Приборы и техника эксперимента, 2020, № 6, стр. 120-124
ИСТОЧНИК ПРИМЕСНОГО СВЕРХЗВУКОВОГО ПУЧКА МОЛЕКУЛ ЩЕЛОЧНО-ГАЛОИДНЫХ СОЛЕЙ
В. М. Азриель a, В. М. Акимов a, *, Е. В. Ермолова a, Д. Б. Кабанов a, Л. И. Колесникова a, Л. Ю. Русин a, М. Б. Севрюк a
a Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе
Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН
119334 Москва, Ленинский просп., 38, корп. 2, Россия
* E-mail: rusin@chph.ras.ru
Поступила в редакцию 15.05.2020
После доработки 05.06.2020
Принята к публикации 10.06.2020
Аннотация
Описана конструкция источника примесного сверхзвукового пучка щелочно-галоидных молекул или других испаряемых твердых веществ. При давлении торможения газа-носителя (водорода или гелия) 0.5–5 атм, температуре торможения 1000 K и парциальном давлении примеси 10–2 Торр интенсивность пучка соли составила 1014 ср–1 · с–1 и энергия молекул в пучке изменялась от 5.5 до 7.5 эВ для смеси с гелием и от 7.5 до 15.5 эВ для смеси с водородом. Модульная конструкция источника позволяет обеспечить легкую замену его функциональных узлов.
ВВЕДЕНИЕ
Практика использования молекулярных пучков в научных исследованиях и технике показывает, что успех работы сильно зависит от качества применяемых методов генерирования пучков и детектирования результатов их взаимодействия. Примесные сверхзвуковые молекулярные пучки нейтральных частиц – атомов, молекул, кластеров – широко используются для изучения упругого, неупругого и реакционного рассеяния атомов и молекул, процессов релаксации в струях, определения поверхности потенциальной энергии, исследования рассеяния атомов и молекул на твердых поверхностях и во многих других экспериментах, а также технологических процессах.
Широкое применение эти пучки нашли благодаря значительному диапазону реализуемых энергий (от единиц до десятков электронвольт) для тяжелых атомов и молекул, а также узкому распределению частиц пучка по скоростям. Такие характеристики достигаются при газодинамическом ускорении при истечении из зоны высокого давления в вакуум из сопла (с диаметром больше длины свободного пробега в зоне высокого давления) небольшой примеси тяжелой компоненты смеси в легком газе-носителе (как правило, молекулярном водороде или гелии) [1].
В предельном случае скорость тяжелой компоненты смеси возрастает до скорости газа-носителя с соответствующим увеличением энергии в Mh/Ml раз, согласно формуле
где E – энергия молекулы тяжелой компоненты; γ = cp/cV – отношение теплоемкостей газа-носителя (γ = 7/5 для водорода и γ = 5/3 для гелия); k = = 1.04 ⋅ 10–19 Торр · см3 · K–1 – постоянная Больцмана; T – температура сопла; Mh и Ml – массы молекул тяжелой и легкой компоненты пучка соответственно.Энергия пучка может изменяться за счет варьирования давления торможения, температуры и состава смеси. Пучок далее формируется скиммером и коллиматором, которые расположены в дифференциально откачиваемых вакуумных камерах.
Примесные источники пучков конденсирующихся веществ, твердых при комнатной температуре, представляют собой, как правило, двухкамерные печи с раздельным нагревом газовой смеси испаряемого вещества и газа-носителя и сопла [2, 3].
В настоящей статье приводится описание оптимизированной конструкции источника примесного сверхзвукового пучка молекул галоидной соли щелочного металла. Прототип источника использовался для исследования процессов диссоциативной ионизации молекул солей, а также в экспериментах по взаимодействию пучка иодида калия с поверхностью алмаза [4, 5].
Особое внимание в конструкции источника уделено обеспечению возможности загрузки источника и замены соли, а также профилактики нагревателей и термопар с сохранением положения оси источника. Другое требование заключалось в том, чтобы обеспечить как можно более точную оптическую юстировку сопла, скиммера, коллиматора и других элементов, расположенных на оси пучка. Концепция легко удаляемого тигля использовалась ранее в конструкциях высокотемпературных источников пучков металлов [6].
