Физика плазмы, 2023, T. 49, № 4, стр. 391-394

В работе [1] были представлены результаты измерения времени жизни отрицательных молекулярных ионов ${\text{D}}_{2}^{ - }$ и HD^– в основном состоянии. Как выяснилось позже, при проведении экспериментов и при обработке результатов был допущен ряд неточностей. Это не перечеркивает основного результата работы – время жизни указанных ионов в основном состоянии намного больше, чем время жизни автоотрывного состояния. В этой статье рассмотрены упомянутые неточности и подправлены результаты [1]. При этом новых измерений не проводилось, использовались только результаты [1].

На рис. 1 приведена схема установки ДИВО. Ионы, выходящие из источника магнетронного типа ИИ, ускоряются до энергии U_уск и попадают в магнит-монохроматор ММ с магнитным полем B_мм, который выделяет компоненту нужной массы. Затем пучок проходит через систему формирования пучка СФП (две квадрупольных линзы и два корректирующих конденсатора – вертикальный и горизонтальный), где он дофокусируется и попадает в измерительную часть установки. Здесь пучок проходит 180° электростатический анализатор ЭА с напряжением U_ЭА, из которого он направляется в петлю П и через фильтр Ф в ВЭУ.

Рис. 1.

Схема экспериментальной установки: ИИ – ионный источник, ММ – магнит-монохроматор, СФП – система фокусировки пучка, ЭА – электростатический анализатор с пространственной фокусировкой, П – петля (360-градусный анализатор с пространственной фокусировкой), Ф – цилиндрический фокусирующий фильтр, ВЭУ – вторичный электронный умножитель.

Молекулярные ионы образовывались в источнике в результате реакций

Пучок ионов проходил петлю П либо по прямой, либо по круговой траектории, разница в длинах траекторий составляла 270 мм. При этом интенсивность пучка, попадающего в ВЭУ, менялась с N₁ до N₂, а разница времени прохождения ионов по тракту Δt зависела от энергии пучка. Время жизни τ определялось выражением

Эксперименты проводились сериями, сначала для ${\text{D}}_{2}^{ - }$ при разных энергиях извлекаемых из источника ионов, а затем для HD^–. В каждой серии вычислялось время жизни τ, которое затем усреднялось для каждых энергии и типа иона для разных серий. Надо иметь в виду, что чем больше время жизни иона, тем больше времени требуется на набор статистики при неизменном режиме работы установки. Исходя из имевшихся ресурсов, верхний предел измерения τ составлял 100–200 мкс.

Сначала хотелось бы рассказать об одной особенности проводимых в [1] измерений.

В измерениях для ${\text{D}}_{2}^{ - }$ было получено значительное количество серий, в которых время жизни оказывалось чрезмерно большим, а погрешность измерений составляла сотни процентов. Часто бывало, что в начале серии получалось вполне корректное значение τ, а начиная с некоторого момента счеты N₁ и N₂ становились примерно равными. Такие серии считались бракованными и в окончательные результаты не вошли.

В каждой серии было по 90 измерений, кроме тех серий, которые были прерваны по техническим причинам, например, из-за перегорания нити накала источника. На самом деле, количество измерений не имеет никакого значения. Значение имеет общее время измерения – 3–4 часа, а основное значение имеет общее количество зарегистрированных частиц (счетов) в серии, которое составляло 40–150 тыс. счетов в серии (по каждому из измерений N₁ и N₂).

Для HD^– наблюдалось другое. Часто при настройке установки на HD^– счетов не было вовсе. Также счеты могли внезапно пропасть посреди серии.

Во всех таких случаях можно было перенастроить установку и обнаружить пучок D^–, по которому всегда проводилась первичная настройка измерительного тракта. Параметры этого пучка не изменялись в пределах точности настройки.

Наблюдаемые значения можно объяснить тем, что в какой-то момент молекулярные ионы перестают образовываться в источнике. При этом ${\text{D}}_{2}^{ - }$ сопровождаются некой долгоживущей, возможно, стабильной компонентой. Какие условия влияют на образование ионов, выяснить не удалось. Режим работы источника оставался тем же в пределах разброса настроек, изменением параметров его работы восстановить образование ионов не удалось ни разу. Выяснить природу долгоживущей компоненты также не удалось.

Вообще, процессы, идущие в источнике, оказались не так очевидны, как считалось. Их влияние на ход измерений еще придется исследовать.

Теперь можно перейти к коррекции результатов обработки [1]. Во-первых, в измерениях для ${\text{D}}_{2}^{ - }$ при энергии 950 эВ есть серии с очень большой погрешностью. Удаление любой из них приводит к уменьшению общей погрешности. Во время проведения этих серий параметры работы установки были очень неустойчивы по техническим причинам, что дало большой статистический разброс в результатах измерений. Эти серии было решено исключить из окончательных результатов.

Во-вторых, хочется рассмотреть точность определения энергии пучка E₀. Здесь надо отметить, что E₀ в [1] не является сильно значимым фактором. Она определяет лишь время движения частиц по тракту установки. Вот в работе [2], где использовался метод расщепленного пучка, E₀ определяла энергию взаимодействия исходных ионов. Здесь же эта энергия определялась внутренними параметрами ионного источника.

В используемой схеме измерения E₀ можно определить тремя способами:

– по значению ускоряющего напряжения U_уск;

– по значению магнитного поля в магните-монохроматоре B_мм;

– по значению напряжения на электростатическом анализаторе U_ЭА.

