Введение к работе
Актуальность.
Кластерами принято называть частицы конденсированной фазы, свойства которых качественно изменяются с изменением в них числа молекул или атомов. Кластером минимального размера является димер. В исследованиях особенно трудны кластеры молекулярных газов, т.к. у таких кластеров энергия связи очень мала (например, у димера азота (N2), она составляет 0,007 эВ). Поэтому требуются специальные методы для их получения с целью лабораторных исследований. Наиболее перспективным методом получения молекулярных кластеров оказался метод газодинамического молекулярного пучка. Этот метод, по-существу, является уникальным методом экспериментального исследования свободных слабосвязанных кластеров. Он позволяет в одной схеме генерировать кластеры и изучать их в условиях вакуума.
Объектом данной работы являются кластеры (Nj),, (СО,),, (N,0), с ван-дер-ваальсовским типом связи, и (Н;0), - с водородным. Кластеры этих веществ легко образуются в различных газодинамических системах, входят в состав атмосферы и биологических объектов, присутствуют в ряде технологических процессов (например, образуются в активной среде лазеров ИК-диапазона с адиабатическим охлаждением смеси газов).
Среди большого числа направлений изучения кластеров особое внимание уделяется вопросам неупругого взаимодействия электронов с кластерами, которое приводит к изменению состава среды, ее электрофизических и оптических характеристик. Эти данные необходимы для описания процессов в планетных атмосферах и атмосфере Земли, в газовых разрядах различного типа, при синтезе тонких пленок, физики электроразрядных лазеров и низкотемпературной плазмы. Кроме того, важной проблемой остается развитие методов диагностики кластеров. Практически безальтернативными являются ионизационные методы, прежде всего, из-за своей высокой чувствительности. Однако для получения количественной информации при этом необходимо иметь данные о константах неупругого взаимодействия кластера с электроном и каналах внутрикластерной диссипации энергии. В частности, нерешенной проблемой является выяснение механизмов фрагментации кластера при ионизации, которая значительно усложняется наличием большого числа внутренних степеней свободы кластера. Практически нет данных по электрон-индуцированной флюоресценции (ЭИФ) кластеров. Например, по параметрам излучения сверхзвуковых потоков разреженного газа, возбуждаемого электронами, удается получить широкий набор данных о
внутреннем состоянии молекул и газодинамических характеристиках потока. Однако при расширении газа часто неконтролируемо возникают частицы конденсированной фазы - кластеры. В этих условиях использование электронно-пучкового метода становится проблематичным, что связано с отсутствием необходимых знаний как о механизме, так и величине вклада кластеров в ЭИФ. Поэтому исследование фрагментации кластеров при электронном ударе и ЭИФ кластеров, предпринятое в настоящей работе, является актуальным и способствует дальнейшему прогрессу как в фундаментальном, так и в прикладном аспектах физики свободных молекулярных кластеров.
Цель настоящей работы:
Получение новых экспериментальных данных о фрагментации кластеров при электронном ударе и ЭИФ кластеров (N2),, (С02),, (N20), и (Н,0), в зависимости от среднего размера кластеров в пучке.
Для достижения поставленной цели оказалось необходимым решить следующие задачи:
1. Создать элементы экспериментального оборудования, необходимые
для генерации кластеров азота, а также для масс-спектрометрической и
оптической диагностики кластеров.
2. Исследовать конденсацию азота в струе за звуковым соплом и
формирование класгированного молекулярного пучка.
3. Определить степень и каналы фрагментации кластеров при их
ионизации электронным удаоом от среднего размера кластеров.
4. Установить вклад кластеров в электрон-индуцированную
флюоресценцию и получить зависимости выхода излучения от среднего
размера кластеров.
Научная новизна.
Используя метод пересекающихся пучков получены новые данные о процессах возбуждения, излучения, разрушения кластеров и молекул в кластерах под действием ионизирующих электронов. Исследована конденсация азота в свободной струе за звуковым соплом.
В исследовании конденсации азота впервые получены : обобщающая зависимость, связывающая диаметр звукового сопла, температуру и давление в сопловом источнике для перехода к развитой конденсации, - зависимость среднего размера кластеров от параметров торможения.
