Диссертация (Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью), страница 8

В частности, не описановзаимодействие кластерных ионов с многокомпонентными мишенями.52Глава 2. Ускоритель газовых кластерных ионов: режим импульснойподачи газа.2.1. Описание экспериментальной установки.ДляпроведениякластерныхионовэкспериментоввлабораторииспучкомускоренныхИонно-пучковыхгазовыхнанотехнологийМосковского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова былспроектирован и создан ускоритель газовых кластерных ионов [105].Принципиальная схема вакуумной части ускорителя и его общий видпредставлены на рис. 2.1.Рис. 2.1.

Общий вид и принципиальная схема ускорителя газовых кластерных ионов.(1) камера формирования кластеров; (2)сопло; (3) камера ионизации и ускорения; (4)ионизатор; (5) рабочая камера; (6) мишень; (Al), (A2) диафрагмы; (BP1 - BP3)форвакуумные насосы; (TMP1, TMP2) турбомолекулярные насосы; (DP) диффузионныйнасос; (V1 - V4) клапаны; (GG1) манометр; (P1 - P3) вакуумные датчики.Вакуумнаячастьускорителясостоит изтрех систем: системаформирования кластеров, система ионизации и ускорения, рабочая камера.Системы откачиваются независимо, каждая из них снабжена датчикомдавления.

Это позволяет поддерживать в каждой из систем необходимоерабочее давление. Рассмотрим более подробно каждую из них.53Основной элемент системы формирования кластеров (рис. 2.2) –коническое сверхзвуковое сопло, изготовленное из сверхтвердого сплава.Диаметр перетяжки сопла 130 мкм, угол полураствора расходящейся частисопла 6°. Сопло закрепляется на держателе, имеющем пять степенейсвободы. Это позволяет перемещать сопло в трех направлениях иварьировать угол наклона держателя, выбирая таким образом оптимальноеположение сопла относительно неподвижно закрепленного скиммера.Скиммер имеет коническую форму; угол полураствора конуса 30°, диаметрвходного отверстия 0,5 мм. Он закреплен на водоохлаждаемом фланце,отделяющем камеру формирования кластеров от следующей камеры.Рис.

2.2. Системы формирования кластеров. (1) вакуумная камера; (2) сопло; (3)импульсный клапан; (4) держатель сопла; (5) фланец; (6) юстировочные винты; (7)микрометрические винты; (8) вакуумные прокладки; (9) скиммер; (10) соединительныйфланец; (11) вакуумный датчик.Для уменьшения газовой нагрузки на систему откачки перед сопломустановлен импульсный клапан Parker, обеспечивающий подачу рабочегогаза небольшими порциями. Диаметр выходного отверстия клапана 0,8 мм.Время открытого состояния клапана может составлять от 5 мкс до 9999 мин,а максимальная частота повторения импульсов – 120 Гц.54Камераформированиякластеровоткачиваетсяспомощьютурбомолекулярного насоса Pfeiffer TPH 510 со скорость откачки 510 л/с. Врабочем режиме давление внутри камеры составляет до 6·10-3 Торр.Ионизация и ускорение потока кластеров, вырезанного скиммером,происходит в следующей вакуумной камере.

Внешний вид ионизаторапредставлен на рис. 2.3(а).Рис.2.3. Внешний вид ионизатора и ВАХ ионизатора. (1) керамическая пластина, (2)анод, (3) платиновая полоска, (4) молибденовая трубка.Для генерации электронов используются термокатоды с косвеннымподогревом. Термокатод состоит из молибденовой трубки с диаметром 5 ммс приваренной к ней полоской платины, легированной барием, котораяслужит источником электронов.

Внутри трубки размещена нагревательнаяспираль, изолированная от ее стенок керамическим порошком. Такоеустройство катода позволяет получать более высокие токи электронов применьшихтемпературахнагрева.Так,эффективнаятермоэмиссиясвольфрамового катода возможна при температурах более 1900°С, в то времякак платиново-бариевый катод, используемый в установке, позволяетполучать токи 80 мА при температуре 1140°С. Понижение температурыэмиссии существенно для процесса ионизации кластерных ионов, дляформирования и существования которых необходимы низкие температуры,55поскольку позволяет упростить систему охлаждения крепления ионизатора.ВАХ катода отражена на рис.2.3(б).Цилиндрический сетчатый анод и два термокатода смонтированы накерамической подложке. Электроны, эмиттируемые из термокатодов,ускоряются анодом до энергии 30÷300 эВ, попадая на поток кластеров,которыйпроходитпоосиионизатора.Ионизаторзакрепленнаводоохлаждаемом фланце с помощью керамических изоляторов.На выходе ионизатора расположен предускоряющий электрод, накоторый подается напряжение –(50÷500) В относительно цилиндрическогоанода.На расстоянии 8 мм от предускоряющего электрода расположензаземленныйускоряющийэлектрод.Ускорениекластерныхионовосуществляется за счет того, что на корпус ионизатора подается высокоенапряжение (до 25 кВ) относительно потенциала земли.

