Спектроскопический комплекс для изучения процессов
advertisement
Спектроскопический комплекс для изучения процессов возбуждения активных сред... А.И. МИСЬКЕВИЧ, ЛЮ ТАО, ГО ЦЗИНЬБО Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ АКТИВНЫХ СРЕД ЭКСИМЕРНЫХ И ПАРОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИОНОЭМИССИОННЫХ ЛАЗЕРОВ С ЯДЕРНОЙ НАКАЧКОЙ Описывается экспериментальная установка для исследования люминесцентных характеристик плотных многокомпонентных газовых и парометаллических сред, возбуждаемых α-частицами изотопа 238Pu (Eα = 5,3 МэВ), и пучком электронов импульсного ускорителя электронов “Арина-2” (Ее = 150 кэВ, Ie = 500A, Tи = 3–5 нс). Представлены результаты исследований распылительной Не-Cd плазмы и эксимерной среды Ar-Xe-CCl4. Прохождение заряженных частиц высокой энергии через плотную газовую среду сопровождается испусканием светового излучения. В газовых смесях образование световой вспышки происходит в ходе многочисленных плазмохимических реакций с участием возбужденных состояний буферного газа и всех компонент плазмы. Бомбардировка поверхности твердого тела быстрыми частицами и компонентами плазмы дополнительно приводит к распылению материала мишени и эмиссии вторичных частиц – испусканию атомов и ионов материала мишени в основном и возбужденном состояниях. Скорость распыления зависит от температуры мишени и возрастает многократно при температуре, превышающей ~ 0,7 Тпл, где Тпл – температура плавления материала мишени. При этом наблюдаются существенные отличия спектров образующейся распылительной плазмы от спектров, получаемых при термическом испарении металлов. Это физическое явление позволяет создавать лазеры с низкой температурой активного элемента [1–3] или использовать в качестве рабочего вещества труднолетучие металлы типа Mo или U [4]. Несмотря на то, что исследования световой ионостимулированной эмиссии металлов проводятся в течение многих лет [5], в настоящее время отсутствует единое представление о механизме возникновения световой эмиссии при бомбардировке. В связи с этим, получение новой экспериментальной информации представляется крайне важным. В настоящей работе описывается экспериментальная спектроскопическая установка, предназначенный для исследования люминесценции многокомпонентных газовых смесей и ионостимулированной эмиссии металлов, возбуждаемой заряженными частицами высокой энергии. Спектральные исследования проводятся в интервале длин волн 200-1200 нм при давлениях газа в камере от нескольких Торр до 1520 Торр при температурах металлических мишеней – от комнатной до 420 °С с наполнением камеры инертными или молекулярными неагрессивными газами. Возбуждение газовых смесей и распыление металлических мишеней (Сd, Zn) осуществляется α-частицами радионуклида 238Pu (Eα = 5,3 МэВ) и импульсным пучком быстрых электронов ускорителя “Арина-2” с энергией Ее = 150 кэВ, амплитудой и длительностью импульса тока соответственно 500 А и ~ (3–5) нс. Использование в установке импульсного (ускоритель “Арина-2”) и непрерывно действующего (радионуклид238Pu) источников возбуждения газовой и парогазовой сред позволяет производить измерения температурных зависимостей спектров люминесценции, времен высвечивания отдельных уровней и пространственных распределений излучающих частиц. Блок-схема установки приведена на рис. 1. Цилиндрическая камера 1 80150 мм с кварцевыми окнами 2 на торцах была установлена на входной щели монохроматора МДР-23 3. На цилиндрической поверхности камеры имелся фланец, с помощью которого камера соединялась с малогабаритным ускорителем электронов “Арина-2” 4. Внутри камеры напротив электронного пучка размещалась мишень 5 с исследуемым металлом. Мишень состояла из электрического нагревателя 6, выполненного в виде полуцилиндра, термопары и металлической фольги на внутренней цилиндрической поверхности. Температура фольги контролировалась