ДИАГНОСТИКА ПОТОКОВ ГАЗОВЫХ КЛАСТЕРОВ С ПОМОЩЬЮ ПОПЕРЕЧНЫХ ПРОФИЛЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ПУЧКА
https://doi.org/10.25205/2541-9447-2018-13-1-80-94
Аннотация
Описан оригинальный экспериментальный метод диагностики кластеров в молекулярных пучках, сформированных из сверхзвуковых газовых струй. Метод основан на измерении поперечного профиля массовой интенсивности пучка на заданном расстоянии за скиммером и позволяет определить основные параметры: средний размер кластеров, соотношение мономеров и кластеров, плотность потока кластеров. Описанный метод можно применять для диагностики кластерных пучков любых чистых газов, при этом не требуется создания специальных моделей или определения эмпирических констант. Благодаря высокой интенсивности кластерных пучков для измерений не требуется сложное высокочувствительное оборудование. С помощью данного метода были определены средние размеры кластеров Ar в диапазоне от 50 до 2000 молекул на кластер. Достоверность полученных значений средних размеров кластеров подтверждается сравнением с результатами других авторов, полученными с помощью разных экспериментальных методов с использованием параметра подобия течений с конденсацией (параметра Хагены) Г*. Проведен анализ физических ограничений описываемого метода.
Об авторах
Н. Г. Коробейщиков
Новосибирский государственный университет
Россия
Россия
М. А. Роенко
Новосибирский государственный университет
Россия
Россия
И. В. Николаев
Новосибирский государственный университет
Россия
Россия
Список литературы
1. Fennel T., Meiwes-Broer K. H., Tiggesbaumker J., Reinhard P. G., Dinh P. M., Suraud E. Laser-driven nonlinear cluster dynamics // Reviews of Modern Physics. 2010. Vol. 82. P. 1793-1843.
2. Boldarev A. S., Faenov A. Y., Fukuda Y., Jinno S., Pikuz T. A., Kando M., Kondo K., Kodama R. Numerical modelling of the cluster targets for their optimization in femtosecond-laser-cluster-driven experiments // Laser and Particle Beams. 2017. Vol. 35. P. 397-408.
3. Matsuo J., Ninomiya S., Yamada H., Ichiki K., Wakamatsu Y., Hada M., Seki T., Aoki T. SIMS with highly excited primary beams for molecular depth profiling and imaging of organic and biological materials // Surface and Interface Analysis. 2010. Vol. 42. P. 1612-1615.
4. Mahoney C. M. Cluster secondary ion mass spectrometry of polymers and related materials // Mass Spectrometry Reviews. 2010. Vol. 29. P. 247-293.
5. Shard A. G., Havelund R., Seah M. P., Spencer S. J., Gilmore I. S., Winograd N., Miyayama T., Niehuis E., Rading D., Möllers R. Argon. Cluster Ion Beams for Organic Depth Profiling: Results from a VAMAS Interlaboratory Study // Analytical Chemistry. 2012. Vol. 84. P. 7865-7873.
6. Yamada I. Materials Processing by Cluster Ion Beams. London: CRC Press, 2016.
7. Yamada I., Matsuo J., Toyoda N., Aoki T., Seki T. Progress and applications of cluster ion beam technology // Current Opinion in Solid State & Materials Science. 2015. Vol. 19. P. 12-18.
8. Popok V. N. Energetic cluster ion beams: Modification of surfaces and shallow layers // Materials Science and Engineering R: Reports. 2011. Vol. 72. P. 137-157.
9. Hagena O. F. Scaling laws for condensation in nozzle flows // Physics of Fluids. 1974. Vol. 17. P. 894-897.
10. Hagena O. F. Cluster ion sources // Review of Scientific Instruments. 1992. Vol. 63. P. 2374-2380.
11. Hagena O. F. Condensation in free jets: Comparison of rare gases and metals // Zeitschrift für Physik D Atoms, Molecules and Clusters. 1987. Vol. 4. P. 291-299.
12. Wörmer J., Guzielski V., Stapelfeldt J., Möller T. Fluorescence excitation spectroscopy of xenon clusters in the VUV // Chemical Physics Letters. 1989. Vol. 159. P. 321-326.
13. Arno J., Bevan J. W. Infrared spectroscopy in supersonic free jets and molecular beams // Jet Spectroscopy and Molecular Dynamics. Eds. J. M. Hollas, D. Phillips. London: Blackie Academic, 1995. Р. 29-73.
