WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 4 02;12 Ионизация молекул азота, кислорода, воды и двуокиси углерода электронным ударом вблизи порога © А.Н. Завилопуло, Ф.Ф. Чипев, О.Б. Шпеник Институт электронной физики НАН Украины, 88017 Ужгород, Украина e-mail: an@zvl.iep.uzhgorod.ua (Поcтупило в Редакцию 31 марта 2004 г.) Описана методика измерений и получены относительные сечения прямой и диссоциативной ионизации молекул N2, O2, H2Oи CO2 электронным ударом в припороговой области энергий. Эксперимент выполнен на установке с разделением и регистрацией ионов по массе при помощи монопольного масс-спектрометра.

Показана возможность успешного применения этого прибора для такого рода экспериментов. Для области энергий налетающих электронов от 7 до 35 eV приведены энергетические зависимости сечений образования ионов основной молекулы и ионов-фрагментов, возникающих в результате ее диссоциации.

Введение Эксперимент Актуальность экспериментального исследования про- Эксперимент выполнялся на установке с безмасляной дуктов диссоциации при однократной ионизации мо- откачкой остаточных газов. В качестве аналитического прибора использовался монопольный масс-спектрометр лекул электронным ударом в припороговой области типа MX-7304A [8], который представляет собой одноэнергий не вызывает сомнений. Достаточно отметить, полюсный вариант четырехполюсного (квадрупольного) что в хорошо известной базе атомных и молекулярных констант NIST [1], например, только для молекулы CO2 масс-спектрометра, относится к классу динамических приборов и является по сути полосовым фильтром масс.

приведено более 20 значений потенциала прямой иониИоны, прошедшие через фильтр масс, детектируются зации основной молекулы и энергии появления (Eap) и регистрируются измерительной системой, имеется ионов-фрагментов диссоциации. Важность процесса дисцифровая индикация массового числа и интенсивности, социативной ионизации обусловлена еще и тем, что режимы ручной, циклической и программной разверток образующиеся ионные и нейтральные фрагменты обласпектра масс. Изменять чувствительность можно: передают существенной кинетической энергией [2]. Поэтому ключением диапазон масс, регулировкой тока эмиссии при моделировании и исследовании плазмы процессы электронов или путем плавного изменения напряжедиссоциативной ионизации могут вносить достаточно ния питания вторично-электронного умножителя (ВЭУ).

большой вклад в ее баланс энергии.

При больших токах полезный сигнал снимают с коллекИсследование особенностей процессов однократной тора — цилиндра Фарадея, в этом случае исключается и диссоциативной ионизации многоатомных молекул дискриминация по массам, которая связана с ВЭУ.

вблизи порога представляет также существенный инДля регистрации слабых сигналов осуществляется счеттерес для определения роли изначальной диссипации ный режим, который работает только при управлеэнергии при взаимодействии электронов с молекулами.

нии от ЭВМ. Основные технические характеристики Именно в области пороговых энергий проявляются прибора приведены в [8]: разрешающая способность многие аспекты молекулярной и атомной структур и их на уровне 10% интенсивности линии масс-спектра не влияние на энергетическую зависимость процесса. В наменее 1 M, порог чувствительности по аргону не мешей лаборатории ведутся систематические исследования нее 7.5 · 10-12 Pa, предел допускаемого значения среднепорогов появления продуктов реакций однократной и го квадратичного отклонения случайной составляющей диссоциативной ионизации сложных органических [3] и в диапазоне массовых чисел 1-200 не более 2%.

галогенсодержащих молекул [4], дейтерированных молеБлагодаря перечисленным выше параметрам, а также кул [5] и молекул некоторых атмосферных газов [6,7] их контролю от ЭВМ прибор надежно работает и электронным ударом.

позволяет измерять как масс-спектры, так и сечения В данной работе представлены результаты, вперионизации атомов и молекул электронным ударом в вые полученные с помощью серийного монопольного диапазоне энергий от порога процесса до 100 eV. Намасс-спектрометра (МС), исследованы пороговые завистройка параметров МС осуществляется от компьютера симости сечений однократной и диссоциативной ионизаспециальной прикладной программой через интерфейсции молекул N2, O2, H2O и CO2 электронным ударом.

ную плату. Кроме того, предусмотрена возможность При этом главное внимание уделялось измерению и автономной работы МС под управлением встроенной в тщательному анализу порогов ионизации основных (ма- системный блок однокристальной ЭВМ.

