Письма в ЖЭТФ, том 109, вып. 8, с. 511 - 515

Метод прямого обнаружения и исследования долгоживущих

возбужденных состояний одно- и многозарядных ионов переходных

и редкоземельных металлов

С. Ф. Белых⁺¹⁾, А. Б. Толстогузов^∗×, А. Д. Беккерман^◦, Т. В. Богданова^∇

⁺142121 Подольск, ул. 43 Армии 13, Россия

^∗Рязанский государственный радиотехнический университет, 390005 Рязань, Россия

^×Centre for Physics and Technological Research (CeFITec), Dept. de F´ısica da Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCT),

Universidade Nova de Lisboa, 2829-516 Caparica, Portugal

^◦Schulich Faculty of Chemistry, Technion - Israel Institute of Technology, 32000 Haifa, Israel

^∇Национальный исследовательский университет “МЭИ”, 111250 Москва, Россия

Поступила в редакцию 6 марта 2019 г.

После переработки 6 марта 2019 г.

Принята к публикации 7 марта 2019 г.

Предложен метод прямого обнаружения и исследования долгоживущих возбужденных состояний

одно- и многозарядных ионов переходных и редкоземельных металлов, позволяющий измерять спек-

тры фотонов при распаде долгоживущих состояний ионов данной кратности заряда, времена жизни

таких состояний, а также исследовать влияние электрического поля на характеристики долгоживущих

состояний. Впервые обнаружен эффект быстрого распада долгоживущих состояний при воздействии

электрического поля.

DOI: 10.1134/S0370274X19080034

Современные исследования, связанные с разра-

нал, регистрацию фотонов производят из элемента

боткой логических ячеек для квантовых компьюте-

объема потока равновесного металлического пара, в

ров [1], созданием нового поколения стандартов вре-

котором поддерживают высокую концентрацию ис-

мени [2], поиском активных сред для ионных ла-

паренных атомов и осуществляют их ионизацию и

зеров на парах металлов [3], развитием метода ис-

возбуждение. В этих условиях эффективность сбора

следования ионно-оптических систем различного на-

фотонов, испускаемых при распаде коротко- и дол-

значения [4, 5], нуждаются в знании характеристик

гоживущих состояний, существенно различна: зна-

долгоживущих возбужденных состояний ионов пере-

чительная часть частиц в долгоживущих состояни-

ходных и редкоземельных элементов. В оптической

ях покидает область регистрации до того, как испу-

спектроскопии накоплен большой объем данных о

стит фотоны. Поэтому линии, относящиеся к долго-

сложных спектрах испускания таких ионов [6-9]²⁾.

живущим состояниям, имеют малую интенсивность,

Для наиболее интенсивных линий, соответствую-

что ограничивает возможности исследования. Такие

щих распаду короткоживущих состояний, определе-

данные следует рассматривать как ориентировочные

ны энергетические уровни и времена жизни τ

≈

и это стимулирует развитие иных методов их полу-

≈ 10^-8 с (электронные переходы между такими уров-

чения.

нями разрешены правилами отбора). Существенно

В настоящей работе предложен и реализован ме-

меньше данных о долгоживущих состояниях (τ >

тод прямого обнаружения и исследования долгожи-

> 10^-5 с), распад которых частично запрещен пра-

вущих состояний одно- и многозарядных ионов пере-

вилами отбора. Причина этого связана со специфи-

ходных и редкоземельных металлов.

кой традиционных методов измерения спектров, по-

Суть метода состоит в использовании пучков

скольку, в стремлении получить интенсивный сиг-

ионов, возбужденных в долгоживущие состояния.

Такие пучки эффективно генерируются источником

¹⁾e-mail: serolg@rambler.ru

ионов [10], созданным для изучения ионно-фотонной

²⁾Имеются в виду спектры испускания свободных ионов, а

не ионов, внедренных в качестве примеси в твердые тела или

эмиссии [11] и реакций окисления на поверхности

жидкости.

металлов, бомбардируемых ионами редкоземельных

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

511

512

С. Ф. Белых, А. Б. Толстогузов, А. Д. Беккерман, Т. В. Богданова

Рис. 1. (Цветной онлайн) (а) - Схема источника ионов: 1 - катод, 2 - резервуар (анод) для загрузки рабочего вещества,

3 - отражающий электрод, 4 - ускоряющий электрод, 5 и 6 - одиночные электростатические линзы, 7 - дефлектор.

