственные за излучение линий А 104,8 и 106,7 нм. С увеличением среднего размера, а следовательно, и температуры кластеров, увеличива5 ется ёероятность образования квазимолекулярных центров Ar ( ,A j3y ВОц), что приводит к более быстрому росту интенсивности излучения молекулярных эмиссий и соответствующему

0 спаду интенсивности линий. Положение максимума на зависимостях 1/р(Т ) для линий определяется высотой барьера отталкивания на потенциальных кривых А С ( Р + Р, ) и ВО ( Р + 5 ).

5 Так как барьер на кривой А Е выше, чем на кривой В0„, то максимум интенсивности для линий 106,7 нм наблюдается при более низкой температуре Тд, когда в случае присутству0 ют более горячие кластеры. Последующая релаксация возбужденных квазимолекул по колебательным уровцрм, сопро вождаюшаяся спадом интенсивности излучения первого континуума,

также определяется индивидуальными

свойствами кластеров (пространстйен- ной структурой, частотным спектром колебаний и т,д,), В частности, в отличие от кластеров больших раз- меров или массивного криокристалла частотный спектр колебаний атомов в кластерах аргона, содержащий менее

55 ат/кл , носит дискретный характер

I

и сдвинут в область меньших частот,

В связи с этим обмен энергией между квазимолекулой и кластером сильно затруднен и тем самым затруднена пелаксация квазимолекулы по колебательным уровням, С увеличением

среднего размера кластеров обмен энергией между квазимолекулой и кластером облегчается, что приводит к опустошению верхних колебательных уровней электронных состояний Л Г

и А I и наблюдаемому уменьшению интенсивности излучения первого континуума. Зависимость интенсивности эмиссий БУФ-спектра от среднего размера кластеров наблюдается и для

5127

участков спектра Кг 1I6-IAO нм н Хе 129-160 нм, являющихся аналогами участка спектра Аг 104-120 им. При возбуждении малых кластеров криптона и ксенона электронами в них образуются центры высвечивания типа возбужденных квазиатомов и квазимолекул в электронных состояниях, аналогичных состояниям квазиатомов и квазимолекул аргона.

Формула изобретения

Способ получения спектров излучения инертных газов в вакуумной ультрафиолетовой области путем создания истекающей через коническое сверхзвуковое сопло в вакуум сверхзвуковой струи инертного газа и ее

возбуждения электронным пучком, отличающийся тем, что, с пелью увеличения интенсивности излучения отдельных участков спектра вакуумного фильтрафиолета, в сверхзвуковой струе создают клас.те- ры среднего размера путем подачи : на вход в сопло инертного газа, температура Т., и давление Р которого удо вле творяют соо тношению 5,5±0, )

РоТ.

а,

где а - постоянная величина, зависящая от участка спектра инертного газа, на котором требуется увеличение интенсивности излучения, и от параметров сопла,

Щ

:

300 Температура То, К

Фиъ.2

4QQ

500

Изобретение относится к источникам света, дающим линейчатые, полосатые и непрерывные спектры излучения инертных газов (аргона, криптона и ксенона) в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Целью изобретения является увеличение интенсивности излучения отдельньгх участков ВУФ-спектра путем создания в сверхзвуковой струе инертного газа кластеров определенного среднего размера. На вход в коническое сверхзвуковое сопло подается инертный газ. Температура Т и давление Р., газа удовлетворяют соотношению Рд Т ° f постоянная величина, зависящая от участка спектра инертного газа, на котором требуется увеличение интенсивности излучения, и от параметров сопла. Инертный газ, пройдя через теплообменник, камеру истечения и коническое сверхзвуковое сопло, со сверхзвуковой скоростью вытекает в вакуумную камеру. На входе в коническое сопло устанавливается давление Р . Для получения максимальной интенсивнос- .ти газ до входа в сопло нагревают до температуры Т. При этом в струе инертного газа присутствуют зародыши конденсированной фазы - кластеры относительно малых размеров. 2 ил.

Редактор 0.Головач

Составитель В.Дорофеев Техред Л.Сердюкова

Заказ 6821/35 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж--35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, А

Корректор СДЧекмар