Выбор формыэлектродов обеспечивает частичную фокусировку кластерных ионов.Камера ионизации и ускорения откачивается с помощью диффузионногонасоса со скоростью откачки 700 л/с. В качестве рабочей жидкости насосаиспользуетсяполифениловыйэфир5Ф4Э,чтопозволяетизбежатьзагрязнения частей ионизатора углеродными пленками, возникающем прииспользовании обычных диффузионных масел без применения охлаждаемыхловушек. В рабочем режиме давление в камере поддерживается на уровне 105Торр.Рабочая камера отделена от камеры ионизации и ускорения диафрагмойс диаметром 4 мм. После диафрагмы установлена электростатическая линзаЭнзеля, осуществляющая фокусировку пучка на облучаемый образец.

Навыходе из линзы возможна установка постоянного магнита с индукцией150 мТ и продольным размером 120 мм, осуществляющего удалениемономеров из пучка ионизированных частиц и пространственную разверткукластеров по массам.56Рабочая камера откачивается с помощью системы Pfeiffer TurboCubeTSH 261 на основе турбомолекулярного насоса производительностью 210 л/с.В рабочем режиме давление в рабочей камере поддерживается на уровне 10-6Торр.2.2.

Системы анализа пучка.Для анализа распределения частиц пучка по массам было создано дверазличных системы. Первая из них основана на различном отклонении частиц сразличным отношением заряда к массе в магнитном поле, вторая –времяпролетная система анализа.В первом случае между камерой ионизации и ускорения и рабочейкамерой помещался электромагнит. Индукция магнитного поля могла бытьвыбрана от 0 Т в отсутствии тока через обмотки до 0,26 Т при токе 6 А.Протяженность области магнитного поля составляла L1=18 см. Поскольку придвижении в магнитном поле с индукцией В кластеры с зарядом q, состоящие изN атомов массой m описывают окружность радиусаRпривыходеизобластиполя1B2 NmUq,частицасместится(2.1)перпендикулярно22yRR L1 , а1первоначальному направлению движения на расстояниена расстоянии L2 от области поля – дополнительно на расстояние y 2 L1 L2R 2  L12Общее отклонение равно сумме этих величин.

Таким образом, осуществляетсяразвертка частиц по отношению заряда к массе. Рассчитанная для разныхзначений индукции магнитного поля зависимость расстояния, на котороеотклонится прошедшая магнит частица, от размера этой частицы, представленана рис. 2.4.57Рис. 2.4. Зависимость отклонения кластера ArN+ с энергией 2 кэВ от его размера дляразных магнитных полей.Втораясистемаанализаосновананавремяпролетнойметодикеисследования. Схема системы представлена на рис. 2.5.Рис. 2.5. Схема времяпролетной системы анализа кластерных ионов.58Принцип её работы заключается в следующем. На отклоняющие пластиныподаетсяпостоянноенапряжение.Кластерныеионы,проходямеждупластинами, отклоняются настолько, что пучок полностью уходит с цилиндраФарадея.

Затем на короткий промежуток времени напряжение с отклоняющихпластин убирается, формируя импульс частиц. Поскольку скорость кластеров,ускоренных до одинаковой энергии, определяется их массой, массу кластеровможно вычислить, зная время, за которое частицы из начального импульсадостигают цилиндра Фарадея.Управление напряжением на отклоняющих пластинах осуществлялось спомощьюфункциональногогенераторачерезтранзисторныйключ.Длительность прямоугольных импульсов выбиралась равной несколькимдесяткам микросекунд, при этом длительность фронта импульса не превышала1 микросекунды.

Функциональный генератор синхронизировался с блокомуправления импульсным клапаном, осуществляющим напуск рабочего газа, чтопозволяло измерять распределение кластеров по массам в различные моментыотносительноначалаконтролировалсянаработыклапана.осциллографе,ТоктакженацилиндреФарадеясинхронизированномсфункциональным генератором.Частицы, прошедшие через отклоняющие пластины, фокусировалисьлинзой Энзеля.

После линзы был установлен постоянный магнит, удаляющийиз пучка мономеры и наиболее легкие кластеры. Измерения проводились придвух длинах пролетной части: 64 см и 132 см.2.3. Особенности импульсного режима работы.В отсутствие сепарации ионизированных частиц по массам сигнал токана цилиндре Фарадея имеет вид, изображенный на рис.2.6. Подчеркнем, чтопродолжительность импульса тока (350 мс) значительно превышает времяоткрытого состояния клапана, в течение которого поступал рабочий газ(10 мс, отмечена на рисунке).

Было высказано предположение, что начальная59и конечная части сигнала соответствуют мономерам, а промежуточная,значения тока которой меньше, – кластерным ионам. Тогда поведениесигнала тока можно объяснить следующим образом.Рис. 2.6. Вид импульса тока на цилиндре Фарадея. Отмечена продолжительностьоткрытого состояния клапана (10 мс), период действия клапана 1 с, рабочий газ аргон.При истечении газа из сопла кластеры формируются в зоне молчаниявнутри бочки Маха.

При пересечении потоком кластеров нормальногоскачка, ограничивающего бочку Маха, кластеры разрушаются из-за резкогоповышениятемпературыиплотностисреды.Дляпредотвращенияразрушения кластеров служит скиммер, острие которого проникает в ядроструи (рис.