В исследованиях электрон-индуцированных процессов приоритетными являются следующие результаты :
- обнаружен и исследован новый канал фрагментации средних и больших
кластеров, а именно, эжекция из кластеров молекулярных ионов Nt , СОЇ
и Ь^О"1", а также заряженных молекулярных фрагментов Н+ и ОН+, микрокластеров H+(H20)j<3 ;
- получены вероятности эжекции возбужденных частиц из кластеров (N20)j
и(С02)і;
предложены механизмы эжекции ионов. Так, эжекция микрокластерных и молекулярных ионов объяснена структурной релаксацией кристаллического кластера после образования в нем первичного иона; эжекция молекулярных и фрагментарных ионов - эффективным образованием сверхвозбужденных состояний нейтральной молекулы и их распадом при вылете этой молекулы из кластера;
- впервые получены зависимости интенсивности электрон-индуцированной
флюоресценции кластеров (N2),, (С02),, (Н20); и (ЩО^ от их среднего
размера. В результате определены: относительные вероятности излучения
кластеров (С02)і и (N2O); в УФ и видимом диапазоне , зависимости
удельной интенсивности излучения в видимом диапазоне для N,(C Пи) и
NjCB'Z"*'), возбужденных в кластерах азота, зависимости удельной
интенсивности излучения в УФ и видимом диапазоне для кластеров (Н20);;
- предложены основные механизмы, приводящие к наблюдаемому выходу
излучения из кластеров.
Принципиально важным является то, что исследования проведены в широком диапазоне размеров кластеров. В результате обнаружен ряд неизвестных ранее размерных эффектов. Например, усиление интенсивности излучения кластерами (СОг), в видимой области и (N20)j - в УФ области (размером і < 15 молекул), и увеличение скорости ион-молекулярной реакции в кластерах (N2)5 с образованием N? при увеличении і .
Научная и практическая ценность.
Полученные в работе результаты носят, в первую очередь, фундаментальный характер и важны для описания физико-химических свойств газовых сред с кластерами. Они позволяют глубже понять такие вопросы как
5"
влияние кластеров на излучательные свойства среды,
влияние кластеров на ионизационные свойства среды,
- механизмы вторичных процессов при неупругих столкновениях электронов
с молекулами в кластерах и конденсированных средах.
Полученные результаты могут быть полезными для смежных наук -лазерной физики, физики низкотемпературной плазмы, физики атмосферы.
Основные защищаемые положения
представляют собой полученные экспериментальные результаты, установленные закономерности и их интерпретация. На защиту выносятся:
1. Обобщающая зависимость, связывающая диаметр звукового сопла,
температуру и давление в сопловом источнике для перехода к развитой
конденсации; зависимость среднего размера кластеров от параметров
торможения.
2. Масс-спектрометрическое измерение зависимостей токов
фрагментарных и микрокластерных ионов, образующихся при ударе
электроном, от среднего размера кластеров в пучке азота.
-
Механизмы эжекции и фрагментации кластеров при ионизации электронным ударом.
-
Методика измерений ЭИФ кластерной компоненты в пучках N2, СО,, N,0. Н,0.
5. Зависимости вероятности эжекции возбужденных частиц из
кластеров (КО), и (СО,), от размера кластеров.
6. Зависимости относительной вероятности излучения в УФ и видимом
диапазоне для кластеров (N,0), и (СО,), от размера кластеров.
7. Зависимости удельной интенсивности излучения в видимом
диапазоне для кластеров (N,), и в УФ и видимом диапазонах для кластеров
(Н,0), от размера кластеров.
8. Механизмы, приводящие к наблюдаемому выходу излучения из кластеров.
Апробация работы.
Результаты работы обсуждались, на семинарах отделов разреженных газов и физики молекулярных структур Института теплофизики СО РАН; III и IV Всесоюзных конференциях молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики" (Новосибирск, 1989 и
1991); X и XI Всесоюзных конференциях по динамике разреженных газов (Москва, 1989 и Ленинград, 1991); XII Международном симпозиуме по молекулярным пучкам (Италия, 1989); XVII и XIX Международных симпозиумах по динамике разреженных газов (Аахен, Германия, 1990 и Оксфорд,Англия, 1994); Международном симпозиуме по физике атомов, кластеров и поверхности SASP'94(Hintermoos, Австрия, 1994).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и списка литературы. Текст диссертации изложен на 104 страницах, включая 41 рисунок, 2 таблицы и список литературы из 120 наименований.