Лабораторное моделирование дистанционного ионного зондирования поверхности Фобоса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

• о УН 9«

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ

На правах рукописи УДК 531.75,629.198.3

ИНАЛ-ИПЛ Адгур Шалвович

ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИСТАНЦИОННОГО ИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ФОБОСА 01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Институте космических исследований АН СССР

кандидат технических наук ЕН.Евланов. ЛФиН^альн^е 9Щ1<?ц?НТЫ;

доктор физико-математических наук Р.Н.Кузьмин кандидат химических наук Л.Ю.Русин

Ведущая организация:

НИИ вакуумной техники им. С.А.Векшинского, г.Москва

Зашита диссертации состоится " ^^ " ¿У1',)'.) 1г.

в /0.3 ОчкС.

на заседании специализированного совета ,,1/и Институте

космических исследований АН СССР по адресу: Москва, Профсоюзная ул., д.84/32.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИКИ АН СССР. Автореферат разослан "_

Ш1 г.

- Ученый секретарь

специализированного совета^'002 94 оЗ . /

кандидат физико-математических наук С с. В.П.Шалимов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТН

Актуальность тс.угм. Проблема происховдсннл Солнечной системы напрямую связана с химическим составом протопланетной туманности. До недавнего времени осношшм "поставщиком" такой информации служил:; каменные метеориты— типа углистых хондригов.

Возможность непосредственных исследования малнх тел Солнечной систем) - комет, астероидов и спутников планет, начало которым было положено запуском пяти космических штиаратов к комете Галдел, в корне изменило ситутмю. 3 ряду важнейших результатов этих миссий выделяется измерение состава пылевой компоненты кометы, позволлтпее, в частности, установить присутствие в ней значительных количеств органических соединений.

Следующим объектом исследований стал один из спутников Марса - Фобос, для изучения которого в 1988 г. были зап)шеии две автоматические станции - Фобос-1 и Фобос-2. Одной из центральных задач миссий было определение состава слагающих Фобос пород. Получение такой информации интересно не только само по себе и не только в связи с тем, что Фобос является представителем ранее не исследовавшегося прямыми методами семейства малых тел, но и в связи с тем, что, по существующим в настоящее время гипотезам, вещество Фобоса сконденсировалось на ранних стадиях образования Солнечной системы, не претерпело с- того времени существенных изменений и отражает состав протопланетной туманности.

о

I ¡¡¡посредственное измерение состава Фобоса позволило бы экспериментально подтвердить или опровергнуть такое представление и пролить свет как на происхождение самого Фобоса, так и на ранние стадии эволюции Солнечной системы.

Основная цель работы - анализ особенностей проведения дистанционного зондирования поверхности Фобоса методом вторично- ионной масс-спсктрометрии (ВИМС) с борта космического аппарата (КА) и оценка влияния "возмушаюших" факторов при проведении эксперимента; разработка методики проведения калибровочных измерений, создание аппаратуры для проведения калибровок и проведение калибровок с целью повышения надежности выполнения измерений состава поверхности и облегчения интерпретации получаемых в полете данных.

Научная новизна. На основе анализа особенностей возмущающих факторов дистанционного ВИМС автором обоснована и разработана методика лабораторной калибровки эксперимента ДИОН, включающая такие фазы, как микромоделироиание и

макромоделирование эксперимента в целом, а также методика проверки масс-спектромстра комплекса ДИОН на функционирование и измерения его характеристик; проведение моделирования. На основе анализа результатов проведенного экспериментального ' моделирования сделан вывод о возможности решения научных задач эксперимента ДИОН- определения элементного состава, гомогенности и гетерогенности поверхности, а также типа материала реголита.

Наущая н практическая значимость работ». Проведенные лабораторные калибровки масс-спектрометра комплекса ДИОН и моделирование эксперимента ДИОН позволили надежно отработать "тактику и стратегию" эксперимента и подтвердить зыссхую вероятность получения научной информации при проведении измерений. Созданный комплекс аппаратур« и методика измерение! могут быть использованы при подготовке будущих миссий по изучению малых тел Солнечной системы. Впервые экспериментально подтверждена возможность применения метода БИМС для анализа объектов, удаленних от диагностической аппаратуры на расстояние до 10 м, что может быть использовано в технологических целях (например, для контроля поверхностных слога при имплантации високоэнергетнчних ионов в материал подлохки. Акт внедрения ИХФ АН СССР от 3.10.90 г).

Нл за;ц?тгу шгносятся: анализ особенностей и "возмущающих" факторов при проведении эксперимента ДИОН на борту К.Л; обоснование и методика макро- и микромоделировання эксперимента ДИОН; методика и результаты проверки комплекса аппаратуры ДИОН на функционирование; разработка и создание аппаратуры для проведения моделирования; результаты моделирования; анализ результатов калибровок эксперимента ДИОН, их расшифровка и подтверждение на этой основе способности комплекса ДИОН полностью решить поставленные задачи.

