Электрон-индуцированные процессы в молекулярных кластерах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

ГИЛЕВА ВАЛЕНТИНА ПЕТРОВНА

ЭЛЕКТРОН-ИНДУЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ КЛАСТЕРАХ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 1995

Работа выполнена в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель:

д.ф.-м.н., професср А.А.Востриков

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н., профессор И.М.Бетеров д.ф.-м.н. Л.И.Кузнецов

Ведущая организация:

Институт теоретической и прикладной механики СО РАН

¿¿¿I

х/х. в У

Защита состоится_

на заседании диссертационного совета К 002.65.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, проспект Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН

Автореферат разослан 199 ¿У.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук „ л ч/- В.Н.Ярыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 (N,1, 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 (N2),, (СО,),, (N,0), с ван-дер-ваальсовским типом связи, и (Н,0)1 - 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 (1чГ2),, (С02),, (N,0), 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 кластированного молекулярного пучка.

3. Определить степень и каналы фрагментации кластеров при их ионизации электронным уда сом 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 Мастерах 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 , СО^

и Н20+, а также заряженных молекулярных фрагментов Н+ и ОН+, микрокластеров Н^Г^О);^ ;

- получены вероятности эжекции возбужденных частиц из кластеров (N20)1 и (С02),;

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);, (N20^ и (НгО^ от их среднего размера. В результате определены: относительные вероятности излучения кластеров (С02)1 и (N20); в УФ и видимом диапазоне , зависимости удельной интенсивности излучения в видимом диапазоне для Ы2(С3Пи) и

возбужденных в кластерах азота, зависимости удельной интенсивности излучения в УФ и видимом диапазоне для кластеров (Н^О),;

- предложены основные механизмы, приводящие к наблюдаемому выходу излучения из кластеров.

Принципиально важный является то, что исследования проведены в широком диапазоне размеров кластеров. В результате обнаружен ряд неизвестных ранее размерных эффектов. Например, усиление интенсивности излучения кластерами (СО2), в видимой области и - в УФ области

(размером 1 <15 молекул), и увеличение скорости ион-молекулярной реакции в кластерах (N2)5 с образованием М^ при увеличении 1 .

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

- 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-спектромегрическое измерение зависимостей токов фрагментарных и микрокластерных ионов, образующихся при ударе электроном, от среднего размера кластеров в пучке азота.

3. Механизмы эжекции и фрагментации кластеров при ионизации электронным ударом.

4. Методика измерений ЭИФ кластерной компоненты в пучках И,, СО,, N,0. Н,0.

5. Зависимости вероятности эжекции возбужденных частиц из кластеров (N,0), и (СО,), от размера кластеров.

6. Зависимости относительной вероятности излучения в УФ и видимом диапазоне для кластеров (Ы,О), и (СО,), от размера кластеров.

7. Зависимости удельной интенсивности излучения в видимом диапазоне для кластеров (М,), 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 5А8Р'94 (Н1тегшоо5, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обосновывается актуальность темы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, и дается обзор структуры диссертации.

В первую главу включено описание используемых в работе экспериментального оборудования и основных методик измерения.Более подробно изложены вновь разработанные элементы экспериментального оборудования - система формирования кластеров азота и оптическая диагностика. Кроме того, приведены результаты исследования конденсации азота в струе за звуковым соплом.

Эксперименты, описанные в работе, выполнены на генераторе молекулярного пучка (ГМП). Данная установка эксплуатируется с 1972 года, на ней проведен ряд исследований кластеров молекулярных газов. Однако ранее исследования кластеров азота на ГМП не проводились, поэтому для азота потребовалось создание новой системы формирования пучка и исследование конденсации в струе за звуковым соплом. На рис.1 приведена схема ГМП для работы с азотом. Сверхзвуковой поток газа истекает через

сопло 1 в вакуумную камеру. Как следствие быстрого

<<<<<<<<<-

2,5-10^ л/с

-О \

-V,

(X

I да

3 "4

<5С<<<<<<

—3 Б—

мс

««<

-3 Е;

1,2 • 103л/с 1,5 -103л/с

Е—1

Рис. 1.2. Схема ГМП для работы с азотом. 1 - сопловой источник, 2 - скиммер, 3 - механический прерыватель пучка, 4 -дюралевый лист с отверстием, 5 - криогенные панели,ИКИ - источник кластерных ионов, ДИ - датчик интенсивности, МС - масс-спектрометр, Э - скиммерная секция, А - рабочая секция.

