Понижение температуры ионов возможно за счет испарительного ион-ионного охлаждения (п.2.3.), когда вводится дополнительно буферный газ (который также необходим для производства кластеров). Помимо отбора тепла буферным газом в EBIT можно предположить дополнительные виды охлаждения: радиационное, магнитное (по аналогии с магнитным охлаждением ядер), электронное (подобно охлаждению электронами ионных пучков в накопительных кольцах ускорителей).
В EBIT также можно предположить образование упорядоченных структур, как в накопительных кольцах ускорителей (см. далее п.7.3) или ионных кулоновских кристаллов, как в ловушках Пеннинга и Пауля [157].
Пучки низкозарядных ионов, которые инжектируются в EBIT из ИИ, например: из MEVVA [30, 31] или из искрового ИИ [25] изначально не являются одноатомными.
6.6 Ионизация ионов пересекающимся электронным пучком
Основная проблема получения МЗИ методом пересекающихся пучков связана с малыми сечениями ионизации ионов. Например в [44], при ионизации пучка катионов гелия Не+ электронным ударом токи Не+ и Не2+ отличались примерно в 108 раз! Понятно, что в данном случае огромное значение имеет учет самых незначительных факторов. Изучение ионизационных столкновений электронов с ионами [158] по схемам:
А+ + е → А2+ + 2е (6)
А2+ + е → А3++ 2е (7)
показало, что выход вторичных ионов в процессах (6) и (7) сопряжен с учетом большого фона, который накладывается на измеряемые токи ионов А2+ или А3+. При измерении ионных токов в области максимумов кривых ионизации всех рассмотренных ими ионов наблюдался фон до 20 % от полного тока. Исходя из малых сечений ионизации ионов, при таком большом фоне в ионном пучке можно допустить образование МЗИ из частиц фона (или принятие за таковые фрагментов частиц фона).
Появление в ионных пучках сложных частиц (и их фрагментов) может быть вызвано тем, что ионизация пучка ионов электронами (или лазерными фотонами) приводит к смещению траекторий части ионов вследствие электронного давления (подобно электронному ветру в плазменных ускорителях) или светового давления (как в радиационных ускорителях). Это вызывает ион-ионные и ион-молекулярные взаимодействия в присутствии нейтрализующих электронов (первичных или вторичных).
7. Кластерообразование в ускорителях
7.1 Изменение состава пучка ионов при его формировании, транспортировке, перезарядке
Примером изменений, происходящих с пучком ионов при перемещении, могут служить каналовые лучи [159]. Если в катоде существует узкое отверстие (как, например, в ИИ PIG-типа (п.2.4)), то положительные ионы, движущиеся в темном катодном пространстве, проходят через отверстие и образуют в закатодном пространстве пучок каналовых лучей. На пути такого пучка газ светится. Вследствие явлений перезарядки (и/или обдирки) пучок состоит также из быстрых нейтральных молекул или атомов, отчасти возбужденных, и из отрицательных ионов. Под действием магнитного поля каналовый луч распадается на три пучка: положительный, отрицательный и нейтральный. При повторном пропускании каждого из пучков через магнитное поле, каждый из них вновь распадается на три пучка. Это говорит о постоянных превращениях пучков ионов и нейтральных частиц.
В [160] отмечается, что реальные пучки ионов редко бывают ламинарны, и в любой точке пространства существуют траектории частиц, наклоненные относительно главной оси, что приводит к неламинарному потоку, и, следовательно, к взаимодействию в пучке.
При больших скоростях откачки (для получения высокого вакуума) возможно обогащение кластерами пучка ионов, выводимых из ИИ. Это аналогично процессу получения кластерных пучков [55], когда плазма послесвечения движется после сопла, атомные частицы рассеиваются и откачиваются из плазмы, тогда как столкновение кластера с атомами не ведет к заметному рассеянию из-за его большой массы, и через некоторое время поток плазмы с кластерами превращается в поток кластеров.
В работе [161] говорится, что реакции ионов с нейтральными молекулами могут происходить во время перемещения пучка в масс-спектрометре от источника к детектору, что приводит к усложнению масс-спектров, наблюдаемых при высокой чувствительности, которая необходима при анализе МЗИ.
Процессы, происходящие с пучками в масс-спектрометрах или ускорителях, под действием отклонений в магнитных и электрических полях, многократных фокусировок, дефокусировок, охлаждения, банчировок, ребанчировок, и др., приводят к многократным столкновениям частиц в пучках, изменяют их состав и свойства.
