Кластеры в источниках излучения. Часть II. Атомные и ионные пучки, ионные ловушки, beam-foil-спектроскопия (стр. 1 )

Кластеры в источниках излучения. Часть II. Атомные и ионные пучки, ионные ловушки, beam-foil-спектроскопия.

Clusters in radiation sources. Part II. Atomic and ionic beams, ionic traps, beam-foil-spectroscopy.

Аннотация

Анализ экспериментов с ионными и атомными пучками, выполняемых для получения атомных спектров или параметров излучения, говорит о присутствии кластеров в пучках и ионных ловушках. Это следует учитывать при интерпретации принадлежности спектральных линий и определении параметров излучения.

Исследование может представлять интерес для развития теории атомных спектров. 

Содержание

1.  Введение

2.  Атомные пучки в спектроскопии

3.  Спектроскопия ионов

4.  Кластеры в пучках атомов, ионов, ионных ловушках

5.  Заключение

Литература

1.  Введение

Широкое применение атомных, ионных и кластерных пучков в физике и технике предполагает надежное знание их состава и процессов, происходящих в них.

В работе рассмотрено кластерообразование в пучках атомов, молекул, ионов и в ионных ловушках – специфических источниках света, не вошедших в первую часть исследования [1]. В статье [1] было доказано присутствие кластеров в традиционных источниках возбуждения атомных спектров (ИВС), таких как: пламя, дуга, искра, плазма, лазер.

В традиционных источниках света главной причиной уширения спектральных линий является эффект Допплера, обусловленный беспорядочным движением излучающих атомов или молекул. Даже лампа Шюлера, охлаждаемая жидким водородом, не всегда может дать достаточно резких линий. Применяя атомные пучки, можно уменьшить ширину спектральных линий, не пользуясь низкими температурами [6]. Для возбуждения излучения пучков используется электронный удар, облучение светом, столкновение с мишенью.

Во всех рассматриваемых в работе специфических источниках излучения (кроме атомных пучков) работают в основном с многозарядными ионами (МЗИ). Спектроскопия МЗИ всегда представляла интерес как для чистой физики (при изучении структуры атома точное измерение уровней энергии МЗИ обеспечивает проверку теории строения атома), так и для прикладной науки (диагностика плазмы и развитие рентгеновской спектроскопии). 

Beam-foil-спектроскопия, имея ряд ограничений, применяется для определения времен жизни возбужденных состояний атомов и ионов [7].

Характеристики оптического (и рентгеновского) излучений ионов такие как: времена жизни возбужденных состояний, силы осцилляторов, потенциалы ионизации, также определяются в ионных ловушках и сторожевых кольцах ускорителей [8].

Задача настоящего исследования состоит в том, чтобы на основании анализа экспериментального материала, показать возможность образования и фрагментации кластеров в специфических источниках возбуждения атомного спектра: ионных и атомных пучках, ионных ловушках и в beam-foil спектроскопии. Внимание при этом акцентировано на необходимости учета присутствия кластеров в случаях, где это не всегда ожидается. Например: при ионизации, возбуждении газов не предполагают образование сложных частиц в плазме ионных ловушек или в сторожевых кольцах, могущих давать вклады в атомные спектры.

Понимание роли кластеров в источниках излучения требуется для корректной интерпретации атомных спектров и надежного установления параметров излучения.

2.  Атомные пучки в спектроскопии

До середины прошлого века атомные пучки широко привлекались для определения характеристик оптического излучения [6]. Преимущество атомных пучков заключается в практическом устранении доплеровского уширения линий. Это достигается тем, что наблюдение ведется в направлении, перпендикулярном к движению атомов.

Прямой метод определения вероятностей переходов по излучению спектральных линий – это измерение времени затухания свечения спектральной линии. Такие измерения были впервые выполнены Вином, наблюдавшим "высвечивание" линий в каналовых лучах. Вуд и Релей наблюдали затухание флуоресценции в атомном пучке. Атомные пучки позволяют изучать тонкую и сверхтонкую структуру линий, для чего с успехом применяют как метод поглощения (для резонансных линий), так и метод испускания. Для получения достаточного поглощения применяются многократные атомные пучки. Пучки атомов, могут быть полезны для прецизионных измерений интенсивности спектральных линий. Эти источники позволяет исключить эффект самопоглощения, что достигается применением различных глубин пучка.

Атомный пучок представляет собой направленный поток атомов, движущихся в вакууме  почти без столкновений друг с другом (возможны соударения "догона") и с молекулами остаточных газов. Свойства атомных пучков зависят от методов их получения. Наибольшее применение имеют пучки, получаемые в эффузионных и газодинамических источниках. В эффузионном источнике пучок формируется при помощи диафрагм, вырезающих часть потока газа, истекающего из камеры в вакуум через небольшое отверстие. Диаметр отверстия D и давление в камере подбирают таким образом, чтобы выполнялось условие: число Кнудсена Кn = l /D >> 1, где l – средняя длина свободного пробега частиц в источнике. При этом имеет место молекулярное истечение газа (эффузия).

Газодинамические источники основаны на использовании свободного расширения струи при истечении газа в вакуум; при этом выполняется условие Кn << 1. Атомный (молекулярный) пучок формируется посредством вырезания ядра струи скиммером – конусообразной диафрагмой с острыми кромками.

