Автореферат (Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью), страница 2

Приведеныданные по экспериментальным исследованиям сверхзвуковых струй. Описанопринципиальное устройство ускорителей газовых кластерных ионов и их узлови рассмотрены основные закономерности формирования пучков кластерныхионов в таких ускорителях.Далее приведены основные характеристики, используемые при описаниипроцессов взаимодействия ускоренных ионов с поверхностью.

Описанызакономерностивзаимодействияатомарныхионовсповерхностьюоднокомпонентных и многокомпонентных материалов. Приведены известныена сегодняшний день данные по физике такого взаимодействия в случаекластерных ионов. Показано, что характеристики распыления и формированиярельефаприоблученииподложеккластернымиионамисущественноотличаются от аналогичных характеристик для облучения атомарными ионами.Вместе с тем, отмечается отсутствие систематических исследований процессов,происходящих при взаимодействии ускоренного кластера с поверхностью.В главе 2 описан ускоритель газовых кластерных ионов, созданный приучастии автора работы.

Рассмотрены основные узлы и системы ускорителя, атакже особенности его работы в режиме импульсной подачи различныхрабочих газов.Ускоритель состоит из вакуумной части и приборной стойки, рис.1.Вакуумная часть состоит из трех систем: это система формирования кластеровна основе сверхзвукового сопла, система ионизации и ускорения, системаанализа и взаимодействия с образцом. Каждая из систем расположена вотдельнойкамере.Камерысоединеныдиафрагмамииоткачиваютсянезависимо, что позволяет поддерживать в них необходимые режимы давлений.Для уменьшения газовой нагрузки на откачную систему камеры формирования8кластеров рабочий газ подается в сопло в импульсном режиме с помощьюимпульсного клапана.

Кластеры извлекаются из ядра струи с помощьюскиммера.Анализ кластерных ионов, полученных после ионизации и ускорениясформированных кластеров, производился двумя методами: с помощьюпостоянного магнита и с помощью времяпролетной системы анализа.Действиемагнитнойсистемыанализаоснованоназависимостиотклонения частицы при прохождении области постоянного магнитного поляот массы этой частицы. Таким образом, тяжелые кластеры проходят черезобласть поля практически без отклонения и попадают на цилиндр Фарадея, в товремя как атомарные ионы и легкие кластеры отклоняются от цилиндраФарадея и не попадают не него.

Ток с Цилиндра Фарадея наблюдался спомощью осциллографа. По известным значениям индукции магнитного поля иэнергии ионов было рассчитано, что в пучке частиц присутствуют кластеры сразмерами не менее 500 атомов на элементарный заряд при использованииаргона в качестве рабочего газа.Рис. 1. Общий вид и принципиальная схема ускорителя газовых кластерных ионов. (1)камера формирования кластеров; (2) сопло с импульсным клапаном; (3) камера ионизации иускорения; (4) ионизатор; (5) рабочая камера; (6) мишень; (Al) диафрагма со скиммером,(A2) диафрагма; (BP1 - BP3) форвакуумные насосы; (TMP1, TMP2) турбомолекулярныенасосы; (DP) диффузионный насос; (V1 - V4) клапаны; (GG1) манометр; (P1 - P3) вакуумныедатчики.9Второй цилиндр Фарадея устанавливался в стороне от оси системы.Значение магнитного поля выбиралось таким образом, чтобы мономерыпопадали в этот цилиндр.

На рис. 2 представлены осциллограммы тока накаждый из цилиндров в присутствии магнитного поля и без него. Видно, чтосигнал состоит из разнесенных во времени кластерной и мономернойсоставляющих. Аналогичные эксперименты проведены с ксеноном, азотом инеоном в качестве рабочих газов. Для ксенона и аргона существованиекластеров наиболее выражено, в случае азота кластеры составляют небольшуюдолю тока мономеров, а кластеры неона в пучке не обнаружены. Такаязависимость хорошо согласуется с оценкой размера кластеров по параметруХагены.Рис.

2. Осциллограммы тока при использовании Ar в качестве рабочего газа. Слева – вотсутствие магнитного поля, справа – магнитное поле соответствует попаданию мономеровна второй цилиндр Фарадея. Сплошная линия – ток на оси, пунктирная – ток на второмцилиндре Фарадея. Отмечена продолжительность открытого состояния импульсногоклапана.Продолжительность кластерного импульса значительно превосходитпродолжительностьоткрытогосостоянияимпульсногоклапана.Этообъясняется существованием буферного объема между клапаном и соплом. Всоответствии с разработанной ранее моделью, продолжительность кластерногоимпульса зависит от давления в этом объеме и определяется видом рабочего10газа и расстоянием между соплом и скиммером.

Экспериментально полученнаязависимость продолжительности импульса кластеров аргона и ксенона,подтверждающая эту модель, показана на рис. 3.Для более детального изучения распределения кластеров по массам былаиспользована времяпролетная методика. Обнаружено, что в пучке кластероваргона и ксенона присутствуют частицы с размерами до 5000 атомов наэлементарный заряд, причем максимум распределения расположен околозначения 1000 атомов на элементарный заряд.Рис.