Сложность состава моноэнергетических ионных пучков можно продемонстрировать на примере получения анионов водорода перезарядкой [121]. В этом эксперименте пучок катионов водорода с энергией 9 кэВ пропускался через сверхзвуковую струю паров натрия. (В данном случае вероятно образование кластеров натрия и даже возможно образование кластеров водорода по схеме аналогичной получению кластеров в агрегатном генераторе частиц (п.3.6)). Источник положительных ионов, при работе с которыми был получен максимальный ток отрицательных ионов водорода, Н-, формировал пучок, содержащий после прохождения мишени примерно 48% ионов Н- с энергией 9 кэВ, образовавшийся из ионов Н+, 26% ионов Н- с энергией 4,5 кэВ, возникших в результате распада Н2+, и 26% ионов Н- с энергией 3 кэВ, образовавшихся в результате диссоциации ионов Н3+. Таким образом, от 50 до 75% анионов Н- производятся из молекулярных ионов пучка. Одинаковые частицы Н- с дискретными энергиями разделяются анализатором, как разные ионы.
7.2 Изменение состава пучка ионов при обдирке
Для получения высоких кратностей заряда ионов в ускорителях широко используют обдирку на газовых мишенях или фольге [46 – 50].
Обдирка на газовых мишенях напоминает метод диссоциации, активированной столкновениями (спектроскопия кинетических энергий фрагментарных ионов, образовавшихся при соударениях ионов с газом) [81]. Сходство между условиями получения МЗИ методом обдирки и фрагментацией сложных частиц подтверждается экспериментом [48], в котором двухзарядные молекулярные ионы гелия 4Не22+ получались путем обдирки ионов 4Не2+ на газовой мишени (азот). Однако в результате серьезной интерференции с пиком 4Не+ от фрагментации по схеме: 4Не2+ + N2 → 4Не+ + 4Не + N2, оказалось невозможным отличить масс-спектры МЗИ от фрагментов.
Условия получения МЗИ обдиркой схожи с методом расщепленного пучка [44]. В этом методе, для изучения изменений при столкновении одинаковых ионов, монокинетический ленточный ионный пучок фокусируется, что приводит к пересечению траекторий ионов в области фокуса и возникновению в пучке новых частиц. Для сравнения: в обычном методе обдирки при доставке пучка к газовому обдирателю, он также фокусируется на мишень с малым углом сходимости (в работе [162] – это порядка 12 миллирадиан). Мишень при этом – поставщик электронов и нейтральных частиц.
В ультразвуковых струях газовых мишеней образуются кластеры (п.3.5) и возможно усложнение частиц обдираемого ионного пучка, аналогичное кластерообразованию, происходящему в агрегатном генераторе кластеров (п.3.6).
Исходя из утверждения, что при облучении кластеры ведут себя подобно конденсированным фазам [55], процессы, происходящие при бомбардировке фольги ионами, можно, в некоторой мере, распространить на газовые сверхзвуковые мишени, содержащие кластеры.
Из предыдущего пункта (п.7.1) следует, что пучки, бомбардирующие мишень, не являются моноатомными. От способа производства ионов, бомбардирующих мишени, зависит состав пучка, падающего и прошедшего через мишень. В пучках могут присутствовать, помимо ионов и нейтральных частиц, как жидкие кластеры, так и кристаллические, как горячие, так и холодные [52]. Состав ионного пучка, среднее зарядовое состояние и распределение заряда ионов, покидающих мишень, зависит от энергии и состава бомбардирующих ионов [46]. При энергии порядка 100 кэВ пучок может содержать фракцию отрицательно заряженных ионов [2].
Развивая тему усложнения пучков, прошедших через мишень, рассмотрим факторы, которые в процессе обдирки могут привести к образованию сложных, метастабильных частиц, фрагменты которых в дальнейшем могут быть приняты за МЗИ, а спектральные линии, испускаемые молекулярными фрагментами или кластерами, могут быть приписаны атомарным частицам.
Один из первых методов получения кластеров связан с ионным распылением твердых тел бомбардировкой мишени ионами килоэлектронвольтных энергий. При ионной бомбардировке тонких мишеней помимо обычного распыления, также имеет место распыление материала вперед, что подтверждается присутствием линий элементов мишеней в оптических и рентгеновских спектрах. Одним из процессов, сопровождающих столкновение высокоэнергетических и кластерных ионов с твердой поверхностью, является эмиссия электронов, нейтральных и заряженных частиц (атомов, молекул и кластеров) [51, 52]. В случае применения тонких мишеней (порядка 5 – 300 нм), при их бомбардировке ионами, молекулами и кластерами, эмиссия всех этих частиц наблюдается с обеих сторон фольги. В работе [163] исследовалось взаимодействие кластеров водорода HN+ (N = 1 – 13) с углеродной фольгой. Оказалось большим сюрпризом проникновение кластеров H9 через фольгу толщиной 300 нм.
Распыление вещества ионами, кластерами вперед подобно распылению фольги лазерным лучом: появляются разнообразные частицы с очень высокими энергиями [9].