2.4. Методы измерений

В этом разделе кратко описываются различные экспериментальные методы, используемые для изучения свойств газов, связанных с прилипанием. Мы преследуем цель — дать читателю представление об основных принципах рассматриваемых методов и об их относительной эффективности для всех этих методов одинаково

важным является вопрос о сравнимости и совместимости результатов, полученных в различного рода экспериментах.

В начале настоящей главы было сказано, почему мы придерживаемся точки зрения, что экспериментальные данные должны прямо или косвенно давать абсолютное значение сечения исследуемой реакции либо набор таких сечений. Тогда точное соотнесение различных наборов основных экспериментальных данных состоит в проверке их взаимной согласованности с расчетными значениями сечений или наборов сечений. В особенности это касается экспериментов, выполненных для различных газовых смесей методами электронного облака или послесвечения.

2.4.1. Измерение полного сечения прилипания методом однократного столкновения

Работы Тэйта и Смита [92], а также Раппа и Бриглиа [78] можно рассматривать как примеры применения метода однократных столкновений для измерения сечения прилипания. Читателя, интересующегося деталями метода, мы отсылаем к указанным работам, а также к работе Раппа и Энгландер-Голдена [79], посвященной измерению сечения образования положительных ионов, а также к обзорной статье Киффера и Данна [55], в которой обсуждаются трудности, присущие подобным экспериментам.

Основную идею метода поясняет рис. 2, на котором изображена схема типичного эксперимента. В нем используется камера, содержащая исследуемый газ при данном давлении. Электронный пучок, создаваемый электронной пушкой, ускоряется под действием данного напряжения и с известной энергией проходит через камеру. Для того чтобы пучок при прохождении через камеру не пересекался с диафрагмами, его ограничивают соленоидальным магнитным полем напряженностью в несколько сотен гаусс. После прохождения камеры пучок собирается коллекторным электродом с соответствующим запирающим потенциалом, что позволяет измерить параметры пучка. Ионы, образующиеся внутри камеры, движутся под действием приложенного аксиального магнитного и поперечного электрического полей. Электрическое поле создается соответствующими плоскими отклоняющими электродами, расположенными обычно параллельно и симметрично относительно оси пучка. Коллектор ионов длиной имеет защитные пластины, размеры которых сравнимы с Задача состоит в том, чтобы ионы, собираемые на плоском электроде длиной представляли собой соответствующую

пробу и чтобы их число было равно числу ионов, создаваемых шектронным пучком на участке длиной . В этом случае сечение образования ионов дается выражением где — измеряемый ионный ток, — измеряемый ток электронов и — концентрация молекул газа в камере.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки, используемой для измерения полных сечений прилипания или сечений ионизации с помощью электронного пучка методом однократных столкновений. В нижней части рисунка показано распределение потенциала V вдоль электронного пучка, необходимое для работы в условиях, когда энергия электронов приближается к нулевой

Выражение (21) написано в предположении, что преобладают условия однократного столкновения. Это обеспечивается тем, что эксперимент проводится при достаточно низком давлении, т. е. выполняется условие где — полное сечение рассеяния.

Для определения абсолютных значений <та требуется измерение абсолютных значений и Можно избежать некоторых трудностей, связанных с данным методом, если провести сначала измерения для уже известного сечения. При этом, в частности, удобным может быть использование полного сечения образования положительных ионов в том же газе, поскольку тогда отпадает необходимость точного измерения давления. Однако из-за возможно

более высокой кинетической энергии отрицательных ионов может оказаться неверным предположение о том, что они собираются коллектором столь же эффективно, как и положительные ионы. Поэтому, а также по ряду других причин, которые обсуждаются в работе Спенса и Щульца [87], в некоторых случаях оказывается более предпочтительным проводить калибровку по отношению к уже известным сечениям прилипания.

Существуют трудности в обеспечении собирания на коллекторе всех фрагментарных ионов, поскольку в некоторых случаях фрагменты образуются со значительной кинетической энергией, достигающей нескольких электронвольт. Поэтому с целью правильного измерения как функциональной зависимости сечения, так и его абсолютных значений необходимо соблюдать большие предосторожности. Для двухаюмных молекул эта проблема может оказаться особенно серьезной, поскольку в случае таких молекул избыточная энергия должна перераспределиться в виде поступательной энергии между двумя атомарными фрагментами.

При измерении сечения прилипания с использованием электронного пучка возникает еще одна трудность. Дело в том, что интересующий нас диапазон энергий электронов лежит обычно ниже 10 эВ, а в некоторых случаях простирается вплоть до 0 эВ. Кроме того, во многих случаях зависимость сечений от энергии имеет сложную структуру, с узкими и резкими вертикальными пиками. Поэтому точность измерений существенно зависит от того, насколько тщательно выполнена калибровка энергетической шкалы электронов Необходимо также использовать электронный пучок с монохроматичностью —0,10 эВ и выше.

Для многих газов сечение прилипания велико при нулевой энергии электронов и быстро спадает с ее ростом. При энергиях электронов, меньших 0,1 эВ, измерение сечений методом электронного пучка в столкновительной камере чрезвычайно затруднено. Полное обсуждение этих трудностей выходит за рамки настоящей главы, но следует заметить, что, по опыту автора, трудности в данном случае таковы, что в экспериментах, в которых отсутствует должный контроль, измерения при столь низких энергиях могут приводить к очень большим ошибкам любого знака, хотя при высоких энергиях этот метод давал достаточно точные результаты. Следовательно, для сечений, полученных при очень низких энергиях электронов, необходимо использовать любой случай для проверки. Эту проверку необходимо проводить путем сравнения с результатами надежных измерений, выполненных методом электронного облака или в экспериментах с послесвечением.

Метод однократных столкновений, используемый при измерениях очень малых сечений прилипания также приводит к определенным трудностям, связанным с проблемой выделения рассеянных электронов, особенно тех, которые подвергаются неупругому рассеянию. Обычно процессы со столь малыми сечениями прилипания не имеют существенного значения в задачах моделирования плазмы активных сред лазеров,