КОНСТРУКЦИЯ ИСТОЧНИКА
На рис. 1 показана конструкция источника, который состоит из трех функциональных узлов в модульном исполнении: узла загрузки и замены соли, узла крепления и нагрева камеры источника и сопла, узла охлаждения.
Узел загрузки содержит цилиндрический контейнер 14 с солью 15. Контейнер выполнен из нержавеющей стали и имеет наружный диаметр 12 мм, внутренний – 8 мм, длину 40 мм, полезный объем 1.8 см3. Контейнер соединен с камерой нагрева тонкостенной танталовой трубкой 16 с размерами 6 × 0.12 мм, плотно вставленной в фторопластовый держатель 2 для фиксации положения контейнера. Трубка имеет дополнительное отверстие 17 для предварительной откачки внутренних полостей источника.
По наружной поверхности контейнера выполнена винтовая канавка шириной 2.5 мм, шагом 2.5 мм и глубиной 1 мм, по которой газ-носитель поступает в пространство “контейнер–сопло”. Зазор между наружной стенкой контейнера и внутренней стенкой трубки 11 камеры нагрева выполнен минимальным для уменьшения диффузии пара соли в заднее пространство камеры.
Узел нагрева камеры источника и сопла включает в себя трубку из нержавеющей стали 11 с размерами 14 × 1 мм, два установочных фланца 4 и 6 и два нагревателя. В передний конец трубки вварена втулка с соплом 13. Сопло изготовлено с помощью лазера и представляет собой канал длиной 0.5 мм и диаметром 50 мкм. Задний конец трубки уплотнен резиновой прокладкой и через переходную втулку 3 соединен с линией подачи газа. При необходимости замены сопла, например вследствие увеличения его диаметра после длительной работы или неустранимой его закупорки, надо передвинуть задний фланец с трубкой на двух шпильках 5 вперед в новую позицию.
Нагреватели камеры источника и сопла выполнены из танталовой проволоки диаметром 0.5 мм, заключенной в керамические трубки 12, плотно уложенные вдоль камеры нагрева. Температура сопла и контейнера измеряется термопарами, приваренными к торцу сопла и к трубке 11. Концы нагревателей и термопар выведены через контактные шпильки 8, расположенные на фланце 6.
Узел охлаждения состоит из рубашки водяного охлаждения 10, теплового экрана 9, промежуточного медного фланца 7 и соединен по плоскости B с юстировочным столиком (на рис. 1 не показан), который обеспечивает необходимые перемещения источника относительно скиммера. Вводы движения выведены наружу камеры источника. При замене соли и нагревателей узел охлаждения и связанный с ним столик и верхний фланец источника не требуют демонтажа.
ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКА И ПУЧКА
Источник работал с примесными пучками молекул CsCl и KI. При практически равных молекулярных массах этих солей и сходных температурных зависимостях давления пара энергия пучков и их интенсивности практически совпадали. Температура торможения составляла T0 = 1000 K, диаметр сопла равен d0 = 50 мкм. Энергия пучка варьировалась путем изменения давления торможения P0 в интервале 0.5–5 атм, в качестве газа-носителя использовался гелий или водород. Мощность нагревателя сопла составляла 120 Вт, а нагревателя контейнера – 20 Вт. При этом температура контейнера была равна 820 K, что соответствовало давлению пара соли около 0.01 Торр. Максимальный расчетный поток газа из сопла определялся по формуле, приведенной в [7]:
где f(γ) = 0.513 для гелия и 0.484 для водорода; n0 = = P0/(kT0) – концентрация газа в источнике; α0 = = (2kT0/m)1/2; m – масса атома гелия или молекулы водорода; R0 – радиус сопла.Для водорода при P0 = 5 атм максимальный расчетный поток из сопла составил 1020 с–1. Этот поток скачивался двумя масляными бустерными насосами с производительностью по воздуху около 300 л/с при давлении 10–2 Торр, что соответствовало режиму работы источника типа Кампарга [8].
