|
|
|
|
|
|
экспериментальными. Основной источник |
расхождении |
связан |
с неучитываемой утечкой тепла через торцы полого |
катода. |
Как следует из формулы (12.1), |
температура ^газа |
в полом |
катоде лишь частично определяется температурой |
охлаждаю |
щей среды Тст. Большую роль |
в |
установлении |
равновесной |
температуры играют геометрия |
катода, |
состояние |
его |
поверх- |
О |
10 |
2.0 |
і, ма 0 |
0,4 |
0,8 р,ммрт.ст. |
|
|
а |
|
|
5 |
Рис. 12.1. |
Зависимость |
температуры газа |
от условий раз |
ряда [17]: |
|
|
|
|
а — от силы |
разрядного тока і\ б — от давления инертного газа при |
разной силе тока |
разряда |
(цифры у кривы х );------------ расчетная; |
|
|
— # ----- экспериментальная. |
|
ности и рабочие условия разряда. При попытках уменьшить температуру газа необходимо учитывать влияние всех факторов.
К технически доступным охлаждающим средам можно отне сти жидкие газы:
Газ |
Температу |
|
ра кипе |
|
ния, °К |
Кислород................... |
91,03 |
В оздух........................ |
78,8 |
А з о т ............................ |
77,24 |
Газ |
Температу |
|
ра кипе |
|
ния, °К |
В о д о р о д .................... |
20,12 |
Гелий............................ |
4,06 |
Применение жидких гелия и водорода осложняется их высокой стоимостью. Кроме того, эксперименты с гелием несколько за труднительны, а применение водорода нельзя рекомендовать ввиду возможности образования взрывоопасных смесей. Вслед ствие этого наибольшее распространение получило охлаждение стенок катода жидким азотом. Правда, возможны еще различ ные варианты охлаждения стенок трубки твердыми хладаген тами (например, твердым азотом), но их практическое приме нение пока весьма проблематично.
Одним из главных параметров разряда, определяющих тем пературу газа, является сила разрядного тока через трубку. С увеличением силы тока температура газа в разряде быстро возрастает. Поэтому для получения узких линий следует огра ничиваться минимальными силами тока. Необходимый компро мисс между яркостью аналитической линии и ее шириной при этом обусловлен как спектральными характеристиками данной линии (потенциал возбуждения, вероятность перехода, энергия верхнего уровня и его статистический вес), так и условиями ка тодного распыления анализируемого вещества.
Другими важными параметрами являются род и давление инертного газа. Как следует из рис. 12.1, с увеличением давле ния рабочего газа его температура в разряде уменьшается. Если учесть, что в узких катодах оптимальное давление рабоче го газа (т. е. давление, при котором исследуемый спектр имеет максимальную яркость) больше, чем в широких, то первые можно рекомендовать для снижения температуры. Из того же рис. 1 2 . 1 видно, что температура разряда в неоне при прочих
равных условиях меньше, чем в аргоне. Это положение под тверждается и данными работ [18, 19], где было замечено, что температура разряда в неоне порядка 130° К, а для той же труб ки, заполненной аргоном, около 190° К. Наблюдаемое различие можно объяснить тем, что коэффициент теплопроводности нео на примерно в 2,4 раза больше, чем аргона, благодаря чему тепло лучше отводится от области темного катодного прост ранства к стенкам катода.
В связи с этим заметим, что наибольшим коэффициентом теплопроводности из всех инертных газов обладает гелий. Применение гелия предпочтительно также из-за простоты его спектра, легкости очистки от примесей (например, с помощью охлаждаемой ловушки с активированным углем) и возможности возбуждения ионных линий, обладающих, как правило, боль шим изотопическим смещением. Хотя гелий малоэффективен при распылении материала катода, однако этот его недостаток
может быть устранен смешением гелия |
с одним из |
тяжелых |
инертных газов, что дополнительно дает возможность |
подби |
рать оптимальное соотношение между |
интенсивностью |
катод |
ного распыления и теплопроводностью газовой смеси. Так, для смеси гелий — аргон ( 1 : 1 ) коэффициент теплопроводности в
3 раза выше, чем для чистого аргона.
