Вакуумная дуга в парах металла, MEVVA (Metal Vapor Vacuum Arc), возникает в ИИ дугового типа и является плазменным разрядом в вакууме между двумя металлическими электродами [30]. Физика механизма возникновения дуги не совсем понятна. Давление должно быть не выше 10-2 Па, а обычным является давление ~10-4 Па. На источнике MEVVA работали почти со всеми металлами [31]. Ионы, образующиеся с кратностью заряда до q = + 5 и средним зарядовым состоянием от 2 до 3, могут быть инжектированы в другие ИИ для повышения их зарядности [26, 32]. Вакуумный разряд является эффективным источником МЗИ, однако в [33] отмечен неожиданный результат: генерирование чистых пучков однозарядных ионов из вакуумной дуги с сеточным управлением в импульсном дуговом источнике ионов, и отсутствие МЗИ на выходе вытягивающих систем.
Искровые ИИ также являются эффективными источниками МЗИ. Характерным для вакуумной искры является субмикросекундная длительность импульса и образование сильноионизированных частиц электродного материала [8, 25, 34]. Пучки ускоренных МЗИ материала катода генерируются плазменной струей вакуумного разряда [35].
3.4 Ионный источник с тлеющим разрядом
Тлеющий разряд – это вид плазмы, которая образуется в ячейке, заполненной газом (обычно аргоном) при низком (порядка 100 Па) давлении. Катод и анод вставлены в ячейку, или же они являются ее стенками. Между этими двумя электродами, прикладывается разность потенциалов 500 – 1500 В, в результате чего газ ионизируется. Положительные ионы ускоряются по направлению к катоду и выбивают из него электроны, которые, попадая в тлеющий разряд, увеличивают количество столкновений и тем самым дополнительно ионизируют газ. Ионы, ускоренные разностью потенциалов между электродами, распыляют катод. Частицы, выбитые из катода, попадают в плазму тлеющего разряда и ионизируются. Затем, как и в других ИИ, ионы вытягиваются и формируются в ионный пучок [36].
3.5 Ионизация ионами
Распыление ионами деталей ИИ (и пленок) вносит вклад в состав извлекаемых пучков. При вторичной ионной эмиссии могут быть выбиты как отрицательные, так и положительные ионы. В пучках вторичных ионов могут присутствовать МЗИ, ионы соединений и кластерные ионы. Количество МЗИ растет с энергией бомбардирующих частиц [37].
Быстрые МЗИ являются чрезвычайно эффективными при удалении электронов из атомов или молекул [38]. Для инертных газов найдены довольно значительные сечения ионизации в данных процессах [39 – 42], а при столкновении ионов аргона Ar12+ (с энергией 1,05 MэВ/a.е.м.) с молекулами йода, наблюдались ионы йода с кратностью заряда до I17+. Предполагается даже, что были получены МЗИ молекул йода: I233+, I234+, I235+ [43].
3.6 Ионизация ионов электронами
Сечения ионизации часто определяют методом пересекающихся пучков [44]. Для прохождения процесса по схеме:
e + A+ → A2+ + 2e
необходимо, прежде всего, создать строго параллельный моноэнергетический пучок ионов A+, используемый в качестве мишени для электронного пучка. Для этого используется ИИ с электростатическими линзами и дефлектором, позволяющими сформировать и сфокусировать пучок, прежде чем он попадет в первое магнитное поле, которое осуществляет монокинетизацию пучка. Пара коллимирующих щелей формирует пучок ионов A+, который затем пересекается с электронным пучком, выходящим из электронной пушки. Только малая часть (порядка 10-8) ионов A+ ионизируется электронным ударом до зарядового состояния A2+.
Базы данных по экспериментальному определению сечений ионизации МЗИ электронным ударом представлены в работе [45].
3.7 Ионизация методом обдирки на мишенях
Для получения МЗИ в ускорителях широко используют обдирку на газовых мишенях или фольге [3, 46 – 50]. Отличие обдирки от ионизации электронным ударом заключается в том, что в первом случае используют быстрые ионы и холодные электроны мишени, а во втором, наоборот, – холодные ионы и быстрые электроны.
3. Способы получения кластеров
Кластер – это система связанных атомов или молекул, и как физический объект он занимает промежуточное положение между молекулами – с одной стороны, и конденсированными системами – с другой. В данной работе под кластерами понимают нейтральные или заряженные частицы, состоящие из двух и более атомов.
Кластеры металлов, углерода и других тугоплавких элементов отличаются сильной связью (1 – 10 эВ) от слабосвязанных (~ 0,05 – 0,9 эВ) ван-дер-ваальсовых кластеров и не разрушаются при сильном возбуждении, когда энергия, приходящаяся на один атом кластера, составляет ≥ 1 эВ [51]. В большинстве методов получения сильносвязанных кластеров (лазерный метод, метод распыления, импульсные разряды) формирующиеся кластеры, если они не охлаждены столкновениями с буферным газом, являются горячими. При дополнительном возбуждении кластеров интенсивным лазерным излучением, электронным ударом, энергичными ионами, столкновением с твердой мишенью, они переходят в высоковозбужденное состояние [52]. Фундаментальные и прикладные проблемы кластеров переплетаются друг с другом и подробно рассмотрены в [51 – 58].