3. Продолжительность кластерного импульса для ксенона и аргона в зависимостиот давления рабочего газа при различных расстояниях между срезом сопла и скиммером.Глава3посвященаописаниюразработаннойавторомсистемывизуализации потока из сверхзвукового сопла с помощью газового разряда, атакже обсуждению полученных с помощью этой системы результатов.В экспериментах использовалось две конфигурации электродов, междукоторымизажигалсятлеющийразряд.Впервомслучаекольцоизвольфрамовой проволоки закреплялось соосно соплу.

На кольцо подавалосьпостоянное напряжение; в качестве второго электрода выступало сопло,11находящееся под потенциалом земли, так же как и стенки камеры. Во второмслучае вдоль струи, симметрично относительно оси сопла, закреплялись двамедных прямоугольных электрода. На один из них подавалось постоянноенапряжение, второй электрод, сопло и стенки камеры находились подпотенциалом земли. Положение сопла относительно электродов выбиралосьпродольным перемещением держателя сопла.Обнаружено, что в определенных режимах тока и напряжения разрядахорошо различима структура сверхзвуковой струи, в частности, положениеударных волн, ограничивающих бочку Маха, рис. 4.

При этом структураразряда соответствует структуре струи и не зависит от разрядного тока инапряженияиположенияЭкспериментальносоплаполученныеотносительноизображенияплоскихструктурыэлектродов.струихорошосогласуются с численными расчетами, выполненными И.Э. Ивановым.Была исследована геометрическая структура потоков Xe, Ar, N2 и Ne взависимости от соотношения давлений на входе в сопло и в камереформирования кластеров. Показано, что для оценки продольного размера бочкиМаха в условиях ускорителя кластерных ионов может быть использованаэмпирическая формула, полученная для случая недорасширенной струи изсужающегося сопла:xMp 0, 67 0dp,(1)где xM – продольный размер бочки Маха, d – диаметр критического сечениясопла, p0 и p∞ - давления на входе в сопло и в пространстве после сопла,соответственно.

Кроме того, подтверждено увеличение поперечного размерабочки Маха при наличии конденсации в ядре струи.12.Рис. 4. Визуализация потока газа из сопла с помощью разряда между плоскими электродами.Разработаннаясистемавизуализациигазовогопотокапозволилаоптимизировать параметра системы формирования кластеров и увеличить токкластерных ионов до значения 2 мкА в импульсе.Глава 4 посвящена угловым распределениям вещества, распыленного изодно- и многокомпонентных мишеней кластерными ионами. Как показано вобзоре литературы, угловые распределения при распылении кластернымиионами известны только в случае распыления меди и золота. На основе этихрезультатов сформировалось мнение, что для распыления кластерными ионамихарактернаисключительнолатеральнаяформаугловых распределений,соответствующая эмиссии вещества под большими углами от нормали.

Вдиссертационной работе продемонстрировано, что вид углового распределениязависит от механических свойств мишени, в частности, ее модуля упругости.В экспериментах была использована коллекторная методика. Околомишени располагался полуцилиндрический коллектор из алюминиевой фольги.Мишени облучались кластерными ионами аргона с энергией 10 кэВ.

Кластеры сразмерами менее 80 атомов отводились от мишени магнитным полем.Эмитированноеподдействиемкластернойбомбардировкивещество,напыленное на коллектор, анализировалось с помощь резерфордовскогообратного рассеяния (РОР). Рельеф поверхности до облучения и после негоконтролировался атомно-силовым микроскопом (АСМ). Экспериментально13полученные угловые распределения распыленных поликристаллов меди,молибдена и индия показаны на рис.5. Некоторые свойства металлов,использованных в экспериментах, приведены в табл.

1.Рис. 5. Угловые распределения распыленного вещества меди (а), молибдена (б) и индия (в).Графики нормированы на максимум латеральной составляющей.Угловое распределение меди оказалось латеральным и совпало с даннымилитературы. При облучении молибдена значительная часть эмитированныхатомов была направлена вдоль нормали от поверхности. С увеличением углавылета от нормали наблюдалось немонотонное уменьшение коэффициентараспыления.

Для описания зависимости коэффициента распыления от углавыхода были использованы следующие аппроксимации:Y    Y0 cos n    max 14(2)для описания латеральной составляющей иYd    Yd 0 cos m (3)для описания малоугловой составляющей выхода. При этом общий выходраспыленного вещества описывается суммой этих двух составляющих.Формула (2) ранее использовалась для описания угловых распределений,получаемых при наклонном падении распыляющих атомарных ионов.Модуль Атомная Энергияупругостимассасвязи112Вещество (10 Н/м ) (а.е.м.)(эВ)Cu1,37643,49Mo2,725966,82In0,4111152,6Cd1,161121,16W3,231848,66Ni1,86594,44Pd1,811063,89Re3,231868,03Таблица. 1.