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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Е. Д. Деринг

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

Author for correspondence.
Email: e.dering@g.nsu.ru
Russian Federation, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2

К. А. Дубровин

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

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

А. Е. Зарвин

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

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

В. В. Каляда

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

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

В. Э. Художитков

Новосибирский национальный исследовательский государственный университет

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

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Visualization of a supersonic argon jet flowing from a sonic (a) and supersonic (b, c) nozzle in the absence (a, b) and developed condensation conditions in the flow (c).

Download (83KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Schematic representation of the measuring section of the LAMPUS-2 setup: 1 – prechamber with nozzle, 2 – expansion chamber, 3 – skimmer, 4 – post-skimmer section, 5 – leakage system, 6 – collimator, 7 – detector section, 8 – mass spectrometer sensor, 9 – supersonic flow, 10 – molecular beam, 11–14 – vacuum pumping system (11 – cryogenic, 12 – turbomolecular, 13 – hetero-ionic and 14 – forevacuum pumps), 15 – working gas, 16 – added background gas.

Download (125KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Comparison of the relative intensity of the signal recorded by the mass spectrometer for argon atoms in the case of using residual (1) and other (2) gases as scattering agents.

Download (33KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. The proportion of argon (working gas) (1) and carbon dioxide (external background gas) (2) in the volume of the post-skimmer section. Initial parameters: P0 = 1∙104 Pa, P∞ = 0.27 Pa, X = 0.03 m, nozzle No. 2 (Table 1).

Download (43KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Measurement results obtained during scattering of a molecular beam of N2 on Ar atoms (a) and Ar on CO2 molecules (b). Initial parameters: a – P0 = 50 kPa, P∞ = 0.75 Pa, nozzle–skimmer distance X = 40 mm, nozzle No. 1 (Table 1); b – P0 = 25 kPa, P∞ = 1.09 Pa, X = 50 mm, nozzle No. 2 (Table 1).

Download (63KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependence of the relative amplitude of the signal recorded by the mass spectrometer for small-sized argon clusters (Ar1 (1), Ar2 (2) and Ar3 (3)), when scattered by CO2: a – mode 5.2, b – mode 5.6 (Table 2).

Download (96KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the scattering cross-section of argon atoms on the average size of clusters in the flow for nozzles of different configurations (Table 1).

Download (29KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences