Способ определения сечений ионизации положительных ионов релятивистскими электронами

 

СПОСОБ-ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЧЕНИ ИОНИЗАЦИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ РЕЛЯ ТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ, включающий формирование электронно-ионного пучка в магнитном поле, отличающийся тем, что, с целью расширения энергетической области определения сечений, повьшения 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (1!) (51) 4 С Ol Т 1/34

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБ

pETEHHR 13,„

НЫЫ ЫЫА

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2!) 3471033/18-21 (22) 16.07.82. (46) 07.07.86.Бюл. Р 25 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) И.В.Кузнецов, Э.А,Перельштейн и Г.Д.Ширков (53) 621,384 (088.8) (56) Dolder К.Т.,Harrison M.F.А, Thonemann P ° С. Proc.Rog..goñ.

А264, 367, 1961.

Garison Т.А.,Hunt W.E,, Krause М,О., Phys,Rev., 151, 41, 1966.

ЖЭТФ, 80, вып.3, 916, 1981. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЧЕНИЙ

ИОНИЗАЦИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ РЕЛЯ—

ТИВИСТСКИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ, включающий формирование электронно-ионного пучка в магнитном поле, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью расширения энергетической области определения сечений, повьппения 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.

068855

10 !

20

30

40

1 1

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

Известен способ измерения сечения последовательной ионизации положительных ионов электронным ударом, заключающийся в том, что ионизацию производят в пересекающихся ионном и электронном пучках, а сечение ионизации определяют путем измерения выхода. ионов, более высокой зарядности, Недостатками способа являются низкая чувствительность и невысокая достижимая зарядность исследуемых ионов.

Известен способ измерения распределения числа ионов по зарядностям, заключающийся в том, что в нейтральных атомах исследуемого элемента производят ионизацию (рентгеновским излучением1 определенной внутренней оболочки атома, а затем измеряют спектр зарядностей ионов, образуемых в результате Оже-переходов.

Однако метод применим только для исследования нейтральных атомов и низкозарядных ионов.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения сечений ионизации положительных ионов электронным ударом в ионной ловушке, заключающийся в том, что в начальный момент времени вводят низкозарядные ионы в сформированный в магнитном поле электронный пучок, затем в различные моменты от начала процесса ионизации ионы извлекают из электронно-ионного пучка и измеряют спектры зарядностей образовавшихся много-зарядных ионов. Сечение последовательной ионизации определяют по выходам многозарядных ионов и по сопоставлению измеренной эволюции опектра зарядностей ионов с вычисленной судят о вкладе разных ионизационных процессов, 2 ческий диапазон бомбардирующих электронов (около 300 кэВ) .

Цель изобретения — расширение энергетической области определения сечений, повышение информативности и упрощение метода измерения.

Цель достигается тем, что согласно способу определения сечений ионизации положительных ионов релятивистскими электронами, включающему формирование электронно-ионного пучка в магнитном поле, формируют электрон- но-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, Формируют в магнитном поле сгусток (кольцевой пучок) электронов.

После поступления в электронное кольцо нейтральных атомов происходит образование ионов электронным ударом.

Образующиеся в процессе ионизации многозарядные ионы удерживаются собственным электрическим полем электронного кольца, а освобождающиеся при этом вторичные электроны выталкиваются собственным полем сгустка и регистрируются детектором электронов, Выход вторичных электронов непосредственно отражает вклад различных механизмов иониэации в процесс образования ионов и содержит информацию о величине сечений этих процессов. Расчетным путем показано, что в ионизации положительных ионов электронным ударом релятивистскими электронами домини— рующими являются два механизма — прямая ионизация с удалением электронов из атома или иона в континууМ и возбуждение или ионизация внутренних атомных оболочек с последующим испусканием Оже-электронов, т.е.Ожеионизация, причем зависимости сечений этих ионизационных процессов от зарядности ионов сильно различаются.

К недостаткам известного способа относятся разрушение электронноионного пучка при анализе, необходимость проведения многократных . измерений с целью получения полной картины эволюции спектра зарядностей ионов и ограниченный энергетиТаким образом, сечение иониэации положительных ионов электронным ударом можно определить путем измерения тока вторичных электронов и сопоставлением зависимости тока вторичных электронов от времени с расчет1068855 ными сечениями указанных иониэацион-ных процессов.

Техническую реализацию способа рассмотрим на примере коллективного ускорителя тяжелых ионов электронными кольцами.

В вакуумной камере с давлением около 10 торр электроны с энергией

20 ИэВ в магнитном поле около 2 Тл формируются в кольцо с радиусом приблизительно 3,5 см и полуразмером сечения приблизительно 0,2 см.

В кольце около 10 электронов.

В начальный момент в кольцо впрыси киваются 2 10 атомов криптона и начинается процесс накопления положительных ионов. Освобождающиеся в процессе иониэации вторичные электроны выталкиваются из кольца с энергией около 50 кэВ и движутся вдоль магнитных силовых линий к детектору. За время накопления ионов освою бождается приблизительно 5 10 вторичных электронов, В качестве простейшего устройства для измерения тока вторичных электронов можно использовать кольцевой токоприемник, расположенный в вакуумной камере на расстоянии около 10 см от кольца и соединенный с осциллографом с sanoминающей трубкой.

Если, например, принять эффективность регистрации электронов равной приблизительно IOX то при числе

Ц ионов криптона в кольце около 10 регистрируемый ток будет изменяться в пределах 100-0,1 кА.

Ток вторичных электронов определяется плотностью тока электронного кольца j e числом исследуемых ионов, полным сечением ионизации и эффективностью регистрации электронов .

