Введение к работе
...._.
Актуальность темы диссертации.
Аналитическая масс-спектрометрия продвигается в направлении исследования все более сложных соединений, содержащих сотни и тысячи атомов. Наиболее интенсивно исследуемые классы таких сложных частиц - большие биологические молекулы и полимолекулярные соединения - кластеры.
Изучение кластеров необходимо для понимания процессов образования многоатомных объектов и их свойств. Кластеры играют ключевую роль при фазовых переходах. В последние годы большое внимание уделяется роли кластеров в процессах роста пленок на поверхности, развиваются методы нанесения покрытий с использованием пучков, содержащих кластеры.
Кластеры для масс-спектрометрии являются сложным объектом исследования в связи с высокой вероятностью их распада при ионизации и неотличимостью осколков больших кластеров от нераспав-шихся ионов кластеров меньших размеров.
Решение этих проблем возможно с использованием методов молекулярных пучков, позволяющих получать такие объекты в свободном состоянии, изолированном от каких-либо неконтролируемых воздействий .
Важнейшей задачей исследования кластеров является определение зависимости свойств кластеров от условий их образования. Поэтому исключительно важно использовать всю информацию об исходных условиях формирования, которую несет молекулярный пучок. А эта информация отражается в таких характеристиках пучка, как интенсивность, расходимость, структура поперечного течения, скорость, определенных отдельно для различных типов составляющих пучок молекул и кластеров.
Новейшие способы эффективного получения в свободном состоянии сложных нелетучих молекулярных' образований основываются на импульсной десорбции или испарении вещества путем воздействия на мишень импульса лазерного излучения, высокоонергичных ионов, электронов, мощного импульса глектрического тока в подложке. Первичные процессы и динамика развития таких "взрывов" или
- 4 -"встряхиваний" малоизучены. Для их понимания также необходимо извлекать максимум информации из параметров потока вещества, де-сорбированного этими способами.
С другой стороны, разработке методов контроля условий образования сложных молекулярных объектов в газовой фазе или условий перехода их в свободное состояние необходима в связи с высокой вероятностью их трансформации при исследовании, для повышения достоверности результатов анализа этих объектов.
Следовательно, разработка новых и развитие известных методов получения и масс-спектрометрического анализа молекулярных пучков, несущих сложные молекулярные соединения, с целью изучения свойств этих частиц и условий их образования представляются весьма актуальными.
Цель работы Развитие методов получения в вакууме потоков вещества, содержащих полимолекулярные соединения, выделение из них представительных молекулярных пучков и исследование методами масо-спек-трометрии свойств этих соединений и условий их образования.
Научная новизна работы
На основании обобщения и развития принципов расчета время-Пролетных масс-спектрометров и устройств выделения молекулярных пучков из расширяющихся в вакуум сверхзвуковых потоков частиц создан комплекс новых масс-спектроиетрических методов исследования расширяющихся в вакуум потоков вещества и условий образования в них кластеров.
Предложен и апробирован метод, позволяющий установить соответствие между масе-спектрометрическим сигналом кластерных ионов и диапазоном, масс соответствующих ему родительских нейтральных кластеров в пучке. На примере ксенона показано, что регистрируемые масс-спектрометром димерные ионы могут иметь преимущественно осколочный характер.
Обнаружена конденсация окиси иттрия в лазерной плазме Y-Ba-Cu-O керамики, доказывающая существенно столкновительный характер разлета продуктов при лазерной абляции.
Предложена качественная модель разлета облака, образующегося при импульсном лазерном испарении ВТСП керамики в режиме, со-* ответствующем напылению ВТСП пленок. Существенная неоднородность облака по фазовому и химическому составу объяснена в рамках гидродинамической модели тепловой неоднородностью, сохраняющейся на всех стадиях разлета плазмы.
Предложена и проверена экспериментально модель формирования пучка щелевым скиммером, позволяющая из экспериментально определенных плотности и расходимости пучка определить расположение области последних столкновений и температуры потока в этой области.
Научная и практическая значимость работы.
Создан времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС) с коэффициентом транспортировки ионов около Ъ0% и разрешающей способностью 500 по ширине пика на половине высоты при ширине области ионизации 30мм, что позволяет анализировать расходящиеся молекулярные пучки с таким размером поперечного сечения без дополнительного диафрагмирования.
Разработан и изготовлен электродинамический импульсный вакуумный затвор, обеспечивающий импульсное истечение газа в вакуум через сверхзвуковое сопло в течение 0.2 - 2 мс. При этом поток идентичен стационарному при диаметрах критического сечения сопла до 1мм.
Предложены новые методы молекулярно-пучковой диагностики, на основе времяпролетной масс-спектрометрии:
метод определения начальных скоростей ионов в источнике и, соответственно, скоростей родительских нейтральных молекул,
метод определения координаты зарождения иона в иоточнике ионов впемяпролетного масс-спектрометра.
метод определения скоростных отношений различных нейтральных компонентов расходящегося в вакуум газового потока.
Создана лазерная масс-спектромётрическая установка, позволяющая исследовать состав и энергетические характеристики продуктов лазерного распыления при плотностях мощности излучения и площадях облучаемой поверхности близких к характерным для техно-
логических режимов лазерного напыления пленок.
Основные положения, 'выкооиные на защиту.
Создание комплексного экспериментального метода исследования расширяющегося в вакуум импульсного потока вещества.
Модель формирования молекулярного пучка из расходящегося в вакуум потока газа щелевым скиммером и способ расчета на ее основании координаты области последних столкновений и температуры в потоке в области последних столкновений по измеренным плотности и расходимости пучка.
Качественная модель разлета облака вещества при лазерной абляции, основанная ка полученных экспериментальных данных по структуре облака лазерной плазмы Y-Ba-Cu-О керамики в технологическом режиме напыления сверхпроводящих пленок.
Апш5Ц'12_2"2Х?.ьтз10.в_ШботыЛ
Результаты работы доложены и обсуждены на XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ереван,1982), IV Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии (Сумы,1986), XXV Сибирском теплофизическом семинаре "Физика хластеров в газовой фазе" (Новосибирск,1987), X и XI Всесоюзных конференциях "Динамика разреженных газов" (Москва,1989, Ленинград,1991), Международной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости (Пекин 1939), VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990), III Всесоюзно». совещании по высокотемпературной сверхпроводимости (Харької 1991). X Международном симпозиуме по химии плазмы (ISPC-10) (ФРГ 1991).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, Работа содержит 220 страниц, в том числе 170 страниц машинописного текста, 2 таблицы, 53 рисунка и список литературы, включающий 119 наименований.
