MPE
 
Večelektonske
fotoeksitacije
v atomu
g
g
g
g
g
 
Globoke dvojne
fotoeksitacije v
atomih (Ge..Rb)
g
g
g
g
g

g
 
g
g

g
g
g
g
 
Atomsko
absorpcijsko
ozadje
g

 

 

 

 

 

 

 



 

 

 

EKSPERIMENT

Izbira vzorcev

V dosedanjih eksperimentih so prispevke sovzbuditev v absorpcijskih spektrih zaznali vse do nivoja šuma. V pripravi eksperimenta zato posebno skrb posvetimo zmanjšanju šuma. S tem povečamo občutljivost eksperimenta, ki je definirana kot razmerje med signalom in šumom. Vzrokov za šum meritve je več. Fotoni v vpadnem curku prihajajo na vzorec stohastično, zato za število fotonov, ki v danem časovnem oknu vpadejo na vzorec, velja Poissonova porazdelitev. Pri meritvi vpadnega in prepuščenega svetlobnega toka tako zagrešimo statistično napako. Zmanjšamo jo lahko tako, da podaljšamo čas meritve absorpcijskega koeficienta ali pa eksperiment večkrat ponovimo. Tako izločimo napake, ki nastanejo zaradi slučajnih, nenadzorovanih sprememb v eksperimentalnih pogojih. Na statistiko meritve vpliva tudi debelina vzorca. Jasno je, da skozi debel vzorec prodre komaj kakšen foton. Meritev prepuščenega svetlobnega toka skozi predebel vzorec je zato obremenjena z veliko relativno napako. Pokažemo lahko, da je statistični šum meritve najmanjši, kadar za absorpcijo v vzorcu velja d2,6 [43]. Vir eksperimentalnega šuma sta tudi nehomogenost vzorca in rahlo spreminjanje vpadne točke curka fotonov na površini vzorca. Opletanje curka po površini vzorca je predvsem posledica sukanja in tresenja dvokristalnega monokromatorja, zaradi tega pa curek presvetljuje različne dele vzorca in se torej v nehomogenem vzorcu različno absorbira. Premik curka za razdaljo nekaj mikrom lahko v primeru nehomogenega vzorca že zaznamo kot spremembo v absorpcijskem koeficientu. šum meritve zato zmanjšamo, če pripravimo homogen in primerno debel vzorec. Vir šuma je tudi merilna oprema z elektronskim šumom, vendar nanj ne moremo vplivati. Dosedanji eksperimenti kažejo, da merilna oprema le poveča stohastični šum, ne vnaša pa sistematične napake.

Za eksperiment so posebej primerni žlahtni plini. So enoatomni in kemijsko inertni, zato ne reagirajo s stenami absorpcijskih celic. Te imajo na konceh okenca, ki prepuščajo rentgensko svetlobo. Za meritev absorpcijskega spektra zadostuje že, da okence prepusti nekaj desetink vpadnega svetlobnega toka. Absorpcija svetlobe v vzorcu je sorazmerna s ploskovno gostoto atomov na poti curka, ta gostota pa je sorazmerna s produktom dol žine celice in pritiska plina v celici.

Druga primerna skupina elementov za eksperiment so alkalijske kovine. Pri temperaturah okoli 1000 K so njihovi parni tlaki velikostnega reda 10Pa. Dolžina stolpca pare, ki je primerna za meritev spektra okoli robu K, je pri takem tlaku pribli žno 10 cm. Nekoliko moteča
je kemijska reaktivnost teh elementov, saj ob prisotnosti kisika takoj zgorijo v trdne okside. Pri visokih temperaturah pare elementa tudi raje reagirajo s stenami posode kot pa pri sobni temperaturi, kar oži nabor materialov, ki so primerni za izdelavo absorpcijske celice. Za spektroskopijo enoatomnih par je primerno tudi živo srebro. Pri normalnih pogojih vre pri 630 K, pare tega elementa pa so inertne. Pri temperaturi vrelišča znaša debelina vzorca, ki je primerna za absorpcijski eksperiment na robovih L, približno 4 cm.

Lepo možnost za spremljanje sovzbuditev na seriji elementov ponujajo hidridi germanija, arzena, selena in broma. Ti hidridi so pri normalnih pogojih v plinastem stanju. To olajša eksperiment, ker vzorcev ni potrebno segrevati. Ugodno je, ker so molekule hidridov preproste. Plini teh hidridov razpadejo v času nekaj tednov z izjemo HBr, ki je obstojen, v zraku pa zgorijo do oksidov.