На рисунке приведены траектории электронного и ионного пучков. (b) - Схема экспериментального прибора для

исследования “светящихся ионных пучков”

элементов [12]. Принцип действия источника основан

ная часть одно- и многозарядных ионов возбужде-

на применении остро сфокусированного пучка элек-

на в долгоживущие состояния с временами жизни

тронов для испарения металлов, ионизации и воз-

τ > 10-5 с. Распад таких состояний сопровождается

буждения испаренных атомов (рис.1a). Оптималь-

эмиссией фотонов с линейчатым спектром, располо-

ный режим генерации ионов и формирования пуч-

женным в видимом диапазоне [4, 5].

ков, а также характеристики пучков ионов подробно

Формирование из возбужденных ионов “светя-

приведены в [10]. При тестировании источника ионов

щихся ионных пучков” представляет интерес в связи

получены следующие результаты:

с возможностью прямого обнаружения и исследова-

1. Источник генерирует пучки ионов различных

ния характеристик долгоживущих состояний. Све-

металлов (Al, Sc, Cu, Nb, Gd, Dy, Ho, Yb) с энерги-

чение пучков ионов исследовалось с помощью при-

ей однозарядных ионов E₀ = 1-20 кэВ и величиной

бора (рис.1b), состоящего из источника ионов [10],

ионного тока I₀ ∼ (1 ÷ 30) · 10^-6 А.

магнитного масс-сепаратора, камеры с окнами для

2. Масс-спектрометрические измерения показа-

наблюдения и регистрации свечения в направлении,

ли, что ионные пучки содержат одно- и многозаряд-

ортогональном направлению распространения пучка

ные M^q+ (q = 1 ÷ 6) ионы (рис. 2а).

(что исключает допплеровское уширение линий), ма-

3. Обнаружено, что для переходных и редкозе-

нипулятора для крепления и точного позиционирова-

мельных металлов (Sc, Dy, Ho, Gd, Yb), существен- ния ионной оптики, цилиндра Фарадея для измере-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

Метод прямого обнаружения и исследования долгоживущих возбужденных состояний. . .

513

Обнаружение долгоживущих состояний осу-

ществлялось путем регистрации спектра свечения

из элемента объема пучка ионов, расположенного

на расстоянии x₀

≈ 0.4 м от анода источника.

Условия эксперимента обеспечили регистрацию

фотонов при распаде долгоживущих состояний

ионов данной кратности заряда (короткоживущие

состояния атомов и ионов полностью распадались

вблизи анода источника) и исключали засветку

от катода источника ионов. На рисунке 2b, в ка-

честве примера, приведен спектр свечения пучка

однозарядных ионов диспрозия. Подобные спектры

были получены также для двух- и трехзарядных

ионов диспрозия. По сравнению со спектрами,

измеренными традиционными методами [7], пред-

ставленный спектр существенно

“упрощен”

- он

содержит линии, соответствующие распаду только

долгоживущих состояний ионов, а интенсивности

этих линий достаточны для измерения времени

жизни τ таких состояний, используя следующий

простой метод. Число зарегистрированных фотонов

dN/dt, испущенных в единицу времени из элемента

Рис. 2. (а) - Диаграмма масс-спектра пучка ионов Dy^q+

объема пучка ионов dV , дается выражением:

(q = 1 ÷ 6). Для каждого значения q сигнал содер-

(

)

x₀

жит пять пиков, соответствующих стабильным изото-

= -KA_ikN₀ exp

-A_ik

v₀

пам с массами 160, 161, 162, 163 и 164. (b) - Оптиче-

ский спектр свечения пучка возбужденных однозаряд-

где K - коэффициент сбора фотонов, A_ik - вероят-

ных ионов диспрозия, измеренный для ионного пучка с

ность спонтанного перехода c испусканием фотона

энергией ионов E0 = 3 кэВ и током пучка I0 = 2·10^-6 А

с длиной волны λ_ik, N₀ - концентрация возбужден-

√

ных ионов в области анода, v₀ =

2qe(U₀)/m - ско-

ния ионного тока и откачной системы. Исследования

рость иона, q и m - кратность заряда и масса иона,

выявили следующие характеристики свечения:

e - заряд электрона, U₀ - потенциал анода. При ва-

• пучки ионов испускают свечение, которое мож-

риации U₀ изменяется скорость ионов v₀ и из зави-



но наблюдать визуально без адаптации зрения при

симости ln

 dN

 от v^-10 определяется время жизни

ионном токе I₀ ∼ (2-3) · 10^-6 A, а также фотографи-

τ = A-1ik . При этом магнитное поле, обеспечивающее

ровать, либо измерять спектрометрическим методом;

