SU1068855A1 - Способ определени сечений ионизации положительных ионов рел тивистскими электронами - Google Patents

Abstract

СПОСОБ-ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЧЕНИ ИОНИЗАЦИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ РЕЛЯ ТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ, включающий формирование электронно-ионного пучка в магнитном поле, отличающийс  тем, что, с целью расширени  энергетической области определени  сечений, повьшени  информативности и упрощени  метода измерени , формируют электронно-ионный пучок в виде кольца, измер ют ток вторичных электронов и тормозное излучение ионизирующих электронов на ионах, определ ют полное сечение ионизации, а затем путем сравнени  временной зависимости полного сечени  с расчетными значени ми пр мой и Оже-ионизации наход т парциальные сечени  этих процессов.

Description

Изобретение относитс  к ускорительной технике, а именно к коллективным методам ускорени  ионов, и может быть использовано при изучении ионизационных процессов в электронно-ионных пучках.

Известен способ измерени  сечени  последовательной ионизации положительных ионов электронным ударом , заключающийс  в том, что ионизацию производ т в пересекающихс  ионном и электронном пучках, а сечение ионизации определ ют путем измерени  выхода., ионов .более высокой зар дности.

Недостатками способа  вл ютс  низка  чувствительность и невысока  достижима  зар дность исследуемых ионов.

Известен способ измерени  распределени  числа ионов по зар дност м,

заключающийс  в том, что в нейтральных атомах исследуемого элемента производ т ионизацию (рентгеновским излучением определенной внутренней оболочки атома, а затем измер ют спектр зар дностей ионов, образуемых в результате Оже-переходов .

Однако метод применим только дл  исследовани  нейтральных атомов и низкозар дных ионов.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  способ измерени  сечений ионизации положительных ионов электронным ударом в ионной ловушке, заключающийс  в том, что в начальный момент времени ввод т низкозар дные ионы в сформированный в магнитном поле электронный пучок, затем в различные моменты от начала процесс ионизации ионы извлекают из электроно-ионного пучка и измер ют спектры зар дностей образовавшихс  много-зар дных ионов. Сечение последовательной ионизации определ ют по выходам многозар дных ионов и по сопоставлению измеренной эволюции спектра зар дностей ионов с вычисленой суд т о вкладе разных ионизационых процессов.

К недостаткам известного способа относ тс  разрушение электронноионного пучка при анализе, необходимость проведени  многократных . измерений с целью получени  полной картины эволюции спектра зар дностей ионов и ограниченный энергети6885S2

ческий диапазон бомбардирующих электронов (около 300 кэВ).

Цель изобретени  - расширение энергетической области определени 

5 сечений, повьшение информативности и упрощение метода измерени .

Цель достигаетс  тем, что согласно способу определени  сечений ионизации положительных ионов рел тивист10 скими электронами, включающему формирование электронно-ионного пучка в магнитном поле, формируют электронно-ионный пучок в виде кольца, измер ют ток вторичных электронов и тор15 мозное излучение ионизирующих элект-. ронов на ионах, определ ют полное сечение ионизации, а .затем путем сравнени  временной зависимости полного сечени  с расчетными значени 20 ми пр мой и Оже-ионизации наход т парциальные сечени  этих процессов,

Формируют в магнитном поле сгусток (кольцевой пучок) электронов. После поступлени  в электронное коль25 до нейтральных атомов происходит

образование ионов электронньм ударом.

Образующиес  в процессе ионизации многозар дные ионы удерживаютс  собственньм электрическим полем 30 электронного кольца, а освобождающиес  при этом вторичные электроны выталкиваютс  собственным полем сгустка и регистрируютс  детектором электронов. Выход вторичных электронов непосредственно отражает вклад различных механизмов ионизации в процесс образовани  ионов и содержит информации о величине сечений этих процессов. Расчетным путем показано, что в ионизации положительных ионов электронным ударом рел тивистскими электронами доминирующими  вл ютс  два механизма - пр ма  ионизаци  с удалением электронов из атома или иона в континуум и возбуждение или ионизаци  внутренних атомных оболочек с последующим испусканием Оже-электронов, т.е.Ожеионизаци , причем зависимости сечений этих ионизационных процессов от

зар дности ионов сильно различаютс .