Заканчивая обсуждение температурных характеристик раз ряда в полом катоде, можно сделать вывод, что температура разряда меняется довольно в широких пределах. Немногочис ленные экспериментальные данные [18, 19] показывают, что при правильно подобранных условиях можно получать температуру газа в разрядной трубке порядка 130— 190° К-
Снижение доплеровской ширины линий путем охлаждения стенок разрядной трубки возможно и в случае ВЧ-разряда.
ао9
В этой связи можно сослаться на работу [20], в которой разряд ная трубка охлаждалась жидким азотом при исследовании тон
кой структуры линий водорода серии |
Бальмера. Разрядная |
трубка диаметром 60 мм и длиной 2 0 0 |
мм размещалась внутри |
катушки индуктивности колебательного контура ВЧ-генератора. Спектры возбуждали при давлении газа в трубке 0,025 тор.р Температура газа в разряде, оцененная авторами по допле ровской ширине линий Hß и НЁ, равнялась 210°К при потреб ляемой генератором мощности 70 вт и 250° К при мощности 150 вт. Необходимо, однако, отметить, что фактически темпера тура газа, по-видимому, была меньше, поскольку аппаратурное уширение линий учтено не совсем корректно. Кроме того, усло вия возбуждения спектров в данной работе нельзя считать оптимальными для достижения низкой газовой температуры разряда. Прежде всего в этой работе были слишком большие
размеры трубки, низкое рабочее давление и проток газа через трубку.
Более удачный способ охлаждения разрядных трубок описан в работе [2 1 ]. Охлаждение осуществлялось в специальном крио
стате, предназначенном для работы с жидкими азотом и ге лием. Для подвода ВЧ-знергии (2400 Мгц) служила коаксиаль ная линия, оканчивающаяся диполем. Разряд возникал в стек лянной трубке диаметром 5— 8 мм, помещенной между торца
ми стержней второго диполя. Разрядная трубка была снабже на^ балластным резервуаром и трубопроводом для подвода к ней исследуемого газа. Для вывода излучения разряда наружу к выходному окну была припаяна вторая стеклянная трубка с размещенными внутри нее двумя конденсорными линзами, так
что относительное отверстие разрядной трубки |
было |
равно |
1 . 6,5. Внутри второй трубки поддерживался вакуум. |
|
При исследовании спектра гелия давление |
в разрядной |
трубке меняли в интервале 0,04— 1,5 мм рт. ст. При этом |
мощ |
ность, выделяемая генератором на разрядной трубке, составля ла всего 0 , 1 вт при общей выходной мощности ~ 3 0 вт, а тем
пература газа, определенная по доплеровской ширине линий, равнялась 85 105° К при охлаждении стенок жидким азотом и 15 К (!) при охлаждении жидким гелием. Между тем яр кость разряда была такова, что без труда позволяла проводить интерферометрические измерения контуров таких сравнительно
слабых линий гелия, |
как |
Не 7281 А (2‘Р—3>S, /я5г= 0 046) |
Не 5048 Â (2ХР |
4’5, |
/ а б с = 0,0082) и др. Расход |
жидкого гелия |
на охлаждение разрядной трубки в стабильном |
режиме равен |
0,13 л/ч. Температуры газа в охлаждаемом |
ВЧ-разряде, до |
стигнутые в работе [2 1 ], являются рекордно |
низкими из всех |
известных работ по газовому разряду. |
|
|
Данные работ |
[2 0 , |
2 1 ] |
позволяют выявить |
|
принципиальное |
различие между тлеющим разрядом постоянного тока в полом катоде и ВЧ-разрядом. Действительно, как следует из энерге
тического баланса разряда в полом катоде [17], почти вся под водимая к трубке электрическая энергия расходуется на про цесс перезарядки атомов и ионов в области темного катодного
пространства, что обусловлено большим |
катодным |
падением |
напряжения, которое хотя и |
зависит от |
конкретной |
комбина |
ции катод — рабочий газ, но |
в среднем |
составляет |
1 0 0 — 2 0 0 в. |
Между тем на собственно возбуждение |
спектра расходуется |
меньше 1% подводимой электрической мощности. В результате температура газа в полом катоде даже при минимальных токах через трубку отличается от стенок трубки примерно на Ш0 °.
В ВЧ-разряде отсутствует катодное падение, и поэтому возбуж дение спектров равной яркости возможно при расходовании го раздо меньших электрических мощностей, что позволяет полу чать газовую температуру, более близкую к температуре стенок
трубки.
