2. 2. Сверхзвуковое истечение газов из сопла.
Молекулярные пучки большой интенсивности (1016 ? 1018) частиц/см2сек и с более низкой температурой по сравнению с эффузионными источниками можно получить при сверхзвуковом истечении газа из сопла. Образовавшийся в источнике относительно плотный горячий пар вещества термостатируется в камере торможения. где поддерживается давление р0 и температура Т0, и выпускается через сопло с отверстием диаметром меньше 1 мм в вакуум или буферный газ, образуя расширяющийся пучок частиц с малым углом расхождения (рис. 4). Здесь 1 – камера торможения, 2 – нагреватель, 3 – сопло, 4 – поток горячего газа или пара, 5 – подложка.
Хаотическая тепловая энергия частиц пара в камере торможения трансформируется в направленную кинетическую энергию сверхзвукового потока. Сформировавшийся пучок движется в направлении от плоского среза сопла к подложке и расширяется, что приводит к его охлаждению. В результате газ превращается в пересыщенный пар, внутри которого зарождаются кластеры, содержащие от двух до 106 атомов.
Меняя время пребывания потока от зоны охлаждения до отверстия можно изменять размеры кластеров. Полученные описанным методом частицы Cu, Bi, Ag и некоторых др. металлов при использовании в качестве буферных газов гелия, аргона, CO2 имели размеры от 2,5 до 9,5 нм с узким распределением по размерам.
Для испарения металлов используются различные способы нагрева. Для щелочных и некоторых переходных металлов с относительно низкими температурами плавления или возгонки используется резистивный нагрев. Для более тугоплавких металлов – лазерное испарение.
Дополнительная ионизация пучка расширяющегося газа электронными пучками приводит к возможности дополнительного ускорения заряженных кластерных ионов внешним электрическим полем и изменять траекторию движения кластерного пучка.
2. 3. Ударные волны.
Кластеры металлов можно получать и в ударных трубах. Образуются они в результате высокотемпературного распада металлсодержащих соединений, таких как, например, Fe(CO)5, Pb(CH3)4, Bi(CH3)3 и др.
Ударная труба представляет собой длинную стальную трубу диаметром от нескольких до десятков см. и длиной до десяти и более метров, состоящую из двух неравных по размеру камер. В камеру высокого давления нагнетается рабочий газ (гелий, аргон или смесь гелия с азотом) до нескольких сот атмосфер. Более длинная камера низкого давления (большего объема) (рис. 5) заполняется смесью паров металлорганического соединения (0,1 – 2,0 мол.%) с аргоном (Р = 1 ? 10 кПа). Камера низкого давления отделена от камеры высокого давления диафрагмой из алюминиевой фольги, которая в нужный момент разрывается. При этом сжатый рабочий газ, расширяясь, устремляется в камеру низкого давления, создавая ударную волну. В фронте ударной волны развивается температура 1000 – 2000К. Металлосодержащие газы за счет этого разлагаются в течение нескольких микросекунд с образованием свободных атомов металла. Последние образуют пересыщенный пар с высокой степенью пересыщения, который способен быстро конденсироваться.
Естественно, что область веществ, которые можно исследовать рассмотренным методом, простирается лишь на металлсодержащие соединения с заметной упругостью паров.