ЛАЗЕРНАЯ УФ- И ИК-ФРАГМЕНТАЦИЯ СВОБОДНЫХ
КЛАСТЕРОВ (CF3I)n В МОЛЕКУЛЯРНОМ ПУЧКЕ И КЛАСТЕРОВ (CF3I)n, НАХОДЯЩИХСЯ ВНУТРИ ИЛИ НА ПОВЕРХНОСТИ БОЛЬШИХ КЛАСТЕРОВ (Хе)то
В. М. А патина, В. Н. Лохман", Г. Н. Макаров"*, Н.-Д. Д. Огурока, А. Н. Петина>ь, Е. А. Рябова
"Институт спектроскопии Российской академии паук 142190, Троицк, Москва, Россия
ь Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований 142190, Троицк, Москва, Россия.
Поступила в редакцию 3 июля 2014 г.
Изучена фрагментация свободных однородных кластеров (СРз1)п в молекулярном пучке (/? < 45 — среднее число молекул в кластере), а также кластеров (СРз1)п, находящихся внутри или на поверхности больших кластеров (Хо)ш (тп > 100 — среднее число атомов в кластере), лазерным ультрафиолетовым и инфракрасным излучением. Показано, что указанные три типа кластеров (СРз1)п имеют разную стабильность по отношению к фрагментации как УФ-, так и ИК-излучением и совершенно разные зависимости вероятности фрагментации от энергии УФ- и ИК-излучения. При воздействии УФ-излуче-нием свободные кластеры (СРз1)п фрагментируют при сравнительно малых плотностях потока энергии (Фг/v < 0.15 Дж/см2), и для них наблюдается наиболее слабая зависимость вероятности фрагментации от энергии. Более сильная зависимость вероятности фрагментации от энергии наблюдается для кластеров (СРз1)п, локализованных внутри кластеров (Хо)ш, а наиболее сильная зависимость — для кластеров (СРз1)п, находящихся на поверхности кластеров (Хо)ш. При воздействии на кластеры ИК-излучением однородные кластеры (СРз1)п эффективно фрагментируют при малых плотностях потока энергии (Ф/л < 25 мДж/см2), более высокие плотности потока энергии (Ф/л ~ 75 мДж/см2) необходимы для фрагментации кластеров (СРз1)п, локализованных внутри кластеров (Хо)ш, и еще более высокие плотности потока энергии (Ф/л ~ 150 мДж/см2) — для фрагментации кластеров (СРз1)п, находящихся на поверхности кластеров (Хо)т. Установлено, что небольшие кластеры (СРз1)п, находящиеся на поверхности кластеров (Хо)т, не фрагментируют вплоть до плотностей потока энергии Ф/д к 250 мДж/см2. Показано, что эффективность фрагментации кластеров (СРз1)п одинакова (при одинаковой плотности потока энергии) как при возбуждении импульсным (тр к 150 не), так и непрерывным лазерным ИК-излучением. Обсуждаются возможные причины такого характера УФ- и ИК-лазерной фрагментации указанных кластеров.
Б01: 10.7868/80044451015020030 1. ВВЕДЕНИЕ
Молекулярные и кластерные пучки [1 4] широко используются для изучения химических реакций, включая фрагментацию молекул и кластеров, процессов адсорбции и десорбции и других элемен-
Е-таП: ятакагоу'Шяап.troitsk.ru
тарных физико-химических процессов на поверхности, а также для нанесения микро- и наноструктур, получения тонких пленок и новых материалов [1 18]. Пучки нейтральных и ионных кластеров разной энергии используются для обработки и структурирования поверхности [7,17 24], а также для исследования экстремальных процессов, индуцируемых при столкновении кластеров с поверхностью [17,18,20,21].
Область применения молекулярных и кластерных пучков значительно расширяется, если допиро-вать кластеры молекулами (или атомами) за счет их захвата из пересекающего молекулярного пучка нлн при прохождении кластерного пучка через ячейку, содержащую молекулярный газ [25,26]. Например, это открывает новые возможности для спектроскопии и исследования самих кластеров [25 33], а также для изучения элементарных процессов, происходящих внутри нлн на поверхности кластеров [29,31 33]. Процесс захвата молекул кластерами в пересекающихся пучках использовался для измерения температуры больших кластеров (наночастиц) СО-2 и СТз1 в кластерных пучках [34 38], для изучения индуцированных ПК-лазером селективных процессов [39], а также для исследования фрагментации кластеров при столкновении с колебательно-высоковозбужденными молекулами [40,41].
Во многих экспериментах для диагностики молекулярных и кластерных пучков и происходящих с частицами физико-химических процессов, в том числе индуцированных лазером, применяется метод резонансной многофотонной ионизации [42,43] и фрагментации молекул и кластеров лазерным УФ-излу-чением [10 16]. В связи с этим исследование процесса УФ-лазерной ионизации и фрагментации кластеров является весьма актуальной задачей.
