Пространственно-временные и масс-спектральные характеристики ионных потоков в источниках с поверхностным током

Фундаментальные физические процессы, протекающие в адсорбированном на поверхности твердого тела ансамбле частиц, а также в импульсном десорбированном потоке, представляют собой актуальный объект исследования для формирования новых научных представлений и развития технологий. Обширные научные исследования связаны преимущественно с выявлением пространственно-временных, энергетических и других характеристик адсорбции и десорбции, состава адсорбированного ансамбля частиц и десорбированного потока, механизмов нейтрализации и ионизации и т. п. (например, 1−15] и другие). Механизмы десорбции разнообразны как по существу, так и по используемой технике. Десорбция может происходить при нагреве поверхности, в том числе за счет бомбардировки фотонами и частицами, а также в результате возбуждения электронной подсистемы подложки в виде десорбции, стимулированной электронными возбуждениями (ДСЭВ). Хотя эти факторы и различны по своей природе, часто их бывает трудно разделить в условиях эксперимента. Значительная часть исследований и технологий десорбционных источников связана с масс-спектрометрией (например, [15]). Масс-спектрометрия занимает ведущее место в аналитических структурных исследованиях, выполняемых в самых различных областях науки, техники, производства, в том числе по приоритетной международной программе «Количество вещества» (Турин, Евромет, 1993). Развитие масс-спектрометрических методов и аппаратуры принципиально определяется совершенствованием специализированных ионных источников, из которых существенными достоинствами выделяются импульсные устройства десорбционного типа. Искровая и вторично-ионная масс-спектрометрия, лазерная импульсная десорбция и бомбардировка быстрыми заряженными частицами, термическая десорбция, в том числе лазерная и классический «метод вспышки» , — могут быть отнесены к ставшим уже стандартными аналитическим методам и технологиям. Однако, развитие методов и техники масс-спектрометрии требует создания новых технологий получения ионных пакетов. Основной задачей является создание короткоимпульсных ионных источников, которые характеризуются мягкой ионизацией, незначительными ионизационной и ускорительной фрагментацией, малым значением начальных позиционного и энергетического разбросов в ансамблях частиц, эффективными и контролируемыми процессами адсорбции и десорбции, возможностью управления структурным составом потока частиц.

Постановка целей и задач данной работы была основана на предположении об актуальности и перспективности использования ионных источников с поверхностными токами, какими являются скользящий разряд по поверхности диэлектрика [16−39] и безинерционная десорбция с поверхности металла, возбуждаемой импульсом тока [4050]. Несмотря на значительные различия характеристик физических процессов, возникающих при воздействии поверхностных токов на диэлектрик и на металл, между этими методами и используемой аппаратурой имеется и значительная общность. Схема воздействия на поверхность, формирование, сопровождение и регистрация ионных пакетов, интерпретация спектров и использование получаемых данных близки между собой в этих двух подходах, и поэтому целесообразно их объединение в рамках одной работы. Сходство состояло также и в том, что в период времени начала данной работы оба подхода находились в ранней, предварительной стадии их подготовки к использованию в качестве объектов исследования и использования в массспектрометрии.

Рассмотрим кратко выборку основных данных по разрядам на поверхности диэлектрика, представленных в научно-технической литературе[16−39]. Исследованию пробоя по поверхности диэлектрика в вакууме посвящено много работ, что объясняется широким использованием керамики, стекла и других диэлектриков в качестве изоляторов в высоковольтных вакуумных установках, однако результаты, относящиеся непосредственно к масс-спектрометрии, весьма скудны [16]. Тем не менее, представлялось возможным использовать результаты других работ как для подготовки и проведения исследований, так и для анализа полученных результатов. Интерес представляют, в первую очередь, процессы в фазе развития разряда, взаимодействие плазмы с поверхностью, вызывающее ее деструкцию и поступление вещества подложки в разряд, а также образование зарядовых пятен и возникновение неоднородных и неконтролируемых электрических полей у поверхности.

Обычно различают шесть основных стадий развития разряда вдоль поверхности твердых диэлектриков в вакууме. Темновой разряд наблюдается в начальной стадии тренировки поверхности диэлектрика и продолжается в течение всего времени пребывании образца в электрическом поле. В работах [17−19] показано, что ток, возникающий в предпробойной фазе, содержит две компоненты. Одна из них медленно меняется во времени, и ее амплитуда не превышает 10 11 — 10 7 А, другая представляет собой кратковременные броски тока с амплитудой Ю-3 -10″ ' А. Можно считать установленным, что медленная компонента тока обусловлена процессом зарядки поверхности диэлектрика [20−21]. С подачей напряжения на промежуток электроны частично попадают на диэлектрик. Если коэффициент вторичной эмиссии диэлектрика больше единицы, то место бомбардировки заряжается положительно. При этом увеличивается компонента поля притягивающая электроны к поверхности изолятора. Таким образом, положительный заряд может распространяться до анода. После этого условия на диэлектрике становятся стабильными. Авторы работы [19] считают, что стабильность разрядного механизма в этой стадии поддерживается автоматически. Появление положительного заряда на поверхности диэлектрика приводит к перераспределению потенциала по его длине. В результате напряженность поля у катода возрастает, т. е вместо линейного имеем распределение с подъемом потенциала у катода. Явление зарядки диэлектрика наблюдалось и в процессе обезгаживания диэлектрика в сверхвысоком вакууме при воздействии микросекундными импульсами напряжения [22]. Обнаружено, что при каждом подьеме напряжения интегральный ток зарядки и величина заряда на диэлектрике имеют тенденцию к насыщению. Динамика этого процесса при подаче импульсного напряжения на диэлектрик изучалась оптическими методами в [21]. При напряжениях ниже, чем пробивное, авторы обнаружили свечение поверхности диэлектрика в предпробойной фазе, самопроизвольно прекращающиеся еще до окончания импульса у напряжения. Свечение распространялось с катода со скоростью около 4−10' см/с и могло исчезать через 600 не после возникновения.

Однако, остаются до конца не выясненными механизмы появления микроразрядов, — самогасящихся бросков тока, не приводящих к разряду. Авторами [23] выдвигалось предположение, что причиной образования микроразрядов служит резкое увеличение электронного тока с катода в результате его взрывообразного разрушения под действием разогрева автоэмиссионным током.

Хотя эффект зарядки обнаружен как при статическом [18], так и при импульсном воздействии [17], существенная зависимость электрической прочности от угла наклона изолятора к линиям поля наблюдается лишь при импульсном напряжении [23−24]. По-видимому, это связано со значительным увеличением плотности заряда на поверхности в импульсном режиме, поэтому рабочее напряженности поля значительно ниже статических.

Искровой разряд инициируется преимущественно в предпробойной стадии и сопровождается проскакиванием светящейся искры от одного электрода к другомупроисходит снижение напряжения на электродах образца, выделение газов и паров с поверхности диэлектрика, возрастание импульса тока до 1 А и более. Это процесс самовосстанавливающийся, т. е. после проскакивания искры напряжение возвращается к исходной величине.

Перекрытие вдоль поверхности диэлектрика происходит, когда искровой разряд переходит в канальный разряд с падающей ВАХ и сопровождается броском тока, величина которого определяется, в основном, токоограничивающим сопротивлением в цепи стенд — источник высокого напряжения, или внутренним сопротивлением этого источника. При этом резко повышается давление, по крайней мере, в приповерхностной области диэлектрика, до уровня, при котором каналовый разряд вдоль поверхности диэлектрика превращается в газовый разряд в приповерхностной области вне диэлектрика.

Дуговой разряд является завершающей стадией развития непрекращающихся искровых разрядов и перекрытия поверхности диэлектрика, при этом между электродами диэлектрика зажигается дуга с падением напряжения на ней меньше 100 В.

Разряд на диэлектрике обычно возникает с ростом напряжения при превышении некоторого порогового значения Шор. Значение Штор растет с уменьшением диэлектрической проницаемости, увеличением толщины диэлектрика и уменьшении длительности импульса. При амплитуде импульсов, близкой к пороговой, наблюдается запаздывание разряда. В спектре свечения разряда при напряжениях, близких к пороговым, регистрировались линии материала электродов, а также линии нейтральных и однократно ионизованных молекул диэлектрика (титанат бария). С увеличением напряжения разряда интенсивность этих линий росла и появлялись новые линиии соответствующие метериалу диэлектрика. При значении локальной напряженности поля ~ (1 — 9) • 108 В/см время запаздывания взрыва микроострий на катоде составляло приблизительно с. Взрыв и появление плазмы на катоде через такое время наблюдались при плотности тока автоэмиссии с острия.

У ~ 10 АI СМ [25]. Взрыв эмитирующего острия и разрушения диэлектрика происходит практически одновременно, что и подтверждается экспериментальными данными о времени запаздывания разряда, динамике появления свечения на диэлектрике и его спектральном составе.

В [26] исследован спектр скользящего разряда в вакууме в дуговой стадии. Установлено, что спектр разряда по диэлектрику из стекла, фторопласта, органического стекла содержит линии материалов электродов и диэлектрика. При перекрытии прочных диэлектриков (алунд) спектр состоит в основном из линий материала электродов. Для стекла наблюдались линии кремния, бора и кислорода, что авторы связывают с его меньшей механической прочностью. В спектрах, полученных при перекрытии органических диэлектриков, очень много линий углерода, а линии материалов электродов менее интенсивны.

В [27] показано, что, зная предразрядный ток, скорость движения границ свечения и его геометрические размеры, можно решить вопрос о соотношении между числом электронов, обеспечивающих предразрядный ток, и числом молекул, адсорбированных на поверхности диэлектрика, которые могут участвовать в разряде. Скорость увеличения числа электронов с1п1 Ж = /(О I, а скорость увеличения числа молекул в области, охваченной свечением,.

Ш / Ж = Ы0у1т, где Nо — число молекул в мономолекулярном слое на 1 СМ поверхности.

— диэлектрикаV — скорость распространения свечения- / - его ширинат-число мономолекулярных слоев. Показано, что на каждый образованный в единицу времени электрон приходится 3 • 103 молекул даже при мономолекулярном слое газа.

Гипотеза развития разряда в слое адсорбированного газа была впервые предложена в [28], затем получила развитие в[29- 30]. Показано, что перекрытие поверхности диэлектрика не может развиваться непосредственно в слое адсорбированного газа, и для формирования разряда необходима стадия электростимулированной десорбции и расширения газа, а при перекрытии происходит газодинамический разлет газа со сверхзвуковой скоростью. Количество десорбированного газа, необходимое для перекрытия поверхности диэлектрика,.

16 -2 составляет примерно 10 молекул • СМ. Такое количество газа содержится в 0,5−1 мономолекулярном слое, учитывая, что коэффициент шероховатости поверхности при адсорбции равен 5−10 [28]. В большинстве экспериментов не обнаруживается связи между характеристиками разряда и физическими свойствами диэлектрика, т.к. необходимое количество газа удерживается на поверхности любого диэлектрика вне зависимости от вакуумных условий [10].

Авторы [31] предложили модификацию десорбционной модели пробоя, основанную на возникновении лавины вторичной эмиссии электронов. Появившись у катода, электроны лавины дрейфуют по поверхности диэлектрика, постоянно сталкиваясь с ней и вызывая выход новых вторичных электронов. Предпробойный ток носит диффузионный характер. Электроны уходят на анод с той же скоростью, что и поступают с катода. Вследствие электронно-стимулированной десорбции, появляются нейтральные атомы и молекулы. Те из них, которые претерпевают ионизацию, двигаются к катоду, приводя к дальнейшему увеличению неоднородности поля. Однако в [32] показано, что лавина вторичных электронов не может создать ток, приводящий к полному спаду импеданса разрядного промежутка. Следовательно, после прохождения электронной лавины необходимо подключение других механизмов, приводящих к размножению носителей на диэлектрике. Возможный механизм показан в работе [33], где доказано наличие большого тока электронов и сильного рентгеновского излучения из контакта металл — диэлектрик при разряде в вакууме.

Т.о. можно сделать заключение, что физика скользящего разряда по поверхности диэлектрика детально изучена. Однако состав разрядной плазмы в большинстве экспериментов определялся методами оптической спектрометрии. Это оправдано в случае высокого уровня ионизации, но в различных стадиях разряда возможно образование многоатомных ионов (особенно при разряде по поверхности распыляемого диэлектрика), в частности углеводородов СпНт. Определение состава плазмы, когда образующиеся ионы содержат более 2−3 атомов, методами оптической спектрометрии затруднено [34- 36].

Вернемся к работе [16], где впервые экспериментально показана принципиальная возможность применения скользящего разряда в вакууме для ионизации неэлектропроводных проб при масс-спектрометрическом анализе. Описан масс-спектрометрический источник ионов со скользящим разрядом по диэлектрику, в качестве которого использовались текстолит, стекло, титанат бария. Энергия в импульсе не превышала 0.01 Дж. Расчетная амплитуда тока в разряде составляла.

А, длительность разряда порядка 100 не. Оказалось, что вклад адсорбированных газов в ионной ток существенно меньше вклада ионов материала диэлектрика, и при давлении порядка.

Па не превышает.

1(Г %. Десорбционный механизм в вакуумном пробое на поверхности играет существенную роль только на стадии инициировании разряда. Затем, когда плазма разряда сформирована, определяющим механизмом поддержания разряда становится испарение и ионизация материала поверхности диэлектрика.

Использование этой стадии для получения пучка протонов из полиэтиленовой подложки было рассмотрено в работах [37 — 39], однако масс-спектральный анализ не применялся, и поэтому вопрос о составе получаемого пучка остался не выясненным. В результате проведенного анализа были обоснованы два актуальных направления работы с ионными источниками на основе диэлектрика:

Состав адсорбированной пробы целесообразно изучать в условиях скользящего разряда по поверхности устойчивого, нераспыляемого и неиспаряемого диэлектрика, например, кварца;

Получение интенсивных потоков, имеющих заданный и регулируемый состав ионизованных частиц, может быть осуществлено, в принципе, в условиях импульсного разряда по поверхности испаряемого диэлектрика, например, полиэтилена. Кроме того, использование ионных источников с разрядом по поверхности диэлектрика в вакууме представляется перспективным не только для развития методов и техники масс-спектрометрии, но также и для получения информации о составе разрядной плазмы, необходимой для уточнения физических механизмов процесса.

Рассмотрим далее представленные в научно-технической литературе сведения о процесс безинерционной десорбции с поверхности металла, возбуждаемого импульсом скин тока [40 — 50]. Ко времени начала данной работы эти исследования находились в начальной стадии накопления экспериментальных данных. Косвенным свидетельством, указывающим на специфику импульсной десорбции, явились результаты работы [40]. В высоковольтном вакуумном зазоре была установлена тонкая проволочка. При быстром ее нагреве коротким импульсом тока в зазоре возникал пробой, а при медленном нагреве этого не наблюдалось.

В [40 — 41 ] на проволочку диаметром 5. 100 мкм в течение нескольких наносекунд подавалось напряжение 0,5.3,0 кВ. Значение амплитуды тока для вольфрамовой проволочки диаметром 10 мкм было порядка 150 А. Таким образом, на проволочке выделялась энергия ~ 200 мкДж. Скачок температуры составлял не более.

300 градусов, при этом была зарегистрирована десорбция примерно ~ 106 ионов, происходившая в течение нескольких наносекунд. С запаздыванием в несколько миллисекунд наблюдалась относительно слабая тепловая десорбция. Анализируя результаты, авторы отмечают, что причиной быстрой десорбции является выделение 2 большой мощности в узком скин-слое 2кДж / СМ).

В работе [43] с помощью времяпролетных методов впервые зарегистрированы нейтральные частицы, десорбированные с поверхности вольфрамовой фольги при протекании по ней импульса тока. Импульс длительностью 10 не и амлитудой.

А протекал в скин-слое толщиной порядка 1 мкм. При этом наблюдалась эмиссия частиц, происходившая во время действия импульса тока, и задержанная относительно нее на 1. 10 мс тепловая десорбция.

Результаты измерений указывают на явную зависимость характеристик потоков десорбируемых частиц от амплитуды тока в скин-слое. В области относительно малых значений тока наблюдалась преимущественно задержанная тепловая десорбция паров воды и глицерина, которые наносились на поверхность фольги перед началом измерений. При токе более.

А наблюдались также и безинерционная эмиссия натрия и фрагментов вакуумного масла. Начальные скорости частиц в последнем случае составляли 50.500 м/с. Полученные данные представлялись авторам полезными при разработке модели физических процессов десорбции, обусловленной быстрой диссипацией энергии на поверхности металла в рассматриваемых условиях.

В работе [44] исследовались вакуумные условия в объемных резонаторах ускоряющей системы при различных значениях подаваемой СВЧ мощности. После тщательной очистки и тренировки электродов в систему подавался СВЧ сигнал мощностью 125 кВт, при этом напряженность ускоряющего поля в системе достигала.

3,2−106 В/м. При таких значениях напряженности электрического поля все посторонние электроны уходили на стенку прибора, что приводило к генерации рентгеновского излучения, которое, в свою очередь, вызывало фотоэмиссию. Электроны, появившиеся в результате фотоэмиссии, также могут быть ускорены электрическим полем. Эти ускоренные электроны могут десорбировать сильносвязанный газ с внутренних стенок (электронно-стимулированная десорбция) и результирующий рост давления уменьшает время жизни пучка, создает фон тормозного излучения в момент соударения электронов и протонов с остаточным газом в области взаимодействия.

После дополнительного отжига и тренировки в течение 24 часов на систему подавали максимальную мощность 140 кВт и поддерживали различные уровни подаваемой мощности в течение двух недель. В результате исследований было получено:

— после 17 часов отжига давление в системе было порядка 10 10 торр;

— было зарегистрировано изменение парциальных давлений в различные моменты времени в течение цикла варьирования входной мощности. Основными десорбированными газами были Н2, СО, СН, С02, Н2 О;

— после 10.20 часов прикладывалась полная мощность. Давление всех газов имело тенденцию к уменьшению со временем. Газы Н2, Н2 О имели отличную, от большинства других, картину поведения. Причины этого до конца не выявлены, но авторы предполагают, что это связано с изменением температуры резонатора- -кроме указанных основных газов наблюдались пики, соответствующие более высоким массам. До введения СВЧ мощности самый «тяжелый» разрешенный пик соответствовал отношению m/z= 44. При введении СВЧ мощности (35 кВт) были зарегистрированы пики с отношением m/z от 55 до 75, их доля примерно в 100 раз меньше, чем доля основных газов. Так же наблюдались группы пиков между 38 и 44- -давление в системе измерялось так же, для вычисления уровня фона. При указанном выше давлении остаточных газов уровень тормозного излучения был прямо пропорционален молекулярной массе вещества и обратно пропорционален радиационной длине;

Хотя авторы и не приводят в данной статье анализ полученных данных, можно предположить, что наблюдалась молекулярная десорбция частиц с поверхности электродов. Важным, с точки зрения рассматриваемых процессов, представляются следующие факты: — измерения проводились после тщательной очистки и тренировки поверхности электродов- - с изменением подаваемой СВЧ мощности изменялся сорт ионов, регистрируемых системой.

В работах [45 — 50] применен времяпролетный анализ для изучения эмиссии ионов с поверхности вакуумизированного отрезка волновода, в котором возбуждалась мощная импульсная стоячая волна (100.400 кВт, 0,4.0,2 мкс, 3 гГц). Источником частиц служил эмиттер, выполнений в виде отрезка медной проволоки диаметром 150 мкм, расположенной поперек оси волновода в отверстии в широкой стенке. Плотность 2 потока мощности на поверхность эмиттера достигала 20 кВт/ СМ. Настройкой СВЧ тракта устанавливали в области эмиттера максимум напряженности электрического поля или амплитуды скин-тока. Сигналы вторично-эмиссионного умножителя ВЭУ-2, установленного на выходе масс-анализатора, состоял из набора отдельных задержанных пиков. Амплитуда пиков зависела от структуры и величины СВЧ поля вблизи эмиттера.

Интерпретация экспериментальных результатов затруднялась одновременной реализацией различных процессов, например вторично-эмиссионным размножением электронов в СВЧ поле. Часть сигналов можно было отнести к десорбированным с поверхности эмиттера положительным ионам остаточных газов. Одновременно наблюдались и более тяжелые компоненты, вплоть до значений m/z=300. Ряд кратных значений m/z можно было объяснить наличием в потоке десорбированных частиц кластеров меди. Авторы считают, что наблюдаемые процессы обусловлены быстрой диссипацией энергии на поверхности металла в вакууме. Авторы рассмотренных работ высказывают предположения относительно возможных механизмов, лежащих в основе процесса безинерционной десорбции, однако приемлемой модели явления не было выработано. Одним из возможных механизмов, в принципе, мог бы явиться эффект возбуждения поверхностных акустоэлектронных волн [51−56]. В работе [51] осуществляли быстрый нагрев поверхности медного образца путем инжекции интенсивного электронного пучка. Предполагалось, что при этом возбуждается акустическая волна на поверхности. Бесконтактное возбуждение звука в металлах может быть осуществлено при индуцировании электромагнитной волны [52]. Рассмотрены закономерности электромагнитного возбуждения звука ЭМВ в локальном пределе HS" 1 (S — толщина скин-слоя, / - длина свободного пробега носителей) и в режиме аномального скин эффекта, а также особенности возбуждения ультразвука в СВЧ диапазоне.

В локальном пределе возбуждение звука электромагнитной волной, падающей на поверхность металла, возможно лишь при наличии постоянного магнитного поля. При наложении постоянного магнитного поля, параллельного поверхности металла и перпендикулярного направлению переменного тока, на электроны в скин-слое действует сила Лоренца, направленная вглубь металла. Этой силой создается пространственная модуляция плотности электрического заряда, при этом ионы решетки перестраиваются таким образом, чтобы в объеме металла выполнялось условие локальной электронейтральности. В результате этого у поверхности возбуждается волна сжатия, распространяющаяся вглубь металла.

В магнитном поле, направленном по нормали к поверхности, в металле возбуждается поперечный звук. Под воздействием электрического поля волны в скинслое электроны и ионы решетки приобретают противоположно направленные импульсы, и сила Лоренца отклоняет эти частицы в одну сторону. При этом электроны, сталкиваясь с решеткой, передают ей дополнительный импульс вдоль поверхности металла.

Оценки показывают, что эффективность трансформации электромагнитной энергии в звуковую в алюминии при комнатной температуре на частоте 10 МГц в поле.

10 кЭ составляет около 10 4 .

С понижением температуры в чистых металлах могут реализоваться условия, соответствующие выполнению двух неравенств 1/5> 1,3 < Л. В режиме аномального скин-эффекта возбуждение поперечного звука в металле возможно в отсутствие постоянного магнитного поля. Механизм возбуждения ЭМВ в слабых полях или в отсутствие поля может быть представлен следующим образом. Электроны, находящиеся в скин-слое, ускоряется электрическим полем электромагнитной волны, и через столкновения передают избыточный импульс решетке. Кроме того, ионы решетки испытывают прямое воздействие электрического поля в скин-слое. Возбуждение звука у поверхности металла может происходить, если эти две силы локально не сбалансированы. В отсутствие постоянного магнитного поля это происходит, когда длина свободного пробега носителей превышает толщину скин-слоя. В этом случае «столкновительная» сила пространственно отделена от области прямого воздействия переменного электрического поля, и обе приводят к росту напряжения сдвига на решетке.

С повышением частоты электромагнитного излучения толщина скин-слоя.

— 172 г" уменьшается пропорционально СО. В то же время длина звуковой волны.

Я ~ СО 1. На частотах СВЧ диапазона {/ > 1 ГГц) длина волны звука становится малой по сравнению с толщиной скин-слоя, и эффективность рассмотренных выше механизмов трансформации резко падает. В этих условиях существенное значение приобретает характер рассеяния электронов на границе металла. При диффузном рассеянии возникает т.н. «поверхностная» сила, которая становится определяющей в СВЧ диапазоне. Физическую картину возбуждения аккустических колебаний в металле в режиме Ид> 1 можно представить следующим образом. Если толщина пленки й < /, рассеянием в объеме металла можно пренебречь. В этом случае электроны приобретают в скин-слое поперечный импульс. При диффузном отражении от границы импульс передается решетке. Работа, совершаемая электрическим полем над электронами в скин-слое, преобразуется в энергию звуковых колебаний. По оценкам, эффективность преобразования пропорциональна четвертой степени толщины скин-слоя. Исследования процессов трансформации электромагнитных и звуковых волн в нормальных металлах в СВЧ диапазоне, проводимых с использованием пленок индия, золота и олова показали, что максимум интенсивности лежит в районе 15°К. При повышении температуры происходит быстрое уменьшение коэффициента трансформации. Теория возбуждения упругих волн в металлах [55−57] позволяет, в принципе, развить представления о поверхностных акустоэлектронных волнах в металлах применительно к задачам, связанным с ионными источниками, хотя ни в одной из перечисленных работ эта задача не ставится.

Представляется возможной связь механизмов импульсной десорбции с эффектами разогрева электронной подсистемы и появлением в нестационарном неравновесном режиме «горячих электронов» в металле. Действительно, при высокой скорости инжекции электромагнитной энергии в электронную подсистему может наблюдаться рост температуры электронов [58−60]. Нельзя исключить и эффектов прямого рассеяния электронов проводимости на ближайшем макроскопическом дефекте — поверхности металла [61−62]. Зарядовое состояние отлетающей от поверхности нейтральной частицы формируется при наличии электрического поля за счет обмена электроном [63].

Имеются, следовательно, некоторые достижения теории, которыми можно воспользоваться для анализа явления. Отсутствие приемлемой модели процесса скин-токовой десорбции связано, по-видимому, с недостатком экспериментальных сведений. В частности, в известных работах не были определены пороговые, пространственно-временные, масс-спектральные характеристики процесса безинерционной десорбции.

На основе анализа литературных данных сформулированы следующие актуальные цели и задачи данной работы.

ЦЕЛИ РАБОТЫ.

— Экспериментальное определение условий получения потоков ионов, измерение комплекса их характеристик, в том числе пространственно-временных и масс-спектральных, при протекании импульсных поверхностных токов по диэлектрическим и металлическим образцам в вакууме.

— Определение на основе полученных результатов путей улучшения характеристик имеющихся ионных источников и создания принципиально новых.

ЗАДАЧИ.

Должны быть разработаны и реализованы методы:

— получения ионных потоков, обусловленные протеканием импульса тока по поверхности диэлектрических и металлических образцов в вакуумедиагностики, позволяющие измерять масс-спектральные, пороговые, динамические, угловые и другие характеристики формируемых потоков ионов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Разработана новая методика, с помощью которой впервые проведен комплекс исследований характеристик, в том числе пространственно-временных и масс-спектральных, в потоке частиц, полученном при импульсной стимулированной скин-током десорбции с развитой гладкой поверхности металла, а также потока частиц, полученного в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика.

2. Экспериментально показана возможность безинерционной десорбции положительных и отрицательных ионов с гладкой развитой поверхности металлических образцов при воздействии коротких импульсов тока. Выявлены режимы работы, в которых может быть осуществлен этот процесс, определены его характеристики при использовании образцов из различных металлов.

3. Получены неизвестные ранее данные о процессе безинерционной десорбции с поверхности металла, в том числе масс-спектральные, пороговые, динамические характеристики формируемых потоков. Созданы базы экспериментальных данных, необходимые для развития физических представлений об изучаемом процессе.

4. Получены неизвестные ранее данные о масс-спектральных, динамических и угловых характеристиках ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика в вакууме, определены зависимости этих характеристик от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации. Указанные результаты являются основой для развития физических представлений о процессах образования потока ионов, происходящих на поверхности диэлектрика.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Безинерционная десорбция положительных или отрицательных ионов с гладкой развитой поверхности металла реализуется при воздействии индуцированных импульсов скин-тока и выполнении определенных пороговых условий по мощности импульса и напряженности ускоряющего электрического поля при использовании образцов из фольг различных металлов.

2. Индуцированная скин-током десорбция характеризуется мягкой ионизацией десорбируемых частиц, в том числе тяжелых биоорганических молекулмалыми начальными значениями позиционного и энергетического разбросов.

3. Метод индуцированной скин-током десорбции позволяет изучать быструю динамику адсорбционно-десорбционных процессов на поверхности металла.

4. Масс-спектральные характеристики ионного потока, получаемого при импульсном разряде по поверхности диэлектрика, регулируются заданным образом путем определенной технологии подготовки материала поверхности, особенностей режима измерений, режима предыдущей эксплуатации и конструкции ионного источника.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что:

1. В процессе разработки и оптимизации ионного источника с разрядом по поверхности кварца найдены конструкционные решения, позволяющие использовать источник с высокой эффективностью ионизации во времяпролетном масс-анализаторе.

2. Полученные новые данные о зависимости состава ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика, от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации позволяют получать пучки с заданными свойствами. Использование диэлектриков полиэтилена и парафина позволяет формировать ионные пучки с заданным составом, в том числе с высоким содержанием протонной компоненты (например, до 80% и выше).

3. Экспериментально показана возможность использования импульсного ионного источника со скин-током по поверхности металла для измерения масс-спектра адсорбированной пробы, в том числе тяжелых биоорганических молекул.

4. ВЫВОДЫ.

1. Разработана методика, с помощью которой впервые проведен комплекс экспериментальных исследований характеристик, в том числе пространственно-временных и масс-спектральных, в потоке частиц, полученном при импульсной стимулированной скин-током десорбции с развитой гладкой поверхности металла, а также потока частиц, полученного в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика. Использованы твердотельные образцы, изготовленные из нераспыляемого диэлектрика — кварцараспыляемого дйэлектрика — полиэтиленаметаллических фольг — золота, платины, никеля, меди.

2. Экспериментально подтверждена достоверность безинерционной десорбции положительных и отрицательных ионов с гладкой развитой поверхности металлических образцов при воздействии коротких импульсов тока. Выявлены режимы работы, в которых может быть осуществлен этот процесс, определены его характеристики при использовании образцов из различных металлов.

3. Получены неизвестные ранее данные о процессе безинерционной десорбции с поверхности металла, в том числе масс-спектральные, пороговые, динамические характеристики формируемых потоков. Результаты, полученные при исследовании образца из меди, представляются полезными при проектировании мощных электронных вакуумных устройств. Экспериментально показана возможность использования импульсного ионного источника со скин-током по поверхности металла для измерения масс-спектра адсорбированной пробы, в том числе тяжелых биоорганических молекул с массами до «10 а. е .м. Созданы базы экспериментальных данных, представляющиеся полезными для развития соответствующих теоретических физических представлений.

4. Получены неизвестные ранее данные о масс-спектральных, динамических и угловых характеристиках ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика в вакууме, определены зависимости этих характеристик от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации. Указанные результаты являются основой для развития физических представлений о процессах образования потока ионов, происходящих на поверхности диэлектрика.

5. Полученные новые данные о зависимости состава ионного пучка, формируемого в источнике с импульсным разрядом по поверхности диэлектрика, от материала поверхности и технологии ее подготовки, момента времени измерений внутри рабочего импульса, режима измерений и предыдущей эксплуатации позволяют получать пучки с заданными свойствами. Использование диэлектриков полиэтилена и парафина позволяет формировать ионные пучки с заданным составом, в том числе с высоким содержанием протонной компоненты (например, до 80% и выше).