 

Absorpcijske celice

Vzorce hidridov in kriptona smo napolnili v steklene celice valjaste oblike, z dolžino 601mm, notranjim premerom 12plusmin1 mm, in debelino sten 1 mm (slika 3.1). Na konceh sta okenci iz organskega polimera kapton, ki zanemarljivo absorbira rentgensko svetlobo. Celica ima
pravokotno na vzdolžno os stransko komoro. Na stene te komore lahko po potrebi primrznemo plin iz celice tako, da njen plašč hladimo s tekočim dušikom. S tem vzorec umaknemo iz poti sinhrotronskega curka, kar omogoči meritev referenčnega spektra brez premikanja celice. Omenili smo, da na občutljivost eksperimenta vpliva tudi absorpcijska debelina vzorca, ki je sorazmerna tlaku plina v celici. Celico smo zato napolnili s tako količino plina, da je pogoj za optimalno absorpcijo izpolnjen. Tlaki plinov v posameznih celicah pri sobni temperaturi so navedeni v tabeli 3.1.

Tabela 3.1: Tlaki plinov v steklenih celicah pri sobni temperaturi.

Slika 3.1: Skica absorpcijske celice za hidride in kripton. Na vzdol žnem prerezu celice (A) je označeno valjasto telo celice (1), okenci iz kaptona (2) in stranska komora (3). Prikazan je tudi prečni prerez celice (B) v ravnini, ki je pravoktona na pot sinhrotronskega curka (4)

Rubidij je pri sobni temperaturi v trdnem stanju, zato ga je potrebno v eksperimentu upariti. Njegov parni tlak je znaten šele pri temperaturah blizu vrelišča 963 K, take temperature pa mora zdržati tudi absorpcijska celica. Absorpcijska celica za rubidij (slika 3.2) je zato narejena iz nerjavečega jekla AISI 314, ki se začne mehčati pri temperaturah okoli 1300 K. Celica je cilindrične oblike, dolga je 27 cm, njen notranji premer meri 10 mm zunanji pa 12 mm. Okenca, debeline 12,5 mikrom, so narejena iz enakega materiala kot celica ter privarjena na zaklju čne prirobnice. Pri energiji fotonov 15 keV se v okencih absorbirata približno dve tretjini vpadnega fotonskega toka. Občutljivost absorpcijskih meritev na vzorcu rubidija (10) je zato nekoliko slabša od meritev na ostalih vzorcih (~10). Vzorec 16,2plusmin4,0 mg čistega rubidija (99,9 %) smo vstavili v celico, jo evakuirali do tlaka 10 Pa ter zaprli z neprodušnim varom. V eksperimentu celico z vzorcem segrejemo na 1000 K, kar je 30 K nad temperaturo pri kateri se vzorec rubidija popolnoma upari. S pregretjem celice preprečimo kondenzacijo rubidijevih par na stene celice in tako zagotovimo stabilne eksperimentalne pogoje. Tlak v celici, preračunan iz mase vzorca, je tedaj 71plusmin18 kPa.

.Slika 3.2: Prerez absorpcijske celice za rubidij v pečici vzdol ž poti sinhrotronskega curka: 1-celica, 2-okence iz nerjavečega jekla, 3-prirobnica, 4-var odprtine za vstavljanje vzorca, 5-vzorec rubidija, 6- pečica, 7-prostor za termočlen, 8-curek sinhrotronske svetlobe.

 

Izvedba eksperimenta

V eksperimentu smo izmerili absorpcijske spektre hidridov, kriptona in rubidija v okolici robov K. Spektra hidridov arzena in selena ter spekter kriptona smo izmerili na žarkovni liniji BM29, na sinhrotronskem shranjevalnem obroču ESRF v Grenoblu. Spektre hidridov germanija in broma ter spekter rubidija smo izmerili na žarkovni liniji RÖMO II, na sinhrotronu DORIS v Hamburgu.