В последнее время активно исследуются внутри-кластерные физико-химические процессы в молекулярных ван-дер-ваальсовых кластерах, а также их фрагментация при резонансном возбуждении интенсивными лазерными ИК-импульсами входящих в состав кластеров молекул [5,10,11,13 16]. Интерес к таким исследованиям связан с тем, что при таком возбуждении кластеров можно реализовать условия, которые трудно или невозможно реализовать в газе или в макроскопической конденсированной среде. В газе влияние окружения обычно мало, и им часто пренебрегают. В конденсированной среде, наоборот, влияние окружения велико, однако поглощенная частицами энергия быстро передается в окружающую область. В кластерах существенную роль могут играть размерные эффекты, поскольку в кластерах поглощенная энергия локализуется в небольшом объеме кластера. Поэтому при взаимодействии с резонансным лазерным излучением возможен сильный нагрев кластеров. Это позволяет исследовать многие процессы, происходящие в кластерах при сильном возбуждении (ионизацию, диссоциацию, фрагментацию) [11,13 16].
Кроме того, в кластерах реализуются совершенно разные условия окружения для поверхностных
н объемных частиц, что существенно влияет на процесс их возбуждения. В частности, в кластерах сравнительно легко можно реализовать условия, когда исследуемые частицы находятся либо в однородном (гомогенном), либо неоднородном (гетерогенном) окружении. Можно реализовать также эксперименты, когда сами исследуемые кластеры или являются однородными, или находятся либо внутри, либо на поверхности других кластеров. Таким образом, с использованием кластеров открываются весьма широкие возможности для исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом.
В связи со сказанным выше актуальной задачей является исследование процесса резонансной ПК-лазерной фрагментации молекулярных кластеров, получаемых в разных условиях и находящихся в разном окружении. В частности, резонансное возбуждение молекулярных кластеров короткими лазерными ИК-импульсами позволяет исследовать процессы миграции энергии внутри кластеров и изучить кинетику их распада. Недавно в наших работах [33,44] исследовалась фрагментация лазерным УФ [33] и ИК [44] излучением трех разного типа кластеров в молекулярном пучке однородных кластеров (СГ31)„, а также кластеров (СГз1)„, находящихся внутри нлн на поверхности больших кластеров (Хе)т. Выбор кластеров молекул СТз1 обусловлен главным образом тем, что они относительно легко детектируются благодаря наличию в масс-спектре кластеров молекулярных ионов которые формируются в процессе многофотонного возбуждения кластеров (СГ31)„ лазерным УФ-излучением [11]. Обнаружено, что указанные три типа кластеров имеют разную стабильность по отношению к фрагментации как УФ-, так и ПК-излучением, а также совершенно разные зависимости вероятности фрагментации от энергии лазерного УФ- и ПК-излучения. В данной работе нами представлены результаты более детального исследования УФ- и ПК-фрагментации указанных кластеров и более глубокого анализа полученных результатов.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ И МЕТОД 2.1. Экспериментальная установка
Экспериментальная установка и метод исследования подробно описаны в работах [11,13]. Здесь мы опишем их кратко. Установка включает (рис. 1) фотоионизационный времяпролетный
^jj
m/z
&
н и
ВЭУ
Импульсное сопло IR1
I Поле зрения масс-спектрометра
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
масс-спектрометр и две вакуумные камеры с раздельной откачкой камеру источника молекулярного пучка, откачиваемую до давления не выше Ю-5 Topp, и камеру времяпролетного масс-спектрометра, которая откачивается до давления примерно Ю-' Topp турбомолекулярным насосом. В установку входят также импульсные УФ- и ПК-лазеры, система синхронизации импульсов и система сбора и обработки данных.
Кластеры соответствующего типа генерировались в камере источника путем газодинамического охлаждения либо беспримесного (однородного) молекулярного газа, либо смеси газа исследуемых молекул с газом-носителем в результате сверхзвукового истечения через импульсное сопло (типа General Valve, диаметр отверстия d = 0.8 мм, длительность токового импульса около 300 мкс). Давление газа над соплом могло изменяться в диапазоне Pq = 0 5 атм. С помогцыо скпммера (типа Beam Dynamics, Model 1, диаметр отверстия Ds = 0.66 мм), расположенного на расстоянии 38.5 мм от сопла, из центральной части сверхзвукового потока, создаваемого этим соплом, вырезался молекулярный/кластерный пучок. Сформированный таким способом пучок, попадал в камеру
времяпролетного масс-спектрометра. На расстоянии 96.5 мм от входного отверстия скиммера этот пучок пересекался с взаимно-перпендикулярными осями масс-спектрометра и пучка ионизирующего УФ-излучения лазера (область перестройки длины волны Агд- ~ 215 237 ни). Такое совместное использование многофотонной УФ-ионизации и масс-спектрометрпческого детектирования обеспечивает возможность диагностики и лазерной УФ-фрагментации кластерных пучков, а также исследование лазерной ПК-фрагментации кластеров [11,13,16,33,44].
2.2. Возбуждение кластеров УФ-излучением
УФ-фотоионизация и фрагментация кластеров производилась второй гармоникой излучения лазера на красителе (область длин волн генерации А ¿ус ~ 430 474 нм, ширина линии А ¿ус «0.5 см-1) с накачкой эксимерным ХеС1-лазером. Вторая гармоника генерировалась с помощью кристалла ВВО. Образующиеся ионы детектировались вторичным электронным умножителем (ВЭУ). УФ-излучение лазера фокусировалось линзой (/ = 12 см) (см. рис. 1). Диаметр пятна лазерного излучения в фоку-
со линзы (на уровне 1/е) составлял Di/C: к, 0.13 мм. Длительность лазерного импульса была 7 10 не по полу высоте, а плотность энергии в области перетяжки не превышала величи
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.