прохождение ионов с заданной скоростью v₀ через

• свечение испускается ионами изотропно и визу-

масс-сепаратор, корректируется по максимуму ион-

ализирует траектории ионных пучков в свободном

ного тока, приходящему в цилиндр Фарадея.

пространстве и в пространстве, содержащим элек-

Важно, что траектории светящихся ионных пуч-

трические и магнитные поля;

ков самосогласованы с их объемными зарядами. По-

• интенсивность свечения пучка не зависит от

этому воздействие электрического поля объемного

давления P остаточного газа в камере прибора в диа-

заряда пучка на долгоживущие состояния можно

пазоне (3 · 10^-8 < P < 5 · 10^-5 Toр). Это свидетель-

изучать непосредственно, например, при фокусиров-

ствует о том, что причина возникновения свечения

ке пучка ионов с помощью электростатической лин-

пучка не определяется столкновениями ионов с мо-

зы. Отметим, что в литературе отсутствуют данные

лекулами остаточного газа;

о влиянии электрического поля на вероятность рас-

• интенсивность свечения пучков слабо убывает с

пада долгоживущих состояний ионов переходных и

расстоянием x от анода источника. Для ионов редко-

редкоземельных металлов. На рисунке 3 приведе-

земельных элементов (с энергией E₀ = 3 кэВ и скоро-

ны фотографии прохождения пучка однозарядных

стью v₀ ≈ 3 · 10⁴ м/с), свечение наблюдается вплоть

ионов диспрозия через одиночную электростатиче-

до x ≈ 1 м, что позволило грубо оценить время жиз-

скую линзу при различных значениях потенциала

ни τ (τ ≈ x/v₀ > 10^-5 с) долгоживущих состояний.

V , приложенного к ее среднему электроду. Эти ре-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

514

С. Ф. Белых, А. Б. Толстогузов, А. Д. Беккерман, Т. В. Богданова

зультаты демонстрируют, что, с ростом потенциала

вения, так и сечение, соответствующее наибольшему

V , кроссовер пучка смещается к линзе, а его диа-

сближению ионов в рассматриваемом случае.

метр d уменьшается. При V = 2.4 кВ “острая” фо-

Обсудим возможные сценарии взаимодействия

кусировка (d ≈ 0.1 мм) вызывает полное исчезнове-

ионов, возбужденных в долгоживущие состояния,

ние свечения пучка после прохождения кроссовера

с электрическим полем, создаваемым зарядом Q.

(рис. 3с). Обнаруженный эффект свидетельствует о

Электрическое поле индуцирует в ионе дипольный

момент P = σE(r), где σ ≈ 10^-23 см³ - статическая

поляризуемость иона, E(r) - напряженность поля.

Взаимодействие дипольного момента с полем увели-

чивает энергию возбужденного уровня на величину

ΔW = σE²/2 (статический эффект Штарка [13]).

Как показала оценка, при E(r₀) ≈ 610 В ·см^-1, вели-

чина ΔW крайне мала и не обеспечивает смешива-

ния возбужденных уровней с ближайшими вышеле-

жащими уровнями короткоживущих состояний, ко-

торое может привести к быстрому распаду долгожи-

вущих состояний. Такой вывод согласуется с данны-

ми рис. 3с. Действительно, прохождение пучка ионов

вблизи среднего электрода линзы, где электриче-

ское поле имеет большую напряженность E^∗ ≈ 1000

В·см^-1 (E^∗ > E(r₀)), не вызывает исчезновения све-

чения пучка.

