Диссертация (Процессы формирования газовых кластерных ионов и их взаимодействия с поверхностью), страница 9

2.2). Если же острие скиммера перестает проникать внутрь зонымолчания, кластеры не могут преодолеть нормальный скачок, и в пучкечастиц преобладают мономеры.Продольный размер бочки Маха, то есть области существованиякластеров, определяется формулой (1.7):60= 2,4.Как видно из этой формулы, размер бочки Маха зависит от диаметракритического сечения сопла, неизменного в эксперименте, и соотношениядавлений на входе в сопло и в камере формирования кластеров.Давление перед соплом задается давлением газа, поступающего всистему. Кроме того, между выходным отверстием импульсного клапана икритическим сечением сопла существует буферный объём, приблизительноравный 0,1 см3. В момент открывания клапана в этот объем начинаетпоступать газ.

Поскольку диаметр отверстия клапана в 6 раз превышаетдиаметр критического сечения сопла, газ натекает достаточно быстро, и вобъеме устанавливается давление, равное заданному давлению газа. Оценкавремени натекания газа в объём дает значение 8 мс. После того, как клапанзакрывается и поступление газа в объём прекращается, давление в немначинает понижаться за счет относительного медленного вытекания черезсопло.В момент, когда давление в буферном объеме падает настолько, что всоответствии с формулой (1.7) расстояние от среза сопла до нормальногоскачка становится меньше, чем расстояние от среза до скиммера, скиммерперестает проникать в бочку Маха. Кластеры разрушаются, проходя черезнормальный скачок, и попадают в скиммер уже в виде отдельных мономеров.Далее, при ионизации, мономеры приобретают заряд, причем переносимыйими ток больше тока, переносимого кластерами, поскольку количествомономеров, образовавшихсяпри разрушении кластеров, превосходитколичество самих кластеров.Таким образом, начальная, мономерная стадия развития импульса токасоответствует быстрому росту давления перед соплом, увеличению бочкиМаха и началу проникновения в нее скиммера.

Промежуточная стадиясоответствуетсуществованиювионизированномпучкекластеров.61Завершающая стадия, снова связанная с мономерами, соответствует выходускиммера из зоны существования кластеров.Для определения времени открытого состояния клапана, необходимогодля установления заданного давления в буферном объеме, были проведеныэксперименты с различными продолжительностями открытого состояния. Нарис.2.7 приведены формы началаимпульсатокапри различныхпродолжительностях открытого состояния клапана. В качестве рабочего газаиспользовался аргон под давлением 5 бар.Рис.

2.7. Начало импульса тока при различных продолжительностях открытогосостояния клапана. Рабочий газ – аргон при давлении 5 бар.Пик, связываемый с мономерами, начинает формироваться припродолжительности 5 мс и не изменяется, начиная с продолжительности10 мс. Это означает, что за время 5 мс в буферном объеме достигаетсядавление, соответствующее достижению границей бочки Маха скиммера.62После того, как это произошло, естественно ожидать, что мономерный пикостается неизменным, однако растет сигнал кластеров за счет роста давленияперед соплом. Продолжительность полного импульса тока при этом такжерастет, причем этот рост выходит на насыщение при временах открытогосостояния клапана, составляющих 20-25 с.

Следовательно, именно это времянеобходимо в указанных условиях эксперимента для полного натекания газав буферный объем.Для оценки времени вытекания газа из буферного объема, то естьпродолжительности кластерного импульса, была получена следующаяформула [49]:(2.2)Формула была получена в предположении адиабатичности процесса.Для аргона время τ составляет 300 мс. При этом оно пропорциональнокорню из молярной массы газа, то есть более тяжелые газы вытекают избуферного объема медленнее.

Следовательно, давление в нем падаетмедленнее, и продолжительность кластерного импульса при прочих равныхпараметрах для таких газов увеличивается.Для дальнейшего анализа пучка ионизированных частиц в систему былустановлен электрический магнит, описанный в п.2.2. На рис. 2.8.представлены импульсы тока для различных рабочих газов. При этом один изцилиндров Фарадея был расположен на оси пучка, а второй – на некоторомрасстоянии от оси.

На рисунке для каждого из газов представленыосциллограммы тока на каждый из цилиндров в отсутствие магнитного поляи при поле, соответствующем попаданию на второй цилиндр Фарадеямономеров данного газа. Давление рабочего газа во всех случаях составляло5 бар, продолжительность открытого состояния клапана – 20 мс.63Рис. 2.8. Осциллограммы тока для газов Xe, Ar, N2, Ne (сверху вниз). Слева – вотсутствие магнитного поля, справа – магнитное поле соответствует попаданию64мономеров на второй цилиндр Фарадея. Черная линия – ток на оси, красная – ток навтором цилиндре Фарадея.Коэффициенты кластеризации, приведенные в табл.

