Устройство для получения пучков ускоренных нанокластерных ионов

Изобретение относится к физике взаимодействия ионов с поверхностью вещества. В предлагаемом устройстве в качестве источника десорбирующих ионов (ДИ) предлагается использовать комплекс, состоящий из жидкостного ионного источника, генерирующего многозарядные полиатомные ионы, магнитного сепаратора для выделения необходимого компонента из спектра рождающихся ионов и системы фокусировки и ускорения для формирования пучка ДИ, бомбардирующих нанодисперсную мишень. Нанокластерные ионы (НКИ), десорбированные с поверхности мишени ускоряют в направлении облучаемого объекта. Время-пролетная размерная селекция НКИ осуществляется с помощью высоковольтного фильтра на выходе ускорительной ступени НКИ, работающего синхронно с прерывателем пучка ДИ на входе в ускорительную ступень ДИ. Техническим результатом является получение интенсивных пучков ускоренных размерно-селективных НКИ в широком диапазоне размеров при малом расходе вещества на установке лабораторного размещения без использования радиоактивных изотопов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к физике взаимодействия ионов с поверхностью вещества и может быть использовано для получения пучков ускоренных нанокластерных ионов (НКИ), особые физические свойства которых находят все более широкое применение в науке и технике.

Известен газоконденсационный метод получения пучков НКИ, основанный на конденсации паров вещества, получаемых разными способами. Сформированные таким методом НКИ, в основном однозарядные, ускоряются до десятков кВ [V.N.Popok and Е.Е.В. Campbell. Beams of atomic clusters: effects on impact with solids, Rev. Adv. Mater. Sci. 11 (2006) 1945]. Характерным примером применения этого метода является источник НКИ, описанный в [S.Pratontep, S.J.Carroll, С.Xirouchaki, М.Streun, and R.E.Palmer. Sizeselected cluster beam source based on radio frequency magnetron plasma sputtering and gas condensation, Rev. Sci. Instr. 76, 045103 (2005)]. Подробное рассмотрение показывает, что использование газоконденсационного метода, хотя и обеспечивает потоки НКИ ~10¹¹ НКИ/сек, но требует большого расхода вещества в расчете на один произведенный НКИ, что, по-видимому, неприемлемо для получения НКИ из дорогих материалов, а размерный диапазон большинства создаваемых НКИ не превышает 5-10 нм, что ограничивает возможности метода.

Возможно получение НКИ другим методом, свободным от этих недостатков, это - десорбция квазиизолированных наноостровков-зерен металлов или полупроводников, осажденных на подложку, при облучении таких нанодисперсных мишеней ускоренными ионами. На этом методе основано устройство для получения пучков жидкометаллических нанокластерных ионов по патенту Российской Федерации № 2210135 (бюллетень № 22 от 18.08. 2003) [1]. Основными элементами устройства являются: 1) источник десорбирующих ионов - тонкий слой изотопа ²⁵²Cf, из которого в результате спонтанного деления в угол 4π вылетают тяжелые многозарядные ионы (МЗИ) - осколки деления (ОД) с энергией 70-100 МэВ, 2) нанодисперсная мишень, представляющая собой совокупность отдельных островков вещества со средними размерами в единицы и десятки нанометров на подложке и 3) ускоряющий промежуток, в котором десорбированные НКИ ускоряются и фокусируются в пучок.