Рассмотрим теперь сценарий взаимодействия

неоднородного электрического поля с движущимися

ионами. Хотя напряженность поля E(r), создаваемо-

го зарядом Q, относительно мала, тем не менее при

быстром приближении иона к кроссоверу напряжен-

ность поля вблизи иона изменяется с большой скоро-

2kQv0

стью^dEdt =

≈ 7·10¹¹

(k = 9·10⁹ н·м² ·K^-2,

(r-v0t)³

см·с

= 3 · 104 м·c^-1 - скорость иона,

Q = 1.7 · 10-14 K, v₀

Рис. 3. Снимок светящегося пучка однозарядных ионов

- расстояние от центра кроссовера до иона,

диспрозия, проходящего через одиночную электроста-

t - текущее время). В этих условиях возможна

тическую линзу при различных значениях потенциа-

генерация одиночного импульса электромагнит-

ла V , приложенного к ее среднему электроду. Энергия

ного излучения, который можно, преобразовав в

ионов E0 = 3 кэВ, ток ионного пучка I0 = 8 · 10^-6 А.

Диаметр пучка на входе в линзу ∼ 18 мм. Диаметр от-

интеграл Фурье, представить в виде излучения

верстий в электродах линзы 24 мм

со сплошным спектром. Большая совокупность

таких импульсов создает вблизи кроссовера интен-

появлении дополнительного более вероятного кана-

сивное электромагнитное излучение со сплошным

ла распада долгоживущих состояний при достиже-

спектром. Взаимодействие этого излучения с дви-

нии “критических” параметров кроссовера (диаметра

жущимися ионами (динамический эффект Штарка

d, концентрации n_i и суммарного заряда Q ионов в

[13]) может инициировать электронные переходы

объеме кроссовера). Такой канал может возникнуть

из долгоживущих состояний как на более низкие

либо за счет безызлучательной релаксации возбуж-

энергетические уровни (индуцированное испускание

дения при неупругих столкновениях ионов в объеме

фотонов), так и на более высокие энергетические

кроссовера, либо при взаимодействии ионов с элек-

уровни (поглощение фотонов), соответствующие

трическим полем, создаваемым зарядом Q.

короткоживущим состояниям, что также должно

Оценка концентрации n_i = 2.1 · 10¹¹ cм^-3 и длины

приводить к быстрой релаксации возбуждения.

свободного пробега λ (λ ≫ d) ионов в объеме кроссо-

Для более детального обсуждения причин, при-

вера (считая его сферой с диаметром d = 2r₀) пока-

водящих к эффекту исчезновения свечения при

зала, что исчезновение свечения не связано с неупру-

“острой” фокусировке ионного пучка, необходимы

гими столкновениями. При оценке значения λ ис-

расчеты методом квантовой электродинамики про-

пользовались как газокинетическое сечение столкно-

цесса взаимодействия иона редкоземельного элемен-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

Метод прямого обнаружения и исследования долгоживущих возбужденных состояний. . .

515

та, возбужденного в долгоживущее состояние, и

ионов. В процессе таких исследований впервые обна-

электромагнитного излучения со сплошным спек-

ружен эффект быстрой релаксации долгоживущих

тром. Расчеты взаимодействия атома водорода, воз-

состояний при “острой” фокусировке ионного пучка с

бужденного в метастабильное состояние 2s, c излуче-

помощью одиночной электростатической линзы. Об-

нием абсолютно черного тела, показали, что происхо-

суждаются возможные причины возникновения об-

дит уширение и смешивание уровня 2s с вышележа-

наруженного эффекта.

щим уровнем 2p, приводящее к быстрой релаксации

Авторы благодарят Б. А. Ципинюка за полезное

возбуждения [14]. К сожалению, для ионов редкозе-

обсуждение результатов.

мельных элементов подобные расчеты отсутствуют.

Следует отметить, что закономерности спектров

V. I. Troyan, P. V. Borisyuk, A.V. Krasavin,

испускания свободных ионов легких элементов соот-

O. S. Vasiliev, V. G. Palchikov, I. A. Avdeev,

ветствуют схеме L-S связи (L и S - орбитальный и

D. M. Chernyshev, S. S. Poteshina, and A. A. Sysoeva,

спиновый моменты электронов), учитывающей спин-

Eur. J. Mass Spectrom. 21, 1 (2015).

