ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2004, том 38, № 1, с. 50-54
ЛАЗЕРНАЯ ХИМИЯ
УДК 539.196;539.198;541.14
ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ ПУЧКОВ
МОЛЕКУЛ CF3I И РАДИКАЛОВ CF3
© 2004 г. Г. Н. Макаров
Институт спектроскопии Российской академии наук 142190, Московская обл., Троицк E-mail: g.makarov@isan.troitsk.ru Поступила в редакцию 30.09.2002 г.
Описан метод получения высокоэнергетических пучков молекул CF3I и радикалов CF3. Метод основан на формировании скачка уплотнения перед твердой поверхностью за счет взаимодействия интенсивного импульсного газодинамически охлажденного молекулярного пучка (или потока) с этой поверхностью и использовании его в качестве источника вторичного пучка для получения высокоэнергетических молекул. Вторичный пучок формируется при истечении молекул из скачка уплотнения через отверстие в высоковакуумную часть камеры. Ускоренный молекулярный пучок CF3I генерируется за счет возбуждения молекул мощным ИК лазерным импульсом в скачке уплотнения (в самом источнике вторичного пучка), а пучок высокоэнергетических радикалов CF3 - за счет диссоциации CF3I либо в скачке уплотнения, либо в ускоренном пучке. Получены интенсивные (>1020 молекула/ср с) пучки молекул CF3I и радикалов CF3 с кинетической энергией >1.2 эВ и >0.4 эВ соответственно.
В [1, 2] было показано, что при взаимодействии интенсивного импульсного газодинамически охлажденного молекулярного потока с твердой поверхностью перед ней формируется скачок уплотнения (ударная волна) [3-5] с неоднородными, нестационарными и неравновесными условиями. В [6, 7] было предложено использовать такой скачок уплотнения для генерации высокоэнергетических вторичных импульсных молекулярных пучков с управляемой лазерным излучением кинетической энергией. Более подробно этот процесс исследовался в [8], главным образом, на примере 8Б6. Отметим, что интенсивные пучки молекул и радикалов с кинетической энергией, существенно превышающей тепловую энергию молекул при комнатной температуре, которая составляет величину Ект < 0.05 эВ, требуются в различных областях фундаментальных и прикладных исследований (изучение химических реакций с энергетическими барьерами, упругих и неупругих столкновений, взаимодействия молекул с поверхностью и др. [9]. Обзор методов получения высокоэнергетических молекулярных пучков можно найти в [8, 10, 11]. Настоящая работа посвящена исследованию генерации предложенным методом высокоэнергетических пучков молекул СБ31 и радикалов СБ3. Отметим, что молекула СБ31 довольно хорошо изучена с точки зрения ИК многофотонного возбуждения и диссоциации [12], а радикалы СБ3 широко используются в процессах плазменного травления поверхностей кремния и оксида кремния [13].
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Экспериментальная установка и метод исследования подробно описаны в [7, 8]. Здесь мы упомянем кратко лишь суть метода и основные моменты. В экспериментах интенсивный (>1021 молекула/ср с) широкоапертурный (расходимость ю = 0.05 стерадиан) молекулярный пучок (или поток) падал на твердую поверхность - подложку с отверстием в центре. Использовалась шлифованная подложка из дюралюминия толщиной 7.5 мм, которая располагалась на расстоянии х = 60 мм от сопла. Отверстие имело вид расходящегося конуса с входным диаметром = 2 мм и выходным -йои1 = 5 мм. Стенки отверстия были полированы.
Когда первичный пучок падал на эту поверхность, перед ней формировался скачок уплотнения, в котором плотность, давление и температура газа были существенно выше, чем в падающем пучке [14, 15]. По оценкам [14], концентрация молекул СР31 в скачке уплотнения, в зависимости от интенсивности первичного пучка, в данных экспериментах изменялась от =1016 до =3.5 х 1017 см-3. Пока перед поверхностью существовал скачок уплотнения, газ из него через отверстие в подложке истекал в высоковакуумную часть камеры, в результате чего формировался новый, вторичный импульсный молекулярный пучок, характеристики которого были отличны от характеристик первичного. Для получения вторичного молекулярного пучка нами использовались также (вместо подложки с конусным отверстием) полые сходящиеся усеченные конусы и сходящиеся-расходя-
щиеся конусы типа сопла Лаваля. Интенсивности вторичных молекулярных пучков, полученных с помощью конусов, были существенно (в 5-7) раз больше таковых, полученных с помощью подложки [7, 8]. Когда первичный пучок взаимодействовал с конусом, скачок уплотнения формировался внутри сходящейся части конуса.