3.1 Плазменные способы получения кластеров
Слабоионизированная плазма содержит кластерные ионы в заметных количествах [53]. Однако плазменный метод генерации больше подходит для кластеров с высокой энергией связи атомов, т.к. высокая температура плазмы и присутствие в ней энергичных атомных частиц ведет к разрушению непрочных образований.
3.1.1 Распыление жидкостей до мелких капель или аэрозолей в плазму
При получении кластеров методом распыления, капли, состоящие из металлсодержащих молекул, вводятся в плотный буферный газ и быстро нагреваются, что ведет к их превращению в пар, разложению молекул с образованием металлических атомов и объединению металлических атомов в кластеры [55]. Для разрушения введенных в плазму металлсодержащих молекул газу необходимо сообщить заметную удельную энергию, и этот процесс сопровождается охлаждением буферного газа.
3.1.2 Дуговой разряд
Положительный столб дугового разряда высокого давления удобно использовать в качестве плазменной среды для производства кластеров [56]. Металл может быть введен в дуговую плазму в виде металлосодержащих молекул, например, галогенидов жаропрочных металлов: TiF4, TiCl4, TiBr4, ZrF4, ZrCl4, ZrBr4, MoF6, WCl6, WBr6, IrF6, UF6. Соединения металла и его пар разделяются по сечению разряда (в силу высоких градиентов температуры), а, благодаря высокой плотности буферного газа, процессы переноса оказываются слабыми, что предотвращает перемешивание разных компонент металла. Процесс регенерации идет в более холодной области, у стенок. Для существования металлических кластеров в газоразрядной плазме требуется плотный буферный газ, отводящий лишнее тепло и способствующий росту кластеров [57].
В случае получения кластеров непосредственно из жаропрочного металла можно применить другую схему [57]. В разрядной трубке в свободном пространстве за анодом, куда заряженные частицы не проникают, содержится нейтральный аргон при том же давлении и температуре, что и в остальной части трубки. В заанодной области металлический вольфрам нагревается до температуры 4500 К и создается поток испаренных атомов вольфрама, которые остывают при столкновениях с атомами аргона и объединяются в кластеры.
3.1.3 Искра
Было установлено [59], что в вакуумном искровом разряде помимо ионного потока часть металла уходит с катода в виде микрочастиц, и параметры капельной фракции сравнимы с таковыми для вакуумной дуги. Из искровой масс-спектрометрии известно об образовании в высокочастотной искре многочисленных молекулярных анионов [8]. Например, при использовании графитовых электродов обнаружены отрицательные кластеры углерода вплоть до С33−, также были обнаружены кластерные катионы углерода вплоть до С34+ и кластерные ионы металлов: Be25+, Al9+, Fe6+ и др. В работе [9] отмечается, что в искровом разряде наибольшей способностью к образованию полиатомных ионов обладают элементы IV группы периодической системы.
3.1.4 Магнетронный и тлеющий разряды
Магнетронный разряд, обладая высокой эффективностью распыления катода, является хорошим методом генерации атомов в буферном газе. Метод был использован для получения кластерных пучков Ag, Al, Co, Cu, Mg, Mo, Si, Ti, со средним числом атомов в кластере в интервале 500 – 10000 [55].
Разряд с полым катодом – тлеющий разряд – характеризуется еще более высокой эффективностью распыления катода под действием ионного тока и также подходит для образования атомного пара, преобразующегося далее в кластеры [55].
3.2 Лазерная генерация кластеров
Для испарения и образования свободных атомов жаропрочных материалов используется лазерный пучок [60]. Далее пар вместе с буферным газом расширяется в вакуум, проходит через сопло и дает кластеры. В работе [61] отмечается, что именно так, при лазерном испарении углерода в камере, заполненной инертным газом, впервые наблюдалось образование фуллеренов. Однако присутствие буферного газа не обязательно, конденсация идет и в вакуумных условиях. Охлаждение происходит за счет изоэнтропийного расширения облака испаренного вещества, также для конденсации в вакууме нужна достаточная эффективность межмолекулярных столкновений. Процессы, в результате которых в газовой фазе при лазерном распылении появляются большие кластеры и макромолекулы, до конца не понятны.
При воздействии гигантских импульсов лазерного излучения (порядка 1010 Вт/см2) выход полиатомных ионов резко снижается с ростом числа атомов в образовании [9]. Для миллисекундных импульсов лазерного излучения отмечается различие в количестве молекул с четным и нечетным числом атомов. Количество многоатомных образований, испаряемых с поверхности облучаемого твердого тела, в этом случае коррелирует с энергией связи полиатомных молекул.