WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 2 02;04;11;12 Рассеяние ионов плазменной струи танталовой мишенью © В.И. Баткин Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия (Поcтупило в Редакцию 11 августа 1998 г.) Показана возможность наблюдать химическую реакцию на поверхности металлической мишени в бесстолкновительной плазменной струе, анализируя рассеянные поверхностью ионы плазменной струи по их продольной скорости. Мишень выполнена в виде полоски Ta сечением 3 0.1 mm. Энергия ионов 30 eV.

После кратковременного прогрева мишени до 1000 K наблюдаются уменьшение тока рассеянных ионов и его последующее восстановление за время 40 s для ионов азота и 60 s для ионов водорода. Релаксация тока рассеянных ионов коррелирует с накоплением на поверхности промежуточного реагента (вероятно, TaO2Na+), из которого в дальнейшем образуется экспериментально наблюдаемый ион с массой 245 ± 1 (вероятно, TaO2Na+ · H2O).

Низкоэнергетичные ионные пучки применяются в тех- напуск газа в количестве 1017 молекул, который в нологии для осаждения пленок на поверхности непо- течение времени 1 ms повышал давление в окрестности средственно [1] и в качестве ассистирующего пучка к мишени от исходного 10-4 Pa до 10-1 Pa. Откачка потоку ионов более высокой энергии [2]. Плотность тока вакуумного объема производилась тремя магниторазрядпучка при энергии ионов менее 100 eV ограничена про- ными насосами НМДО-01-1 (Норд-100). Нагрев мишени странственным зарядом в области ионного экстрактора производился импульсом тока длительностью 4 s. Диапаи не превосходит 1 mA/cm2. Плазменная струя дугового зон температур 300-1200 K. Импульс тока предшествогенератора плазмы [3] близка по своим свойствам [4] вал генерации плазменной струи. Характерное время к компенсированному ионному пучку, но имеет значи- остывания мишени 10 s. Для изучения релаксации мишетельно большую плотность. После усовершенствования ни после однократного прогрева делалась серия из 30 им экспандера скорость ионов плазменной струи регули- пульсов плазменной струи. Эксперименты проводились с ровалась в пределах от 2 до 7.6 eV0.5 при разбросе водородной и азотной плазменной струей. Кинетическая скоростей 1 eV0.5 [5]. С помощью такой плазменной энергия ионов водорода была 30 eV, азота — около 32 eV.

струи можно не только избирательно воздействовать Потенциал 0 плазмы относительно анода генератора по на поверхность, но и контролировать ее состояние по данным работы [4] связан с кинетической энергией ионов рассеянию ионов. В настоящей работе рассеянные ми- соотношением -mv2/2e.

шенью ионы анализируются по продольной скорости Характерный спектр продольных скоростей ионов пои массе. Исследуется релаксация танталовой мишени казан на рис. 2. Правый пик с максимумом 5.5 eV0.5 и после прогрева. шириной на уровне 1/2 / 1.1 eV0.5 отвечает падающим на Схема установки [5] показана на рис. 1. Дуговой мишень ионам. Левый пик с максимумом от -1.84 eV0.генератор плазмы 1 с электродом 2, служащим для при потенциале мишени относительно анода генератора регулировки скорости ионов, выбрасывает плазменную Ut > -16 V до -1.13 eV0.5 при Ut = -30 V и шириструю на мишень 3, снабженную приводом вращения ной 1 eV0.5 создается ионами, идущими с мишени. При и перемещения. Плоский сеточный диод 4 и коллима- Ut < -30 V ионы, идущие с мишени, отсутствовали. Потор 5 отбирают ионы для анализа. Ионы сохраняют ток ионов с мишени имел две составляющие: стимулирокомпоненту скорости, параллельную плоскости диода. ванную электронной бомбардировкой ионную эмиссию, Это приводит к их смещению, которое регистрируется возрастающую с потенциалом мишени, и рассеянные профилометрами 6, 7. Профили пучка ионов отображают мишенью ионы плазменной струи. Последние создавали распределение ионов плазменной струи по продольной максимум тока при потенциале Ut = -mv2/2e, когда скорости. Электроды 5, 8, создающие поперечное элек- перпендикулярная плоскости мишени составляющая скотрическое поле для компенсации смещения, коллима- рости ионов v гасится электрическим полем и ионы не тор 9 и масс-спектрометр 10 позволяют анализировать достигают поверхности. Соотношение эмиттированных и массовый состав и скорости ионов одновременно. Более рассеянных ионов можно было менять, изменяя угол подробно методика анализа описана в работах [4–6]. между нормалью к поверхности мишени и направлением Мишень представляла собой полоску тантала марки T плазменной струи.