орбитальное взаимодействие в качестве малого воз-

T. Schneider, E. Peik, and Chr. Tamm, Phys. Rew. Lett.

мущения кулоновского взаимодействия электронов с

94, 230801 (2005).

ядром иона, и следующим из схемы правилам отбо-

I. G. Ivanov, E. L. Latush, and M. F. Sem, Metal Vapour

ра по ΔL и ΔS, основанным на законах сохранения

Ion Lasers: Kinetic Processes and Gas Discharges,

энергии, момента импульса и симметрии простран-

Chichester-N.Y.-Brisbane-Toronto-Singapure

(1996),

ственных и спиновых координат электронов [15]. Со-

285 p.

гласно правилам отбора, возбужденные состояния

S. F. Belykh, R.N. Evtukhov, U. Kh. Rasulev, and

ионов разделяются на разрешенные (τ ≈ 10^-8 с) и

I. V. Redina, NIM B 59, 106 (1991).

метастабильные (τ > 10^-1 с). Однако для ионов тя-

S. F. Belykh, R. N. Evtukhov, L. V. Lutkova,

желых элементов, имеющих d- и f-электронные обо-

Y. N. Lysenko, U. K. Rasulev, and I. V. Redina,

лочки, спин-орбитальное взаимодействие существен-

Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki 62(6), 179 (1992).

но возрастает, что частично нарушает правила от-

C. H. Corliss and W. R. Bozman, Experimental

бора [15] и приводит к уменьшению времени жизни

transition probabilities for spectral lines of seventy

низколежащих метастабильных состояний до значе-

Elements, U. S. Natl. Bur. of Stand. Monograph

ний τ > 10^-5 с. Именно такие долгоживущие состо-

53, U.S.G.P.O. Washington, DC

(1962)

[Ч. Кор-

лисс, У. Бозман, Вероятности переходов и силы

яния ионов исследуются в настоящей работе. Взаи-

осцилляторов 70 элементов, Мир, М. (1968), 562 с.].

модействие возбужденного иона с постоянным элек-

А. Н. Зайдель, В. К. Прокофьев, С. М. Райский,

трическим полем смещает электронные оболочки от-

В. А. Славный, Е. Я. Шрейдер, Таблицы спектраль-

носительно ядра, нарушая симметрию иона, что мо-

ных линий, Наука, М. (1969), 784 с.

жет инициировать дальнейшее уменьшение времени

Н. П. Пенкин, В. Н. Горшков, В. А. Комаровский,

релаксации возбуждения. Не исключено, что взаи-

ЖПС 61(4), 533 (1984).

модействие электромагнитного излучения со сплош-

А. А. Радциг, Б. M. Смирнов, Параметры атомов и

ным спектром с возбужденным ионом формирует но-

атомных ионов, Энергоиздат, М. (1986), 344 с.

вую квантовую систему “возбужденный ион + элек-

10.

R. N. Evtukhov, S. F. Belykh, and I. V. Redina, Rev.

тромагнитное поле” со своей структурой энергетиче-

Sci. Instrum. 63, 2463 (1992).

ских уровней [13] и иными правилами отбора.

11.

S. F. Belykh, Ju. N. Lysenko, I. V. Redina,

Таким образом, в настоящей работе предложен и

U. Kh. Rasulev, and V. Kh. Ferleger, NIM B

78,

реализован метод прямого обнаружения и исследова-

134 (1993).

ния долгоживущих возбужденных состояний одно- и

12.

S. F. Belykh, R. N. Evtukhov, I. V. Redina, and

многозарядных ионов переходных и редкоземельных

V. Kh. Ferleger, NIM B 95, 300 (1995).

элементов. Метод позволяет измерять оптические

13.

Н. Б. Делоне, Соросовский образовательный журнал

спектры фотонов, испускаемых при распаде долго-

5, 90 (1998).

живущих состояний ионов данной кратности заряда

14.

Т. А. Залялютдинов, Д. А. Соловьев, Н. Л. Лабзов-

и времена жизни таких состояний, а также иссле-

ский, ЖЭТФ 153(1), 13 (2018).

довать влияния электрического поля собственного

15.

Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц, Квантовая механика,

объемного заряда пучка на долгоживущие состояния

Физматгиз, М. (1963), 704 с.

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

6^∗