Таким образом, сечение ионизации положительных ионов электронным ударом можно определить путем измерени  тока вторичных электронов и сопоставлением зависимости тока вторичных электронов от времени с расчетными сечени ми указанных ионизационных процессов. Техническую реализацию способа рассмотрим на примере коллективного ускорител  т желых ионов электронным кольцами. В вакуумной камере с давлением около Ю торр электроны с энергией 20 МэВ в магнитном поле около 2 Тл формируютс  в кольцо с радиусом приблизительно 3,5 см и полуразмером сечени  приблизительно 0,2 см. В кольце около 10 электронов. В начальный момент в кольцо впрыскиваютс  210 атомов криптона и начинаетс  процесс накоплени  положительных ионов. Освобождающиес  в процессе ионизации вторичные электроны выталкиваютс  из кольца с энер гией около 50 кэВ и движутс  вдоль магнитных силовых линий к детектору . За врем  накоплени  ионов освобождаетс  приблизительно 5-10 вто ричных электронов. В качестве простейшего устройства дл  измерени  тока вторичных электронов можно использовать кольцевой токоприемник, расположенный в вакуумной камере на рассто нии около 10 см от кольца и соединенный с осциллографом с зап минающей трубкой. Если, например, прин ть эффективность регистрации электронов рав ной приблизительно 10%, то при числ ионов криптона в кольце около 10 регистрируемый ток будет измен тьс  в пределах 100-0,1 кА. Ток вторичных электронов определ етс  плотностью тока электронного кольца je, числом исследуемых ионов полным сечением ионизации и эффективностью регистрации электронов . В процессе накоплени  ионов в каждый момент времени в кольце буде - рисутствовать некоторый набор ионо со средней зар дностью Z . Однако . дисперси  по зар ду максимальна дл т желых ионов и составл ет Л 2/А /А i 0,07, где А - массовое число иона. В рассматриваемом примере с криптоном д Z - 1 ,5 единиц зар да. Низка  плотность нейтральных ато мов остаточного газа позвол ет пренебречь ион-атомными столкновени ми и этот процесс не увеличивает диспе сию ионов по зар ду. Таким образом, ток вторичных электронов равен I(tbj,n6U)2, (I) где Г) - число ионов в кольце; d()d(2)-Kjo(Z) полное сечение иони зации, равное сумме сечений пр мой и Оже-ионизации. Произведение jgц определ етс  в дополнительных, проводимых однр ,временно измерени х по тормозному излучению электронов кольца на ионах. Ошибка в измерении jg rj может составл ть приблизительно 10%, Эффективность регистрации вторичных электронов рассчитьшаетс  или определ етс  экспериментально дл  конкретного регистрирующего устройства с точностью приблизительно до 10%. На чертеже приведены вычисленные выходы вторичных электронов в зависимости от времени и достижимой к этому моменту средней зар дности ионов криптона. По оси ординат отложен ток вторичных электронов в микроамперах, а по оси абсцисс - врем  удержани  ионов в электронном кольце в миллисекундах и вычисленные средние зар дности ионов криптона, достигаемые ими в соответствующие моменты времени . Зависмость 1 отображает полный регистрируемый ток вторичных электронов при условии, что б (г) Йь()(), зависимость 2 - часть полного тока, обусловленна  пр мой ионизацией, зависимость 3 - долю тока за счет эффекта Оже-ионизации зависимость 4 - фон, обусловленный накоплением в кольце ионов остаточного газа (в основном азот в вакуумной камере. Фоновый ток можно снизить, добива сь более глубокого вакуума или учесть путем измерени  в дополнительных опытах. Таким образом, путем измерени  тока вторичных электронов и тормозного излучени  электронов на ионах в соответствии с вьфажением (Т) находитс  экспериментальное значение полного сечени  ионизации положительных ионов электронным ударом в зависимости от зар да иона. На основе измеренной зависимости полного сечени  ионизации от зар да иона можно найти парциальные сечени  (долю) пр мой и Оже-ионизации.