14. Hagena O. F. Scaling laws for condensation in nozzle flows // Physics of Fluids. 1974. Vol. 17. P. 894-897.
15. Ramos A., J. Fernández M., Tejeda G., Montero S. Quantitative study of cluster growth in free-jet expansions of CO2 by Rayleigh and Raman scattering // Physical Review A. 2005. Vol. 72. P. 053204.
16. Kim K. Y., Kumarappan V., Milchberg H. M. Measurement of the average size and density of clusters in a gas jet // Applied Physics Letters. 2003. Vol. 83. P. 3210-3213.
17. Gupta K. C., Jha N., Deb P., Mishra D. R., Fulora J. K. Determining the mean size and density of clusters, formed in super sonic jets, by Rayleigh scattering and Mach-Zehnder interferometer // Journal of Applied Physics. 2015. Vol. 118. P. 114308.
18. Wörmer J., Joppien M., Möller T. Mass determination of free van der Waals clusters from absorption and scattering measurements // Chemical Physics Letters. 1991. Vol. 182. P. 632-636.
19. Korobeishchikov N. G., Penkov O. I. Simple method to gas cluster size determination based on molecular beam cross-section // Vacuum. 2016. Vol. 125. P. 205-208.
20. Korobeishchikov N. G., Roenko M. A., Tarantsev G. I. Mean Gas Cluster Size Determination from Cluster Beam Cross-Section // Journal of Cluster Science. 2017. Vol. 28. P. 2529-2547.
21. Obert W. Properties of cluster beams formed with supersonic nozzles // Campargue R. Rarefied Gas Dynamics. Ed. by Commissariat a L‘Ene-rgie Atomique. Paris, 1979. Vol. 2. P. 1181.
22. Sharma P. K., Knuth E. L., Young W. S. Species enrichment due to Mach-number focusing in a molecular-beam mass-spectrometer sampling system // Journal of Chemical Physics. 1976. Vol. 64. P. 4345-4352.
23. Korobeishchikov N. G., Kalyada V. V., Skovorodko P. A., Shmakov A. A., Khodakov M. D., Shulschenko G. I., Voskoboynikov R. V., Zarvin A. E. Features of formation of gas cluster ion beams // Vacuum. 2015. Vol. 119. P. 256-263.
24. Yang Sh., Philippe L., Châtelet M. Formation and Characterization of Large (Ar)n, (N2)n, and Mixed (Ar)n(N2)m van der Waals Clusters Produced by Supersonic Expansion // Journal of Cluster Science. 2007. Vol. 18. P. 855-867.
25. Korobeishchikov N. G., Skovorodko P. A., Kalyada V. V., Shmakov A. A., Zarvin A. E. Experimental and Numerical Study of High Intensity Argon Cluster Beams // AIP Conference Proceedings. Proceedings of the 29th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics. 2014. Vol. 1628. P. 885-892.
26. Hagena O. F., Obert W. Cluster Formation in Expanding Supersonic Jets: Effect of Pressure, Temperature, Nozzle Size, and Test Gas // Journal of Chemical Physics. 1972. Vol. 56. P. 1793-1803.
27. Karnbach R., Joppien M., Stapelfeldt J., Wörmer J. CLULU: An experimental setup for luminescence measurements on van der Waals clusters with synchrotron radiation // Review of Scientific Instruments. 1993. Vol. 64. P. 2838- 2850.
28. Farges J., de Feraudy M. F., Raoult B., Torchet G. Noncrystalline structure of argon clusters. II. Multilayer icosahedral structure of ArN clusters 50 < N № 750 // Journal of Chemical Physics. 1986. Vol. 84. P. 3491-3502.
29. Данильченко А. Г., Коваленко С. И., Самоваров В. Н. Кластерообразование в сверх-звуковых струях СО2 и CO2 с Kr // Физика низких температур. 2009. Т. 35, вып. 12. С. 1240-1243.
30. De Martino A., Benslimane M., Châtelet M., Crozes C., Pradre F., Vach H. Average cluster size determination in supersonic beams from angular distribution measurements after scattering by a buffer gas // Zeitschrift für Physik D Atoms, Molecules and Clusters. 1993. Vol. 27. P. 185-192.