сечением 3 0.1 mm, расположенную на расстоянии На рис. 3 приведена зависимость потока ионов H+ с 25 mm от входной щели 5 анализатора. мишени от угла при разных потенциалах мишени Ut.

Импульсная плазменная струя создавалась в тече- Прогрев мишени не производился. При отрицательных ние 100 µs с интервалом между импульсами не ме- значениях потенциала и малых углах ионы достигают нее 10 s. Генерации плазмы сопутствовал импульсный мишени и рассеиваются ее поверхностью. При больших Рассеяние ионов плазменной струи танталовой мишенью Рис. 1. Схема установки.

углах ионы отражаются электрическим полем и не до- затем релаксировало к прежнему значению за время стигают мишени. Переход от рассеяния к отражению 60 s. Время релаксации существенно больше должен происходить для Ut = -8V при критическом времени остывания мишени и времени порядка 1 s, коугле c 0.55 rad, а для Ut = -19 V — при c 0.9 rad, торое можно было бы связать с адсорбцией монослоя если считать, что электрическое поле сосредоточено в молекул остаточного газа. Отсутствие релаксационных тонком слое. Небольшая величина скачка тока вблизи процессов в потоке эмиттированных мишенью ионов c означает, что значительная доля частиц рассеивается также не позволяет объяснить релаксацию тока отраженповерхностью в виде ионов, не претерпевших перезаряд- ных ионов адсорбцией газа. При относительно низком ки. Это отличается от того, что наблюдается при более вакууме адсорбции газа не проявляется в эксперименвысоких энергиях ионов [7]. Для ионов H+ и H+ скачок тах с танталовой мишенью благодаря способности Ta тока при переходе от отражения ионов к их рассеянию активно растворять кислород и азот [8], что препятствует также незначителен. образованию плотного слоя адсорбата.

Ток эмиттированных ионов не зависел от температуры Зависимость вызванного прогревом относительного мишени и не менялся после прогрева. Количество отра- падения I/I тока ионов H+ с мишени от потенциала женных от мишени ионов при прогреве уменьшалось, мишени Ut приведена на рис. 4 для = 26.5 (1) и Рис. 2. Спектр продольных скоростей ионов, правый пик — Рис. 3. Зависимость потока ионов H+ с мишени от угла при падающие на мишень ионы: левый — ионы, идущие с мишени.

потенциале мишени Ut = 0 (), -8 (), -19 V (+).

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. 108 В.И. Баткин является свойством материала мишени. Эксперименты с азотной плазменной струей дали время = 40 ± 2s для N+ и = 40 ± 8s для N+. Большее время в экспериментах с водородной плазменной струей связано, видимо, с тем, что водород попадает в поверхностный слой металла и замедляет там процессы диффузии.

Кроме рассеяния ионов плазменной струи изучалась эмиссия ионов с нагретой мишени при отсутствии плазмы. При температуре T > 950 K наблюдалась эмиссия ионов K+ и Na+ с током больше 10-11 A.

При температуре выше 650 K в течение времени 0.25 s происходила эмиссия ионов с массой 245 ± 1 (вероятно, TaO2Na+· H2O) с незначительной примесью более тяжелых ионов (включая TaO2K+· H2O). Изучалась зависимость эмиссии ионов от интервала времени t, разделяющего последний прогрев и предыдущий. Так K+ и Na+ не зависел от t. Ток тяжелых ионов при малых t отсутствовал и затем восстанавливался по закону t2, Рис. 4. Относительное падение I/I тока ионов H+ с мишени свойственному двухстадийной химической реакции. Вепосле ее прогрева при разных потенциалах мишени Ut для роятно, первой стадией реакции является образование = 26.5 (1) и 39 (2).

из окисла TaO2 иона TaO2Na+. Вторая стадия — образование комплексного иона TaO2Na+· H2O. Концентрация продукта первой стадии реакции (вероятно, TaO2Na+) 39 (2). Температура прогрева T = 1000 K достигает имеет время релаксации около e = 40 ± 5s при отсутнасыщения зависимости I(T). Регистрировались иоствии напуска газа в вакуумный объем. Периодический с ны с продольной компонентой скорости вблизи центра интервалом 10 s напуск водорода через газовый клапан спектра скоростей ионов с мишени. Эффект отсутствует ионного источника увеличивает время e до 60 ± 8s.