теринских) молекул и порогов появления дочерних — Теперь остановимся на основных методических мофрагментов диссоциативной ионизации. ментах выполнения поставленной задачи. Пучки иссле2 20 А.Н. Завилопуло, Ф.Ф. Чипев, О.Б. Шпеник дуемых молекул создавались многоканальным источником эффузионного типа, обеспечивавшим концентрацию молекул в области взаимодействия с пучком электронов в пределах 1010-1011 cm-3. Исследуемое вещество (или смесь) поступает в источник через дозирующий вентиль из специальной системы натекания, состоящей из резервуара с автономной системой вакуумной откачки, двухканального блока прецизионного напуска газа типа CHA-2, деформационного и образцового вакуумметров. Предусмотрен режим автоматического поддержания давления газа в источнике путем включения обратной связи с выхода усилителя постоянного тока МС или вакуумметра.

Ионизация молекул анализируемого вещества происРис. 1. Масс-спектр пучка молекул двуокиси углерода при ходит в источнике ионов с электронной бомбардировкой.

энергии ионизирующих электронов E = 70 eV.

Этот источник в режиме стабилизации электронного тока позволяет получать пучки электронов регулируемой энергии в диапазоне 5-90 eV при токах 0.5-1.5mA и неоднородности по энергиям не хуже E = 500 meV фокусировки ионов, наложение конфигураций электро(полная ширина на половине высоты максимума рас- статических полей, а также другие аппаратные эффекты.

пределения). Извлеченные из области взаимодействия Таким образом, точность определения потенциалов поэлектронного и нейтрального пучков ионы поступают на явления и ионизации тех или иных фрагментов реакций вход ионно-оптической системы анализатора (фильтра зависит от точности приведения энергии первичных масс). Анализ ионов осуществляется в режиме реально- электронов к абсолютной энергетической шкале. Для го времени, а детектирование — системой регистрации, решения этой проблемы нами использовался метод которая включает в себя аналоговый и счетный режим привязки начальных участков измеренных энергетичеизмерения образованных ионов. В приборе предусмот- ских зависимостей выхода ионов (функции ионизации) рена возможность измерения ионного тока как на входе, к известным порогам ионизации, обладающих высокой так и на выходе МС, что позволяет определять пропуск- достоверностью [1]. В качестве калибровочных газов ную способность фильтра масс для каждого типа ионов. нами выбирались атомы аргона и криптона и измерялись Качественный показатель эффективности работы начальные участки функции ионизации электронным масс-спектрометра иллюстрируется рис. 1. Здесь пред- ударом. О корректности и работоспособности такой ставлен масс-спектр пучка двуокиси углерода, получен- методики измерений можно судить по контрольному ный путем автоматического вычитания фона от оста- эксперименту для начального участка сечения ионизаточного газа. Как видно из рисунка, в пучке кроме ции атома Kr, который аналогичен проведенному нами иона основной (материнской) молекулы CO+ присут- в [6], а также хорошее согласие имеется с результатами ствуют фрагменты диссоциативной ионизации (дочер- работы [9]. В этой работе измерения проведены с ние ионы): C+, O+, CO+. Другие фоновые ионы с высоким энергетическим разрешением для электронов массами M = 22, 29, 45, 46 имеют довольно малую E = 0.05 eV. Эти эксперименты для начальных участинтенсивность (не более 1% от пика основной молекулы ков сечения ионизации атомов аргона и криптона позвоCO+), что свидетельствует о чистоте используемого лили определить шкалу энергий электронов с точностью вещества. Отметим, что при данной энергии электронов не хуже ±0.25 eV. Процедура калибровки повторялась в масс-спектре (рис. 1), так же как и в экспертной неоднократно (4-5 раз) в течение каждого цикла измебазе данных [1], отсутствует молекулярный ион O+. рений, обеспечив точность определения шкалы энергий, Контрольные масс-спектры измерялись и для молекул которая сопоставима с полушириной энергетического азота, кислорода и воды. разброса электронов в пучке. Как указывалось выше, Поскольку основной задачей данной работы были для каждого исследуемого вещества измерялся полный выяснение пороговых закономерностей в поведении масс-спектр, что позволяло судить об относительной инфункций ионизации молекул, а также точное определе- тенсивности выхода ионов различных масс и о качестве ние энергий появления дочерних фрагментов (рис. 1), исследуемого вещества.

то особое внимание было уделено калибровке шкалы Отдельной сложной задачей в экспериментах по дисэнергии электронов. Эта проблема остается одной из социативной ионизации, особенно при измерении абсонаиболее сложных и актуальных как в современной лютных значений, является определение эффективности масс-спектрометрии, так и в физике электронных столк- сбора (извлечения) ионов из области взаимодействия.

