Введение к работе
Актуальность теми диссертации, физика кластеров - новая, быстро развивающаяся область знаний, связующее звено между молекулярной физикой и физикой твердого тела. Особое место среди разнообразия кластеров занимают кластеры воды (KB). Интерес к ним определяется, с одной стороны, важностью конденсационных процессов с их участием в атмосфере и различных технологиях. Широкое расхождение между существующими моделями конденсации свидетельствуют о необходимости лучшего уяснения молекулярных аспектов процесса. Вместе с тем интерес исследователей все больше смещается в сторону изучения свойств самих КВ. Сильно анизотропные водородные связи между легкими молекулами приводят к тому, что проявления кооперативных эффектов в КБ сложны и разнообразны.
Интенсивность исследований KB все увеличивается, что об"яс-няется, во-первых, осознанием роли КБ в самых разнообразных процессах в природе и технологиях, в биологических об"ектах, во-вторых, развитием современных методов исследования, в частности, кластерных пучков. По существу, газодинамический молекулярный пучок является уникальным методом экспериментального исследования свободных слабосвязанных кластеров, позволяющий в одной схеме генерировать кластеры в конденсирующемся сверхзвуковом потоке и изучать их свойства в условиях вакуума. В настоящее время, если не привлекать результатов данной работы, систематические исследования связи параметров кластерного пучка с условиями расширения - характеристиками пара в источнике и геометрией расширения потока - отсутствуют. Это серьезно затрудняет сопоставление результатов, полученных разными авторами, а также адекватное теоретическое описание конденсации пара в столь важном физическом об"екте, как сверхзвуковая струя.
При детектировании KB в пучке ионизационные методики практически безальтернативны. Однако, для получения количественной информации при этом необходимо иметь данные о константах взаимодействия кластера с ионизующей частицей. В частности, недостаточно изученной проблемой остается фрагментация кластера в процессе ионизации. Данные о взаимодействии кластеров с электронами имеют, кроме того, большую ценность для физики газового разряда, низкотемпературной плазмы, атмосферных процессов, по-
— 3 —
скольку присутствие кластеров изменяет электрофизические характеристики сред.
Ионизация при рассеянии KB поверхностью с относительно небольшой скоростью столкновения - новый обнаруженный нами эффект. Он является, по-существу, микроскопическим аналогом стол-кновительной электризации водных аэрозолей - процесса, лежащего в основе электрических явлений в нихней атмосфере, микрофизическая трактовка которого, однако, до сих пор отсутствует.
Пел*, и основные задачи работы. Целью данной работы было получение новых экспериментальных данных об условиях генерации в свободной струе KB широкого диапазона размеров и об их физических свойствах, проявляемых во взаимодействии с электронами и поверхностью. Для достижения поставленной цели оказалось необходимым решигь следующие осно'вные задачи:
-
Создать элементы экспериментального оборудования, необходимые для формирования KB и их масс-спектрометрической регистрации .
-
Разработать (или развить применительно к KB) экспериментальные методы, обеспечивающие получение новой информации о КВ.
-
Провести следующие экспериментальные и расчетные исследования :
Формирования кластеров воды и молекулярных газов в свободной конденсирующейся струе и генерации кластированногс пучка;
вторичных процессов при ионизации KB электронами;
- ионизации и динамики рассеяния KB твердой поверхностью.
Научная нпяизна работы определяется тем, что на базе созданных элементов оборудования и разработанных методик получены новые данные 'об условиях генерации KB в свободной струе и их параметрах, динамике ионизации при взаимодействии КБ с электронами и поверхностью. Впервые проведено расчетное исследование генерации кластеров в свободной струе, основанное на реальны} свойствах кластеров. Обнаружены и об"яснены неизвестные ранее свойства средних и больших KB: образование и разделение зарядої при рассеянии КБ поверхностью; эхекция Фрагментарных, молекулярного и микрокластерных ионов при ионизации KB электронны» ударом. Новым является проведение исследований в широком диапазоне размеров KB, получение данных в виде зависимостей от среднего числа молекул воды в кластере.
— 4 —
ШЦШЫаЯ И практическая ценность тюдучвнину ряэудьтптоп
Полученные результаты важны в первую очередь для
дальнейшего развития теории быстрой гомогенной конденсации;
описания Физико-химических свойств газовых сред с кластерами.
Они позволяют глубже понять такие вопросы как
условия Формирования кластированных пучков в широком диапазоне размеров кластеров;
механизмы вторичных, процессов при неупругих столкновениях электронов с молекулами в кластерах и конденсированных средах;
особенности взаимодействия молекул в связанном состоянии и сольватированных ионов с поверхностью твердого тела;
- механизмы электризации водяных кластеров и аэрозолей.
Представленные в диссертации исследования выполнены в группе
молекулярно-пучковых исследований Института теплофизики СО АН СССР и являются составной частью НИР Института по темам "Неравновесные процессы в потоках разреженного газа" ( Гос.per. Но 81030083 ), "Исследование гидродинамики и тепломассообмена пр;; :;о:;дс::сс;і;::::, кипеи»!*, «япкптяю. кристаллизации" (Гос.per. Но 81030077) и "Неравновесные процессы и молекулярная газодинамика" (Гос.per.Но 01.86.0103354).
ДпроВапия работы. Результаты исследований, включенных в диссертацию, обсуждались на Международных симпозиумах по динамике разреженного газа ( США, 1988; ФРГ, 1980), 5-м Международном симпозиуме по малым частицам и неорганическим кластерам (ФРГ, 1990), Международном симпозиуме по физике атома и поверхности (Австрия, 1990), Всесоюзных конференциях по динамике разреженных газов (Москва, 1985; Свердловск, 1987; Москва, 1989), Всесоюзной конференции по взаимодействию атомных частиц с твердым телом (Москва, 1987), Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1986), Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Ужгород, 1988), Всесоюзном симпозиуме по динамике атомно-молекуляр-ных процессов (Черноголовка, 1985), Сибирском теплофизическом семинаре "Физика кластеров в газовой фазе" (Новосибирск, 1987), Всесоюзных конференциях молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 1985, 1987, 1989, 1991), Всесоюзной студенческой конференции
"Королевские чтения" (Долгопрудный, 1983).
Структура и об"рм яиегертапии. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 92 страницы основного текста, 52 рисунка, 2 таблицы. Список цитируемой литературы включает в себя 161 наименование.