при положительных Ut, когда ионы плазменной струи не Напуск азота не влияет на время релаксации. Длительдостигают мишени, и возрастает с уменьшением Ut почти ность второй стадии около 300 s. Участие с этой стадии до 100%, когда ионы достигают мишени. Монотонный реакции молекул воды подтверждается косвенно: напуск рост влияния прогрева мишени на количество рассеянпри нагретой мишени O2 или H2 (давление 0.1 Pa в теных ею ионов при нормальной к поверхности составлячение 1 s) увеличивает наблюдающуюся при следующем ющей скорости ионов связан, вероятно, с уменьшением прогреве эмиссию тяжелых ионов.

упругого рассеяния ионов чистой поверхностью тантала.

Характеризующая эмиссию ионов танталовой мишеСпектр масс рассеянных мишенью ионов отличен от нью величина e близка ко времени релаксации тока спектра ионов, падающих на нее: в нем в 2–3 раза рассеянных мишенью ионов плазменной струи и одинаниже содержание H+. При потенциале мишени от -ково с ним зависит от газовой среды, в которой находится до -12 V зависимость I/I от Ut немонотонная и инмишень. Это указывает на связь рассеяния ионов тантадивидуальная для разных падающих на мишень ионов.

ловой мишенью с химической реакцией, завершающейся Для ионов H+ она имеет хорошо воспроизводимый пик, положение которого не зависит от ориентации мишени.

Этот пик характерен только для ионов, рассеянных мишенью упруго и достигших анализатора с большой продольной скоростью. Поскольку положение пика не зависит от угла падения ионов, то он, вероятно, создается их однократным упругим рассеянием на локальных рассеивающих центрах. Относительно большая энергия максимума сечения рассеяния означает наличие значительного объемного потенциала в окрестности центров.

Временной ход релаксации тока ионов с мишени после ее прогрева близок к экспоненциальному. Это видно из рис. 5, на котором данные токов ионов водорода аппроксимированы функцией A - B exp(-t/ ). Измерения проводились при Ut = -19 V после прогрева мишени до 1000 K. Времена релаксации для ионов H+, H+, H+ 2 практически одинаковы и равны соответственно 58 ± 3, 59±5и63±4 s. Влияние облучения и вакуумных условий Рис. 5. Релаксация тока рассеянных мишенью ионов после ее на время не обнаружено. Релаксация после прогрева прогрева.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып. Рассеяние ионов плазменной струи танталовой мишенью образованием на ее поверхности ионов с массой 245 ± (вероятно, TaO2Na+· H2O).

Результаты настоящей работы показывают, что можно, поместив металлическую мишень в плазменную струю и анализируя рассеянные поверхностью металла ионы плазменной струи по их продольной скорости, наблюдать химическую реакцию на поверхности твердого тела.

Работа поддержана грантом Минобразования РФ по фундаментальным исследованиям в области ядерной техники и физики пучков ионизирующих излучений.

Список литературы [1] Габович М.Д., Плещивцев Н.В., Семашко Н.Н. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. М.: Энергоатомиздат, 1986. 249 с.

[2] Ensinger W. // Rev. Sci. Instr. 1992. Vol. 63. N 11. P. 5217– 5233.

[3] Димов Г.И., Росляков Г.В. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 1984. Вып. 3/16. С. 3– 15.

[4] Баткин В.И. // ЖТФ. 1996. Т. 66. Вып. 3. С. 37–42.

[5] Баткин В.И., Савченко О.Я. // Современная электротехнология в машиностроении. Тула: Изд-во ТГУ, 1997. С. 211– 214.

[6] Баткин В.И., Савченко О.Я. // ПМТФ. 1995. Т. 36. № 6.

С. 35–36.

[7] Барнет К., Харрисон М. Прикладная физика атомных столкновений. Плазма. М.: Энергоатомиздат, 1987. 431 с.

[8] Ниобий и тантал / Под ред. О.П. Колчина. М.: ИЛ, 1960.

485 с.

Журнал технической физики, 2000, том 70, вып.




© 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.