новений. Отметим, что к неоднозначности истинной Для этого необходимо, чтобы конструкция источниэнергии ионизирующих электронов в области столкно- ка ионов обеспечивала эквипотенциальность в области вений приводит влияние контактной разности потен- взаимодействия электронов с молекулами; соблюдались циалов электронной пушки и системы извлечения и условия одинаковой „прозрачности“ анализатора для Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Ионизация молекул азота, кислорода, воды и двуокиси углерода электронным ударом... ионов с разными значениями массового числа; была основную погрешность в величину сечения и его зависведена до минимума дискриминация по ионам раз- симость от энергии вносит функция f (E).

ного рода при ионно-электронной конверсии на ВЭУ, С возрастанием энергии ионизирующих электронов т. е. использовать высоковольтный конвертор или специ- могут включаться различные процессы, которые в завиальные ВЭУ. симости от эффективности влияют на вид сечения иониДля выполнения этих требований следует провести зации вблизи порога. К ним на примере двухатомных молекул можно отнести следующие:

специальные исследования, которые не входили в задачу данной работы.

M + e M+ + es + eej — однократная ионизация, Результаты и их обсуждение A+ + B + es + eej — диссоциативная ионизация, M+ + es + eej — ионизация с возбуждением, Основные закономерности в пороговом поведении эффективного сечения ионизации атомов были уста M + es M+ + es + eej — автоионизация. (2) новлены в работе Ванье [10] для атома водорода. Он ввел понятие трех радиальных зон: первая — при Здесь M — двухатомная молекула мишени, e —налемалых расстояниях между частицами (до 1a0), где тающий (ионизирующий) электрон, es — рассеянный взаимодействие необходимо рассчитывать квантовомеэлектрон, eej — испущенный электрон. Например, на ханически; вторая — когда расстояние между ними пороговом участке сечения ионизации молекулы азота, порядка 100a0 и в которой действуют кулоновские исследованной нами в работе [6], заметно отклонение силы; третья — где частицы практически свободны от поведения сечения от монотонного роста в интервале взаимодействия. Исходя из этого, были установлены энергий 16.7-19.5 eV, что обусловлено, вероятно, ролью два важных постулата. Во-первых, рассеянный es и процесса автоионизации заселяющего колебательные удаленный (испущенный) eej электроны (см. ниже (2)) уровни молекулярного иона N+. Наиболее вероятным движутся в противоположных направлениях, при этом из этих уровней являются A2 (E = 16.70 eV) и B2 + u u угловой момент системы равен нулю. Во-вторых, оба (E = 18.75 eV) состояния иона N+ [14].

электрона уносят равные части энергии. Оказалось, что На рис. 2-4 представлены измеренные нами начальэнергетическая зависимость сечения ионизации вблизи ные участки сечений однократной ионизации наиболее порога имеет экспоненциальное поведение (пороговый распространенных в атмосфере Земли молекул и сечезакон Ванье). В [11] были выведены модифицированные ний образования их фрагментов в результате диссоцикоэффициенты для вычисления показателя этой экспоативной ионизации электронным ударом. На рисунках ненты, учитывающие массу и заряд частицы мишени.

значки — эксперимент, сплошные линии — расчет, Пороговые аспекты ионизации молекул электронным выполненный по приведенным ниже формулам (3).

ударом рассмотрены в [9,12,13]. Показано, что показаНаблюдается различное пороговое поведение сечения тель экспоненты может варьироваться от 1.127 (нижний выхода ионных фрагментов, которые образовались в предел для атомов) до 4.0 для многоатомных молекул.

результате диссоциативной ионизации, в зависимости Пороговое поведение сечения ионизации молекул выраот энергии и вида связи (см. таблицу) материнской жается в виде суперпозиции нескольких экспонент.

молекулы. Более сильно на пороговое поведение влияет Отметим два важных фактора, которые могут искажать пороговое поведение сечения ионизации: зависимость эффективного сечения от энергии (скорости) взаимодействующих частиц при их сближении; разброс ионизирующих электронов по энергиям. Заметим, что величина измеряемого сигнала и его поведение у порога при столкновении электронов с атомами или молекулами может определяться функцией вида [12] S(E) =k (E - E ) f (E )dE, (1) где k — постоянная детектирования; E — энергия бомбардирующих электронов, задаваемая ускоряющим электродом; E — энергия электронов в пучке; — сечение процесса; f (E) — функция распределения электронов по энергиям, для которой обычно используется Рис. 2. Пороговые участки относительного сечения ионизации распределение Гаусса; применительно к процессу иони- молекулы кислорода и ее атомарного иона, образованного в зации при энергиях электронов, близких к пороговым, процессе диссоциациативной ионизации электронным ударом.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.