При обработке результатов в [1] в качестве E₀ принималось значение U_уск. Но, поскольку ионы выходят изнутри источника, они начинают ускоряться еще в электрическом поле разряда и получают некоторую часть разрядного напряжения. Таким образом, энергия ионов на входе в магнит-монохроматор будет больше U_уск. Определить эту прибавку энергии затруднительно, поскольку неизвестны ни область, из которой выходят ионы, ни распределение электрического поля внутри источника. Напряжение разряда в экспериментах [1] составляло 50–100 В и не регистрировалось.

Значение B_мм тоже нельзя считать надежным источником для определения E₀. Дело в том, что ионы выходят из источника не по радиусу цилиндра-катода, а имеют некоторое распределение по направлениям, которое неизвестно. Кроме того, они отклоняются в рассеянном поле магнита источника B_ИИ. Поскольку направление движения ионов на входе в магнит-монохроматор неизвестно, точно определить E₀ по значению B_мм невозможно.

Электростатический анализатор оказался наиболее удобным средством для определения E₀. Пучок частиц на его входе хорошо сформирован и имеет угловой разброс меньше 1°. Геометрия коллиматорных щелей (на рис. 1 не показаны) обеспечивает попадание пучка на рабочую траекторию анализатора. Сам анализатор использовался во многих предыдущих экспериментах, многократно проверен, и хорошо известно, что для прохождения через него частиц с энергией 1 кэВ, необходимо иметь U_ЭА = 1250 В. Измерения U_ЭА велись с точностью ±2.5 В и регистрировались.

Было принято решение повторно обработать результаты [1], считая характеристикой энергии ионов значение U_ЭА: E₀ = U_ЭА/1.25.

Сначала определялось значение E₀ в каждой серии экспериментов. Усредненные значения приведены в табл. 1. Далее в тексте используются скорректированные значения E₀.

Оказалось, что E₀ в экспериментах была меньше U_уск. Это невозможно объяснить неупругими потерями энергии, например, при рассеянии на остаточном газе – рассеянные ионы неизбежно покинули бы рабочую траекторию установки. Можно предложить два объяснения: либо молекулярные ионы выходят из области в источнике, имеющей потенциал меньше U_уск, либо они образуются вне источника, в пучке вышедших из него исходных ионов D^–. Проверка этих предположений требует отдельного исследования и выходит за рамки данной статьи.

При повторной обработке также обнаружилось, что иногда меньшему значению E₀ соответствовало большее значение B_мм. Причина этого, видимо, в том, что между сериями производилась подстройка установки. При этом менялось угловое распределение выходящих из источника ионов.

После определения энергии ионов было вычислено время их прохождения по петле Δt так же, как и в [1] при помощи программы SIMION 7.0 [3], а затем и время жизни τ для каждой серии. Результаты показаны на рис. 2, серии приведены в порядке их получения. В целом время жизни оказывается примерно на 10% больше, указанного в [1].

Рис. 2.

Значения времени жизни τ для каждой серии измерений: ${\text{D}}_{2}^{ - }$, 670 эВ (а), ${\text{D}}_{2}^{ - }$ 850 эВ (б), ${\text{D}}_{2}^{ - }$, 1020 эВ (в), HD^–, 850 эВ (г).

После этого было усреднено время жизни для каждого значения энергии ${\text{D}}_{2}^{ - }$ и для каждого типа иона.

Исправленные результаты для ${\text{D}}_{2}^{ - }$ следующие: 4.06 ± 0.09 мкс (для 670 эВ), 3.84 ± 0.12 мкс (для 850 эВ) и 3.81 ± 0.06 мкс (для 1020 эВ). Среднее значение времени жизни τ = 3.9 ± 0.1 мкс.

Для иона HD^– время жизни составляет τ = = 4.6 ± 0.1 мкс.

И последнее, на что хотелось бы обратить внимание. На рис. 2г показаны значения времени жизни HD^– для всех серий. Хорошо видно, что они делятся на две группы: (А) с меньшим значением τ и (Б) с большим. Тот же эффект наблюдается для ${\text{D}}_{2}^{ - }$ при E₀ = 1020 эВ (рис. 2в). Для энергий 670 и 850 эВ эффект выражен слабее, но при желании его можно увидеть и здесь (рис. 2а, б). Можно вычислить средние значения τ и дисперсии для каждой группы. Результат приведен в табл. 2. Легко видеть, что разница в средних значениях τ групп А и Б для ${\text{D}}_{2}^{ - }$ и HD^– (~2 мкс) сильно превышает три стандартных отклонения (~0.3 мкс). Это позволяет утверждать, что группы относятся к разным измеряемым величинам, или к двум разным процессам, идущим в установке. Но главное, хорошо видно, что значения τ в каждой группе для ${\text{D}}_{2}^{ - }$ и HD^– совпадают с хорошей точностью.

Подобные результаты получены в работе [4]: для ${\text{D}}_{2}^{ - }$, были обнаружены три фракции с разными временами жизни, правда, эти времена намного больше, чем полученные в нашей работе. Для ${\text{H}}_{2}^{ - }$ и HD^– авторы [4] упоминают только по одной фракции. У нас же, кроме двух групп, присутствует долгоживущая компонента, о которой упоминалось в начале статьи, и время жизни которой измерить не удалось. Так что компонент (фракций) у нас тоже три.

Соответствуют ли две группы измерений двум состояниям ионов – такое предположение напрашивается, но никаких подтверждений ему нет. Чему соответствуют эти группы, осталось неясным.