1.1 уменьшаются отксенона к неону. Следовательно, для ксенона и аргона существованиекластеров особенно заметно. Кластеры составляют небольшую часть пучка вслучае азота и неразличимы для неона.Вероятность образования кластеров можно оценить с помощьюпараметра Хагены. выражение (1.8). Его значения для газов в условияхэксперимента приведены в табл. 2.1. Напомним, что образование димеров итримеров начинается при достижении параметром Хагены значения 200, аэффективное образование больших кластеров – при Г*>1000. При этомзначение является оценочным и может понижаться или повышаться взависимости от конкретной геометрии сопла и условий эксперимента.

Какбыло отмечено и следует из рис. 2.8, формирование кластеров азота вусловияхэкспериментаотсутствуют.Такимзатруднено,образом,акластерыэкспериментальныенеонапрактическиданныехорошосогласуются с рассчитанными значениями параметра Хагены.Давление,мбар1000300050007000Xe3591,510774,517957,525140,5Ar1077,453232,355387,257542,15N2344,7841034,3521723,922413,488Ne120,805362,415604,025845,635Табл. 2.1. Параметр Хагены для различных газов.На графиках для ксенона и аргона хорошо видно, что сигналдействительно состоит из разнесенных во времени кластерной и мономернойсоставляющих. При этом продолжительность сигнала, как и предсказываетформула (2.2), уменьшается с уменьшением молярной массы газа.

Амплитуда65сигнала также меняется. Это связано как с вероятностью ионизации атомаили кластера данного размера, так и с эффективностью образованиякластеров, то есть количеством кластеров данного размера. Понятно, чтокластеров с бОльшим средним размером из некоторого количества газаможет образоваться меньше. Видимо, с этим связана относительнонебольшая величина кластерного сигнала ксенона.Увеличение отношения тока кластеров к току мономеров по сравнениюс рис.

2.6 связано с более тщательной юстировкой сопла. Угол наклона соплав данном случае регулировался при включенном пучке ионов, что позволилонайти оптимальное угловое положение сопла. Таким образом, надо отметитьочень высокую чувствительность кластерного тока пучка к юстировкесистемы и необходимость отдельного изучения струи газа из сопла. Этопозволит выбирать оптимальное положение сопла относительно скиммера.Итак,продолжительностькластерногосигналасвязываетсясизменением размера бочки Маха и выходом из нее скиммера. Это означает,что кроме давления в объеме перед соплом и молярной массы рабочего газа,на эту продолжительность влияет также расстояние между срезом сопла искиммером.

На рис. 2.9. показано изменение продолжительности кластерногоимпульса аргона и ксенона для различных давлений и расстояний соплоскиммер. Зависимости на рис. 2.9 полностью подтверждают эти выводы.Не следует забывать, что в формулу (1.7) для расстояния до диска Махавходит давление в камере формирования кластеров. В импульсном режимеработы источника это давление меняется с периодичностью действияклапана. При этом прямое его измерение затруднено в связи с конечнымвременемустановлениявакуумметров.Темнеравновесияменее,оновкамеревноситиинерционностьюпоправкивзначениепродолжительности кластерного импульса. Так, в случае большого времениоткрытого состояния клапана, давление в камере успевает достаточноувеличиться, уменьшая размер бочки Маха и сокращая продолжительностькластерного импульса.66Рис.

2.9. Продолжительность кластерного импульса для ксенона и аргона взависимости от давления рабочего газа при различных расстояниях между срезом сопла искиммером.При максимальном токе в обмотке магнита кластеры ксенона и аргонане уводились от оси пучка. Максимальный ток магнита соответствуетразмерамкластеровСледовательно,в500атомовпучкеаргонаприсутствуютили150кластерыатомовсксенона.размерами,превышающими эти значения.Для более детального исследования распределения кластеров по массамбыла использована времяпролетная система анализа, описанная в п. 2.2. Нарис.

2.10 представлены масс-спектры аргона при различных длинахпролетной базы (слева) и те же спектры, нормированные на единицу иприведенные к общему времени по оси абсцисс (справа). Продолжительностьоткрывающего импульса времяпролетной системы составляла 60 мкс,давление аргона 5 бар. Совпадение нормированных графиков говорит окорректности измерений.67Рис. 2.10. Время прихода кластеров на цилиндр Фарадея в системе времяпролетноймасс-спектрометрии для различной базы (слева) и нормировнные зависимости (справа).На рис. 2.11 представлен спектр масс аргоновых кластеров. Максимумсоответствует 1000 атомов к кластере, при этом в пучке присутствуюткластеры размером до 6000 атомов.Рис.