охлаждения при условии достаточно высокой плотности газа в струе идут процессы конденсации (кластеризации). Из приосевой части струи с помощью конического отборника - скиммера 2 - вырезается пучок, который далее коллимируегся диафрагмой 4 и проходит в рабочую камеру, оснащенную диагностическим оборудованием. Все величины, связанные с пучком, регистрируются методом фазочувствительного детектирования при модуляции пучка механическим прерывателем 3. Для обеспечения необходимой скорости откачки скиммерная секция генератора была переоборудована. Заново созданная скиммерная секция Э подсоединялась к ресиверу вакуумной станции. В результате созданный сопловой источник обеспечивал возможность независимого варьирования давления Р0 в диапазоне 104 — 1.5• 105 Па, температуры Т(| - 300-150 К и позволял получать средний размер кластеров азота в пучке до 1 = 600.

Были получены зависимости интенсивности кластированного пучка азота У (рис.2) и средний размер кластеров 1 (рис.4) от параметров торможения. Установлены критерии подобия, связывающие давление Р0 и температуру То газа.в источнике и диаметр звукового сопла с1», для течений с одинаковой степенью конденсации. Получено, что переход к режиму развитой конденсации кластеров азота (когда 1 = 10) происходит в струе при величине комплекса А =Ро -Т~3'~с1^72 равной Ас = 5.6-1 (Г3

[Па-К"3'2мм0 72]. При А > Ас зависимость среднего размера 1 (Рц, Т0,<3*> определяется формулой 1 = 10-(А/Ас)2'9, справедливой в диапазоне размеров от десяти до 600 молекул.

Постановка задач по исследованию фрагментации и ЭИФ кластеров под воздействием электронов потребовала применения методик с использованием масс-спектрометра, вторичного электронного умножителя (ВЭУ), фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). ВЭУ применялся для регистрации долгоживущих ( т> 2.5*10"4с - время движения частиц до ВЭУ) электронно-возбужденных частиц. ФЭУ использовался для регистрации ЭИФ, диапазон регистрируемого излучения задавался областью пропускания люминофора или фильтра (в случае экспериментов с азотом).

Вторая глава "Масс-спектрометрическое исследование разрушения кластеров электронами. Размерный эффект" посвящена исследованию как ряда фрагментационных процессов, вызванных электронами, так и влияния этих процессов на масс-спектрометрические измерения в кластированных пучках. Для того чтобы понизить число мономеров в пучке, расстояние сопло-скиммер специально подбиралось таким образом, чтобы находиться в области значительного скиммерного взаимодействия: из-за разности масс рассеиваются в основном мономеры, что приводит к обогащению пучка кластерами.

Оказалось, что ионизация кластеров носит значительно более сложный характер, чем ионизация отдельных молекул. В результате исследований впервые были зарегистрированы четныеС^)^ и нечетные серии кластерных ионов азота в зависимости от 1 . Токи отдельных ионнных компонент у; = ^/(а; <т;) показаны на рис.2, где Г- ток кластерных ионов азота, о, - сечение их ионизации , а; - коэффициент

дискриминации масс-спектрометра по массам . Стрелкой А указано давление Р0 = Ро к перехода к развитой конденсации в струе. Все кривые токов конов

приведены в сравнимых единицах. Из рисунка видно, что с ростом размера кластеров выход ионов М^ превышает М^. Смещение максимума тока

ионов и N3 вверх и в сторону больших значений Р0 при увеличении Ее с 35 эВ до 80 эВ означает, что с увеличением энергии ионизирующих электронов увеличивается вклад в образование этих ионов более крупных кластеров за счет испарения. Тог же эффект наблюдался для протонированных микрокластеров воды Н^Н^О)^ 3 (рис.3) - смещение куполообразной части кривых при увеличении энергии электронов. Кривые для димеров и тримеров на рис.3 приведены к одному значению в максимуме 1+ , то же сделано для четырех- и пятимеров.

Рост ионных токов протонированных микрокластеров воды при 1 > 100 (рис.3), молекулярных ионов (1 > 100) (рис.2), СО} 0 > 50) (рис.6 ) не

связан с поведением истинной концентрации мономеров и микрокластеров в пучке. С другой стороны, простые оценки показывают,

Рис.2. Зависимости интенсивности пучка J и токов у [(Ы^), V2(N4)> V 3/2 (N3)1 Уз((М2>з Уб((>12)£) от давления Рои размера ¡.