В этом устройстве процесс десорбции нанокластерных ионов обусловлен неупругими потерями энергии бомбардирующих МЗИ - осколков деления ²⁵²Cf (ОД). Недостаток устройства - необходимость работы с изотопным источником ²⁵²Cf, имеющим сопутствующие гамма - и нейтронные излучения, что ограничивает допустимую активность источника, т.е. потоки ОД и, соответственно, позволяет получать лишь небольшие - до 10⁴ c^-1 - потоки НКИ. Кроме того, размеры десорбируемых НКИ, хотя и существенно больше, чем в газоконденсационном методе, в случае облучения ОД ограничены величиной энергии ОД, вносимой в наноостровки. В принципе, в режиме неупругого торможения десорбционным методом возможно получать и бóльшие потоки НКИ в широком размерном диапазоне ионов (до ~90 нм) при использовании в качестве десорбирующих ионов тяжелые МЗИ от Аr до Рb с энергией ~50 МэВ - 1 ГэВ (см., например [I.Baranov, S.Kirillov, A.Novikov, V.Obnorsky, M.Toulemonde, K.Wien, S.Yarmijchuk, A.Borodin, A.Volkov. Desorption of gold nanoclusters (2-150 nm) by 1 GeV Pb ions, Nucl. Instr. & Meth. Phys. Res., B230 (2005) 495-501]. Однако такие ионы получаются только на больших дорогостоящих ускорителях, и их использование для практического получения НКИ исключено.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, с помощью которого осуществляется способ получения металлических нанокластеров в свободном состоянии по патенту Российской Федерации № 2341845 (бюллетень № 35 от 20.12.2008), где на примере бомбардировки наноостровковой мишени одноатомными ионами Au₁ с энергией 38 кэВ показано, что десорбционный метод получения нанокластеров может быть реализован не только в режиме неупругого торможения, но и в режиме упругого торможения десорбирующих ионов. В последнем случае для десорбции НКИ требуется энергия ионов на 2-3 порядка меньше, чем для МЗИ. Основные элементы устройства, в котором реализован этот способ, те же, что и в [1], но без ускорения НКИ. Однако одноатомные ионы в режиме упругого торможения вносят в наноостровки небольшую энергию, поэтому размерный диапазон десорбируемых ими НКИ ограничен. Например, используя ионы Au₁ с энергией 38 кэВ, можно получать НКИ с заметным выходом лишь до ⌀ ~8 нм.

Расширение размерного диапазона при реализации десорбционного метода получения нанокластеров в режиме упругого торможения десорбирующих ионов основано на результатах эксперимента, проведенного авторами, в котором наноостровковые мишени золота бомбардировали однозарядными полиатомными ионами Au₅ ⁺ с энергией всего 200 кэВ (40 кэВ/ион), т.е. в режиме упругого торможения. Ионы Au₅ имеют примерно такой же пробег, как и ионы Au₁ с энергией 38 кэВ, что важно при малых размерах наноостровков, но вносят в них энергию в 5 раз больше. Было установлено, что с использованием таких бомбардирующих ионов можно получать нанокластеры золота с заметным выходом выше ⌀ 20 нм. Отметим, что эксперимент проводился на 2-х МэВ-ном тандемном ускорителе, который также является сложным крупногабаритным сооружением и не может использоваться как устройство для практического получения НКИ.

Расчет энергетического баланса, проведенный в рамках механизма десорбции НКИ, связанного с обязательным плавлением НКИ, показывает, что при увеличении энергии полиатомных ионов, сопоставимых по массе с ионами Аu₅, всего до 400 кэВ, используя простую ускорительную трубку (длиной ~1 м), можно десорбировать НКИ различных материалов с размерами до ~30 нм.

Предлагаемым изобретением решается задача получения интенсивных пучков ускоренных металлических и полупроводниковых нанокластерных ионов в широком размерном и энергетическом диапазоне при малом расходе вещества с размерной селекцией НКИ на установке лабораторного размещения без использования радиоактивных изотопов и дорогостоящих ускорителей МЗИ.

Для достижения указанного технического результата предлагается десорбировать НКИ двухзарядными пятиатомными ионами легкоплавкого висмута Bi₅ ⁺⁺, получаемыми в жидкостном ионном источнике. Выход ионов Bi₅ ⁺⁺ в жидкостном ионном источнике позволяет получать потоки до 5×10¹² c^-1 [Л.Суонсон, А.Белл. Жидкостные ионные металлические источники. В книге: Физика и технология источников ионов, Москва, Мир, 1998]. Более высокий заряд ионов позволяет ускорять их до больших энергий, что увеличивает размерный диапазон десорбируемых НКИ при использовании одной и той же ускорительной трубки.

Отличительным признаком предлагаемого устройства для получения пучков ускоренных НКИ является, таким образом, использование жидкостного ионного источника, генерирующего многозарядные полиатомные ионы, с последующим ускорением этих ионов до величин, при которых они десорбируют искомые НКИ с заявляемыми характеристиками из наноостровковых мишеней.

Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1.