В процессе накопления ионов в каждый момент времени в кольце будет

-присутствовать некоторый набор ионов со средней зарядностью Z . Однако дисперсия по заряду максимальна для тяжелых ионов и составляет h Z /А

/А 4 0,07, где А — массовое число иона. В рассматриваемом примере с криптоном ь 2 1,5 единиц заряда.

Низкая плотность нейтральных атомов остаточного газа позволяет пренебречь ион-атомными столкновениями и этот процесс не увеличивает дисперсию ионов по заряду.

Таким образом, ток вторичных электронов равен ьт(С) =) " (Е) 2 > где и — число ионов в кольце;

d(Z)*6„(g)i6 (ц- полное сечение иони5 зации, равное сумме сечений прямой и

Оже-ионизации.

Произведение .!! определяется в дополнительных, проводимых одно-!

О временно измерениях по тормозному излучению электронов кольца на ионах.

Ошибка в измерении j !! может составлять приблизительно IOX

Эффективность регистрации вто-!

5 ричных электронов рассчитывается или определяется экспериментально для конкретного регистрирующего уст" ройства с точностью приблизительно до IOX.

2б На чертеже приведены вычисленные выходы вторичных электронов в зависимости от времени и достижимой к этому моменту средней зарядности г ионов криптона, 2 По оси ординат отложен ток вторичных электронов в микроамперах, а по оси абсцисс — время удержания ионов в электронном кольце в миллисекундах и вычисленные средние зарядности ионов криптона, достигаемые ими в соответствующие моменты времени.

Зависмость 1 отображает полный регистрируемый ток вторичных электронов при условии, что б (7) =

= б1!(2) 6 (2), зависимость 2 - часть полного тока, обусловленная прямой ионизацией, зависимость 3 - долю тока за счет эффекта Оже-ионизации зависимость 4 — фон, обусловленный

40 накоплением в кольце ионов остаточного газа (в основном азот) в вакуумной камере.

Фоновый ток можно снизить, добиваясь более глубокого вакуума

4> или учесть путем измерения в дополнительных опытах.

Таким образом, путем измерения тока вторичных электронов и тормозного излучения электронов на ионах в соответствии с выражением (1) находится экспериментальное значение полного сечения ионизации положительных ионов электронным ударом в зависимости от заряда иона.

55 . На основе измеренной зависимости полного сечения ионизации от заряда иона можно найти парциальные сечения (долю) прямой и Оже-ионизации.

20

2; (1а!с к)1

45

% 1068

Сечения прямой а (7) и Оже-ионин эации 1 (Z) определяются из условия наилучшего совпадения из известных модельных представлений ц (3) и м и (21с величиной измеренного полно

О го сечения б(2) сразу во всей области измерения зарядностей ионов, используя метод наименьших квадратов. Для этого измеряют сечения полной иониэации для К значений сред- 1О него заряда ионов R . .Значения б„(Z) ,и 6, (2) находятся следующим образом:

d„() =ad „" (z), d;(z) =go," (), а искомые коэффициенты д(и Р определяют из условия минимума значения функционала

z =a((6(z;l-û6 (я;)-Р6."(z4 (6*(z;I), где g (;) — измеренное полное сечение иониэации при соответствующих значениях среднего заряда

30 б (р,) gzz (g,) — известные модельные значения сечег, ний ионизации для

Ф ионов тех же эаРядностеи ° З5

Известно, что в минимуме Ч> аФ

86 6=09

=0 зр

Из полученной системы двух ли-нейных уравнений с двумя неизвестными находят сс и и определяют б„(g) и 1"„ (2), о точности которых можно судить по величине (Ф (, p) (К) Ф= z п .Пусть полное сечение ионизации G (Е;) криптона измерено для 5О пяти значений 4i значения котовых, 855 0 а также известные модельные значения б „(Е;) и б" (6,;) представлены в таблице.

В предложенном случае oC 1,152;

= 0,872 и соответственно искомые значения бп (Е) = 1,1526"„(2)ибо(Z) =

0 872 о (4)

В этом примере „(Е) ибо (7) определены с относительной точностью

67.

Приведенная процедура позволяет на основе экспериментального полного сечения ионизации и теоретических расчетов определить абсолютные значения парциальных сечений прямой и

Оже-ионизации, Таким образом, технические преиму" щества предложенного способа заключаются прежде всего в том, что он позволяет значительно упростить и сократить время проведения эксперимента. Вместе с тем предложенный способ по сравнению с базовым образцом существенно расширит диапазон энергии ионизирующих электронов до ультрарелятивистских энергий.

В,отличие от базового образца предложенный способ позволяет измен рять сечения, ионизации не разрушая электроййо-ионного пучка и даже в случае одного электронно-ионного кольца.

Вместе с тем простота в измерении и высокая эффективность регистрации тока вторичных электронов позволяют определить не только полное сечение иониэации (сечение ионизации опреде- . ляет выход иона из данного зарядового состояния в более высокое), но и проследить зависимость парциальных сечений прямой и Оже-ионизации в широком диапазоне изменения зарядности ионов, что представляет значительный интерес для изучения динамики накопления ионов в электронном кольце, оптимизации процесса их ускорения, а также для атомной физики в целом из-за недостатка экспериментальных сведений о сечении ионизации положительных ионов релятивистскими электронами, I

1,5 10

3,2. 10

1,З 10-"

1,5 10

7 ° 10

2 10

1068855

Продолжение таблицы

28

Редактор Л.Письман Техред Л.Олейник Корректор Г.Решетник

Заказ 3724/1 Тираж 728 Подписное

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, 4

2,4 ° 10

1,5 10

1,2 10

5 10

7 10

0,95.10

2 ° 10

7" 10.

5 ° 10