Времяпролетная спектроскопия надтепловых молекулярных пучков галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов

В. М. Азриель; Азриель В. М.; В. М. Акимов; Акимов В. М.; Е. В. Ермолова; Ермолова Е. В.; Д. Б. Кабанов; Кабанов Д. Б.; Л. И. Колесникова; Колесникова Л. И.; Л. Ю. Русин; Русин Л. Ю.; М. Б. Севрюк; Севрюк М. Б.

doi:10.31857/S0032816224030203

Времяпролетная спектроскопия надтепловых молекулярных пучков галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов

Authors: Азриель В.М.¹, Акимов В.М.¹, Ермолова Е.В.¹, Кабанов Д.Б.¹, Колесникова Л.И.¹, Русин Л.Ю.¹, Севрюк М.Б.¹
Affiliations:
1. Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Issue: No 3 (2024)
Pages: 145-147
Section: ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
URL: https://journals.rcsi.science/0032-8162/article/view/277688
DOI: https://doi.org/10.31857/S0032816224030203
EDN: https://elibrary.ru/OTCFSJ
ID: 277688

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Описан способ регистрации времяпролетных спектров надтепловых газодинамических примесных молекулярных пучков галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов без необходимости определять и корректировать спектры с учетом временных аппаратурных задержек. Метод основан на регистрации ионов, образующихся при столкновительно-индуцированной диссоциации молекул с ионной связью, двумя вторично-электронными умножителями, расположенными на разных расстояниях от прерывателя по ходу пролета пучка.

Full Text

Времяпролетный (ВП) метод определения энергетических характеристик молекулярных пучков успешно используется на протяжении нескольких десятилетий. Метод состоит в разбиении прерывателем пучка частиц на короткие по времени пакеты и регистрации времени их пролета от прерывателя до детектора. Чаще всего в качестве детектора используется масс-спектрометр, а прерывателем является тонкий вращающийся диск с равномерно расположенными щелями. При этом одновременно с каждым прерыванием пучка вырабатывается стартовый сигнал для ВП-измерений от фотоячейки (состоящей, например, из светодиода и фотодиода), смонтированной диаметрально противоположно оси пучка на прерывателе.

Экспериментально измеренное положение максимума функции распределения по времени пролета частиц искажено в той или иной степени различными аппаратурными задержками, о характере которых можно судить по временной диаграмме от прерывания пучка до регистрации ВП-спектра (рис. 1). Импульс частиц пучка 1 соответствует положению у прерывателя, 3 — положение импульса в конце базы пролета при отсутствии возможных аппаратурных задержек, 4 — регистрируемый импульс на финише регистрирующего тракта. Синхроимпульс 2 от фотодиода запускает начало развертки временных каналов, и на схеме изображена ситуация, когда импульс пучка генерируется раньше времени старта развертки на величину t_з. Величина t₀ отвечает времени пролета частицами известной базы в идеальном случае при отсутствии временных задержек и определяется только скоростью частиц и длиной базы пролета. Значение t_p соответствует промежутку времени от образования ионов в ионном источнике масс-спектрометра до их регистрации вторично-электронным умножителем, и, наконец, t_u — это время, измеренное с учетом задержек в запуске и регистрации. Таким образом, искомое время t₀ = t_з + t_u — t_p. Задержка t_з может иметь положительное или отрицательное значение и определяется не только ошибкой из-за неодновременности прерывания пучка и света на фотодиод, но и задержками в формировании синхроимпульса и запуске временных счетных каналов.

Рис. 1. Временная диаграмма прохождения аппаратурных импульсов при регистрации ВП-спектров. Импульсы пучка 1, 3 и 4 — соответственно у прерывателя, в конце базы пролета и после масс-спектрометра. Синхроимпульс 2 запускает временные счетные каналы.

Анализу величин этих задержек, их зависимостей от параметров ВП-системы и их определению посвящен ряд работ [1–3]. Отметим, что точность положения максимума ВП-спектра зависит от количества и точности измерения этих задержек и требует их контроля в процессе эксперимента. Однако для некоторых соединений, образующих пучок, при определенных условиях, как показал наш опыт, возможна регистрация пучков без масс-спектрометра и без калибровки ВП-шкалы. К таким соединениям относятся молекулы галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов с небольшой (несколько эВ) энергией диссоциации на ионы, которая становится возможной при столкновении частиц пучка с тяжелым атомом. В качестве примера можно привести процесс образования ионов при столкновительно-индуцированной диссоциации некоторых солей щелочных металлов с ксеноном в качестве атома-снаряда. Ранее [4] мы использовали это явление при измерении ВП-спектров пучка молекул CsCl, регистрируя ионы Cs⁺ от процесса

CsCl + Xe → Cs⁺ + Cl^– + Xe

вторично-электронным умножителем ВЭУ-6, расположенным в конце базы пролета, без масс-спектрометра. Ниже мы кратко опишем усовершенствованный метод измерения ВП-спектров, разработанный на основе работы [4], и способ ВП-измерений надтеплового примесного газодинамического пучка молекул без необходимости определения аппаратурных временных задержек.