В условиях эксперимента реализовать возбуждение молекул в скачке уплотнения, т.е. в самом источнике вторичного молекулярного пучка было весьма просто [7, 8]. Когда для получения высокоэнергетических пучков использовалась схема с конусом, сходящаяся часть конуса заменялась четырехгранной полой усеченной пирамидой, изготовленной из тонких пластинок ^аС1, которые прозрачны для излучения С02-лазера. Это позволяло возбуждать молекулы внутри пирамиды непосредственно перед выходом из вторичного сопла. Многофотонное поглощение молекул в сильном ИК-поле [12] приводило к увеличению их внутренней (главным образом, колебательной) энергии. За счет последующего процесса колебательно-поступательной У-Г-релаксации, который имел место при расширении газа в вакуум, происходила передача энергии из колебательных степеней свободы в поступательные, в результате чего молекулы ускорялись. Поскольку в условиях данного эксперимента концентрация молекул СБ31 в скачке уплотнения перед поверхностью была довольно высокой (порядка нескольких сотен Па, см. ниже), как процесс многофотонного возбуждения, так и У-Г-релаксация происходили сравнительно эффективно, приводя к существенному увеличению скорости молекул во вторичном пучке. ИК-диссоциация молекул в скачке уплотнения приводила к образованию радикалов СБ3 и атомов иода. В результате реализовывалась возможность получения ускоренных пучков охлажденных радикалов СЁ3. Высокоэнергетические пучки радикалов СБ3 можно было получать также путем диссоциации молекул СБ31 в ускоренном пучке.
Для получения первичного пучка использовалось импульсное сопло типа токовая петля [16]. Диаметр отверстия 0.75 мм. Время открывания =50 мкс (по полувысоте). Давление газа над соплом изменялось в диапазоне =0.01-0.7 МПа. Срез сопла был выполнен в форме конуса с полным углом раствора 15°. Длина конуса 35 мм. Вакуумная камера, в которой формировался молекулярный пучок, откачивалась до давления (2-3) х 10-4 Па турбомолекулярным насосом. Число молекул, истекающих из сопла за один импульс, зависело от давления газа над соплом и в данных экспериментах изменялось приблизительно от 3 х 1015 до 1.1 х 1017 молекула/импульс. Метод измерения числа молекул в импульсе подробно описан в [14, 15].
Колебательное возбуждение молекул осуществлялось перестраиваемым по частоте излучением мощного С02-лазера. Энергия в импульсе была до 3 Дж. Молекулы возбуждались в скачке уплотнения непосредственно перед выходом из вторичного сопла. Лазерное излучение слегка фокусировалось в зону возбуждения линзой из ЙаС1 с фокусным расстоянием 2 м. Лазерный пучок был направлен параллельно поверхности (перпендикулярно направлению первичного пучка). Размеры лазерного пятна в зоне возбуждения составляли примерно 10 х 10 мм2.
Молекулярные пучки детектировались с помощью пироэлектрического приемника (ПЭП), имеющего временное разрешение около 3-5 мкс [17, 18]. Размеры активного элемента ПЭП были 4 х 4 мм2. Устройство детектора подробно описано в [19]. Приемник мог перемещаться вдоль оси пучка. Это позволяло нам измерять времяпролет-ные спектры молекул на различных расстояниях от источников первичного и вторичного пучков [17]. Из времяпролетных спектров определялись скорости пучков и разбросы скоростей молекул в пучках.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В экспериментах нами исследовались характеристики вторичного молекулярного пучка СБ31, а также получение в нем высокоэнергетических молекул и радикалов СБ3. Как отмечено выше, для формирования вторичного молекулярного пучка необходимо, чтобы при падении первичного пучка на поверхность перед ней формировался скачок уплотнения. Условия формирования скачка уплотнения при взаимодействии импульсного газодинамически охлажденного сверхзвукового молекулярного потока с поверхностью подробно изучены в [14, 15] на примере молекулярного потока 8Б6, а в [20] - на примере молекулярного потока СБ31. В указанных работах установлено, что при малом давлении газа над соплом (р < 0.02 МПа), когда средняя концентрация молекул в падающем потоке N1 < 3 х 1014 см-3, скачок уплотнения перед поверхностью не формируется. При больших давлениях газа над соплом перед поверхностью формируется скачок уплотнения и из него генерируется вторичный молекулярный пучок. При давлениях газа над соплом р > 0.1 МПа интенсивность вторичного пучка становится соизмеримой с интенсивностью исходного (первичного) пучка.
В таблице приведены результаты измерений параметров первичного и вторичного молекулярных пучков СБ31. В экспериментах было установлено, что длительность вторичного молекулярного пучка, его скорость и разброс скоростей молекул в нем не сильно отличаются от таковых в
Результаты измерений параметров первичного и вторичного молекулярных пучков СБзТ
Давление Первичный пучок Вторичный пучок
над соплом, МПа Vl, м/с Ау1, м/с У1/АУ1 м/с АУ2, м/с У2/АУ2
0.53 420 52 8.1 413 56 7.4
0.46 417 53 7.9 405 57 7.1
0.27 410 57 7.2 380 62 6.1
0.17 406 62 6.5 370 66 5.6
первичном пучке. Наиболее сильно отличаются, как и ожидалось, разбросы скоростей молекул. Во вторичном пучке разброс скоростей был на 20-30% больше, чем в первичном пучке. Вместе с тем, из результатов, представленных в таблице, следует, что во вторичном пучке также имело место довольно сильное охлаждение газа (число Маха составляло М2 = у2/Ау2 = 6-7).
На рис. 1 приведена зависимость скорости вторичного молекулярного пучка СБ31 от плотности энергии излучения С02-лазера. Молекулы возбуждались в источнике вторичного пучка непосредственно перед выходом из сопла (внутри изготовленной из пластинок №С1 полой усеченной четырехгранной пирамиды, которая прикреплялас
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.