Принцип создания атомного пучка из паров металла вкратце сводится к следующему [6]. Металл плавится в печи с малым отверстием. Если давление пара в печи не слишком высоко, атомы будут вылетать через апертуру печи (в виде круглого отверстия или щели) по прямолинейным путям,  образующим расходящийся пучок атомных лучей. С помощью коллиматорной камеры, можно выделить из расходящегося потока частиц узкий пучок. Направления движения атомов будут лишь на малые углы отклоняться от линии, соединяющей центры апертуры изображения и апертуры печи, т. е. от оси пучка. Если атомы возбуждены (соударением с электронами или фотонами) и если излучение наблюдается при помощи спектрометра, ось коллиматора которого перпендикулярна к оси пучка, доплеровская ширина уменьшится, так как уменьшатся компоненты скорости излучающих атомов в направлении линии наблюдения.

Несмотря на значительные преимущества источников с атомными пучками перед другими источниками в получении узких спектральных линий, они не нашли широкого распространения в технике спектроскопии и из-за сложности конструкций и невысокой точности измерений.

3.  Спектроскопия ионов

В последнее время много усилий направлено на исследование излучения плазмы в областях УФ-спектра: вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и экстремального ультрафиолета (ЭУФ) [9]. Приведем некоторые примеры.

В исследованиях термоядерного синтеза, реакции многократно заряженных ионов (МЗИ) представляют существенную часть бюджета энергии, и их спектроскопические наблюдения являются важным диагностическим инструментом. Знание состава горячей плазмы, ее загрязнение ионами материалов, в которых она производится и удерживается, необходимо для учета данного факта, т. к. от этого зависят свойства плазмы, в частности, значительная часть энергии теряется с излучением МЗИ. С этой целью, например, был изучен спектр около 60 линий вольфрама в области ЭУФ (4 – 8.5 нм) в ионной ловушке с электронным пучком EBIT (Electron Beam Ion Trap) [10].

Установка Super-EBIT (в Ливеморе) является инструментом как для изучения МЗИ, так и помощником при установлении спектроскопического стандарта в изучении плазмы [11]. Аппаратура перекрывает излучение света от ВУФ до видимой области спектра и предназначена для спектрального анализа линий эмиссии МЗИ. 

Оптические спектры МЗИ Ne, Ar и Kr были возбуждены в ловушке LLNL EBIT-II [12] для установления границ возбуждения и, таким образом, зарядовых состояний, переходов в МЗИ. Вдоль изоэлектронных последовательностей, энергии переходов обычно быстро возрастают, поэтому линии, которые у нейтральных атомов легких элементов появляются в видимой области спектра, находятся в ВУФ для промежуточных/средних кратностей заряда МЗИ и в области ЭУФ – для МЗИ высоких кратностей заряда. Хотя спектры МЗИ и лежат в оптической области, они относятся к переходам непривычным для классической спектроскопии и являются недостаточно изученными для МЗИ с кратностью заряда выше трех.

Спектроскопические исследования ряда запрещенных переходов МЗИ (длины волн Ar XIV и Ar XV) выполнены на  EBIT (Heidelberg EBIT) в оптической области с высокой точностью (с ошибкой меньшей, чем 0.2%) [8]. Изучение сверхтонкой структуры водородоподобных изотопов таллия проведено на Super EBIT [13]. В работе [14] на EBIT получен ряд запрещенных линий инертных газов, измерены времена жизни, например, на NIST EBIT был изучен спектр Kr в области 320 – 460 nm.

В связи с тем, что основным объектами данного исследования являются ионы, рассмотрим некоторые из устройств генерирующих МЗИ.

3.1  Производство ионов

Ионы получают в специальных устройствах, источниках ионов (ИИ), из которых заряженные частицы вытягиваются и формируются в виде пучков. После того, как пучок сформирован в ИИ и выделен отклоняющим магнитом (или другим образом) в определенном зарядовом состоянии, он подается в ускоритель, ионную ловушку, сторожевое кольцо или на мишень.

В масс-спектрометрии широко применяют ИИ, использующие воздействие на вещество энергии лазера, искры, дуги, индуктивно связанной плазмы, тлеющего разряда [15 – 19]. Для получения высококачественных пучков МЗИ в ускорителях и экспериментах по атомной физике широко применяются ИИ на электронном циклотронном резонансе, ECR (Electron Cyclotron Resonance) [20 – 26], ИИ PIG-типа (Penning Ionization Gauge) [27], ИИ с электронным пучком EBIS (Electron Beam Ion Source) [28] и др. Производство МЗИ и роль кластерообразования в масс-спектрометрии для основных ИИ рассмотрено в [клры+МС]. Подробно с физикой и технологией ИИ можно ознакомиться в коллективной монографии [15].

3.2  Ионные ловушки

Определение атомных времен жизни выполняют с использованием ионных ловушек разных типов: электростатической (Киндона), магнитной (Пенинга),  радиочастотной (Пауля). Измерение времени жизни захваченных в ловушки ионов в низкозарядовых состояниях (q = 1 – 3) производится в области времен от части миллисекунд до нескольких секунд [8]. EBIT пригодны для измерения времен жизни в очень широкой области: от субпикосекунд до нескольких секунд [см. ссылки в 12].