Потенциалы зажигания и горения ВЧ-разряда существенно ниже, чем тлеющего разряда постоянного тока. По этой при чине распыление материала электродов в ВЧ-разряде значи тельно меньше, и разряд применяется в основном для возбуж дения спектров газов или легколетучих веществ. Однако, как показывают экспериментальные данные [2 2 ], благодаря более
высокой подвижности электронов в ВЧ-поле по сравнению с ионами часть электронов уводится из разрядного промежутка на электроды и в разряде возникает пространственный заряд положительных ионов. Постоянная составляющая потенциала этого заряда для точки, лежащей посредине межэлектродного промежутка d, пропорциональна концентрации ионов іір и квад рату амплитудного значения ВЧ-напряжения Um [22]:
U0~ n pU h f Y d \ |
(I2-2) |
где f — частота колебаний электрического поля. Измерения по тенциала пространственного заряда, проведенные в работе [2 2 ],
свидетельствуют, что его значение при давлениях рабочего газа выше 0,4 мм рт. ст. может достигать 20—30 в и, таким образом, при определенных условиях можно ожидать заметного распы ления материала электродов в ВЧ-разряде.
Особенности возбуждения спектров металлов в полом^ В 1- электроде были исследованы автором совместно с Б. В. Льво вым и А. И. Бодрецовой [23]. Из результатов, имеющих прямое отношение к практике изотопного анализа, следует отметить выявление возможности подавления доплеровского уширепия линий при охлаждении стенок полого электрода. Так, из интер ферометрических измерений контура линии Nel 3369 Â темпера тура газа в разряде определена равной 150 К при охлаждении трубки жидким азотом и потребляемой ВЧ-генератором мощно
сти ~ 3 0 вт.
Другая особенность ВЧ-возбуждения спектров металлов в колом электроде заключается в меньшем уровне самопоглоще
ния резонансных линий по сравнению с разрядом постоянного тока. Это обстоятельство было использовано автором при раз работке методики изотопного анализа лития по линии Li 6708 A [24J. При одинаковом уровне самопоглощения яркость
ВЧ-разряда по сравнению с обычным возбуждением |
спектров |
в полом катоде в 17 раз больше. |
в полом |
Различный уровень самопоглощения для разряда |
катоде и ВЧ-разряда в полом электроде объясняется различия
ми механизмов поступления исследуемого элемента |
в разряд. |
В первом случае материал катода распыляется в |
результате |
ударов ионов инертного газа о стенки катода. При этом энер гия ионов и соответственно эффективность распыления опреде ляются катодным падением напряжения. В ВЧ-разряде энергия ионов, бомбардирующих электрод, определяется потенциалом пространственного заряда, который в несколько раз меньше ка тодного падения напряжения. Вследствие этого относительная вероятность процессов возбуждения спектров и распыления материала электродов в ВЧ-разряде больше, чем в разряде по стоянного тока. К тому же в ВЧ-разряде возможно управление потенциалом пространственного заряда при изменении ампли туды ВЧ-напряжения.
12.3. Аппаратурная ширина спектральных линий
Основным прибором высокой разрешающей силы, применяе мым при исследованиях изотопической и сверхтонкой структу
ры спектральных |
линий, является интерферометр Фабри — Пе |
ро. К основным |
параметрам интерферометра, определяющим |
вид интерференционной картины от исследуемых спектров, от носятся коэффициенты отражения, пропускания и поглощения зеркал (R, Т и А соответственно) и расстояние между зерка лами (t). Основные соотношения между этими параметрами и характеристиками идеального интерферометра имеются в гл. 8 ,
а также в работах [16, 25—28]. Эти формулы справедливы для идеального интерферометра, зеркала которого представляют собой идеально плоские, строго параллельные между собой и бесконечно протяженные поверхности. Наличие дефектов по верхности пластин, неточности их юстировки, а также конеч ные размеры зеркал приводят к заметным искажениям распре деления интенсивности в интерференционной картине. Эти искажения наиболее резко проявляются при работе с интерфе рометром, имеющим большое расстояние между зеркалами или высокий коэффициент отражения пластин. Так как при иссле дованиях изотопической и сверхтонкой. структуры обеспечение максимальной разрешающей силы прибора представляет перво очередной интерес, рассмотрим влияние этих факторов в от дельности.
