СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ ВНУТРЕННЕЙ ВАКАНСИИ И АВТОИОНИЗАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ АТОМНОЙ ЧАСТИЦЫ Советский патент 1994 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к атомной физике, физике атомных столкновений и физике плазмы. Оно может быть использовано в исследованиях процессов образования и распада внутренних вакансий и автоионизационных состояний (АИС) атомных частиц, а также в других областях науки и техники.

Целью изобретения является повышение точности и чувствительности способа и расширение диапазона измерений времени жизни в области глубоких вакансий.

Способ определения времени жизни внутренней вакансии и АИС атомной частицы основан на эффекте взаимодействия после столкновения (ВПС). Способ состоит в облучении атомных частиц в газовой фазе пучком ионов (или электронов) измерении двух содержащих оже- или автоионизационную линию энергетических спектров испускаемых электронов, определении изменения положения линии в спектрах (определения ВПС сдвига) и нахождении искомой величины расчетным путем.

Для вывода соотношений в формуле изобретения необходимо указать на эффект, лежащий в основе способа. Речь идет о свойстве угловой анизотропии эффекта ВПС, которое заключается в том, что при условии сопоставимости по величине и направлению скорости рассеянной частицы V_ии скорости оже- или автоионизационного электрона V_в взаимодействие этих частиц становится сильным, а величина ВПС сдвига ΔE_е большой и зависящей от угла между векторами V_и и V_в. Величина сдвига равна
ΔE_еθ= - , (1) где V_ие(θ)= - скорость относительного движения рассеянной частицы и испущенного оже- или автоионизационного электрона;
θ - угол между векторами и .

Наличие угловой анизотропии позволяет определять величину разности сдвига линии в спектре
ΔE_е= ΔE_е(θ)-ΔE_е(θ₂)= - (2) и, следовательно, время жизни τ путем измерения энергетических спектров электронов в двух направлениях θ₁иθ₂ относительно направления рассеянных ионов лишь при одной энергии этих ионов.

Рабочая формула, по которой определяется искомое время жизни τ, получается из формулы (2) путем замены скорости автоионизационного электрона на его энергию E_е= и скорости рассеянного иона на энергию облучающего иона E_o= +1. Энергией выбитого электрона (в случае образования вакансии) и энергией отдачи можно пренебречь.

Из формулы (2) следует, что наибольшая точность и чувствительность способа достигаются при максимальном значении разностного сдвига ΔE_e, когда относительная погрешность определения сдвига минимальна.

Разностный сдвиг, как видно из формулы (2), максимален в том случае, когда испускаемые электроны анализируются в направлении пучка ионов ( θ= 0^о, сдвиг Δ Е_е(θ₁) максимален) и в противоположном направлении (θ₂= 180^о, сдвиг ΔE_e минимален), а скорости рассеянного иона и электрона близки V_и≈V_е. Но поставленная цель - повышение точности и чувствительности способа и расширение диапазона в область более глубоких вакансий - достигается и при V_и≠V_е. Нижняя и верхняя границы диапазона энергий облучающих ионов Е_о, в котором достигается цель, определяются из неравенства
- - = , (3) левая часть которого равна разностному ВПС-сдвигу в изобретении, определяемому по формуле (2) ( θ₁ = 0^о, θ₂ = 180^о), а правая часть ВПС - сдвигу в прототипе, уменьшенному в К раз, где K= - отношениe сечения образования вакансии (или АИС) в изобретении (σ (V_и)) и прототипе (σ (V_и1¹) 0 при V_и1¹ 0, где V_и1¹ - скорость рассеянного иона в прототипе).

Величина К является константой, одинаковой для состояний с близкими значениями I, и может быть определена по литературным данным или измерена. Если исходить из прототипа, то K=1,3·V_о/V_о= - боровская скорость).

Нижняя граница диапазона энергий облучающих ионов Е_o определяется из неравенства (3) при условии V_и < V_е, а верхняя граница при условии V_и > V_е.