Интенсивность пучка соли Is измерялась детектором с поверхностной ионизацией, расположенным на расстоянии 70 мм от сопла. При площади падения пучка на вольфрамовую нить детектора, равной 4.7 ⋅ 10–3 см2, ток положительных ионов на коллекторе детектора при P0 = 760 Торр был равен 5.4 нА, что соответствует потоку 3.5 · 1014 ср–1 · с–1.
Следует отметить, что эта величина, возможно, несколько занижена, так как калибровка детектора с поверхностной ионизацией не проводилась и указанная интенсивность соответствует случаю стопроцентной эффективности ионизации молекул соли на нити и сборе ионов коллектором. В реальных условиях пучок ослабляется за счет влияния плотности фонового газа в пространстве “сопло–скиммер” и взаимодействия потока со скиммером [9]. Это подтверждается падением измеренной зависимости интенсивности пучка от давления P0, приведенной на рис. 2.
Распределение молекул пучка соли по скоростям и наиболее вероятная скорость частиц в пучке были определены стандартным времяпролетным способом при прерывании пучка вращающимся диском с щелями с последующей регистрацией пучка детектором на известной базе пролета. В качестве детектора использовался вторичный канальный электронный умножитель, регистрирующий ионы после диссоциативной ионизации энергетических молекул пучка на ксеноне. Детали метода приведены в [10], здесь мы отметим только его преимущества:
1) селективную ионизацию только молекул пучка;
2) отсутствие необходимости в высоком вакууме в камере регистрации;
3) отсутствие масс-спектрометра для детектирования пучка, что исключает влияние на времяпролетные спектры ионизирующей и анализирующей системы детектора.
Измеренные времяпролетные спектры аппроксимировались выражением
Полученные спектры корректировались на величину аппаратных задержек, и скоростные распределения были восстановлены с учетом влияния искажающих распределение факторов. В результате были определены наиболее вероятные скорости молекул в пучке U = L/tm и скоростное отношение S = U/(2kT||/m)1/2.
На рис. 2 приведены кинетические энергии пучка соли, соответствующие пику скоростных распределений, как функции давления торможения при T0 = 1000 K и d0 = 50 мкм. Как видно из рис. 2, использование водорода и гелия для ускорения смеси позволяет получить регулируемую энергию пучка от 5.5 до 15.5 эВ. Очевидно, что рост энергии с увеличением P0 не связан с изменением средней массы смеси, так как концентрация тяжелой компоненты в смеси слишком мала (3 ⋅ 10–4–3.6 ⋅ 10–6).
В ранних экспериментальных и теоретических исследованиях смесей атомов и молекул с гелием и водородом было введено понятие эффекта проскальзывания (см., например, обзор [11]), который заключается в неравенстве скоростей молекул газа-носителя и примеси. С ростом P0 увеличивается число столкновений между частицами потока в пространстве “сопло–скиммер”, что уменьшает проскальзывание, увеличивая скорость примеси. Приведенные на рис. 2 зависимости подтверждают существование большего эффекта проскальзывания для водорода и в области меньших давлений торможения. Максимальная измеренная скорость пучка составила 4.2 ⋅ 105 см/с для водорода и 3 ⋅ 105 см/с для гелия, что соответствует 0.8 и 0.93 от максимальной расчетной. Разброс молекул пучка соли по энергии был равен 5%.
В табл. 1 приведены экспериментальные условия работы источника, параметры пучка и времяпролетной системы.
Таблица 1.
Параметры источника | Параметры пучка | ||
---|---|---|---|
Давление торможения P0 | 0.5–5 атм | Интенсивность пучка соли Is | 3 ⋅ 1014 с–1 · ср–1 |
Температура сопла T0 | 1000 K | Энергия пучка E | 5.5–15.5 эВ |
Температура контейнера T1 | 820 K | Времяпролетная система | |
Давление пара соли P1 | 0.01 Торр | База пролета L | 390 мм |
Диаметр сопла d0 | 0.05 мм | Ширина щели a | 1 мм |
Поток из сопла N | 1019–1020 с–1 | Диаметр прерывателя D | 100 мм |
Диаметр скиммера ds | 0.5 мм | Частота вращения n | 240 с–1 |
Расстояние “сопло – скиммер” Xns | 5–16 мм | Число щелей m | 8 |
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ИСТОЧНИКА
Опыт работы с источником показал следующее.