/О

Рис.3. Ток микрокластерных ионов Н+(Н20)„ в зависимости от давления

Ро и размера Т; п = 1 (1, Г); 2 (2, 2*); 3 (3); 4 (4); Ее = 90 эВ (кривые 1-4); Ее = 20 эВ (кривые 1', V).

что энергии электрона не хватит для испарения кластера. Поэтому нами был сделан вывод, что регистрируемые токи молекулярных и фрагментарных ионов в области 1 > 100 полностью определяются процессом эжекции.

Мы предполагаем, что эжекция частиц из кластеров может происходить в результате двух механизмов. Первый связан со структурной релаксацией кластера после образования в нем иона. Из-за более сильного взаимодействия иона с ближайшими соседями (3-5 молекул) первая сольватная оболочка формируется быстро (10-|п -10"'* с), тогда как время полной релаксации, связанной с переориентацией, например, молекул воды, при характерной для кластеров воды температуре Т ~ 180 К превышает 0.1 с. Это может приводить к ослаблению связей на границе первой сольватной оболочки и эжекции ионов вместе с этой оболочкой. При этом возможен вылет и более крупных кластеров.

Второй канал эжекции связан с распадом образовавшегося в кластере сверхвозбужденного (СВС) состояния молекулы (энергия возбуждения выше потенциала ионизации). Вылет молекулы из кластера может происходить в нейтральном СВС:

(АВ), + е -> АВ**(АВ), +■ е к(АВ) + (АВУ, + АВ** + е,

где к - число молекул, испаривиихся с кластера; к + ] = I - 1. Действующей силой, приводящей к выбросу молекулы из кластера, в этом случае может быть электронно-обменное отталкивание, возникающее из-за перекрытия волновых функций СВС-молекулы и молекулы в основном состоянии. При вылете (время жизни СВС в кластере может быть сравнимо с

временем вылета) из кластеров возбужденные молекулы дезактивируют по каналам, характерным для изолированных молекул.В пользу такого механизма говорит тот факт, что значительная часть молекулярных и фрагментарных ионов образуется в результате распада СВС . Движение СВС-молекулы из кластера может возникнуть и при "сбросе" колебательного возбуждения.

В третьей главе "Особенности ЭИФ кластеров" приведены результаты исследования излучения кластеров в зависимости от их среднего размера.

В работе впервые прямыми измерениями ЭИФ из кластированных пучков N3, COj, N7O и Н2О установлено, что кластеры дают вклад в излучение. Этот вклад зависиг от размера кластеров и, главным образом, обусловлен процессом эжекции сверхвозбужденных молекул и ионов. В этом проявляется основное отличие кластера от блока твердой фазы: большая часть молекул в кластере находится на поверхности. (В предположении сферической симметрии кластера количество молекул на его поверхности

2 /7

is = i ). Вклад эжектированных частиц в величину полного сигнала быстро уменьшается с ростом размера кластеров. Обзор литературы

показывает, что данные по ЭИФ кластеров, полученные разными авторами, противоречивы. Для кластеров (N2);, (N?0), и (Н^О), вообще нет данных по зависимости выхода излучения из кластера от размера. Так, в недавней работе (J.Phys. Chem., 1994, vol.98, p. 12530) по измерению излучения кластеров воды при возбуждении синхротронным излучением авторы Ahmed М. et al. отмечают, что, кроме нашей группы, им неизвестны работы по исследованию ЭИФ кластеров (Н>0)г

В п.3.2 приведены результаты исследования влияния размера кластеров азота на излучение в видимом диапазоне. На рис. 4 показаны

измеренные величины I~, J, Jm, N*, ¡от давления азота в сопловом источнике Рс (кривые совмещены при значениях Р0 до начала конденсации в струе). Кривая 1~(Р„) соответствует излучению первой отрицательной системы полос 1NG N^4 при Ее = 70 эВ, а кривая С(Р0) - второй положительной системы 2PG N^ при Ее ~ 14.5 эВ. Погрешность измерения

излучения азота не превышала 15° о. На рис. 4 показана также функция пропускания оптического фильтра К(^).

и

к

II

II

V -0-1

_I_

4.6,.

Г

+

0.5

0.3

К

6 8 105 2

Ро, Па, Л-102, А

Рис.4. Зависимости интенсивности Л МП азота, среднего размера кластеров 1 ( Д - масс-спектрометрические данные), интенсивности излучения молекулы 17 и

иона тока иона Гч^, интенсивности мономеров ,1т от давления Ро (То = 159 К,

Л* = 0.33 мм).

Зависимость коэффициента пропускания оптического фильтра К от длины волны Я .

Из данных на рис. 4 видно, что кластеры дают вклад в излучение, начиная с размера > 10. Этот вклад равен 1~ = где Р ~ пт(плотности

мономеров) есть излучение мономолекулярной компоненты пучка. Поскольку эжекция "Ы} начинается с размера ~ 100, а зависимости 1(1) начинают расти раньше (1^ с размера 1 ~ 20, 1~ - с 1 ~ 50), мы делаем вывод, что при 1 > 100 основной вклад в излучение дают эжектированные частицы.

При 1 < 100 не исключено, что часть регистрируемого нами излучения обусловлено частицами, связанными в кластере. Так, во вращательном спектре Шв системы полос снятого в струе конденсирующегося азота, авторы (Беликов А.Е. и др. , Диагностика потоков разреженного газа: Сб.научных трудов. ИТФ, Новосибирск, 1979, с.7) обнаружили

появление ' слабых дополнительных пиков , интенсивность которых увеличивалась с ростом давления (размера кластеров).

Удельная интенсивность излучения в расчете на одну молекулу в

кластере размером 1 есть ^ = (I — а в Расчете на один кластер -

-1 ~а| (1 -0;), где сг - сечение образования М., или М^ в кластере, а 8, -

вероятность безызлучательного гашения возбуждения. Используя данные на рис. 4 и учитывая, что зависимость .1т(Р0) с точностью до скорости частиц в

пучке (которая для кластеров I > 10 меняется незначительно) совпадает с

пт(Р(,). были получены зависимости "У; и У, ■! от \. Зависимости У)Ч

* }

показаны на рис. 5 для излучения Ы9(С Пи) штриховой линией, а для излучения - сплошной.

У; ■ 1, отн.ед. 1 ("»О-:-г—-

1(>

1С)

юо

1,000

Рис.5. Зависимости удельной интенсивности излучения от i:

а) в расчете на молекулу х кластере Y|,

б) в рсчете на кластер У, i ;

для иона - сплошные линии, для молекулы - штриховые. Таким образом, в работе впервые получены зависимости удельной интенсивности излучения в видимом диапазоне для N*(C 'nu) и Nj (В2Х^) в

кластерах азота.

На рис.5 видно, что в области i < 40 имеем более сильную, чем i ,

зависимость Y, - i (i). Очевидно, что из-за узкой функции возбуждения 2PG системы полос азота сечение возбуждения а. не может увеличиваться в кластерах быстрее, чем i (геометрическое сечение кластера). Это означает,

что с увеличением i в кластерах возникает и усиливается дополнительное заселение нижних колебательных уровней Ni*(C3nu.v' = 0,l), которые дают

основной вклад в регистрируемое нами излучение. Известно, что кластеры каталитически воздействуют на скорость колебательной релаксации. Дополнительное заселение нижних колебательных уровней, как мы предполагаем, происходит вследствие более быстрой колебательной

* "5 * "5

релаксации в кластерах молекул N,(0 Пи,у'> 1) -» И2(С Пи,»'<|), чем гашение верхних колебательных уровней состояния С3Пи.

[_1_I_1_1_I_I_,_

Ю1 5 102 5 Ю3 I

Рис.6. Зависимости интенсивности J МП COj, интенсивности излучения в

видимом 1в и 1~ф диапазоне, интенсивности мономеров Jm, плотности

*

метастабильных электронно-возбужденных частиц 1а, вылетевших из пучка, тока COj от Ро и Т; То = 280 К, d* = 1 мм. Ее = 90 эВ.

В п.3.3.1 приведены результаты исследования влияния размера кластеров (ССЬ); на излучение в УФ и видимом диапазоне.

На рис. 6 показаны измеренные величины J , 1~ (320-550 нм) и 1~ф (40320 нм), Jm, I* от Р0 и i. Здесь же приведены масс-спектрометрические измерения выхода молекулярного иона COj, поскольку известно, что у

углекислого газа излучает в основном СО}(А2Пи, X2ng). Из данных

на рис. 6 видно, что кластеры дают вклад в излучение. При возбуждении кластеров (ССЬ), электронами основной вклад в интенсивность излучения, на наш взгляд, дают частицы, эжекгируемые из кластеров. Такой вывод сделан на основании следующего. Во-первых, в спектре ЭИФ струи COj с кластерами ( Ikuo Tokue et al., J.Chem.Phys., 1990, vol. 93, N 7, p.4812) не обнаружено изменений в ширине и положении линий. Это указывает на то,

что либо частицы не излучают в связанном в кластере состоянии, либо их вклад достаточно мал. Во-вторых, как видно из рис.6, эжекция СО^

начинается при том же размере кластеров, что и рост зависимостей 1(4 ), а именно при \ ~ 50, что, в отличие от азота, не дает оснований говорить об излучении частиц, связанных в кластерах.

На рис.7 приведена удельная интенсивность излучения в расчете на молекулу - У,. Для излучения I" эти зависимости показаны штриховой

линией, а для излучения 1~ф - сплошной. Здесь же (кружочки) показан выход

излучения СО^В ->Х2П?) (УФ-диапазон) из кластера, измеренный в

струе (Хмель С.Я. и др. Препринт ИТФ, N 271-94, Новосибирск, 1994). Видно, что для 1~ происходит усиление интенсивности кластерами малого

размера (1 < 15) в сравнении с излучением изолированных молекул.

V!

ю

О. 1 0.01

1 10 юо юоо юооо

1

Рис.7. Зависимости удельной интенсивности излучения от 1 в расчете на молекулу в кластере У); для видимого диапазона - штриховая линия, для УФ-диапазона - сплошная.

Скорее всего, этот факт является следствием перераспределения заселенностей колебательных состояний молекул в малых кластерах.

В работе также для кластеров (ССЬ), впервые получены зависимости от I : относительной вероятности ЭИФ в УФ и видимом диапазоне и вероятности эжекции возбужденных частиц из кластеров. В целом можно отметить, что вклад кластеров (СС^ в излучение выше, чем у

(N2),-

, отн.ед.

I

\

1.6

В п.3.3.2 приведены результаты исследования влияния размера кластеров (N20); на излучение в УФ и видимом диапазоне. На рис.8 показаны измеренные величины Л , Г и 1~ф . ,1т, 1* от Р0 и 1 . Из этих

данных видно, что вклад кластеров в излучение отличается от

1* , Зщ , отн.ед.

_ I_I__1_^_1_и

± 101 2 5 ю2 5 103

Рис.8. Зависимости интенсивности .1, интенсивности излучения в видимом 1~ и УФ 1~ф диапазонах, интенсивности мономерной компоненты пучка ,1т, плотности

электронно-возбужденных частиц вылетевших.из пучка, от Ро и 1 (То=290К, Ее=90эВ, (1» = 1мм).

аналогичного для (С02)(, несмотря на сходство молекул С02 и Ы20. Во-первых, наблюдается усиление интенсивности излучения 1~ф кластерами

малого размера (1 <15) в сравнении с излучением изолированных молекул (у (ССЬ), усиливается Р). Во-вторых, если начало роста кривых 1~ и 1~ф для

(СС>2), приходится на 1 ~ 50, то у кластеров это ] =15 ) и 1 = 35

(1~ф), т.е. рост начинается раньше. В настоящей работе эти различия

объясняются разными каналами заселения излучательных состояний молекулярного иона и фрагментов. Для кластеров (М^О), также получены зависимости от 1 : относительной вероятности ЭИФ в УФ и видимом диапазоне и вероятности эжекции возбужденных частиц из кластеров.

В п.3.3.3 приведены результаты исследования влияния размера кластеров (Н?0); на излучение в УФ и видимом диапазоне. На рис.9 показаны результаты измерения ! . 1~ и Г, , Лт от Р0 и I . В работе для

кластеров (H->0)¡ также получены зависимости удельной интенсивности ЭИФ в УФ и видимом диапазоне . Известно, что для молекул воды основным источником излучения являются ее нейтральные фрагменты ОН и Н, с преобладающим вкладом группы ОН. Нами предполагается, что вклад кластеров (^0); в и Рф обусловлен эжекцией СВС-молекул с

последующим их распадом на нейтральные фрагменты Н20** —> ОН* + Н —> ОН + Н + hv. Поведение зависимости I" |(i ) показывает, что излучение в

этом диапазоне обусловлено не только процессом эжекции, но и дополнительным источником излучения в связанном в кластере состоянии. Об этом свидетельствует резкий рост начиная с размера i - 200 (эжекция

всех частиц начинается до i ~ 100). Ввиду отсутствия данных 1ц' ^уф' отн.ед.

Рис.9. Зависимости интенсивности J МП HjO, интенсивности излучения в видимом 1в и УФ I ф диапазоне, интенсивности мономерной компоненты пучка Jm от Po и 1.

по ЭИФ кластеров воды в литературе, трудно сделать предположения о возможных эмиттерах внутри кластера. Однако, из результатов исследования излучения из льда и пленок льда ( Merkel P.B. et a). J.Chem.Phys., 1971, vol. 54, p. 1695) при низких температурах следует, что наблюдаемую эмиссию с максимумом при 280 нм могут давать возбужденные в объеме льда НзО. Этим мы объясняем резкий рост Г, при i > 200.

В заключении сформулированы основные результаты работы, вынесенные в раздел автореферата "Основные защищаемые положения", и возможные

направления дальнейшего развития исследований в области взаимодействия молекулярных кластеров с электронами.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гилева В.П., Дубов Д.Ю. Экспериментальное определение характеристик кластированного молекулярного пучка воды // III Всесоюз. конференция молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики": Тезисы докл. - Новосибирск, 1989. - С. 88.

2. Востриков А.А., Дубов Д.,Ю., Гилева В.П. Масс-спектрометрическое наблюдение эжекции ионов из кластеров// Журн.техн.физ. -1989,- Т.59.-С.52.

3. Востриков А.А., Гилева В.П., Дубов Д.Ю. Распад электронно-возбужденных состояний в молекулярных кластерах// X Всесоюз. конф. по динамике разреженных газов: Тезисы докл. - МЭИ, 1989,- С. 196.

4. Vostrikov А.А., Gilyova V.P., Dubov D.Yu. Observation of electron-induced VUV-radiation from clustered molecular beams// XII Int.Symp. on RGD: Book of Abstracts. - Italy, 1989.-P.301.

5. Vostrikov A .A.. Gilyova V.P., Dubov D.Yu. On the mechanism of ion ejection from clusters// 17 Int.Symp. on RGD: Book of Abstracts. - Aachen, 1990. - Vol. 1.-P.145.

6. Vostrikov A.A.. Dubov D.Yu.. Gilyova V.P., Cluster size effect on electron-induced fluorescence // Z.Phys.D.: Atoms, Molecules and Clusters. - 1991. -Vol.20. - P.205-208.

7. Vostrikov A.A., Gilyova V.P., Dubov D.Yu., Electron-stimulated fluorescence and ejection of excited particles from clusters// 17 Int.Symp. on RGD: Book of Abstracts. - Aachen, 1990,- P. 1197-1204.

8. Гилева В.П., Дубов Д.Ю.. Самойлов И.В. Исследование влияния размера кластеров на электрон-индуцированную флюоресценцию// IV Всесоюз. конф. молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики" : Тезисы докл. - Новосибирск. - 1991. - С.51-52.

9. Востриков А.А., Гилева В.П., Дубов Д.Ю., Самойлов И.В., Особенности электрон-индуцированной люминесценции потоков с кластерами// XI Всесоюзн. конф. по динамике разреженных газов: Тезисы докл. - Ленинград. - 1991. - С.136.

10. Востриков А.А..Гилева В.П.. Дубов Д.Ю. Электрон-индуцированная флюоресценция кластеров//Журн.техн.физ. - 1992. - Т.62. - N 1. - С.60-69. И. Vostrikov А.А., Dubov D.Yu.. Gilyova V.P., Samoilov I.V. Mass-spectrometrical and optical observation of- nitrogen clusters // Proc. Intern.Symp.on Atomic, Cluster and Surface Physics (SASP, 94). - Hintermoos, Austria. - 1994. - P.359-363.

12. Vostrikov A.A., Dubov D.Yu., Gilyova V.P., Samoilov I.V. Nitrogen clusters formation and cluster size effects on electron-induced processes // Proc. 19 Int.Symp. on RGD. - Oxford.Univers. England.- 1994. - P.25-29.

13. Востриков A.A., Гилева В.П. Влияние кластеров азота на электрон-индуцированную люминесценцию// Письма в Журн.техн.физики. - 1994.-Т.20, N 15. - С.40-45.

14. Vostrikov A.A., Dubov D.Yu., Gilyova V.P., Samoilov I.V. Cluster size effect on emission from ^(С3Пи) and N^CB^E)// 7 Int. Symp. on small particles and

inorganic clusters: Book of Absracts. - Kobe, Japan. - 1994. -P.l 18.

Подписало к печати 26 декабря 1995 г. Заказ N498 Формат 60/04/16. Объем 1 уч.-изд.я. Тираж 75 экз.

Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН. 630090, Нокосибирск, пр.Акад.Лаврентьева, 1.