В данном способе измеряют разностный сдвиг (2) путем измерения энергетических спектров электронов в двух направлениях, характеризующихся полярными углами θ₁и θ₂ относительно направления облучающих и практически не рассеивающихся ионов. Как уже отмечалось, максимальный разностный сдвиг получается при условии θ₁= 0^o, θ₂= 180^о, так как при θ₁ имеет место максимальный сдвиг, а при θ₂ - минимальный. Но цель достигается и при любых других углах θ₁иθ₂ , если их разность попадает в диапазон(θ₂-θ₁)_мин≅θ₂-θ₁≅π . Верхняя граница диапазона соответствует максимально возможной разности углов, а для определения нижней границы необходимо опять сравнить разностный сдвиг в изобретении со сдвигом в прототипе с учетом отношения сечений. Величину (θ₂-θ₁)_минможно определить из неравенства
- . (4)
Приведем пример реализации изобретения для определения времени жизни хорошо изученного автоионизационного состояния (АИС)3_s3_p¹4_p¹P атома Ar. Состояние образуется путем возбуждения одного электрона внутренней 3_s - подоболочки и довольно быстро распадается благодаря тому, что один из электронов, участвующих в процессе автоионизационного распада, совершает переход внутри оболочки (3_р->3_s4 εd). Поэтому ширина спектральной линии Γ= =0,08 эВ оказывается достаточно большой для измерения ее обычными методами, а выбранное АИС удобно для демонстрации возможностей данного способа. В случае других АИС, например, связанных с возбуждением двух электронов, ширина линий значительно меньше, и определение времени жизни обычными методами становится крайне затруднительным и ненадежным.

Наибольшие чувствительность и точность достигаются тогда, когда равны скорости электрона и иона. Для удобства выполним расчет в атомных единицах h = 1, m_e = 1, e = 1. Энергия автоионизационного электрода равна 10,9 эВ, скорость V_е= =0,895 a.e.. Отсюда находим V_и=V_e=0,895 и.e.~ 0,9 a.e.

В качестве иона возьмем протон. Его энергия должна быть равна Е_о = 20,0 кэВ. Пучки протонов такой энергии легко получить в лабораторных условиях.

Наиболее сильно используемый эффект проявляется на малых углах. Однако выбрать угол θ₁ чересчур малым нельзя по двум причинам.Первая состоит в том, что протон испытывает рассеяние на некоторый малый, но конечный угол. Вторая причина - измерение в направлении "вперед" бывает трудно осуществить технически. Оптимальным является угол в несколько градусов. Выберем θ₁ = 7^о. Второй угол выгодно взять большим, например θ₂= 180^о.

Найдем V_ие(θ₁ ) и V_ие(θ₂ ):
V_ие( θ₁) = 0,109 а.е.

V_ие( θ₂ ) = 2V_е = 1,79 а.е.

При этих скоростях находим разностный сдвиг
ΔE_е= - - - =4,31Γ=0,34 эВ,
Этот сдвиг может быть измерен с высокой точностью, и с той же точностью может быть найдено искомое время жизни
τ=4,3 .

Регистрируеjмый разностный сдвиг оказывается в 4 раза больше ширины линии. Это значит, что погрешность измерений у изобретении в несколько раз меньше, чем в прототипе, даже без учета преимущества в сечении образования АИС.

Для измерения разностного сдвига следует измерить спектры электронов одновременно в указанных направлениях: вдоль пучка облучающих ионов и в противоположном направлении и "наложить" полученные спектры друг на друга. При таком сравнении легко измерить энергетический зазор между линиями в каждом из спектров. Для исключения систематических ошибок следует провести контрольный опыт, значительно изменив энергию облучающих ионов или взяв другое АИС со значительно отличным временем жизни. ВПС-сдвиг будет при этом пренебрежимо мал, и линии в каждом из спектров при наложении совместятся.

Определим границы интервала возможных энергий облучающих ионов.

По формуле (1) находим
E_o≅ 1+ +M·1,3·V_е=78.5 кэВ.

Итак 1,77 кэВ ≅ Е_о ≅ 78,5 кэВ.

При выводе считалось, что К = 1,3.

Определим минимальную разность углов ( θ₂-θ₁)_мин. Будем считать, что один из углов выбран оптимальным, θ₁ = 7^о. Определим θ₂. Из выражения (4) находим ( θ₂-θ₁)_мин= 0,6^о.

Таким образом, предложенный способ позволяет в несколько раз увеличить точность определения времени жизни АМС и внутренней вакансии. Способ характеризуется более высокой чувствительностью, так как позволяет определять малые сдвиги (большие времена жизни) при больших сечениях образования АИС и внутренней вакансии. По этим же причинам диапазон способа может быть распространен на более глубокие вакансии.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ ВНУТРЕННЕЙ ВАКАНСИИ И АВТОИОНИЗАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ АТОМНОЙ ЧАСТИЦЫ, включающий облучение атомных частиц в газовой фазе ионами с энергией, не меньшей энергии возбуждения состояния или вакансии атомной частицы, измерение двух содержащих оже- или автоионизационную линию энергетических спектров испускаемых электронов, определение измерения ΔE_e положения оже- или автоионизационной линии в спектрах и определение времени жизни внутренней вакансии и автоионизационного состояния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности способа и расширения диапазона определения времени жизни в область глубоких вакансий, энергию облучающих ионов E_овыбирают из соотношения
I+ E_o+K²M-KM(K²+2E_е/m)^λ/2<E_o<I+ E_o-KM(2E_е/m)^λ/2, ,
где M - масса иона, кг;
m - масса электрона, кг;
E_е - энергия оже- или автоионизационного электрона, Дж;
I - энергия связи электрона или энергия автоионизационного состояния, Дж;
K = 1,3 e²/h, где e - заряд электрона, h - постоянная Планка,
измеряют спектры электронов в двух направлениях, характеризующихся полярными углами θ₁ < θ₂ относительно направления облучающих ионов, причем измерения спектров электронов производят при углах, разность которых удовлетворяет условию
(θ₂ - θ₁)_мин < θ₂ - θ₁ < π ,
где
(θ₂-θ₁)_мин=arccos cosθ₁-
- - θ₁..

Изобретение относится к атомной физике и физике атомных столкновений. Целью изобретения является повышение точности и чувствительности и расширение диапазона измерений времени жизни в области глубоких вакансий. Способ состоит в облучении атомных частиц в газовой фазе ионами и в исследовании энергетических спектров испускаемых электронов. Он основан на взаимодействии после столкновения рассеянного иона, испущенных электронов и атомного остова. В результате этого взаимодействия энергия исследуемого по спектру оже- или автоионизиционного электрона оказывается зависящей от угла его вылета (относительно направления облучающих ионов), а различие этой энергии для двух углов однозначно связано с искомым временем жизни. Поэтому в способе спектры электронов измеряются в двух направлениях и определяется сдвиг соответствующей линии, который оказывается большее ее естественной ширины. Это позволяет повысить точность и чувствительность по сравнению с известным способом и распространить диапазон в область более глубоких вакансий. Поскольку определяемая величина - фундаментальная атомная константа, способ может найти применение в различных областях науки и техники, например в лазерном разделении изотопов.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ ВНУТРЕННЕЙ ВАКАНСИИ И АВТОИОНИЗАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ АТОМНОЙ ЧАСТИЦЫ, включающий облучение атомных частиц в газовой фазе ионами с энергией, не меньшей энергии возбуждения состояния или вакансии атомной частицы, измерение двух содержащих оже- или автоионизационную линию энергетических спектров испускаемых электронов, определение измерения ΔE_e положения оже- или автоионизационной линии в спектрах и определение времени жизни внутренней вакансии и автоионизационного состояния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности способа и расширения диапазона определения времени жизни в область глубоких вакансий, энергию облучающих ионов E_о выбирают из соотношения
I+ E_o+K²M-KM(K²+2E_е/m)^λ/2<E_o<I+ E_o-KM(2E_е/m)^λ/2, ,
где M - масса иона, кг;
m - масса электрона, кг;
E_е - энергия оже- или автоионизационного электрона, Дж;
I - энергия связи электрона или энергия автоионизационного состояния, Дж;
K = 1,3 e²/h, где e - заряд электрона, h - постоянная Планка,
измеряют спектры электронов в двух направлениях, характеризующихся полярными углами θ₁ < θ₂ относительно направления облучающих ионов, причем измерения спектров электронов производят при углах, разность которых удовлетворяет условию
(θ₂ - θ₁)_мин < θ₂ - θ₁ < π ,
где
(θ₂-θ₁)_мин=arccos cosθ₁-
- - θ₁..