1. Температура контейнера с солью должна быть всегда меньше (по крайней мере, на 100°C) температуры сопла для исключения конденсации молекул примеси в сопле. Для этой же цели при разогреве и охлаждении источника всегда должен быть поток газа-носителя. Эти условия характерны для всех примесных пучков конденсирующихся паров.
2. Первоначальный нагрев только сопла нагревателем мощностью 120 Вт дает температуру T0 = = 1000 K и температуру в районе контейнера 820 K. Дополнительный нагрев контейнера вторым нагревателем небольшой мощности (10 Вт) повышает температуру контейнера на 20°C, что приводит к пятикратному увеличению сигнала, регистрируемого детектором соли с поверхностной ионизацией. Это не согласуется с расчетным двукратным увеличением давления пара соли. Кроме того, при неизменных показаниях термопар в начальный период разогрева наблюдался постепенный рост интенсивности пучка, который стабилизировался примерно через 2 ч. Очевидно, что температура самой соли не определяется однозначно температурой контейнера.
ВЫВОДЫ
Конструкция источника позволяет существенно упростить монтаж и демонтаж контейнера с солью, нагревателей, камеры нагрева с соплом с сохранением отъюстированного положения оси пучка. При удалении контейнера ось источника свободна для проведения оптической юстировки в случае необходимости. Параметры пучка: максимальная энергия 15.5 эВ с разбросом по энергии 5% при интенсивности 1014 ср–1 · с–1 – позволяют использовать его для исследования процессов рассеяния, химических реакций, передачи энергии, протекающих в диапазоне энергий в несколько электронвольт.
Список литературы
Abuaf N., Anderson J.B., Andres R.P., Fenn J.B., Marsden D.G.H. // Science. 1967. V. 155. № 3765. P. 997. https://doi.org/10.1126/science.155.3765.997
Lübbert A., Rotzoll G., Viard R., Schügerl K. // Rev. Sci. Instrum. 1975. V. 46. № 12. P. 1656. https://doi.org/10.1063/1.1134133
Mariella R.P., Neoh S.K., Herschbach D.R., Klemperer W. // J. Chem. Phys. 1977. V. 67. № 7. P. 2981. https://doi.org/10.1063/1.435263
Азриель В.М., Акимов В.М., Русин Л.Ю. // Хим. физ. 1996. Т. 15. № 3. С. 3. Идентификационный номер: WOS:A1996UK48800001
Азриель В.М., Акимов В.М., Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. // Хим. физ. 2019. Т. 38. № 10. С. 58. https://doi.org/10.1134/S0207401X19100029
Ross K.J., Sonntag B. // Rev. Sci. Instrum. 1995. V. 66. № 9. P. 4409. https://doi.org/10.1063/1.1145337
Beijerinck H.C.W., Verster N.F. // Physica B+C. 1981. V. 111. № 2–3. P. 327. https://doi.org/10.1016/0378-4363(81)90112-1
Campargue R. // Rev. Sci. Instrum. 1964. V. 35. № 1. P. 111. https://doi.org/10.1063/1.1718676
Beijerinck H.C.W., van Gerwen R.J.F., Kerstel E.R.T., Martens J.F.M., van Vliembergen E.J.W., Smits M.R.Th., Kaashoek G.H. // Chem. Phys. 1985. V. 96. № 1. P. 153. https://doi.org/10.1016/0301-0104(85)80201-9
Азриель В.М., Акимов В.М., Русин Л.Ю. // ПТЭ. 2007. № 3. С. 88.
Raith W. // Adv. At. Mol. Phys. 1976. V. 12. P. 281. https://doi.org/10.1016/S0065-2199(08)60046-9
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Приборы и техника эксперимента