cijjaiiiHbfeESiiis Tl -i Сечени  пр мой (j- () .и Оже-иониэации С; (Z) определ ютс  из услови  наилучшего совпадени  из известных модельных представлений С; (Z} и (3 ()с величиной измеренного полно го сечени  б (Z) сразу во всей облас ти измерени  зар дностей ионов, использу  метод наименьших квадратов . Дл  этого измер ют сечени  цол . ной ионизации дл  К значений среднего зар да ионов 2. Значени  бп (z) .и бо () наход тс  следующим образом (г1 б„иьрб:(), а искомые коэффициенты рС и Я определ ют из услови  минимума значени  функционала (6uo-oi6;;(2;)-K(r.f(.) где(;(-,)- измеренное полное сечение ионизации при соответствующих значени х среднего зар да ZiiuUk); . й(;) известные модел . ныезначени  се НИИ ионизации д ионов тех же за р дностей. Известно, что в минимуме Ф полученной системы двух ли Нейных уравнений с двум  неизвестными наход т ос и j) и определ ют 6f,(Z) и (0 (2) , о точности которых можно судить по величине ( (|);,/3)( гпш.Пусть полное речен крнизации б(Е;) криптона измерено д п ти значений , значени  КОТОРЫ 55 а -также известные модельные значени  и , и Cj (7;) представлены в таблице. В предложенном случае об 1,152; /1 0,872 и соответственно искомые значени  Рп (г) 1,152С; )о (2) 0,872с(г) . В этом примереС5() ибо() определены с относительной точностью 6%. Приведенна  процедура позвол ет на основе экспериментального полного сечени  ионизации и теоретических расчетов определить абсолютные значени  парциальных сечений пр мой и Оже-иониз ации. Таким образом, технические преимущества предложенного способа заключаютс  прежде всего в том. что он позвол ет значительно упростить и сократить врем  проведени  эксперимента . Вместе с тем предложенный способ по сравнению с базовым образцом существенно расширит диапазон энергии ионизирующих электронов до ультрарел тивистских энергий, В .отличие от базового образца предложенный способ позвол ет измер ть селени : ионизации не разруша  электронно-ионного пучка и даже в случае одного электронно-ионного кольца. Вместе с тем простота в измерении и высока  эффективность регистрации тока вторичных электронов позвол ют определить не только полное сечение ионизации сечение ионизации опреде- л ет выход иона из данного зар дового состо ни  в более высокое), но и проследить зависимость парциальных сечений пр мой и Оже-ионизации в широком диапазоне изменени  зар дности ионов, что представл ет значительный интерес дл  изучени  динамики накоплени  ионов в электронном кольце, оптимизации процесса их ускорени , а также дл  атомной физики в целом из-за недостатка экспериментальных сведений о сечении ионизации положительных ионов рел тивистскими электронами, I

-19

2,4-10

-20 1,5 -10

21

1,2lCr

-19

-го

5.10

-21

-7t

7--10

740

-23

21

0,95-10

5 г 10

Claims (1)

1. СПОСОБ. ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЧЕНИЙ ИОНИЗАЦИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ РЕЛЯ

   ТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ, включающий формирование электронно-ионного пучка в магнитном поле, отличающийся тем, что, с целью расширения энергетической области определения сечений, повышения информативности и упрощения метода измерения, формируют электронно-ионный пучок в виде кольца, измеряют ток вторичных электронов и тормозное излучение ионизирующих электронов на ионах, определяют полное сечение ионизации, а затем путем сравнения временной зависимости полного сечения с расчетными значениями прямой и Оже-ионизации находят парциальные сечения этих процессов.

   сх>

   00 СЛ СЛ