В настоящей работе был использован пучок иодида калия из-за приемлемой массы и энергии диссоциации, легко достижимой для примесного пучка KI в молекулярном водороде. Схема измерений приведена на рис. 2. Источником пучка 1 являлась двухкамерная печь, конструкция которой описана в работе [5]. Источник обеспечивал получение примесного пучка KI при истечении небольшого количества соли в смеси с водородом (P_KI = 0.01 Торр, P_H2 = 180–700 Торр) через сопло диаметром 0.12 мм в вакуум с дальнейшим формированием пучка скиммером 2 и коллиматором 3. В предельном случае при истечении такой смеси скорость молекул KI возрастет до скорости газа-носителя с соответствующим увеличением энергии E согласно выражению

E = 7 kT M_KI / 4,

где k — постоянная Больцмана, T — температура сопла, M_KI — молекулярный вес KI. При T = 1000 K расчетная энергия молекул пучка KI составит 25 эВ.

Рис. 2. Схема измерений: 1 — источник пучка, 2 — скиммер, 3 — коллиматор, 4 — диск-прерыватель, 5, 6 — умножители типа ВЭУ-6, 7 — электрод, 8 — диафрагма, 9 — усилитель-дискриминатор, 10 — ВП-модуль КАМАК, 11 — фотодиод, 12 — формирователь синхроимпульса.

Для ВП-измерений пучок прерывался диском 4 диаметром 100 мм со щелями шириной 1 мм и частотой вращения 250 Гц. При напуске в камеру ксенона до давления 5 · 10^–5 Торр и энергии пучка больше порога диссоциативной ионизации молекулы KI ее распад происходит вдоль всей траектории. Положительные ионы K⁺ регистрировались двумя умножителями 5 и 6 типа ВЭУ-6, установленными вдоль трассы пучка на расстоянии 14.5 см друг от друга с небольшим смещением относительно его оси. Электроды 7 и диафрагмы 8 служили для улучшения сбора ионов и пространственного разрешения. Сигналы с умножителей после усилителя-дискриминатора 9 поступали на ВП-анализатор 10 модуля КАМАК [6] с последующим накоплением и отображением ВП-спектра. Цикл работы многоканального временного анализатора инициировался импульсом от фотодиода 11 через повторитель и формирователь 12. Измеренная умножителями 5 и 6 разность ∆T времен пролета пучка расстояний L₁ и L₂ соответственно не зависит от аппаратурных задержек и позволяет напрямую определить наиболее вероятную скорость частиц:

L₁ / U = T₁ ± T_d, L₂ / U = T₂ ± T_d, U = ∆L / ∆T,

где U — наиболее вероятная скорость пучка, T₁ и T₂ — соответственно времена пролета от прерывателя до умножителей 5 и 6, T_d — суммарная аппаратурная задержка, ∆L = L₂ – L₁, ∆T = T₂ – T₁.

На рис. 3 приведены ВП-спектры пучка KI при давлении в источнике P₀ = 350 Торр, измеренные с помощью умножителей 5 и 6. Поступательная энергия частиц пучка при этом составляла 13.7 эВ, что приводит к относительной энергии столкновения c ксеноном, равной 5.9 эВ.

Рис. 3. ВП-спектры пучка молекул KI, измеренные умножителями ВЭУ-6 при регистрации положительных ионов калия. Спектры нормированы на равенство максимумов распределений.

В заключение отметим, что предлагаемый способ определения наиболее вероятной скорости пучков, обладающих достаточной поступательной энергией и энергией диссоциации на ионы, равной единицам эВ, несмотря на известные ограничения, позволяет повысить точность ВП-измерений и избежать утомительной процедуры анализа и определения аппаратурных задержек. Немаловажным фактором является также ненужность масс-спектрометра, отсутствие высокого вакуума в камере регистрации и селективность ионизации только молекул пучка.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук по теме “Физико-химические проблемы энергетики и экологии” (Госзадание 1.12).

About the authors

В. М. Азриель

Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук