Исследование процессов рассеяния легких частиц при низких энергиях, сопровождаемого квантовыми эффектами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

КАЛИНИН Антон Владимирович

Исследование процессов рассеяния легких частиц при низких энергиях, сопровождаемого квантовыми эффектами

01.04 17 — химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Институте энергетических проблем химической физики РАН

Научный руководитель- доктор физико-математических наук Л. Ю. Русии

Официальные оппоненты- доктор физико-математических наук, профессор А. И. Осипов

сертационпого совета Д 002 112 01 при Институте энергетических проблем химической физики РАН по адресу: 117829, Москва, В-334, Ленинский проспект, д. 38, корп. 2 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Химической Физики

кандидат физико-математических наук, И О Лейпупский

Ведущая организация Институт проблем механики РАН

Защита диссертации состоится

2005 г в

. на заседании дис-

РАН.

Автореферат разослан

2005 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.112.01, кандидат химических паук

М И.Николаева

2&6-У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследования динамики рассеяния атомных и молекулярных пучков являются основным источником сведений о межатомных и межмолекулярных потенциалах взаимодействия. Прогресс, достигнутый в этих исследованиях, позволил построить для ряда систем поверхности потенциальной энергии, с высокой точностью описывающие их динамическое поведение, включая упругое и неупругое рассеяние, а также элементарные химические реакции Одним из наиболее перспективных, но пока еще мало исследованных направлений является исследование образования и свойств слабо связанных (с энергией порядка мК) кластеров атомов и молекул, содержащих от двух до нескольких атомов в агрегате. Наибольшую сложность в таких исследованиях вызывают именно слабые межатомные связи атомов в таких кластерах, разрушающиеся при использовании традиционных методов дегектирования Поэтому особую актуальность представляет разработка и использование неразрушающих методов исследования слабо связанных кластеров с использованием волновых свойств атомов и молекул В таком методе используются явления дифракции и интерференции волн де Бройля на наноструктурных трансмиссионных решетках с последующей регистрацией продифрагировавших частиц масс-спектрометрическими методами Этот подход в принципе позволяет исследовать пе только образование кластеров, но и динамику рекомбинации атомов и радикалов

Актуальность темы обусловлена также разработкой в ходе исследований высокоэффективного детектора дифрагирующих частиц, позволяющего значительно увеличить чувствительность метода и расширить диапазон его применения.

Целью работы являлось исследование свойств кластеров гелия с использованием их квантово-механических свойств, а также совершенствование неразрушающего метода детектирования слабо связанных молекулярных агрегатов Для достижения поставленной цели было осуществлено.

• Экспериментальное определение размеров и энергии связи небольших кластеров димера и тримера гелия 4Не.

• Определение полных сечений рассеяния атомов, димеров, тримеров и тетрамеров гелия на криптоне.

• Разработка детектора дифрагирующих на наноструктурных решетках частиц с высокой эффективностью ионизации нейтральных атомов гелия электронным ударом.

Научная новизна работы состоит в следующем'

• Трансмиссионная дифракционная решетка в сочетании с масс-спектрометрическим детектором нейтральных частиц обеспечивает новый неразрушающий метод детектирования слабо связанных кластеров гелия, обладающий высокой точностью и чувствительностью.

• Из измерений дифракции димеров гелия в пучке, тангенциально падающем па плоскость решетки, определена средняя длина связи в димере, равная 45(-|-5/- б) А и соответствующая энергии связи 1 77 ± 0 2 мК.

• Предложена модификация метода, увеличивающая разрешающую способность дифракционной картины и позволяющая увеличить точность измерения средней длины связи между парами атомов в димере, а также тримере гелия

• Впервые измерепы длины связей в тримерах гелия Средняя длина связи пары атомов в тримере гелия составляет 14(+5/ — 7) А

• Полное сечение рассеяния димеров Не2 на атомах Кг в 2 — 2 8 раза больше сечения рассеяния на атомах.

• Предложена конструкция нового источника ионов детектора рассеяния с эффективностью по атомарному гелию ~ 1 • Ю-3 ион/атом.

Исследования проводились по планам НИР Института энергетических проблем химической физики (ИНЭП ХФ) РАН.

Научная и практическая ценность работы. Дифракция атомов и молекул на наноструктурных дифракционных решетках в сочетании с масс-спектрометрическим детектором продуктов рассеяния молекулярного пучка представляет уникальный неразрушающий метод детектирования и анализа слабо связанных кластеров Это обстоятельство дает принципиальную возможность исследования любых слабо связанных лабильных комплексов, в том числе и промежуточных, что открывает большие перспективы исследования механизмов неупругого рассеяния и элементарных химических процессов, таких, как, например, процессы рекомбинации свободных атомов, динамика которых изучена очень слабо. Полученные экспериментальные данные показывают надежность и высокую точность получаемых результатов, особенно при использовании нетангенциалыгой ориентации пучка к плоскости решетки. Это открывает перспективу нового подхода к исследованиям механизма процессов в газовой фазе Измеренные сечения рассеяния (димеров, тримеров и тетрамеров на криптоне) и их зависимости от отношений скорости частиц выдвигает задачу разработки квантово-механических

методов расчета процессов с участием кластеров Не, Нг и т.п. Разработка нового источника ионов с рекордно высокой эффективностью по гелию позволяет существенно повысить чувствительность метода и его разрешающую способность, что существенно расширяет не только возможности метода, но и классы исследуемых систем.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Надежный и точный неразрушакяций метод исследования слабо связанных кластеров гелия, основанный на квантово-механических свойствах атомов и молекул.

• Модифицированный метод получения дифракционной картины па трансмиссионных дифракционных решетках, повышающий его чувствительность и разрешающую способность.

• Рассеяние атомов криптона на димерах Не2 в рамках классических представлений осуществляется независимо на обоих составляющих димер атомах гелия, как если бы эти атомы не были связаны между собой

• Новый масс-спектрометрический детектор газодинамического молекулярного пучка и продуктов его рассеяния со стабильной вероятностью ионизации и незначительным фоновым сигналом на массе атомарного гелия Достигнутая эффективность ионизации по газодинамическому пучку атомарного гелия составляет 1-10-3 ион/атом.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и симпозиумах- Spring Meeting of German Physical Society, Hannover, Germany, 24-28 марта 2003 г., XXIII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collision, Stockholm, Sweden, 23-29 июля 2003 г., Spring Meeting of German Physical Society, Munich, Germany, 22-26 марта 2004 г., 2-ой Международный Семинар-школа "Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии", Звенигород, Россия, 4-7 октября 2004г Материалы работы были опубликованы в четырех статьях в рецензируемых журналах Physical Review Letters, Journal of Chemical Physics и Физико-химическая кинетика в газовой динамике.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 работах, список которых приведен в конце реферата.

Личный вклад автора. Все работы, в которых опубликованы результаты диссертация, написаны в соавторстве с коллегами Все оригинальные результаты, приведенные в диссертации и вынесенные на защиту, получены лично автором, либо при его определяющем участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержащего 129 наименований.

Во введении определено научное направление исследований, обоснована актуальность темы работы, кратко изложено содержание диссертации и перечислены результаты, выносимые автором на защиту. Формулируется цель диссертационного исследования и его задачи Обсуждается научная новизна и значимость полученных результатов, описывается распределение материма по главам

Глава 1, посвящена развитию метода дифракции атомов и молекул на наноструктур-ных решетках Экспериментальная установка для исследования продуктов дифракции молекулярных пучков и экспериментальные методики составляют содержание главы 2, включающей 5 параграфов Результаты применения метода дифракции к измерению средних длин связей пар атомов в димерах и тримерах гелия даны в главе 3, состоящей из 4 параграфов Результаты измерения полных сечений атомов, димеров, тримеров и тетрамеров гелия наряду с расчетом сечений на базе импульсного приближения приведены в главе 4, включающей 3 параграфа В главе 5, состоящей из 6 параграфов, изложена разработка и исследование высокоэффективного масс-спектрометрического детектора с ионизацией частиц электронным ударом.

В заключении сформулированы основные выводы из результатов диссертации и приведен ряд новых проблем, непосредственно вытекающих из результатов работы Решение этих проблем, с точки зрения автора, является весьма актуальным для дальнейшего развития тех методов экспериментального исследования элементарных процессов, которым посвящена диссертация

Чувствительность детектора по гелиевому газодинамическому пучку, является конечным параметром для сравнения возможных компоновочных схем детекторов и оценки их качества Чувствительность определялась как отношение разности сигнала и фона ионов с m/q — 4 а е.м к полному числу атомов (интенсивность) газодинамического пучка попадающего в детектор. Определение интенсивности газодинамического пучка рассмотрено в приложении и определяется как изменение давления в трубке Пито с проникающим в нее пучком и без.

Диссертация изложена на 208 страницах и содержит 58 рисунков и 19 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В гладе 1 содержится обзор и анализ литературных источников по теме исследования. Дается очерк основных этапов и переломных моментов в развитии этой области знаний и систематизация известных исследований.

Постепенно стало очевидно, что концепции частиц и волн в субмикроскопическом мире тесно связаны и представление атомных частиц только в виде локализованных

частиц вещества более не является достаточным Эксперименты показали, что эти "частицы "могут дифрагировать и интерферировать, точно также как и свет Таким образом фотоны, протоны, электроны, нейтроны, и др обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

В 1923 году де Бройль выдвинул революционное предположение о том, что любая частица должна обладать волновой природой с длиной волны-

А = Л.

л гшГ

Явление дифракции света, т е отклонение от прямолинейного распространения за препятствием, был впервые сообщен Гримальди (1618-1663). Однако действительно развитие волновой теории света началось только с момента сообщения Т. Юнгом (17731829) о новой концепции названной им "принципом интерференции" В главе проводится аналогия между явлением дифракции атомов и молекул на дифракционных решетках и дифракцией в классической оптике

Для понимания явления дифракции атомов и молекул рассмотрены наиболее показательные случаи дифракции и интерференции света, электронов и нейтронов. В качестве основного материала изложены исследования свойств атомов и молекул методом дифракции частиц на наноструктурной решетке

Наиболее перспективные, на взгляд автора, направления исследований изложены в заключении главы.

В главе 2 изложена организация эксперимента, описаны методики и используемая аппаратура.

Получение четкой дифракционной картины для исследования тяжелых частиц и особенно кластеров слабо связанных атомов и изучение их рассеяния па различных ме-шенях представляет сложную задачу Установка для такого рода экспериментальных исследований должна сочетать многие лучшие качества установок с молекулярными пучками и обеспечивать получение качественного дифракционного спектра с доступными в настоящее время решетками.

В идеальном случае к источнику газодинамического пучка предъявляются требования равенства скоростей частиц, составляющих пучок, т.е. его моноэнергетичность; высокая степень коллимации пупка для устранения его угловой расходимости; оптимальная интенсивность пучка с максимальным содержанием в пем исследуемых частиц.

Жесткие требования предъявляются к дифракционной решетке Первое требование заключается в минимизации толщины решетки до размера, соизмеримого с длиной волны де Бройля исследуемых частиц, что является необходимым условием наблюдения явления дифракции. Постоянство периода решетки и ширины ее щелей является вторым важным условием получения идеального дифракционного спектра.

- б -

Детектор идеальной установки должен регистрировать все попадающие в него частицы пучка, т.е. эффективность его работы должна быть близка к единице.

Однако вследствие физических процессов сопровождающих формирование реального сверхзвукового пучка, сложностей в технологическом процессе изготовления дифракционных решеток и эффективности работы доступных в настоящий момент масс-спектромегрических детекторов требования к идеальной установке принципиально не выдерживаются Основные требования к реальным пучку, дифракционной решетке и детектору должны быть рассмотрены исходя из реальных технологических возможностей.

Рассмотрение каждого из указанных выше требований, их отличие от требований идеальной установки, экспериментальных возможностей и методик на пути достижения если не идеального, то хотя бы четкого дифракционного спектра составляет содержание второго параграфа.

Третий параграф главы посвящен детальному описанию принципиальной схемы и особенностей работы экспериментальной установки MAGIE-1 Установка специально разработана для проведения исследований атомных и молекулярных комплексов, образующихся в сверхзвуковых газодинамических пучках при истечении газа через сопло в вакуумную камеру методом дифракции на наноструктурной решетке.

Важнейшими задачами при проведении эксперимента являются первичная обрат ботка детектируемого сигнала и управление параметрами эксперимента. С этой целью установка снабжена автоматизированной системой сбора данных и управления параметрами эксперимента, описанными в четвертом параграфе

Одной из важнейших задач при работе с экспериментальной установкой, как и с большинством установок с молекулярными пучками, является ее высокоточная юстировка. Причем в рассматриваемом случае эта задача является особенно актуальной, в связи с необходимостью разрешать дифракционные пики, расположенные очень близко друг к другу Методика юстировки установки изложена в пятом параграфе.

Экспериментальное и теоретическое изучение кластеров и молекул различных веществ является важной областью исследования химической физики. Высокий интерес к изучению свойств кластеров обусловлен тем, что кластеры являются самостоятельной и очень важной формой материи со специфическими свойствами, а в ряде случаев существенным промежуточным звеном в естественных и искусственно реализуемых процессах. Изучение кластеров предоставляет возможность глубокого исследования механизмов влияния таких процессов. Хорошо известны кластеры многих газов, в том числе и кластеры благородных газов.

Об образований и свойствах небольших кластеров Не известно очень немного. Теория равновероятно предсказывала наличие и отсутствие димера гелия Не2. Началом теоретического интереса к димеру гелия можно считать 1928 год, когда была опреде-

лена глубина потенциальной ямы димера гелия, 8 9 К Последующие работы уточнили эту величину до 10 9 К, при расстоянии между атомами в димере 2.97 А

Интерес к димеру гелия связан с тем, что он является единственной в своем роде . частицей с необыкновенно большой возможной длиной связи в основном электронном

состоянии, теоретическое значение которой было определено равным ~ 46 4 А с энергией связи при этом Ео = -1 44-Ю-3 К Экспериментальному определению максимальной 1 возможной длины связи димера и тримера гелия посвящена глава 3 диссертации В

главе изложены результаты исследований по определению средних мржатомных длин связей пар атомов в димерах и тримерах гелия методом дифракции па наноструктур-ной решетке.

Дифракция кластеров на трансмиссионной решетке является неразрушающим методом исследования частиц, их селекции и идентификации Процесс дифракции клвг стеров на наноструктурной ретпетке является неразрушающим, поскольку только прошедшие сквозь щели решетки без взаимодействия с ее прутьями частицы когерентно интерферируют и дают вклад в дифракционную картину Сталкивающиеся с решеткой частицы разрушаются и не участвуют в дальнейших процессах Необходимые для определения длин связей частиц дифракционные спектры рассмотрены в первом параграфе.

Из обработки этих спектров определяется эффективная ширина щелей решетки ве// для исследуемой частицы в зависимости от ее скорости Экстраполяцией огибающей зависимости 8ец от скорости V при стремлении скорости в бесконечность определяется максимально возможная длина связи частицы

димера: з€ц(ь —► оо) = в0 - <г2>/2, тримера ве//(и —» со) — ¿¡о - 3<гз>/4.

Зависимость получаемых значений эффективной ширины щели ве// для атомов Не, димеров Нег и тримеров Нез в зависимости от обратного корня скорости частиц пучка V показана на рис. 1.

Для определения эффективной ширины щели необходимо уравнение, описывающее дифракцию частиц на одиночной щели. Выводу уравпения распределения интенсив-ностей в случае тангенциального падения пучка на решетку посвящен второй параг граф. С целью уменьшения экспериментальных и теоретических погрешностей в третьем параграфе рассмотрено явление дифракции и соответственно расчет получаемых ' дифракционных спектров на "повернутой" решетке Поворот решетки вокруг верти-

кальной оси У (параллельной щелям) уменьшает проекцию ширины ее щелей в плоскости перпендикулярной направлению пучка, т.е. уменьшает видимую пучком эффективную ширину щелей решетки. Эффективное уменьшение ширины щелей приводит

10000 2500 1000

500 400 300

1 1 — Г 1 • Г" 1

N Не

1 , 1 _ т \ ^ч- Не, * 1.1,1,1 , \

200 67

О.ШГ 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

1 Л/у [(м/с)',/2]

66 65 64

'а' 63«, ь

V

62

61

60

59 0.07

Рис 1 Эффективная ширина щели зсц, получаемая при обсчете экспериментальных интенсивностей дифракционных максимумов дли атомов Не, димеров Нег и тримеров Не3 в зависимости от 1 Прямые линии отображают теоретический расчет

к увеличению разрешения. Распределения дифракционных максимумов были получены на углах поворота решетки 18°, 21° и 24°. Для корректной трактовки получаемых экспериментальных данных и определения длины связи тримера гелия была предложена методика обработки измеренных дифракционных спектров, но с учетом только "видимой" для пучка ширины щели решетки и соответственно новой амплитудой рассеяния щели, получаемой при переходе к новой ширине щели 5о, с целью определения средней межатомной длины связи пар атомов в дифрагирующей на решетке частицы, изложенная в третьем параграфе.

Атомно-молекулярные столкновения являются основным источником наших знаний о силах, управляющих взаимодействием между частицами, а также о роли потенциала взаимодействия на исход столкновения Поэтому наиболее естественным путем определения свойств кластеров является исследование их рассеяния на атомах благородных газов Одним из наиболее интересных объектов такого исследования по ряду причин являются кластеры гелия Во-первых, как это показано в предыдущей главе, эти клаг стеры чрезвычайно слабо связанные, что открывает новые возможности определения влияния длины и структуры связи на межмолекулярные взаимодействия Другой причиной является слабый потенциал взаимодействия атомов гелия со всем атомами и между собой. Однако эти же причины делают исследования рассеяния димеров, три-меров и тетрамеров гелия практически неразрешимой задачей с использованием традиционных методов, используемых в физике атомных столкновений

Глава 4 посвящена измерению полных сечений рассеяния димеров, тримеров и тетрамеров гелия при помощи дифракции слабо связанных частиц на наноструктурных решетках и рассмотрению предложенного способа расчета сечений этих кластеров на основе импульсной модели и метода "затенения" Глаубера

Полные сечения рассеяния определялись из зависимости интенсивности исследуемых кластеров гелия от давления криптона (тестового газа) в ячейке рассеяния. Методика измерений изложена в первом параграфе. В случае не слишком больших давлений, когда можно пренебречь эффектами многократного рассеяния, интенсивность пучка выражается известным законом экспоненциального убывания:

I = 1ае~°'"п1.

В этом уравнении 10 — поток частиц на входе в ячейку рассеяния, п — концентрация частиц тестового газа, Ь - длина пути пучка в ячейке рассеяния, <тед эффективное сечение рассеяния. Из уравнения экспоненциального убывания отношение сечений рассеяния димера и мономера выражается в виде:

Аналогичным способом можно выразить сечения рассеяния тримера и тетрамера гелия.

На рис 2Ь-с1 приведены отношения сечений рассеяния для димеров, тримеров и тетрамеров гелия как функции скорости пучка Из рисунков видно, что относительное сечение рассеяния димеров не зависит от скорости частиц пучка и в пределах погрешности измерения равняется двум Относительные сечения тримеров и тетрамеров возрастают с увеличением скорости от 2 до 2 8 (тример) и до 3 (тетрамер). На тех же рисунках приведены теоретические кривые для относительных сечений рассеяния

Второй параграф посвящен теоретическому описанию процессов рассеяния кластеров гелия на криптоне Для решения поставленной задачи можно использовать импульсное приближение, совместно с эффектом "затенения" Если представить себе процесс рассеяния атома криптона на димере гелия как соударение упругих шаров, то существует вероятность, что два шара, соответствующих атомам гелия, одновременно окажутся на траектории движения атома криптона В этом случае, очевидно, полное сечение рассеяния будет меньше двух атомных сечений рассеяния на величину перекрытия В квантово-механической задаче существует аналогичный эффект, приближенная теория которого была разработана Глаубером в 1955 году для описания рассеяния быстрой частицы па системе слабо связанных частиц Глаубер назвал этот эффект эффектом "затенения" По своей природе эффект "затенения" описывает процессы многократного рассеяния.

В рамках импульсного приближения предполагается, что процесс столкновения занимает бесконечно малое время Рассчитанные сечения затем усредняются по всем возможным положениям атомов димера в момент соударения с учетом плотности вероятности. Плотность вероятности определяется волновой функцией димера. Время столкновения частиц определяется как а/у, где V — относительная скорость сталкивающихся частиц, а а — длина рассеяния частиц, или эффективный радиус взаимодействия частиц (кластеры гелия и криптон). Если энергия связи кластера гелия в основном состоянии Е0, то характерный период определяется Ь/Ец. Тогда оценка справедливости этого приближения в решаемой задаче определяется условием:

чЕо/КУ «С 1.

Для оценки справедливости применения эффекта "затенения" к решаемой задаче, необходимо выполнение предположений о том, что во-первых, длина волны де-Бройля сталкивающихся частиц в системе центра масс должна быть меньше эффективного радиуса взаимодействия атомов гелия и криптона. Длина волны атома криптона в системе центра масс при скорости столкновения 250 м/с равняется А» 2 А. Эффективный радиус взаимодействия можно оценить из атомного сечения рассеяния, используя выражение для полностью абсорбирующей сферы:

РНеКг = у/^Щ.

Рис. 2. Зависимость полного сечения рассеяния а. атомов гелия, Ь. димеров, с. три-меров и <1. тетрамеров от скорости пучка Теоретические значения сечений рассеяния показаны сплошными линиями Теоретические значения сечений без учета с) трехкратного рассеяния для тримера и (1) трех- и четырехкратного рассеяния для тетрамера показаны пунктирной линией.

При скоростях столкновений, характерных для приведенного в работе эксперимента, значения рнеКг изменяются от 4.9 до 6 7 А. Во-вторых, скорость относительного движения атомов криптона в ячейке рассеяния (139 м/с) должна быть меньше относительной скорости столкновения частиц молекулярного пучка с атомами криптона (от 250 м/с до 850 м/с).

В связи с выполнением этих требований для всех трех кластеров полное сечение рассеяния может быть выражено через мнимую часть амплитуды упругого рассеяния вперед /(0) выражением:

<r = £lm{/(0)},

носящего название оптической теоремы В этом выражении к — волновой вектор упругого рассеяния в системе координат, связанной с центром масс Оптическая теорема позволяет рассчитать полное сечение рассеяния, путем вычисления только упругой амплитуды рассеяния вперед.

Метод расчета полного сечения рассеяния димера гелия на атоме криптона был обобщен на случай рассеяния тримеров и тетрамеров. Результат расчета сечения рассеяния тримера показан на рис. 2с сплошной линией. Удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными подтверждает применимость сделанных предположений, а также указывает на необходимость учета трехкратных столкновений, как видно из сравнения пунктирной и сплошной кривых Для тетрамеров расчет без учета членов, соответствующих трех- и четырехкратному рассеянию, показан па рис 2d пунктирной линией, с учетом этих членов сплошной линией. Видно, что сплошная линия более точно соответствует экспериментальным данным, но все же систематически занижает величину сечения рассеяния

Одной из важнейших задач при использовании метода дифракции молекулярных пучков является создание высокочувствительных детекторов рассеяния молекулярных пучков. В последней главе 5 диссертации описывается конструкция, рабочие параметры и получаемые характеристики разработанного масс-спектрометрического детектора с продольной ионизацией частиц газодинамического пучка электронным ударом.

В первом параграфе обосновывается выбор метода ионизации нейтральных частиц электронным ударом, как основы для построения универсального высокоэффективного детектора молекулярного пучка В параграфе рассмотрены основные пути разработки и создания ионизаторов построенных по принципу ионизации нейтральных молекул электронным ударом Описываются ионизаторы, выполненные по схемам как с поперечной ионизацией, так и с продольной ионизацией нейтральных частиц.

Во втором параграфе описаны исследования, направленные на создание ионизатора по схеме с продольной ионизации пучка нейтральных частиц электронным ударом, при

1 которой в области ионизации электронный пучок и пучок нейтральных частиц соос-

' ны. Основной задачей разработки является уменьшение вклада масс-спектра фонового

1 газа в суммарный сигнал и повышение эффективности детектирования молекулярно-

. го пучка и продуктов его дифракции Этот параграф содержит основные уравнения,

описывающие движение электронов в магнитном поле и описание конструкции, основанной на этих уравнениях, а также детальное описание основных узлов источника 1-' ионов. Под воздействием магнитного поля в области ионизации электроны движутся по

спирали Этим в принципе может обеспечиваться наибольшая вероятность столкновения электронов с частицами пучка и следовательно большая, чем в случае продольной ионизации, эффективность детектора

Разработанная конструкция источника ионов приведена на рис. 3 Как показано на рис 3, катод расположен в канавке отражателя 2, который поддерживается под потенциалом, равным потенциалу катода, и охватывает катод с трех сторон Внутренний 3 и внешний 4 фокусирующие электроды внесены в конструкцию детектора для дополнительного и более полного вытягивания электронов из области катода Их вторым назначением является фокусировка электронного пучка, для обеспечения наиболее полного его проникновения в область ионизации, расположенную внутри анода Целью фокусировки является создание области ионизации, соизмеримой с объемом пучка внутри анода, что обеспечивает максимальную вероятность ионизации молекул пучка и уменьшение фона от ионизации остаточных газов в детекторе.

Одной из основных возможностей повышения эффективности ионизатора является увеличение длины зоны ионизации. Поэтому были проведены исследования зависимости эффективности работы ионизатора от расстояния между катодом и анодом Ь. С этой целью были исследованы компоновки с расстоянием Ь ~ 50, 75 и 95 мм.

Сетка 6, расположенная между катодом и анодом обеспечивает постоянство электромагнитного воздействия на пучок электронов при их движении от катода к аноду. Форма сетки - цилиндр, диаметром 40 мм Применение сетки из проволоки диаметром 0.3 мм и площадью ячей 1 ммг обеспечивает высокую прозрачность, что позволяет эффективно откачивать область ионизации

Медный анод по форме представляет собой диск диаметром 120 мм с отверстием в центре и вваренного в отверстие цилиндра длиной 60 мм с внутренним конусом, изменяющимся от диаметра 17 мм на входе до 20 мм па выходе из анода. Этот конус выполняет ту же роль, что расположенные под углом сетка и анод в источнике Вайса [8], т.е создает градиент поля в сторону анализатора масс, для улучшения удаления об-^ разующихся ионов из области ионизации вытягивающей линзой 9. Цилиндр с конусом

расположен внутри магнитной катушки, где магнитное поле является максимальным.

^ Внутренний объем конической части анода является областью ионизации нейтраль-

ных частиц пучка. На периферии диска закреплено три витка медной трубки 18 для

Рис. 3. Схема ионизатора с продольной ионизацией. Расшифровка цифровых обозначений приведена в тексте

охлаждения анода жидким азотом.

Для создания магнитного поля, под действием которого траектория движения электронов приобретает вид винтовой линии используется магнитная катушка 8 Внутри анода происходит совмещение пучка нейтральных частиц с электронным пучком и образование ионов. Электроны, обладающие поступательным движением вдоль оси кат тушки, под влиянием силы Лоренца совершают вращательное движение по окружности с радиусом зависящим от величины магнитной индукции поля Вращательное движение электронов увеличивает путь проходимый ими при движении в области ионозации.

Следующей важной задачей является вытягивание образовавшихся ионов из области ионизации. Для этого в конструкцию введена вытягивающая электростатическая линза 9, имеющая небольшой отрицательный потенциал относительно анода. Вытянутые из области ионизации ионы через последовательность из трех электростатических линз фокусируются в плоскости входной щели масс-спектрометра 14 Положение фокуса в этой плоскости регулируется двумя парами параллельпых отклоняющих пластин 13. Продвижение ионов из области ионизации в направлении коллектора осуществляется за счет понижения потенциала от +1 кВ па аноде до -3200 В па первом диноде ВЭУ.

Предложенная к рассмотрению конструкция источника ионов используется в составе масс-спектрометрического детектора В детекторе используется 90° масс-анализатор Для регистрации прошедших селекцию ионов использовался стандартный динодный вторичный электронный умножитель работающий в режиме счета.

Испытания и оптимизация каждого варианта конструкции детектора проводились на специально построенном стенде с газодинамическим пучком, описанию которого посвящен третий параграф.

В четвертом параграфе приведены результаты испытания 4-х наиболее эффективных конструкций детектора с продольной ионизацией Наряду с результатами приведено обоснование конечной выбранной схемы по сравнению с другими исследуемыми схемами.

Исследуемая конструкция детектора с охлаждением деталей жидким азотом и расстоянием 95 мм между катодом и анодом, достигает эфективности ионизации газодинамического пучка состоящего из нейтральных атомов гелия

1 • 10~3 [ион/атом].

Охлаждение сетки и анода до температуры жидкого азота уменьшает фон в детекторе за счет вымораживания остаточного газа. При этом значение фонового сигнала на массе атомарного гелия 4 а.е.м. составляет около 80 Гц, при сигнале, обусловленном газодинамическим пучком 3 МГц, что является несомненным достоинством детектора такого типа.

В соответствии с экспериментальными данными, увеличение расстояния между катодом и анодом улучшает характеристики детектора с продольной ионизацией.

Проведенные в работе исследования воздействия конической вытягивающей линзы из мю-металла не привели к увеличению чувствительности детектора, что может быть объяснено несовершенством геометрии используемой линзы для проведения экспериментов с пучком прямоугольного сечения Следовательно, одной га последующих задач является моделирование и реализация вытягивающей линзы с усовершенствованной для такого вида экспериментов геометрией Использование диспенсерпого катода, специально разработанного для конструкции созданного детектора с продольной ионизацией обеспечивают высокую стабильность и плотность тока эмиссии

Описанный источник ионов используется в составе детектора для анализа газодинамического пучка Источник ионов такого типа может быть эффективно использован в составе любого детектора с напуском исследуемых частиц молекулярным пучком. Например, как ионизатор в квадруполыюм масс-спектрометре, где место входа ионизованных частиц в анализатор масс не играет существенной роли.

ВЫВОДЫ

Выводы из результатов, представленных в диссертации, могут быть сформулированы следующим образом:

• Дифракция тяжелых частиц - атомов и молекул - на наноструктурных трансмиссионных решетках является хорошей основой для создания точного и неразруша-ющего метода исследования слабо связанных атомных агрегатов

• Метод использован для определения длины связи в димерах и тримерах гелия. С учетом Ван-дер-Ваальсового взаимодействия димеров с решеткой при тангенциальном падении пучка частиц на решетку средняя длина связи составляет 45(-| 5/ — 6) А при прочности связи 1.77 ± 0.2 мК, что согласуется с расчетными значениями этих величин.

• Для увеличения разрешающей способности дифракционной картины предложена модификация метода, состоящая в повороте плоское ги решетки по отношению к вектору скорости частиц в пучке и соответствующий метод обработки экспериментальных данных. Модифицированный метод позволил измерить средние длины связей пар атомов в тримерах гелия, которые составляют 14(+5/ — 7) А. Модифицированный метод обладает не только более высокой разрешающей способностью,

но и большей точностью измерений, чем при использовании тангенциальной ори>

ентации пучка к плоскости решетки.

• Полное сечение рассеяния димеров Нег на атомах криптона (в диапазоне относительных скоростей 250 - 800 м/с) близко по величине к удвоенному сечению

рассеяния на атомах Не Сечения рассеяния тримеров и тетрамеров на атомах криптона в том же диапазоне относительных скоростей изменяются от 2 до 2,8 и от 2 до 3 значений сечения атомов Не, соответственно Для описания сечений рассеяния тримеров и тетрамеров была использована модель "затенения", разработанная Глаубером для описания рассеяния нейтронов на ядрах дейтерия. Модель модифицирована для учета процессов, связанных с наличием трех частиц в случае тримера и четырех частиц в случае тетрамера Более точное рассмотрение процессов рассеяния и, в частности, эффекты прохождения атомами криптона через димер без его разрушения возможно только на основе точного квантового расчета, который в настоящее время не доступен.

• Предложена и реализована конструкция нового ионизатора с продольной ионизацией нейтральных частиц электронным ударом, обладающая минимальным фоном па массе 4 а е.м. Эффективность ионизации по гелию составляет ~ 1 10~3 ион/атом и является в настоящее время лучшей из известных в литературе. Ионизатор предназначен для использования в составе детектора на установках с дифракционными решетками Предложенная конструкция может быть использована в качестве высокоэффективного ионизатора для магнитных и квадрупольпых масс-спектрометров

Список литературы

[1] Калинин А. В , Русин Л. Ю., Тоешгаес Я. П Источник ионов с продольной ионизацией для исследований с молекулярными пучками // Физико-химическая кинетика в газовой динамике 2005 Том 3 http://www chemphys edu ru/pdf/2005-12-10.pdf

[2] Brühl R. et. al. Diffraction of neutral helium clusters: evidence for magic numbers / R. Brühl, R Guardiola, A. Kalinin, 0. Kornilov, J Navarro, T. Savas, J. P. Toennies // Phys Rev. Lett. - 2004. - Vol. 92 (18). - P 185301(1-4)

[3] Kalinin A. et al. "Eclipse"efFect in the scattering of weakly bound helium clusters / A. Kalinin, 0. Kornilov, L. Rusin, J. P. Toennies, G. Vladimirov // Phys. Rev Lett.. — 2004. - Vol. 93 (16).- P. 163402(1-4).

[4] Kalinin A. et al Evidence for a bound HeH2 halo molecule by diffraction from a transmission grating / A. Kalinin, O. Kornilov, L. Rusin, J P. Toennies, G. Vladimirov // J. Chem. Phys.. - 2004. - Vol. 121 (2). - P 625-627.

»14609

РНБ Русский фонд

200(>4 15581

Принято к исполнению 26/07/2005 Заказ № 961

Исполнено 27/07/2005 Тираж: 100 экз

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095) 747-64-70 www.autoreferal.nl

Глава 1. Литературный обзор.

Глава 2. Методика эксперимента.

§2.1. Введение.

§2.2. Экспериментальные методики.

§2.3. Экспериментальная установка.

2.3.1 Источник.

2.3.2 Модулятор.

2.3.3 Ячейка рассеяния.

2.3.4 Дифракционная решетка.

2.3.5 Детектор.

§ 2.4. Обработка сигнала

§2.5. Методика юстировки.

Глава 3. Определение размера кластеров гелия.

§3.1. Экспериментальные результаты

§3.2. Метод определения длины связи частиц при 0'=0.

§3.3. Метод определения длины связи частиц при 0' ^0.

Актуальность темы. Исследования динамики рассеяния атомных и молекулярных пучков являются основным источником сведений о межатомных и межмолекулярных потенциалах взаимодействия. Прогресс, достигнутый в этих исследованиях, позволил построить, для ряда систем, поверхности потенциальной энергии, с высокой точностью описывающие динамическое поведение, включая упругое и неупругое рассеяние, а также динамику элементарных химических реакций. Одним из наиболее интересных, но пока еще мало исследованных направлений является исследование образования и свойств слабо связанных кластеров атомов и молекул, содержащих два и более атомов в агрегате. К таким кластерам в первую очередь относятся агрегаты типа Нег, Нез и Не4, энергия связи в которых составляет десятки миликельвинов. Именно это обстоятельство вызывает наибольшие сложности исследования таких кластеров. Поэтому особую актуальность представляет разработка и использование неразрушающих методов исследования слабо связанных кластеров с использованием волновых свойств атомно-молекулярных систем. Такой метод использует явления дифракции и интерференции волн де Бройля на наноструктурных трансмиссионных решетках с последующей регистрацией соответствующих частиц масс-спектрометрическими методами.

Актуальность темы в значительной мере обусловлена разработкой высокоэффективного детектора дифрагирующих частиц, позволяющего значительно увеличить чувствительность метода и расширить диапазон его применения.

Целью работы являлось исследование свойств кластеров гелия с использованием их квантово-механических свойств, а также совершенствование неразрушающего метода. Для достижения поставленной цели ставились задачи:

• Экспериментальное определение размеров и энергии связи небольших кластеров димера и тримера гелия 4Не.

• Определение полных сечений рассеяния атомов, димеров, тримеров и тетрамеров гелия на криптоне.

• Разработка детектора дифрагирующих на наноструктурных решетках частиц с высокой эффективностью ионизации нейтральных атомов гелия электронным ударом.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• Трансмиссионная дифракционная решетка в сочетании с масс-спектро-метрическим детектором нейтральных частиц обеспечивают новый нераз-рушающий метод детектирования слабо связанных кластеров гелия, обладающий высокой точностью и чувствительностью.

• Из измерений дифракции димеров гелия в пучке, тангенциально падающем на плоскость решетки, определена максимальная длина связи в ди-мере, равная 45(+5/ — 6) A b соответствующая энергии связи 1.77 ± 0, 2 мК.

• Предложена модификация метода, увеличивающая разрешающую способность дифракционной картины и позволяющая увеличить точность измерения средней длины связи между парами атомов в димере, а также тримере гелия.

• Впервые измерены длины связей в тримерах гелия. Средняя длина связи атомов в тримере гелия составляет 14(+5/ — 7) А.

• Полное сечение рассеяния димеров Не2 на атомах Кг в 2 - 2.8 раза больше сечения рассеяния на атомах.

• Предложена конструкция нового источника ионов детектора рассеяния с эффективностью по атомарному гелию ~ 1 • Ю-3 ион/атом.

Исследования проводились по планам НИР Института энергетических проблем химической физики (ИНЭП ХФ) РАН.

Научная и практическая ценность работы. Дифракция тяжелых частиц на наноструктурных дифракционных решетках в сочетании с масс-спектрометрическим детектором продуктов рассеяния молекулярного пучка представляет уникальный неразрушающий метод детектирования и анализа слабо связанных кластеров. Это обстоятельство дает принципиальную возможность исследования любых слабо связанных лабильных комплексов, в том числе и промежуточных, что открывает большие перспективы исследования механизмов неупругих и химических процессов, таких, как, например, рекомбинация, динамика которых практически не исследована. Полученные экспериментальные данные показывают надежность и высокую точность получаемых результатов, особенно при использовании неперпендикулярной ориентации вектора скорости пучка к плоскости решетки (далее нетангенциальная ориентация). Это открывает перспективу нового подхода к исследованиям механизма процессов в газовой фазе. Измерения сечений рассеяния (димеров, тримеров и тетрамеров на криптоне) и их зависимостей от скоростей частиц выдвигают задачу точного квантового расчета процессов с участием кластеров Не. Разработка нового источника ионов с рекордно высокой эффективностью по гелию позволяет существенно повысить чувствительность метода и его разрешающую способность, что существенно расширяет не только возможности метода, но и класс исследуемых систем.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Надежный и точный неразрушающий метод исследования слабо связанных кластеров гелия, основанный на квантово-механических свойствах атомов и молекул.

• Модифицированный метод получения дифракционной картины на трансмиссионных дифракционных решетках, повышающий его чувствительность и разрешающую способность.

• Рассеяние атомов криптона на димерах Нег в рамках классических представлений осуществляется независимо на обоих составляющих димер атомах гелия, как если бы эти атомы не были связаны между собой.

• Новый масс-спектрометрический детектор газодинамического молекулярного пучка и продуктов его рассеяния со стабильной вероятностью ионизации и незначительным фоновым сигналом на массе атомарного гелия. Достигнутая эффективность ионизации по газодинамическому пучку атомарного гелия составляет 1 • 10 3 ион/атом.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: Spring Meeting of German Physical Society, Hannover, Germany, 24-28 марта 2003 г., XXIII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collision, Stockholm, Sweden, 23-29 июля 2003 г., Spring Meeting of German Physical Society, Munich, Germany, 22-26 марта 2004 г., 2-ой Международный Семинар-школа "Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии", Звенигород, Россия, 4-7 октября 2004г. Материалы работы были опубликованы в трех статьях в рецензируемых журналах Physical Review Letters, Journal of Chemical Physics и Физико-химическая кинетика в газовой динамике.

Личный вклад автора. Все работы, в которых опубликованы результаты диссертации, написаны в соавторстве с коллегами. Все оригинальные результаты, приведенные в диссертации и вынесенные на защиту, получены лично автором, либо при его определяющем участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержащего 129 наименований.

Выводы из результатов, представленных в диссертации, могут быть сформулированы следующим образом:

• Дифракция тяжелых частиц — атомов и молекул — на наноструктурных трансмиссионных решетках является хорошей основой для создания точного и неразрушающего метода исследования слабо связанных атомных агрегатов.

• Метод использован для определения длины связи в димерах и тримерах гелия. С учетом Ван-дер-Ваальсового взаимодействия димеров с решеткой при тангенциальном падении пучка частиц на решетку средняя длина связи составляет 45(+5/ — 6) А при прочности связи 1.77 ± 0.2 мК, что согласуется с расчетными значениями этих величин.

• Для увеличения разрешающей способности дифракционной картины предложена модификация метода, состоящая в повороте плоскости решетки по отношению к вектору скорости частиц в пучке и соответствующий метод обработки экспериментальных данных. Модифицированный метод позволил измерить средние длины связей пар атомов в тримерах гелия, которые составляют 14(+5/ — 7) А. Модифицированный метод обладает не только более высокой разрешающей способностью, но и большей точностью измерений, чем при использовании тангенциальной ориентации пучка к плоскости решетки.

• Полное сечение рассеяния димеров He2 на атомах криптона (в диапазоне относительных скоростей 250 - 800 м/с) близко по величине к удвоенному сечению рассеяния на атомах Не. Сечения рассеяния тримеров и тетрамеров на атомах криптона в том же диапазоне относительных скоростей изменяются от 2 до 2,8 и от 2 до 3 значений сечения атомов Не, соответственно. Для описания сечений рассеяния тримеров и тетрамеров была использована модель "затенения", разработанная Глаубером для описания рассеяния нейтронов на ядрах дейтерия. Модель модифицирована для учета процессов, связанных с наличием трех частиц в случае тримера и четырех частиц в случае тетрамера. Более точное рассмотрение процессов рассеяния и, в частности, эффекты прохождения атомами криптона через димер без его разрушения возможно только на основе точного квантового расчета, который в настоящее время не доступен.

• Предложена и реализована конструкция нового ионизатора с продольной ионизацией нейтральных частиц электронным ударом, обладающая минимальным фоном на массе 4 а.е.м. Эффективность ионизации по гелию составляет ~ 1 • 103 ион/атом и является в настоящее время лучшей из известных в литературе. Ионизатор предназначен для использования в составе детектора на установках с дифракционными решетками. Предложенная конструкция может быть использована в качестве высокоэффективного ионизатора для магнитных и квадрупольных масс-спектрометров.

Заключение

1. Горелик Г. С. Колебания и волны.— Москва: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.

2. Евланов Е. Н., Зубков Б. В. Ионные источники квадрупольного масс-спектрометра для регистрации молекулярных пучков / Е. Н. Евланов, Б. В. Зубков, Ю. В. Лебедев, С. Н. Подколзин // Приборы и техника эксперимента. — 1983. — № 6. — С. 140—142.

3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. Квантовая механика. — Москва: Наука, 1976.

4. Ландсберг Г. С. Оптика. — Москва: Наука, 1976.

5. Леонас В. Б., Русин Л. Ю. Исследования элементарных химических реакций в молекулярных пучках // Химия высоких энергий. — 1972.— №6 (З).-С. 203-215.

6. Маергойз А. И. и др. Динамика образования ионов пристолкновительной диссоциации двухатомных молекул / А. И. Маергойз, Е. Е. Никитин, JI. Ю. Русин // Химия плазмы. 1985. - № 12. — С. 3.

7. Русин JI. Ю. Экспериментальные методы иследования элементарных процессов в молекулярных пучках // Итоги науки и техники. — 1988. — №. 18. С. 109-216.

8. Тамм И. Е. Основы теории электричества. — Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956.

9. Adams С. S. et al. Atom optics / С. S. Adams, M. Sigel, J. Mlynek // Phys. Rev- 1994. Vol. 240. - P. 143-210.

10. Ardenne M. v. Tabellen zur Angewandten Physik. — Berlin: Veb Deutscher Verlag der Wissenschaften, 1962. — Vol. 2. — 21 p.

11. Arndt M. et al. Observation of a zero-energy resonance in Cs-Cs collision / M. Arndt, M. B. Dahan, D. Guery-Odelin, M. W. Reynolds, and J. Dal-ibard // Phys. Rev. Lett. 1997. - Vol. 79 (4).- P. 625-628.

12. Arndt M. et al. Wave-particle duality of Сво / M. Arndt, O. Nairz, J. Vos-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger // Nature. — 1999. — Vol. 401.-P. 680-682.

13. Auerbach D. J. Velocity measurements by Time-of-Flight methods / Atomic and molecular beam methods / Ed. by G. Scoles. — New York: Oxford Univ. Press, 1988.-Vol. l.-P. 362-379.

14. Berman P. Atom Interferometry. — New York: Academic press, 1997.

15. Blatt J. M., Weisskopf V. F. Theoretical Nuclear Physics.— New York: Springer-Verlag, 1979.

16. Bleakney W. A new method of positive ray analysis and its application to the measurement of ionisation potentials in mercury vapor // Phys. Rev. — 1929. Vol. 34 (1). - P. 157-160.

17. Blume D., Greene С. H. Monte carlo hyperspherical description of helium cluster excited states //J. Chem. Phys. 2000. — Vol. 112. - 8053 p.

18. Briihl R. et al. Diffraction of neutral helium clusters: evidence for magic numbers / R. Briihl, R. Guardiola, A. Kalinin, O. Kornilov, J. Navarro, T. Savas, J. P. Toennies // Phys. Rev. Lett.- 2004.- Vol. 92 (18). — P. 185301(1-4).

19. Brink G. O. Electron bombardment molecular beam detector // Rev. Sci. Instrum. 1966. - Vol. 37 (7). - P. 857-860.

20. Broglie L. de Waves and quanta // Nature. — 1923. — Vol. 112. — 540 p.

21. Bruch L. et al. The formation of dimers and trimers in free jet 4He cryogenic expansions / L. Bruch , W. Schollkopf, J. P. Toennies //J. Chem. Phys. — 2002. Vol. 117 (4). - P. 1544-1566.

22. Brunger W. et al. Low-energy lithography, energy control and variable energy exposure / W. Brunger, E.-B. Kley, B. Schnabel, J. Stolberg, M. Zier-bock, R. Plontke // Microelectronic Engineering. — 1995. — Vol. 27 (1-4). — P. 135-138.

23. Buchenau H. et al. Mass spectra and time-of-flight distributions of helium cluster beams / H. Buchenau, E. L. Knuth, J. Northby, J. P. Toennies, C. Winkler // J. Chem. Phys. 1990. - Vol. 92 (11). - P. 6875-6889.

24. Buck U., Meyer H. Electron bombardment fragmentation of ar van der Waals clusters by scattering analysis // J. Chem. Phys. — 1986.— Vol. 84 (9).— P. 4854-4861.

25. Carnal O. et al. Diffraction of metastable helium atoms by a transmission grating / O. Carnal, A. Faulstich, J. Mlynek // Appl. Phys. В. 1991. — Vol. 53. - P. 88-91.

26. Carnal O., Mlynek J. Young's double-slit experiment with atoms: A simple atom interferometer // Phys. Rev. Lett. — 1991. — Vol. 66 (21). — P. 26892692.

27. Carnal O. et al. Image formation with ultracold-neutron waves / O. Carnal, T. Sigel, T. Sleator, H. Takuma, J. Mlynek // Phys. Rev. Lett. — 1980. — Vol. 44 (21).- P. 1400-1403.

28. Carnal O. et al. Imaging and focusing of atoms by a Fresnel zone plate / O. Carnal, T. Sigel, T. Sleator, H. Takuma, J. Mlynek // Phys. Rev. Lett.— 1991.- Vol. 67 (23).- P. 3231-3234.

29. Chaasinski G., Gutowski M. Weak interactions between small systems, models for studing the nature of intermolecular forcrs and challenging problems for ab initio calculations // Chem. Rev. 1988. — Vol. 88. - P. 943-962.

30. Chapman M. S. et al. Optics and interferometry with Na2 molecules / M. S. Chapman, C. R. Ekstrom, T. D. Hammond, R. A. Rubenstein, J. Schmiedmayer, S. Wehinger, D. E. Pritchard // Phys. Rev. Lett.— 1995. Vol. 74 (24). - P. 4783-4786.

31. Chin C. et al. High precision Feshbach spectroscopy of ultracold cesium collisions / C. Chin, V. Vuletic, A. J. Kerman, S. Chu // Nucl. Phis. A. — 2001.-Vol. 684.-p. 641c.

32. Comsa G. et al. Magnetically suspended cross-correlation chopper in molecular beam-surface experiments / G. Comsa, R. David, B. J. Schumacher // Rev. Sci. Instrum. 1981. - Vol. 52. - P. 789-796.

33. Daly. N. R. Scintillation type mass spectrometer ion detector // Rev. Sci. Instrum. 1960. - Vol. 31 (3). - P. 264-267.

34. Davis К. B. et al. Bose-Einstein condensation in a gas of sodium atoms / К. B. Davis, M.-O. Mewes, M. R. Andrews, N. J. van Druten, D. S. Durfee, D. M. Kurn, W. Ketterle // Phys. Rev. Lett.- 1995.- Vol. 75 (22).-P. 3969-3973.

35. Davisson C., Germer L. H. Scattering of electrons by a single crystal of nickel // Nature. 1927. - Vol. 119. - P. 558-560.

36. DeKieviet M. et al. Design and performance of a highly efficient mass spectrometer for molecular beamsc/ M. DeKieviet, D. Dubbers, M. Klein, U. Pieles, C. Schmidt // Rev. Sci. Instrum.- 2000.- Vol. 71 (5).-P. 2015-2018.

37. Deursen A. P. J. van, Reuss J. Experimental investigation of small He clusters // J. Chem. Phys. 1975. - Vol. 63. - P. 4559-4560.

38. Doak. R. B. The assessment of field ionization detectors for molecular beam use // J. Phys.: Condens. Matter. 2004. - Vol. 16. - P. 2863-2878.

39. Doak R. В., Nguyen D. B. Extremely high precision time-of-flight calibration and characterization of experimental limitations of resolution //16 International Symposium on Rarefied Gas Dynamics, 10—16 july. — Pasadena, CA. — 1988.

40. Doak R. B. et al. Towards realisation of a deBroglie microscope: Helium atom focusing using Fresnel zone plates / R. B. Doak, R. E. Grisenti, S. Re-hbein, G. Schmahl, J. P. Toennies, Ch. Woll // Phys. Rev. Lett. 1999. -Vol. 83 (21).- P. 4229-4232.

41. Efimov. V. Energy levels arising from resonant two-body forces in a three-body system // Phys. Lett. B. 1970. - Vol. 33 (8). - P. 563-564.

42. Ekstrom C. R. et al. Atom optics using microfabricated structures / C. R. Ekstrom, D. W. Keith, D. E. Pritchard // Appl. Phys. В. 1992.-Vol. 54 (5).-P. 369-374.

43. Ekstrom C. R. et al. Measurement of the electric polarizability of sodium with an atom interferometer / C. R. Ekstrom, J. Schmiedmayer, M. S. Chapman, T. D. Hammond, D. E. Pritchard // Phys. Rev. A. 1995. - Vol. 51. — P. 3883-3888.

44. Estermann L., Stern O. Beugung von Molekularstrahlen // Z. Physik.— 1930.-Vol. 61.-P. 95-125.

45. Estermann L. et al. Monochromasierung der de Broglie-Wellen von Molekularstrahlen / L. Estermann, R. Frisch, O. Stern // Z. Physik.— 1931. — Vol. 73. 348 p.

46. Forrey R. C. et al. Vibration relaxation of trapped molecules / R. C. Forrey, V. Kharchenko, N. Balakrishnan, A. Dalgamo // Phys. Rev. A. — 1999. — Vol. 59 (3).-P. 2146-2152.

47. Gahler R. et al. Neutron optical tests of nonlinear wave mechanics / R. Gahler, A. G. Klein, A. Zeilinger // Phys. Rev. A.- 1981.— Vol. 23 (4).-P. 1611-1617.

48. Gdanitz R. G. The helium dimer (He2) revisited // Mol. Phys. 2001.— Vol. 99. - p. 923.

49. Gibbs H. M., Commins E. D. Large aperture, high efficiency ion detector // Rev. Sci. Instrum. 1966. - Vol. 37 (10).- P. 1385-1390.

50. Giltner D. M. et al. Atom interferometer based on Bragg scattering fromstanding light waves / D. M. Giltner, W. McGowan, S. A. Lee // Phys. Rev. Lett. 1995.-Vol. 75.- P. 2638-2641.

51. Glauber R. G. Cross sections in deuterium at high energies // Phys. Rev. A. 1955. - Vol. 100 (1). - P. 242-248.

52. Grebenev S. et al. Superfluidity within a small helium-4 cluster: The microscopic andronikashvili experiment / S. Grebenev, J. P. Toennies, A. F. Vilesov // Science. 1998. - Vol. 279 (5359). - P. 2083-2086.

53. Greenberger D. m. The neutron interferometer as a device for illustrating the strange behavior of quantum systems // Rev. Mod. Phys.— 1983.— Vol. 55. P. 875-905.

54. Grisenti R. E. et al. He-atom diffraction from nanostructure transmission gratings: The role of imperfection / R. E. Grisenti, W. Schollkopf, J. P. Toennes, J. R. Manson, T. A. Savas, H. I. Smith // Phys. Rev. A.— 2000. Vol. 61 (3). - P. 033608(1-15).

55. Haberland H. Clusters of atoms and molecules — Berlin: Springer, 1994.

56. Hagena O. F. Condensation in free jets: Comparison of rare gases and metals // Z. Phys. D. 1987. - Vol. 4. - 921 p.

57. Hegerfeldt G. C., Kohler T. Deviations from classical optics in matter diffraction and determination of the size of weakly bound molecules // Phys. Rev. A. 2000. - Vol. 61. - P. 023606-023616.

58. Hegerfeldt G. C., Kohler T. Atomic versus molecular diffraction: Influence of breakups and finite size // Phys. Rev. A. 1998. - Vol. 57. - P. 2021— 2029.

59. Hoinkes H. The physical interaction potential of gas atoms with single-crystal surfaces, determined from gas-surface diffraction experiments // Rev. Mod. Phys. 1980. - Vol. 52 (4). - P. 933-970.

60. Issendorff B. v. Optimierung von Universal-Ionisations-Detektoren fur Molecularstrahlen: Ph.D. thesis / MPI fiir Stromungsforschung. — Gottingen, 1990.

61. Janzen A. R., Aziz R. A. Modern He-He potentials: Another look at binding energy, effective range theory, retardation, and Efimov states //J. Chem. Phys. 1995.- Vol. 103 (22).- P. 9626-9630.

62. Jensen A. S. et al. Structure and reactions of quantum holos / A. S. Jensen, K. Riisager, D. V. Fedorov, E. Garrido // Rev. Mod. Phys.— 2004.— Vol. 76. P. 215-262.

63. Kalinin A. et al. "Eclipse"effect in the scattering of weakly bound helium clusters / A. Kalinin, O. Kornilov, L. Rusin, J. R Toennies, G. Vladimirov // Phys. Rev. Lett. 2004. - Vol. 93 (16). - P. 163402(1-4).

64. Kalinin A. et al. Evidence for a bound НеНг halo molecule by diffraction from a transmission grating / A. Kalinin, O. Kornilov, L. Rusin, J. P. Toennies, G. Vladimirov // J. Chem. Phys. 2004. - Vol. 121 (2). - P. 625-627.

65. Keith D. W. et al. An interferometer for atoms / D. W. Keith, C. R. Ek-strom, Q. A. Turchette, D. E. Pritchard // Phys. Rev. Lett.— 1991. — Vol. 66. P. 2693-2696.

66. Keith D. W. et al. Diffraction of atoms by a transmission grating / D. W. Keith, M. L. Schattenburg, H. I. Smith, D. E. Pritchard // Phys. Rev. Lett. 1988. - Vol. 61. - P. 1580-1583.

67. Klein M. Ausbau und Untersuchung der Spinecho-Apparatur fur den Einsatz als 3He-Spinecho-Spektrometer: Ph.D. thesis / Ruprecht-Karls-Universitat — Heidelberg, 1997.

68. Knieling T. Aufbau und Charakterisierung eines He-Atomstrahldetektors, Gitterbeugung von 4He-Clusterstrahlen, Bestimmung des Efimov-Zustandes: Master's thesis / MPI fur Stromungsforschung — Gottingen, 2000.

69. Koleske D. D., Sibener S. J. Generation of pseudorandom sequence for use in cross-correlation modulation // Rev. Sci. Instrum. — 1992. — Vol. 63 (8). — P. 3852-3855.

70. Krishna M. V. Ft., Whaley К. В. Wave function of helium clusters // J. Chem. Phys. 1990. - Vol. 93 (9). - P. 6738-6751.

71. Kuhnke K. et al. High efficiency molecular beam ionizstion detector with short ionization region / K. Kuhnke, K. Kern, R. David, G. Comsa // Rev. Sci. Instrum.- 1994.-Vol. 65 (11).-P. 3458-3465.

72. Leavit J. A., Bills A. Single-slit diffraction pattern ofa thermal atomic potassium beam // Am. J. Phys. 1969. - Vol. 37. - 905 p.

73. Lee Y. T. et al. Molecular beam reactive scattering apparatus with electron bombardment detector / Y. T. Lee, J. D. McDonald, P. R. LeBreton, D. R. Herschbach // Rev. Sci. Instrum. 1969.- Vol. 40 (11).- P. 14021408.

74. Lekner J. // Mol. Phys. 1972. - Vol. 23. - 619 p.

75. Lennard-Jones J. E. // Trans. Faraday Soc. — 1932. Vol. 28. — 334 p.

76. Levine R. D., Bernstein R. B. Molekulare Reaktionsdynamik. — Stuttgart: Teubner Studienbiicher, 1991.

77. Lewerenz M. Structure and energetics of small helium clusters: Quantum simulations using a recent perturbational pair potential //J. Chem. Phys. — 1997.- Vol. 106 (11).- P. 4596-4603.

78. Lewerenz M. et al. A new scattering deflection method for determining and selecting the sizes of large liquid clusters of 4He / M. Lewerenz, B. Schilling, J. P. Toennies // Chem. Phys. Lett. 1993. - Vol. 206.- P. 381-387.

79. Lim Т. K. et al. Efimov state in the 4He trimer / Т. K. Lim, S. K. Duffy, W. C. Damer // Phys. Rev. Lett. 1977.-Vol. 38 (7).-P. 341-343.

80. Lo H. H. et al. Electron capture and loss in collisions of heavy ions with atomic oxygen / H. H. Lo, L. Kurzweg, R. T. Brackman, W. L. Fite // Phys. Rev. A. 1971. - Vol. 4 (4). - P. 1462-1476.

81. Lugovoj E. et al. Manipulating and enhancing chemical reactions in helium droplets / E. Lugovoj, J. P. Toennies, A. Vilesov //J. Chem. Phys.— 2000. Vol. 112. - P. 8217-8220.

82. Luo F. et al. Influence of retardation on the higher-order multipole dispersion contributions to the helium dimer potential / F. Luo, G. Kim, C. F. Giese, W. R. Gentry // J. Chem. Phys. 1993. - Vol. 99. - P. 1008410085.

83. Luo F. et al. The weakest bond: Experimental observation of helium dimer / F. Luo, G. Kim, G. С. McBane, C. F. Giese, W. R. Gentry // J. Chem. Phys. 1993. - Vol. 98. - P. 9687-9690.

84. Maier-Leibnitz H., Springer T. Ein Interferometer fur langsame Neutro-nen // Z. Physik. 1962. - Vol. 167. - P. 386-402.

85. Martin P. J. et al. Bragg scattering of atoms from a standing light wave /

86. P. J. Martin, B. G. Oldaker, A. H. Miklich, D. E. Pritchard // Phys. Rev. Lett. 1988,-Vol. 60 (6).- P. 515-518.

87. Marton L. et al. Electron beam interferometer / L. Marton, J. A. Simpson, J. A. Suddeth // Phys. Rev. 1954. - Vol. 90 (3). - P. 490-491.

88. McDowell C. A. Mass Spectrometry. — New York: McGraw-Hill Book Company, 1963.

89. Melzer R., Zabolitzky J. G. No magic numbers in neutral 4He clusters // J. Phys. A. 1984. - Vol. 17 (11). - P. L565-L568.

90. Miller D. R. Free jet Sources / Atomic and molecular beam methods / Ed. by G. Scoles. New York: Oxford Univ. Press, 1988. - Vol. 1. - P. 14-53.

91. Mott N. F., Massey H. S. W. The Theory of Atomic Collisions. — New York: Oxford Univ. Press, 1965.

92. Portner N. et al. The observation of large changes in the rotational constants of glyoxal in superfluid helium droplets upon electronic excitation / N. Portner, J. P. Toennies, A. F. Vilesov //J. Chem. Phys. — 2002. Vol. 117 (13).-P. 6054-6060.

93. Paul W., Raether M. Das elektrische massenfilter // Z. Physik. — 1955. — Vol. 140. P. 262-273.

94. Pieles U. Entwicklung des Detektors fur das 3He-Spinecho-Spektrometer: Master's thesis / Ruprecht-Karls-Universitat. — Heidelberg, 1996.

95. Rasel E. M. et al. Atom wave interferometry with diffraction gratings of light / E. M. Rasel, M. K. Oberthaler, H. Batelaan, J. Schmiedmayer, A. Zeilinger // Phys. Rev. Lett. 1995. - Vol. 75. - P. 2633-2637.

96. Regge T. Free boundary of helium(II) and Feynman wave functions // J. Low Temp. Phys. 1972. - Vol. 9 (1—2). - P. 123-133.

97. Rejoub R. et al. Determination of the absolute partial and total cross section for electron-impact ionization of the rare gases / R. Rejoub, B. G. Lindsay, R. F. Stebbings // PR A. 2002. - Vol. 65. - P. 042713(1-8).

98. Rick S. W. et al. A variational monte carlo study of argon, neon, and helium clusters / S. W. Rick, D. L. Lynch, J. D. Doll // J. Chem. Phys. 1991.-Vol. 95 (5).- P. 3506-3520.

99. Rieder К. H. Surface investigations with atomic beams // Contemp. Phys. — 1985. Vol. 26 (6). - P. 559-578.

100. Samelin B. Neu- und Weiterentwicklung von Elektronen-stofiionisationsdetektoren: Ph.D. thesis / MPI fur Stromungsforschung.— Gottingen, 1993.

101. Savas T. A. et al. Achromatic interferometric lithography for 100-nm-period gratings and grids / T. A. Savas, S. N. Shah, M. L. Schattenburg, J. M. Carter, H. I. Smith // J. Vac. Sci. Technol. В.- 1995.- Vol. 13 (6).— P. 2732-2735.

102. Schollkopf W. Beugung von Atom-, Molecular- und Clusterstrahlenan nanostrukturierten Transmissionsgittern: Ph.D. thesis / MPI fur Stromungsforschung. — Gottingen, 1998.

103. Schollkopf W., Toennies J. P. The nondestructive detection of the helium dimer and trimer // J. Chem. Phys. 1996. - Vol. 104 (3). - P. 1155-1158.

104. Schollkopf W. et al. Time-of-flight resolved transmission grating diffraction of molecular beams / W. Schollkopf, R. E. Grisenti, J. P. Toennies // Eur. Phys. J. D. 2004. - Vol. 28. - P. 125-133.

105. Schollkopf W. et al. A cluster size nanofilter with variable openings between 2 and 50 nm / W. Schollkopf, J. P. Toennies, T. A. Savas, H. I. Smith // J. Chem. Phys. 1998. - Vol. 109 (21). - P. 9252-9257.

106. Schollkopf W., Toennies J. P. Nondestructive mass selection of small van der Waals clusters // Science. — 1994. — Vol. 266. — P. 1345-1348.

107. Scheidemann A. Das Einbetten von Fremdatomen in Helium-Cluster: Ph.D. thesis / MPI fiir Stromungsforschung. — Gottingen, 1989.

108. Schilling B. Molekularstrahlexperimente mit Helium Clustern: Ph.D. thesis / MPI fiir Stromungsforschung. — Gottingen, 1993.

109. Sears V. L. Neutron Optics. — New York: Oxford Univ. Press, 1989.

110. Slater J. C. The normal state of helium // Phys. Rev.- 1928.-Vol. 32 (3). P. 349-360.

111. Stephens P. W., King J. G. Experimental investigation of small helium clusters: Magic numbers and the onset of condensation // Phys. Rev. Lett. — 1983,- Vol. 51 (17).- P. 1538-1541.

112. Stoll W. M. Materie-Optik mit Edelgasmolekiilen an Nanostrukturen: Ph.D. thesis / Georg-August-Universitat. — Gottingen, 2003.

113. Tang К. T. et al. Accurate analytical He-He van der Waals potential based on perturbation theory / К. T. Tang, J. P. Toennies, C. L. Yiu // Phys. Rev. Lett. 1995. - Vol. 74 (9). - P. 1546-1549.

114. Tang К. Т., Toennies J. P. The van der Waals potentials between all the rare gas atoms from He to Rn // J. Chem. Phys. — 2003. — Vol. 118 (11). — P. 4976-4983.

115. Tang К. T. et al. The generalized Heitler-London theory for interatomic interaction and surface integral methods for exchange energy / К. T. Tang, J. P. Toennies, C. L. Yiu // Int. Rev. Phys. Chem. 1998. - Vol. 17 (3). -P. 363-406.

116. Toennies J. P. The Chemical Physics of Atomic and Molecular Clusters / Proceedings of the International School of Physics "Enrico Fermi-/ Ed. by G. Scoles. — Amsterdam: Elsevier, 1990.

117. Toennies J. P., Vilesov A. F. Spectroscopy of atoms and molecules in liquid helium // Annu. Rev. Phys. Chem- 1998. Vol. 49. — P. 1-41.

118. Toennies J. P., Winkelmann K. Theoretical studies of highly expanded free jets: Influence of quantum effects and a realystic intermolecular potential // J. Chem. Phys. 1977. - Vol. 66 (9). - P. 3965-3979.

119. Umrath W. et al. Leybold- Grundlagen der Vakuumtechnik. — Koln: Ley-bold Vakuum GmbH, 1997.

120. Vehmeyer H. et al. Comparison of measured integral cross sections for noble gas dimer-atom systems with IOSA calculations / H. Vehmeyer, H. Pauly, M. Duker // Chem. Phys. 1979. - Vol. 42 (3).- P. 389-395.

121. Weaver J. C., King J. G. The molecule microscope: a new instrument for biological and biomedical research // Proc.Nat.Acad.Sci.USA. — 1973. — Vol. 70 (10).- P. 2781-2784.

122. Weiss R. Molecular beam electron bombardment detector // Rev. Sci. In-strum. 1961. - Vol. 32 (4). - P. 397-401.

123. Weissler G. L., Carlson R. W. Vacuum Physics and Technology / Ed. by L. Marton, C. Marton. — Vol. 14.

124. Wilson K. R. UCRL Rept. 11605 Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkley // Nature. 1923. - Vol. 112. - 540 p.

125. Zeilinger A. et al. Single- and double-slit diffraction of neutron / A. Zeilinger, R. Gahler, C. G. Sull, W. Treimer, W. Mampe // Rev. Mod. Phys. 1988. -Vol. 60 (4). - P. 1067-1073.