Способ определения времени жизни внутренней вакансии и автоионизационного состояния атомной частицы

Способ определения времени жизни внутренней вакансии и автоионизационного состояния атомной частицы

Реферат

 

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.

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 E_е большой и зависящей от угла между векторами V_и и V_в. Величина сдвига равна E_е= - , (1) где V_ие()= - скорость относительного движения рассеянной частицы и испущенного оже- или автоионизационного электрона; - угол между векторами и . Наличие угловой анизотропии позволяет определять величину разности сдвига линии в спектре E_е= E_е()-E_е(₂)= - (2) и, следовательно, время жизни путем измерения энергетических спектров электронов в двух направлениях ₁и₂ относительно направления рассеянных ионов лишь при одной энергии этих ионов. Рабочая формула, по которой определяется искомое время жизни , 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 E_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 ( = 0^о, сдвиг Е_е(₁) максимален) и в противоположном направлении (₂= 180^о, сдвиг E_e минимален), а скорости рассеянного иона и электрона близки V_иV_е. Но поставленная цель - повышение точности и чувствительности способа и расширение диапазона в область более глубоких вакансий - достигается и при V_иV_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) ( ₁ = 0^о, ₂ = 180^о), а правая часть ВПС - сдвигу в прототипе, уменьшенному в К раз, где K= - отношениe сечения образования вакансии (или АИС) в изобретении ( (V_и)) и прототипе ( (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=1,3V_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 ₁и ₂ относительно направления облучающих и практически не рассеивающихся ионов. Как уже отмечалось, максимальный разностный сдвиг получается при условии ₁= 0^o, ₂= 180^о, так как при ₁ имеет место максимальный сдвиг, а при ₂ - минимальный. Но цель достигается и при любых других углах ₁и₂ , если их разность попадает в диапазон(₂-₁)_мин2-₁ . 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 (₂-₁)_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 d). Поэтому ширина спектральной линии = =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 ₁ 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 ₁ = 7^о. Второй угол выгодно взять большим, например ₂= 180^о. Найдем V_ие(₁ ) и V_ие(₂ ): V_ие( ₁) = 0,109 а.е. V_ие( ₂ ) = 2V_е = 1,79 а.е. При этих скоростях находим разностный сдвиг E_е= - - - =4,31=0,34 эВ, Этот сдвиг может быть измерен с высокой точностью, и с той же точностью может быть найдено искомое время жизни =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+ +M1,3V_е=78.5 кэВ. Итак 1,77 кэВ Е_о 78,5 кэВ. При выводе считалось, что К = 1,3. Определим минимальную разность углов ( ₂-₁)_мин. Будем считать, что один из углов выбран оптимальным, ₁ = 7^о. Определим ₂. Из выражения (4) находим ( ₂-₁)_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 E_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)/2<E_{<I+ Eo-KM(2Eе/m)/2, , где M - масса иона, кг; m - масса электрона, кг; Eе - 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 1 < 2 относительно направления облучающих ионов, причем измерения спектров электронов производят при углах, разность которых удовлетворяет условию (2 - 1)мин < 2 - 1 < , где (2-1)мин=arccos cos1- - - 1..}

Формула изобретения

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 E_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)/2<E_{<I+ Eo-KM(2Eе/m)/2, , где M - масса иона, кг; m - масса электрона, кг; Eе - 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 1 < 2 относительно направления облучающих ионов, причем измерения спектров электронов производят при углах, разность которых удовлетворяет условию (2 - 1)мин < 2 - 1 < , где (2-1)мин=arccos cos1- - - 1..}

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 2-2002

Извещение опубликовано: 20.01.2002