термопарой и поддерживалась постоянной регулятором температуры Щ-4518. Мишень имела размеры: внешний диаметр 50мм, внутренний диаметр 18 мм, длина 85 мм. Для обеспечения равномерного распределения температуры по длине мишени внутренний полуцилиндр, на который снаружи укладывалась обмотка нагревателя, был изготовлен из красной меди. Металлическая фольга толщиной 1 мм из исследуемого металла изгибалась по радиусу R = 9 мм и плотно прижималась к медному полуцилиндру для обеспечения хорошего теплового контакта с ним. Регистрация светового излучения производилась фотоумножителем ФЭУ-71 7, работающим в токовом режиме на 50-омную нагрузку без использования усилителя. Запись формы световых импульсов Спектроскопический комплекс для изучения процессов возбуждения активных сред... производилась с помощью цифрового осциллографа Rigol DS-5022МЕ 8, связанного с персональным компьютером IBM PC 9. Временное разрешение установки составляло 20 нс/cм. Рис. 1. Блок-схема установки: 1 – цилиндрическая камера, 2 – кварцевое окно, 3 – монохроматор МДР-23, 4 – ускоритель электронов “Арина-2”, 5 – мишень из металлического Cd или Zn, 6 – электрический нагреватель, 7 – фотоумножителеь ФЭУ-71, 8 – цифровой осциллограф Rigol DS-5022МЕ, 9 – персональный компьютер, 10 – циркуляционный насос, 11 – титановый фильтр, 12 – высоковольтный блок питания, 13 – блок запуска ускорителя, 14 – спектрометр MAYA 2000 pro. 15 – оптическое волокно При работе камера откачивалась и заполнялась буферным газом – обычно гелием, при давлении от нескольких до 1520 Торр. С помощью циркуляционного насоса 10 газ мог прокачиваться через фильтр из разогретой до 700 °С титановой губки. Необходимость использования прокачки и очистки буферного газа была связана с тем, что при разогреве мишени наблюдалось сильное газовыделение со стенок, что влияло на люминесцентные свойства образующейся плазмы. Конструкция циркуляционного насоса и системы очистки газа описана в работе [6]. При проведении исследований эксимерных сред к камере 1 с помощью кварцевого световода (длина 1 м) и согласующей линзы (см. рис. 1) подключался спектрометр с ПЗСматрицей MAYA-200Pro. Это позволяло записывать мгновенные спектры люминесценции эксимерной среды, инициируемые импульсным пучком электронов ускорителя “Арина-2”. Исследования ионной эмиссии, возникающей при распылении металллического кадмия альфа-частицами 238Pu, проводились во второй камере в атмосфере гелия при различных температурах кадмиевой фольги – от 20 С до 280 С и при давлениях газа в камере – от 75 до 1520 Торр. Камера размером 8080 мм была изготовлена из нержавеющей стали, имела на торце кварцевое окно 8010 мм и была установлена перед входной щелью монохроматора МДР-12 Обе камеры были соединены между собой трубопроводами и вместе с прокачным насосом и титановым очистным фильтром представляли собой единый вакуумный объем. Кадмиевая мишень в виде диска 40 мм вместе с плоским источником α-частиц 238 Pu 25 мм размещались в камере. Мишень и источник устанавливались вертикально и параллельно друг другу на расстоянии 40 мм так, что их плоскости были сориентированы вдоль осевой линии камеры параллельно входной щели монохроматора. Кадмиевая мишень была установлена вблизи осевой линии камеры, однако ее поверхность не просматривалась фотоприемником. Источник α-частиц был сильно смещен к боковой стенке камеры и не мог просматриваться фотоприемником. Световое излучение собиралось на фотоприемник из области, расположенной между кадмиевой мишенью и α-источником, причем границы области отстояли на ±10 мм от осевой линии камеры. Суммарный поток α-частиц, падающих на всю поверхность кадмиевой мишени, составлял 3,75 107 α-частиц /c, а их энергия зависела от давления газа в камере. В камере имелся нагреватель, с помощью которого можно было повышать температуру кадмиевой фольги от 20 до 280 С. Температура фольги контролировалась