31. Cuvellier J., Meynadier P., de Pujo P., Sublemontier O., Visticot J.-P., Berlande J., Lallement A., Mestagh J.-M. A simple method to determine the mean cluster size in a molecular beam // Zeitschrift für Physik D Atoms, Molecules and Clusters. 1991. Vol. 21. P. 265-269.
32. Yang Sh., Philippe L., Châtelet M. Formation and Characterization of Large (Ar)n, (N2)n, and Mixed (Ar)n(N2)m van der Waals Clusters Produced by Supersonic Expansion // Journal of Cluster Science. 2007. Vol. 18. P. 855-867.
33. Lu H., Ni G., Li R., Xu Zh. An experimental investigation on the performance of conical nozzles for argon cluster formation in supersonic jets // Journal of Chemical Physics. 2010. Vol. 132. P. 124303-124304.
34. Bell A. J., Mestdagh J. M., Berlande J., Biquard X., Cuvellier J., Lallement A., Meynadier P., Sublemontier O., Visticot J.-P. Mean cluster size by Rayleigh scattering // Journal of Physics D: Applied Physics. 1993. Vol. 26. P. 994-997.
35. Miller D. R., Andres R. P. Supersonic Free Jet // 6th Rarified Gas Dynamics (Academic, New York). 1968. Vol. 2. Р. 1385-1402.
36. Cattolica R. J., Gallagher R. J., Anderson J. B., Talbot L. Aerodynamic separation of gases by velocity slip in freejet expansions // AIAA J. 1979. Vol. 17. P. 344-355.
37. Tanaka K., Kato T., Koyono I., Takanashi N., Moriya T., Teshima K. Velocity distribution and velocity slip in supersonic rare gas beams atoms from binary and clusters from pure sources // Proc. of the 14th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics. Tsukuba, Japan, 1984.
38. Rebrov A. K., Skovorodko P. A., Toccoli T., Tonezzer M., Coppede N. Experimental and Numerical Study of Pentacene Molecular Beam Seeded in the Free Jet of Helium // 27th Rarified Gas Dynamics (Academic, New York). 2011. Vol. 1. P. 607.
39. Lazarev A. V., Tatarenko K. A., Amerik A. Yu. Aerodynamic acceleration of heavy particles in a supersonic jet of a binary mixture of gases with disparate-mass components // Physics of Fluids. 2017. Vol. 29. P. 087101.
40. Soga T., Oguchi H. Source flow expansion of gas mixtures into a vacuum // 9th Rarefied Gas Dynamics. Vol. 1. P. B.3.1-B.3.9.
41. Amirav A., Even U., Jortner J. Cooling of large and heavy molecules in seeded supersonic beams // Chem. Phys. 1980. Vol. 51. P. 31.
42. Takanashi N., Teshima K. Numerical analysis of a freejet expansion of binary gas mixture // Proc. of the 14th International Symposium on Rarefied Gas Dynamics. Tsukuba, Japan, 1984.
43. Raghuraman P., Davidovits P. Velocity slip of gas mixtures in free jet expansions // The Physics of Fluids. 1978. Vol. 21. P. 1485.
44. Miller D. R. Free Jet Sources // Atomic and Molecular Methods. Ed. by G. Scoles. New York: Oxford University Press, 1988. Cap. II.
45. Abuaf N., Anderson J. B., Andres R. P., Fenn J. B., Marsden P. G. H. Molecular beams with energies above one electron volt // Science. 1967. Vol. 155. P. 997-999.
46. Anderson J. B. Intermediate energy molecular beams from free jets of mixed gases // Entropie. 1967. No. 18. P. 33-37.
Рецензия
Для цитирования:
Коробейщиков Н.Г., Роенко М.А., Николаев И.В. ДИАГНОСТИКА ПОТОКОВ ГАЗОВЫХ КЛАСТЕРОВ С ПОМОЩЬЮ ПОПЕРЕЧНЫХ ПРОФИЛЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ПУЧКА. Сибирский физический журнал. 2018;13(1):80-94. https://doi.org/10.25205/2541-9447-2018-13-1-80-94
For citation:
Korobeishchikov N.G., Roenko M.A., Nikolaev I.V. DIAGNOSTICS OF GAS CLUSTER FLOWS BY TRANSVERSE INTENSITY PROFILE OF MOLECULAR BEAM. SIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS. 2018;13(1):80-94. (In Russ.) https://doi.org/10.25205/2541-9447-2018-13-1-80-94
Просмотров:
135
Послать статью по эл. почте 