V eksperimentu na žarkovni liniji BM29 (slika 3.3) je vir rentgenske svetlobe sinhrotronsko sevanje iz shranjevalnega obroča ESRF z energijo elektronov 6 GeV in maksimalnim tokom 100 mA. Curek sinhrotronske svetlobe vpada na dvokristalni silicijev monokromator Si(311). Monokromator razkloni vpadno svetlobo in na vzorec vpada curek z dobro določeno energijo fotonov. Zaradi končne energijske ločljivosti monokromatorja je energija sipanih fotonov v tem curku razmazana za 0,4 eV pri energiji fotonov 12 keV. Dodatno razmazanost energije povzroča divergenca sinhrotronskega curka. Snopi fotonov v curku vpadne svetlobe vpadajo na monokromator pod rahlo različnimi koti, zato so v sipanem curku prisotni fotoni z energijami, ki ležijo v ozkem intervalu nekaj eV. Razpršenost curka, s tem pa tudi razmazanost energij fotonov v prepuščenem curku omejimo s sistemom izhodnih in eksperimentalnih zaslonk. Prve omejujejo razpršenost curka fotonov pred sipanjem na dvokristalnem monokromatorju, druge pa omejujejo razpršenost curka po sipanju. Z zapiranjem zaslonk izboljšujemo ločljivost eksperimenta. Ocenjujemo, da ta v našem primeru meri približno 1 eV.

Slika 3.3: Skica eksperimentalne postaje BM29 na sinhrotronu ESRF, Grenoble, Francija

Kompromis med zahtevama po dobri občutljivosti in ločljivosti eksperimenta smo dosegli s tako nastavitvijo eksperimentalnih zaslonk, da je presek svetlobnega curka meril 2x5 mm. Nastavitev izhodnih zaslonk je bila v vseh primerih enaka. Občutljivost eksperimenta je merila 2,510, kar je z absorpcijsko spektroskopijo te žko preseči. Ločljivost eksperimenta (1 eV) je bila tedaj manjša od naravne širine vzbujenih stanj, ki smo jih preiskovali.

Kolimiran in monokromatiziran curek sinhrotronske svetlobe vpada na absorpcijsko celico z vzorcem. Vpadni (I ) in prepuščeni svetlobni tok (I) merita ionizacijski celici, ki sta polnjeni z argonom, prva s pritiskom 210Pa, druga pa s pritiskom 7 10 Pa. Občutljivi elektrometri zaznajo električni tok, ki ga povzroči ionizacija atomov v plinu, in ga pretvorijo v električno napetost. Ta je izhodni signal meritve.

Za vsak spekter absorpcijskega koeficienta izvedemo dve meritvi. K vsaki meritvi z vzorcem je posnet referenčni spekter na prazni celici, katere polo žaj se med meritvijo ne spreminja. Razlika vrednosti ln(Ia/ Ia), ki smo jih izmerili z vzorcem in brez njega, podaja absorpcijo v vzorcu. Z referenčno meritvijo tako skušamo določiti in izločiti prispevke k absorpciji, ki so posledica absorpcije svetlobe v okencih in izkoristke ionizacijskih celic ter drugih sistematičnih prispevkov merilne opreme k šumu meritve.

Postavitev in izvedba eksperimenta na žarkovni liniji RÖMO II je enaka kot na liniji BM29. Vir svetlobe je sinhrotronsko sevanje iz shranjevalnega obroča DORIS, z energijo elektronov 4.5 GeV. Žarkovna linija je opremljena z dvokristalnim monokromatorjem Si(311). Ionizacijske celice so polnjene z argonom pod pritiskom 10Pa. Tok fotonov v eksperimentu je tipično 10 /mms pri energiji fotonov 9 keV. Zadovoljivo energijsko ločljivost 1 eV pri energiji fotonov 15 keV dosežemo s postavitvijo zaslonk tako, da je presek curka meril 8 x 0,7 mmna2. Razmerje signal/šum je 10na4, kar je nekoliko slabše kot na žarkovni liniji BM29.

 

Rezultati meritev

Absorpcijski spektri v okolici robov K so izmerjeni v energijskih korakih po 0,5 eV. Energijsko območje, zajeto v posamezni meritvi, se začne 200 eV pod energijo robu K in konča približno 200 eV nad pragom za najvišji zaznani kanal [1s3s]pas. Čas merjenja pri izbrani energiji je 1s, mrtvi čas med zaporednima meritvama pa 0,2 s. Mrtvi čas je potreben za umiritev monokromatorja po premiku. Energijsko skalo v eksperimentu smo umerili na vrh resonance [1s]5p v spektru kriptona. Spektralno obliko robu K kriptona je natančno preiskala Breinigova s sodelavci [4] in izmerila energijo omenjenega prehoda. Ta energija je 14324,57 eV. Izmerjeni absorpcijski spektri germanijevega, arzenovega, selenovega in bromovega hidrida ter kriptona in rubidija so prikazani na sliki 3.4.

Slika 3.4: Spektri absorpcijske debeline d v okolici robov K v plinastih vzorcih GeH, AsH, HSe, HBr, Kr in Rb.

 

 

E-mail:iztok.arcon@p-ng.si
Last change: 07-Jun-2006