Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
ной плазмы (ЛПИ)2, который имитирует излучение синхротрона. Кроме того, в системе с ЛПИ имеется возможность автоматической очистки поверхностей актиноидов, что является существенным при работе с энергиями фотонов ВУФ. ЛПИ и УИИ описаны в коротких статьях “Конструкция источника излучения на основе лазерной плазмы и его использование” и “Измерения актиноидов методом фотоэлектронной спектроскопии на усовершенствованном источнике излучения” на с. 188 и 190.
Подготовка поверхности имеет решающее значение для экспериментов по ФЭС, поскольку, как показано на рис. 2, глубина зондирования ФЭС составляет всего лишь несколько атомных слоев (у большинства металлов
1-5 атомных слоев, или 5-25 Ao). Сле-
2 С 1992 г. работы по этому проекту финансируются отделением материаловедения Ведомства по основным энергетическим наукам при Министерстве энергетики США.
довательно, атомарно чистые поверхности важны для получения точных результатов ФЭС. В синхротронных экспериментах поверхности очищаются путем отжига с распылением, а в экспериментах на ЛПИ - путем лазерной абляции: лазерный пучок направляется в вакуумную камеру и очищает образец. Последняя методика проста в использовании и позволяет очищать образец при низких температурах. Низкие температуры существенны, поскольку они ограничивают диффузию и уменьшают реакции разрушения на поверхности образца.
На рис. 6 приведен ряд спектров ФЭС, измеренных на пяти этапах очистки на месте. Спектр в верхней части рисунка - это спектр образца а-плутония с толстым слоем оксида на поверхности; виден широкий пик оксида, центрированный около кинетической энергии электрона 29 эВ (?в = - 6 эВ), который связан с электронами кислорода в 2р со-
176
Los Alamos Science Number 26 2000
Фотоэлектронная спектроскопия а- и 6-плутония
стоянии, и второй пик, центрированный при 33,5 эВ, который связан с локализованными 5f электронами оксида плутония. Эти данные ЛПИ были получены при энергии фотонов 40 эВ для увеличения интенсивности ФЭС 2р электронов кислорода относительно интенсивности 5f электронов. Мы использовали лишь несколько лазерных импульсов для очистки поверхности образца между измерениями каждого очередного спектра. Заметим, что при каждой процедуре очистки возрастает интенсивность у края Ферми, а пик оксида при энергии связи -6 эВ убывает и меняется его форма (остаточный поверхностный кислород еще присутствует в цикле 5, HO по сравнению с начальным оксидом его форма явно иная, а интенсивность меньше). Конечный спектр металла сильно отличается от начального спектра, но сходен с конечным спектром, полученным более традиционными методами отжига с распылением (или очисткой), что свидетельствует об эффективности лазерной абляции.
При подготовке к экспериментам на синхротроне с использованием УИИ образцы сначала проходили многочисленные циклы отжига с распылением на установке для химико-металлургиче-ских исследований (ХМИ) в Лос-Ала-мосе и исследовались методами традиционной рентгеновской фотоэмиссии и оже-спектроскопии поверхности. Затем образцы помещались в вакуум в сосуды, в которых поддерживалось давление 10-8 торр с помощью портативного ионного насоса с питанием от батарей. Образцы, изолированные от кислорода и воздуха в этих сосудах, перевозили в Национальную лабораторию им. Лоуренса в Беркли, где их перемещали под вакуумом в систему подготовки, подсоединенную к камере для рентгеновского фотоэлектронно-дифракционно-го анализа спектромикроскопической установки Beamline 7.0.1 (см. статью “Измерения актиноидов методом фотоэлектронной спектроскопии на усовершенствованном источнике излучения” на с. 190). В камере подготовки образцы проходили циклы окончательной очистки отжигом с распылением, а затем их переводили в камеру для измерений ФЭС на синхротроне.
Используя эти методы, мы получи-
28 30 32 34 36
Кинетическая энергия (эВ)
Рис. 6. Очистка а-плутония лазерной абляцией
Эта последовательность спектров от образца а-плутония получена на различных этапах цикла очистки поверхности лазерной абляцией. В начале цикла, которому соответствует линия (1), образец а-плутония имеет оксидную поверхность, а широкие пики имеют место за счет молекулярных состояний оксида плутония. Для 2р электронов кислорода характерен двойной пик, центрированный при Ek = 29 эВ, появляющийся за счет состояний зоны кислорода. Большой пик, центрированный при 33,5 эВ, связан с локализованными состояниями 5f электронов в оксиде плутония.
По мере прохождения цикла абляции форма линии кислорода при Ek = 29 эВ меняется, поскольку кислород находится уже не в молекулярном состоянии, и увеличивается интенсивность плотности состояний у края Ферми от чистого металлического плутония. На этапе (5) сильно уменьшенный сигнал 2р электронов кислорода связан исключительно с адсорбированным кислородом, тогда как локализованное состояние 5f электронов оксида плутония при 33,5 эВ замещено на состояния 5f зоны металла. Между спектрами лишь несколько лазерных импульсов
Number 26 2000 Los Alamos Science
