Использование метода молекулярно-пучковой масс-спектрометрии для исследования процесса рассеяния частиц кластированного газового потока

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Метод молекулярно-пучковой масс-спектрометрии (МПМС) адаптирован на газодинамическом стенде ЛЭМПУС-2 для исследования процесса рассеяния частиц свободномолекулярного газового потока на частицах фонового окружения. Проведена верификация использованной методики в неконденсирующихся потоках, результаты измерения эффективных сечений рассеяния атомов аргона и молекул азота сопоставлены с известными литературными данными. Исследован процесс рассеяния атомов и малых кластеров (олигомеров) аргона на находящемся в фоновом пространстве диоксиде углерода при различных средних размерах кластеров, образующихся в потоке ⟨N⟩. При ⟨N⟩ ≈ 48 полученные значения сечений рассеяния для атомов, димеров и тримеров аргона составили 39, 17 и 6 Å2 соответственно. Установлено, что с ростом среднего размера кластеров в потоке эффективное сечение рассеяния атомов аргона уменьшается. Обсуждаются причины возникновения обнаруженного эффекта, а также особенности использования МПМС для исследования сверхзвуковых кластированных потоков.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Д. Деринг

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: e.dering@g.nsu.ru
Россия, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2

К. А. Дубровин

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: e.dering@g.nsu.ru
Россия, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2

А. Е. Зарвин

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: e.dering@g.nsu.ru
Россия, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2

В. В. Каляда

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: e.dering@g.nsu.ru
Россия, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2

В. Э. Художитков

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Email: e.dering@g.nsu.ru
Россия, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2

Список литературы

  1. Lazarev A.V., Semenov T.A., Belega E.D., Gordienko V.M. // J. Supercrit. Fluids. 2022. V. 187. P. 105631. https://doi.org/10.1016/j.supflu.2022.105631
  2. Ganeva M., Kashtanov P.V., Smirnov B.M., Hippler R. // Vacuum. 2014. V. 110. P. 140. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2014.08.019
  3. Haberland H. Clusters of atoms and molecules: theory, experiment, and clusters of atoms. Berlin: Springer, 2013. 422. https://doi.org/10.1007/978-3-642-84329-7
  4. Johnston R.L. Atomic and molecular clusters. CRC Press. 2002.
  5. Popok V.N. // Mater. Sci. Engin.: R: Reports. 2011. V. 72. № 7–8. P. 137. https://doi.org/10.1016/j.mser.2011.03.001
  6. Rao B.K., Khanna S.N., Jena P. // J. Cluster Science. 1999. V. 10. P. 477. https://doi.org/10.1023/A:1021948806958
  7. Yamada I., Matsuo J., Toyoda N., Aoki T., Seki T. // Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2015. V. 19. № 1. P. 12. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2014.11.002
  8. Hagena O.F. // Rev. Sci. Instrum. 1992. V. 63. № 4. P. 23749. https://doi.org/10.1063/1.1142933
  9. Dubrovin K.A. Zarvin A.E., Kalyada V.V., Yaskin A.S., Dering E.D. // Vacuum. 2023. P. 112652. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112652
  10. Zarvin A.E., Khudozhitkov V.E., Kalyada V.V. // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2018. V. 387. № 1. P. 012086. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/ 387/1/012086/meta
  11. Кисляков Н.И., Ребров А.К., Шарафутдинов Р.Г. // ПМТФ. 1975. № 2. С. 42.
  12. Зарвин А.Е., Яскин А.С., Каляда В.В., Ездин Б.С. // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41. № 22. С. 74.
  13. Рамзей Н. Молекулярные пучки. Москва: ИЛ. 1960.
  14. Леонас В. Б. // УФН. 1964. Т. 82. № 2. С. 287.
  15. Калинин А.П., Родионова И.П., Родионов И.Д // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2007. № 5. С. 135.
  16. http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2007-07-27-001.pdf
  17. Zarvin A.E., Kalyada V.V., Madirbaev V.Zh., Korobeishchikov N.G., Khodakov M.D., Yaskin A.S., Khudozhitkov V.E., Gimelshein S.F. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2017. V. 45. № 5. P. 819. https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2682901 https://opf.nsu.ru/ru
  18. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Т. 1. Москва: Наука. 1991.
  19. Rothe E.W., Neynaber R.H. // J. Chem. Phys. 1965. V. 43. № 11. P. 41779. https://doi.org/10.1063/1.1696664
  20. Van Deursen A., Reuss J. // Int. J. Mass Spectr. Ion Phys. 1973. V. 11. № 5. P. 483. https://doi.org/10.1016/0020-7381(73)80077-4
  21. Fedor J., Poterya V., Pysanenko S. Franik M. // J. Chem. Phys. 2011. V. 135. № 10. P. 104305. https://doi.org/10.1063/1.3633474
  22. Phelps A.V. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1991. V. 20. № 3. P. 557. https://doi.org/10.1063/1.555889
  23. Rothe E.W. Marino L.L., Neynaber R.H., Rol P.K., Trujillo S.M. // Phys. Rev. 1962. V. 126. № 2. P. 598.
  24. Nenner T., Tien H., Fenn J.B. // J. Chem. Phys. 1975. V. 63. № 12. P. 54394. https://doi.org/10.1063/1.431278
  25. Skovorodko P.A. // AIP Conf. Proc. 2011. V. 1333 P. 601. https://doi.org/10.1063/1.3562713
  26. Korobeishchikov N.G., Skovorodko P.A., Kalyada V.V., Shmakov A.A., Zarvin A.E. // AIP Conf. Proc. 2014. V. 1628. P. 885. https://doi.org/10.1063/1.4902687
  27. Schütte S., Buck U // Int. J. Mass Spectrom. 2002. V. 220. № 2. P. 183. https://doi.org/10.1016/S1387-3806(02)00670-X
  28. Ермолаева Н.В., Иванов М.С., Куснер Ю.С., Николаев В.И. // ЖТФ. 1986. Т. 56. № 10. С. 18732.
  29. Зарвин А.Е., Каляда В.В., Художитков В.Э. // Теплофизика и аэромеханика. 2017. Т. 24. № 5. С. 691.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Визуализация сверхзвуковой струи аргона, истекающей из звукового (а) и сверхзвукового (б, в) сопел в условиях отсутствия (а, б) и развитой конденсации в потоке (в).

Скачать (83KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схематическое изображение измерительного участка стенда ЛЭМПУС-2: 1– форкамера с соплом, 2 – камера расширения, 3 – скиммер, 4 – послескиммерная секция, 5 – система натекания, 6 – коллиматор, 7 – детекторная секция, 8 – датчик масс-спектрометра, 9 – сверхзвуковой поток, 10 – молекулярный пучок, 11–14 – вакуумная откачная система (11 – криогенные, 12 – турбомолекулярные, 13 – гетеро-ионные и 14 –форвакуумные насосы), 15 – рабочий газ, 16 – добавляемый фоновый газ.

Скачать (125KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Сравнение относительной интенсивности сигнала, регистрируемого масс-спектрометром для атомов аргона, в случае использования в качестве рассеивающего остаточный (1) и иной (2) газы.

Скачать (33KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Доля аргона (рабочий газ) (1) и диоксида углерода (внешний фоновый газ) (2) в объеме послескииммерной секции. Начальные параметры: P0 = 1∙104 Па, P∞ = 0.27 Па, X = 0.03 м, сопло № 2 (табл. 1).

Скачать (43KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Результаты измерений, полученные при рассеянии молекулярного пучка N2 на атомах Ar (a) и Ar на молекулах CO2 (б). Начальные параметры: а – P0 = 50 кПа, P∞ = 0.75 Па, расстояние сопло–скиммер X = 40 мм, сопло № 1 (табл. 1); б – P0 = 25 кПа, P∞ = 1.09 Па, X = 50 мм, сопло № 2 (табл. 1).

Скачать (63KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость относительной амплитуды сигнала, регистрируемого масс-спектрометром для кластеров аргона малого размера (Ar1 (1), Ar2 (2) и Ar3 (3)), при его рассеянии на CO2: a – режим 5.2, б – режим 5.6 (табл. 2).

Скачать (96KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость сечения рассеяния атомов аргона от среднего размера кластеров в потоке для сопел различной конфигурации (табл. 1).

Скачать (29KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024