хромель-копелевой термопарой. Регистрация светового излучения осуществлялась фотоумножителями ФЭУ-100 в диапазоне 200–800 нм и ФЭУ-112 – в диапазоне 600–1200 нм. Спектроскопический комплекс для изучения процессов возбуждения активных сред... Оба фотоумножителя охлаждались до –60 С для уменьшения уровня шумов и работали в режиме счета отдельных фотонов. После глубокой откачки камера обычно заполнялась гелием до давления 75–2200 Торр, и этот газ непрерывно очищался разогретой до 600–700 С титановой губкой в течение всего времени измерения для устранения тушащего действия примесных газов (Н2О, N2 ,CO2 др.), десорбируемых со стенок камеры. Следует отметить, что из-за высокой начальной энергии α-частиц (5 МэВ) их пробег в гелии даже при максимальном давлении 1520 Торр превышал 4 см и α-частицы всегда достигали кадмиевой мишени. Исследования эксимерных сред проводились при комнатной температуре с использованием камер при заполнении их соответствующими многокомпонентными газовыми смесями. При исследовании люминесцентных характеристик молекулы XeCl*, например, обе камеры заполнялись газовыми смесями, состоящими из Ar (760 Торр), Xe (1÷30 Торр) и ССl 4 (0,1÷1,0 Торр). При этом металлические мишени и их нагреватели из камер не извлекались. Спектральный состав излучения, возникающего в камере 1 при возбуждении газовой среды электронным пучком ускорителя «Арина-2», измерялся с помощью спектрометра с ПЗС-матрицей МAYA-2000Pro. Световое излучение выводилось из камеры 1 на входную щель с помощью кварцевого световода и специальной согласующей линзы. Измеряемый спектральный диапазон длин волн – 200÷1200 нм. Пространственные распределения интенсивности отдельных спектральных линий при распылении металлической мишени измерялись в камере с использованием α-источника. Для этого между входной щелью монохроматора и мишенью размещалась подвижная заслонка, позволяющая изменять положение границы со стороны кадмиевой мишени. Записывая интенсивность спектральной линии при разных положениях заслонки, можно было определить распределение плотности излучающих частиц в зависимости от расстояния до мишени. На рис. 2–4 в виде примера представлены осциллограммы импульсов люминесценции на длине волны 442 нм (переход 4d95s2 2D5/2 – 4d105p 2P3/2 иона СdII) и 533.7 нм (переход 4f 2F°5/2 – 5d 2D3/2) при распылении металлического кадмия импульсным пучком быстрых электронов с энергией 150 кэВ (рис. 2), пространственное распределение интенсивности этих линий при распылении потоком α-частиц с энергией 5,3 МэВ (рис. 3) и спектр импульса люминесценции ArXe-CCl4 газовой смеси при возбуждении электронным пучком ускорителя “Арина-2” (рис. 4) . Временные осциллограммы (рис. 2) представляют собой усредненный результат 10 последовательных выстрелов ускорителя. Рис. 2. Временные осциллограммы импульсов люминесценции распылительной плазмы металлического Cd для линий иона CdII с длинами волн 442 и 255.7 нм Рис. 3. Пространственные распределения плотности возбужденных ионов CdII, излучающих на длинах волн: ■ – 325 нм; ▲ – 441.6 нм; – 274,9 нм. По оси абсцисс отложено расстояние от поверхности мишени в мм Спектроскопический комплекс для изучения процессов возбуждения активных сред... Рис. 4. Спектр люминесценции Ar-Xe-CCl4 газовой смеси. Состав смеси: Ar – 760 Торр, Хе – 16 Торр, ССl4 – 0,6 Торр СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Карабут Е.К.,Михалевский В.С., Папакин В.Ф.,Сэм М.Ф. // ЖТФ. 1969. Т. 39. № 10. С. 1923. 2. Шухтин А.М.,Федотов Г.А., Мишаков В.Г. // Оптика и спектроскопия. 1976. Т. 40. Вып. 2. С. 411. 3. Warner B.E., Persson K.B., Collins G. J. // J. Appl. Phys. 1979. V. 50. P. 5694. 4. Wright R.B., Pellin M.J., Gruen D.M., Young C.E. // Nucl. nstrum. Methods. 1980. V. 170. P. 295. 5. Thomas G.E. // Surface Science. 1979. V. 90. P. 381. 6. Копай-гора А.П., Миськевич А.И., Саламаха Б.С. // ПТЭ. 1986. № 5. С. 171.
