ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, < 3, с. 3-6
УДК 539.211
ЭФФЕКТ УШИРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ФРАГМЕНТОВ МОЛЕКУЛЯРНОГО ИОНА ПРИ МАЛОУГЛОВОМ ОТРАЖЕНИИ ОТ ПОВЕРХНОСТИ
© 2008 г. К. А. Мошкунов, В. А. Курнаев, Д. Н. Синельников, С. В. Смирнов
Московский инженерно-физический институт, Москва, Россия Поступила в редакцию 16.08.2007 г.
Экспериментально исследованы относительные полуширины энергетических спектров отраженных от поверхности вольфрама молекулярных ионов водорода и их фрагментов для различных исходных молекул и их изотопных комбинаций в области энергий 100-4000 эВ/нуклон. Спектры фрагментов оказались шире спектров частиц, не являющихся результатом фрагментации. Это уширение интерпретировано с помощью модели "взрыва", т.е. диссоциации молекулярного иона за счет изменения потенциала взаимодействия фрагментов. Полученные данные согласуются с моделью "взрывной" диссоциации молекул. Для всех молекул эффективная энергия отталкивания равна 1.1 ± 0.1 эВ.
ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие ионов с поверхностью интересно, прежде всего, с фундаментальной точки зрения, и исследования молекулярного феномена, наблюдаемого при этом, ведутся уже несколько десятилетий [1]. В работах [1, 2] обсуждаются возможности практического применения молекулярных эффектов. Кроме этого, интерес к молекулярному феномену в области низких значений энергии вызван тем, что он является одной из составляющих взаимодействия пристеночной плазмы токамаков с материалами первой стенки [3, 4]. Так как исследования различных аспектов взаимодействия плазмы с поверхностью проводятся на небольших лабораторных стендах и часто требуют больших потоков налетающих частиц, то наряду с атомарными ионами активно используются молекулярные. Однако возможный вклад молекулярного эффекта в исследуемые процессы не был оценен. В настоящее время особенности взаимодействия молекулярных ионов водорода с материалами первой стенки реактора изучены фрагментарно, и механизмы наблюдающихся особенностей не ясны. В основополагающих работах [5, 6] по изучению отражения молекулярных ионов водорода от поверхности наблюдались две характерные особенности: первая - фрагментация иона при отражении, т.е. изменение массового состава пучка; вторая - уширение энергетического спектра отраженных фрагментов по сравнению со спектрами таких же отраженных частиц, как эти фрагменты, но изначально атомарных. В настоящей работе с целью изучения этого эффекта измерены спектры фрагментов различных молекулярных ионов и их изотопных вариантов, отраженных от одного из возможных
материалов первой стенки токамака - вольфрама.
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И УСЛОВИЙ ЭКСПЕРИМЕНТА
На кафедре Физики плазмы в МИФИ был собран модульный малогабаритный ионный моно-хроматор. Его схема представлена на рис. 1. Газ подается в камеру источника типа дуоплазматрон через управляемый натекатель из баллона. Ионный пучок вытягивается и ускоряется до энергии 10 кэВ. Максимальный ток вытягиваемого пучка -1 мА. После этого пучок фокусируется на вход сепарирующего электромагнита линзовой системой, состоящей из обычной трехэлектродной линзы и отклоняющих пластин. Варьируя ток в магните, нужную массовую компоненту пучка направляют на мишень, расположенную в камере столкновений. Разрешение сепарирующей системы =5%. В экспериментах с ионами водорода с энергией 2-3 кэВ характерный ток пучка на мишень равен 1 мкА.
Рассеянные и выбитые из мишени ионы попадают в магнитный анализатор. Предусмотрено несколько вариантов геометрии эксперимента. На рис. 1 приведен малоугловой вариант с регулируемым в пределах от -6° до 6° углом рассеяния. Такая геометрия рассеяния обеспечивается подключением анализатора к камере взаимодействия через сильфон. Плоскость дисперсии частиц в анализаторе расположена перпендикулярно плоскости рассеяния для минимизации искажения спектров. Это уширение может быть вызвано большим углом зрения анализатора в плоскости рассеяния. Для получения спектров был исполь-
Рис. 1. Вариант сборки установки для эксперимента по малоугловому рассеянию: 1 - дуоплазматрон; 2 - узел ионной оптики; 3 - сепарирующий электромагнит; 4 - камера взаимодействия; 5 - мишень; 6 - анализирующий электромагнит; 7 - детектор ВЭУ 2; 8 - варьируемая диафрагма; 9 - квадрупольный масс-спектрометр Pfeiffer QMS Prisma 200; 10 - измеритель давления Pfeiffer PKR 251; 11 - турбомолекулярные насосы Pfeiffer TMU 071 P.
зован магнитный анализатор, так как при дисперсии частиц по импульсам в магнитном поле спектры разделяются по скоростям, и ионы с одинаковой энергией, но разными массами будут разделены. То есть импульсные спектры разных масс, образовавшихся при диссоциации молекулярного иона, перекрываются меньше, чем спектры энергетические. Варьируемая диафрагма перед детектором ВЭУ позволяет менять разрешение анализатора, минимальное разрешение равно 0.75%.
Мишень прогревается лампой накаливания, расположенной со стороны необлучаемой поверхности образца. Температура мишени измеряется с помощью термопары хромель-алюмель. В конфигурации малоуглового рассеяния мишень крепится на вращающемся вводе (вращение в горизонтальной плоскости), причем мишень смещена относительно оси камеры на 6 мм.
Установка откачивается двумя турбомолеку-лярными насосами, предварительный вакуум обеспечивается безмасляным скрол-насосом. Предельное остаточное давление в камере столкновения <5 х 10-7 Па. Рабочее давление варьируется в пределах от 2.6 х 10-4 Па до 8 х 10-6 Па в зависимости от напуска рабочего газа. Для измерения состава газа в камере взаимодействия используется квадрупольный масс-спектрометр Pfeiffer QMS Prisma 200.
Управление электромагнитами, наряду с регистрацией тока на мишень и сигнала с ВЭУ, производится с помощью разработанной системы автоматизации, позволяющей управлять измерениями
с компьютера. Мишенью служил механически полированный, промытый в ультразвуковой ванне и в дистиллированной воде образец поликристаллического вольфрама. Рабочим газом источника был дейтерий, в разряде присутствовало небольшое количество протия. В результате в
первичном пучке присутствовали ионы Б+, Б+, Н+, Б2Н+, НБ+. Анализировались ионы, зеркально отраженные на 6° ± 1°.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные зависимости сигнала с ВЭУ от импульса настройки анализатора 1(Р) были преобразованы в распределение ионов йИ/йр в соответствии с [7], затем пики были однозначно связаны с массовыми компонентами и преобразованы в распределение йИ/йЕ соответствующих компонент. Значение полуширины пиков было нормировано на величину энергии, соответствующую точке на высокоэнергетическом склоне пика на высоте 0.1 от максимума. Это вызвано неточностью калибровки анализатора. Полученные относительные полуширины как функции начальной энергии, приходящейся на нуклон, представлены на рис. 2. На рис. 2а приведены данные для молекулярных выживших ионов и двухатомных фрагментов трехатомных ионов, на рис. 26 - для дейтериевых одноатомных фрагментов и для изначально атомарного дейтерия. Погрешность определения полуширины примерно совпадает с
ЭФФЕКТ УШИРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ
5
размером значков и не приведена на графиках. Приведенные кривые есть результат процедуры подгонки.
Эффект уширения энергетических спектров фрагментов в работах [8-10] был объяснен передачей энергии налетающих частиц внутренним степеням свободы за счет перехода электронной подсистемы молекулы в антисвязанное состояние
(для Н2 это состояние Ь3 Х+) и последующей диссоциацией с неодинаковой передачей этой энергии фрагментам (одна частица - лидирующая -ускоряется, а отстающая тормозится). В дальнейшем это предположение было развито в исследованиях по определению энергии поступательного движения в системе центра масс отраженных фрагментов молекул водорода [11-14]. Было проведено моделирование, показавшее, что наряду с топографией потенциала взаимодействия и вероятностями переходов в возбужденные состояния на форму спектра может влиять разница между неупругими потерями отраженных фрагментов. В работе [15] уширение спектров было проанализировано на основе кинематической модели, где перераспределение энергии между фрагментами может происходить только за счет упругих взаимодействий. В области высоких значений энергии изменение спектра провзаимодей-ствоваших с поверхностью молекул объясняется кулоновским отталкиванием фрагментов молекулярного иона, потерявшего связующий его электрон [1]. Этот механизм был интерполирован в работах [16, 17] в область значений энергии порядка килоэлектронвольт. Однако авторы работ [10, 18] признают некорректным использование модели кулоновского отталкивания в этой области энергии.
Мы интерпретируем полученные данные на основе модели "взрывной" диссоциации, в которой молекула диссоциирует за счет изменения потенциала межатомного взаимодействия - вместо притяжения происходит отталкивание. Это может быть результатом кулоновского отталкивания и действия потенциала возбужденного уровня электронной подсистемы молекулы, а также следствием особенностей топографии основного состояния молекулы. Энергия I, освобождаемая в системе центра масс, используется как подгоночный параметр. Эта модель применялась в [16], формула для относительной полуширины выглядит следующим образом:
А Е
,ехр1 1/2
= 4
1т2
Е„Ш1 (т1 + т2)'
(1)
▼ ЫБ+, выжившие ■ Б+, выжившие • Б2Ы+, выжившие А Б+, выжившие ДЫБ+ ^ Б2Ы+
ае1/2/е 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04
1.2 1.6 2.0
Еп, кэВ/нуклон
■ Б+
▼ Б+ ^ ЫБ+ 1Б+ ^ Б+
12
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Еп, кэВ/нуклон
Рис. 2. Зависимость относительных полуширин различных отраженных молекулярных ионов, их ионизованных фрагментов и изначально атомарного Б+ от начальной энергии. а - данные для молекулярных ионов, б - для атомарных. Номерами обозначены следующие кривые: 1 - ЫБ+ , являющийся фрагментом
П2Ы+ (энергия взрыва I = 1.2 эВ); 2 - Э+ , фрагмент Э+ (I = 1.2 эВ); 3 - Э+ , фрагмент Б2Ы+ (I = 1.3 эВ); 4,5, 6, 7 - выжившие при отражении молекулы ЫБ+, Э+ , П2Ы+, Э+ соответственно; 8 - Б+, фрагмент Э+ (I = = 1.2 эВ); 9 - Э+, фраг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.