Устройство содержит жидкостной ионный источник 1, магнитный масс-сепаратор 2, диафрагму 3, диагностическую камеру 4, в которой размещен импульсный прерыватель пучка Bi₅ ⁺⁺ 5, первую ускорительную трубку 6, десорбционную камеру 7, в которой размещена наноостровковая мишень 8, вторую ускорительную трубку 9 с высоковольтным фильтром 10 на выходе и камеру 11 с облучаемыми объектами 12.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В жидкостном источнике 1 формируются и вытягиваются ионы Bi. С помощью магнитного сепаратора 2 из спектра ионов Bi выделяются ионы Bi₅ ⁺⁺, которые через диафрагму 3 поступают в диагностическую камеру 4, где происходит настройка пучка ионов Bi₅ ⁺⁺. Далее в ускоряющей трубке 6 ионы Bi₅ ⁺⁺ ускоряются до 200 кВ и поступают в десорбционную камеру 7, где с энергией до 400 кэВ бомбардируют размещенную в камере 7 наноостровковую мишень 8 и десорбируют с нее отрицательно заряженные НКИ выбранного вещества. В камере 7 предусмотрены: либо сбор НКИ на коллектор для их анализа, либо фокусировка пучка НКИ (при убранном коллекторе - на фиг.1 не показан). Сфокусированный пучок НКИ поступает в ускорительную трубку 9, где происходит ускорение НКИ до энергии 200 кВ×q (q - заряд НКИ). Затем пучок ускоренных НКИ попадает в камеру 11, где они бомбардируют либо облучаемые мишени, либо другие образцы 12.

Нанодисперсная мишень готовится предварительно либо термоиспарением вещества в вакууме с малыми потерями вещества, либо осаждением вещества из коллоидного раствора. Подбором материала подложки нанодисперсной мишени (работа выхода материала подложки должна быть меньше, чем работа выхода вещества наноостровков) обеспечивается отрицательный заряд НКИ. Таким образом, отрицательный потенциал трубки 6, которым ускоряются положительно заряженные десорбирующие ионы Bi₅ ⁺⁺, является ускоряющим потенциалом для отрицательно заряженных НКИ в ускоряющей трубке 9. Отметим, что в предложенном нами десорбционном устройстве для получения НКИ уже на стадии приготовления нанодисперсной мишени обеспечивается предварительная размерная селекция (~50%).

Длина ускоряющей трубки 9 (~1 м) позволяет осуществлять дополнительную тонкую размерную селекцию НКИ. На входе в ускоряющую трубку 6 предусмотрено устройство прерывания пучка десорбирующих ионов 5 в виде пары отклоняющих пластин, на которые подается импульсное напряжение, формирующее периодические сгустки (банчи) этих ионов. Высоковольтный фильтр 10 на выходе ускоряющей трубки 9 пропускает НКИ в определенном временном окне с учетом сдвига по времени на прохождение НКИ относительно старта банча десорбирующих ионов. Ширина временного окна, определяющая размерный диапазон пропускаемых НКИ, равна длительности банча десорбирующих ионов. После выхода из высоковольтного фильтра 10 НКИ поступают в экспериментальную камеру 11. Работа устройства проходит либо в непрерывном режиме (с предварительной размерной селекцией ~50%), либо в импульсном режиме с дополнительной время-пролетной размерной селекцией НКИ.

Предлагаемое устройство имеет следующие параметры для НКИ золота и углеродной подложки:

1) занимаемая площадь ~20 м²;

2) поток десорбирующих ионов Bi₅ ⁺⁺ с энергией до 400 кэВ - до 10¹² ионов/с;

3) поток нанокластерных ионов в непрерывном режиме до 10⁵-10¹¹ НКИ/с в зависимости от размеров НКИ и вещества с размерной селекцией ~50%;

4) размеры НКИ - до ~30 нм;

5) энергии НКИ в зависимости от размера - до (0.2-4) МэВ (q=1-20 е);

6) ширина размерного распределения при время-пролетной селекции 10-20%.

В результате достигается получение интенсивных пучков ускоренных размерно-селективных металлических и полупроводниковых нанокластерных ионов в широком диапазоне размеров и энергий при малом расходе вещества на установке лабораторного размещения без использования радиоактивных изотопов и дорогостоящих ускорителей МЗИ.

1. Устройство для получения пучков ускоренных нанокластерных ионов (НКИ), включающее источник десорбирующих ионов, нанодисперсную мишень - совокупность изолированных островков вещества со средними размерами в единицы и десятки нанометров на подложке и систему ускорения НКИ, отличающееся тем, что в качестве источника десорбирующих ионов используют комплекс, состоящий из последовательно размещенных жидкостного источника полиатомных ионов, магнитного сепаратора и системы фокусировки и ускорения, обеспечивающий формирование пучка десорбирующих ионов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на входе в ускорительную ступень пучка десорбирующих ионов размещен импульсный переключатель, синхронизирующий работу высоковольтного фильтра на выходе ускорительной ступени НКИ, обеспечивающего размерную селекцию НКИ.