Апробация шаботы: Материалы диссертационной работы докладывались на Международной конференции КОСПАР XXVII (Хельсинки, 1988г.) ;

Международной конференции по методическим аспектам чсследований Фобоса (Москва, ноябрь 1986г); Международной конференции "Фобос" (Париж, ноябрь 1988г). Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глаз и заключения и списка цитированной литературы. Основной текст изложен на 95 страницах, содержит 27 рисунков и 6 таблиц. Список цитируемой литературы включает в себя 135 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во введении коротко сформулированы основные цели, ^следования малых тел с помощью космических аппаратов (КА) и ix значимость для понпмения механизма сбразовггая и [рсисхоздения Солнечной системы. Основное внимание уделено кспернменту по определению химического н элементного состгиоя использованием дистанционного зондирования поверхности >обоса иошшм пучком (эксперимент ДИОН, проект ФОБОС). )боснована необходимость проведения лабораторного юделирозания эксперимента ДИОП как о.щюго из важнейших тапов подготовки полетных измерений.

Первая глапа содержит литературный обзор данных по Фобосу и [етоднке вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС).

Основные данные о Фобосе, накопленные к настоящему времени по

аземным наблюдениям и с помощью КА "Маринер-9" и

Викинг-1,2", можно свести к следующему. Фобос (как и второй

путник Марса- Деймос) представляет собой неправильной формы

аменное тело с размерами, массой и плотностью, равными

19 3

риблизительно 27x21x19 км, 10 ' г и 2,2 г/см соответственно.

Поверхность Фобоса сформирована под воздействием нтенсивной метеоритной бомбардировки, в результате которой она асышена перекрывающимися кратерами и бороздами и покрыта лоем тонкоразмелъченного материала - реголита, содержащего не злее 2тЗ% метеоритного вешестпа и отражающего состав коренных эрод Фобоса.

Альбедо Фобоса равно 5т6%, что. наряду с кривой спектральногс отражения и низкой плотностью, указывает на сходство с вещество)-углистых хондритов типов С1 и С2, являющихся каменным метеоритами с высоким содержанием летучих соединений.

Прямые измерения состава реголита позволили бы либс подтвердить, либо опровергнуть имеющееся представление с происхождении Фобоса.

Эксперимент ДИОН, нацеленный на решение этой задачи

базируется на широко известной в лабораторной практике методик«

анализа поверхностей твердых тел вторичной иoннof

масс-спектромстрии. Под воздействием ионной бомбардировки

некоторые из прилегающих к поверхности твердого тела атомо!

приобретают составляющие импульсов в перпендикулярном к

поверхности направлении и покидают поверхность. Часть атомо!

ионизована и может быть зарегистрирована. Большинство вторичны*

частиц вылетает из слоя толщиной менее 10 А. Коэффициент

вторичной ионной эмиссии (ВИЭ), равные числу вторичных ионо!

данного типа, приходящихся на одну первичную частицу, меняются

от элемента к элементу и сильно зависят от состава матрицы и

экспериментальных условий, что затрудняет интерпретации:

измерений. Типичные значения коэффициентов ВИЭ элементов и:

_о _з

однокомпонентных мишеней лежат в интервале 10 т 10 .

Типичные энергетические спектры вторичных ионов (ВИ] представляют собой кривые с асимметричным максимумом в области 0 т 15 эВ.

Интенсивность регистрируемого сигнала N. может быть запианз в идс:

NrNnkifiTi

не Nn~n0T0K перв!п:них иопоп, к"!"- абсолютный коэффициент горичной эмиссии изотопа i из данной мзтрици, е.- его энцентрация в образце, 'Г-- эффективная трглемнеен,-: прибора. Процесс измерений усложняется при исследованиях изоляторе:), го связано с необходимостью нейтрализации поверхностного |ряда. Наиболее часто для этой цели используется облучение Зразца потоком низкоэнергетичных электронов. Из рассмотрения большого спектра предложенных теорий, 5ъясняющнх механизм ВИЭ, делается вывод, что восстановление >става мишеней по их масс-спектрам только на основе еретических представлений невозможно; для этого требуется :пользовать эталонные образцы известного состава, т.е. юбходимо провести моделирование эксперимента н создать (блиотеку спектров поедполагаемых аналогов реголита Фобоса. Во второй главе дано описание эксперимента ДИОН, факторов, шлющих на результаты эксперимента, а таххе целей и задач его :бораторного моделирования.

Идея использования ВИМС для дистанционного анализа >верхностей безатмосферных тел Солнечной системы была ервые предложена Р.З.Сагдеевим и Г.Г.Манагадзе з 1984г. Первым ким экспериментом является ЛИОН, суть которого сводится к едуюшему. При сближении КА со спутником Марса до расстояния - 50 м и в продолжение всего времени дрейфа (порядка 20 мин).

поверхность периодически, с интервалом в 5 с облучается потоко!

ионов криптона с энергией 3 кэВ (длительность импульса 1 с

Полный ионный ток составляет 2,5 мА при расходимости первичног

пучка 10°. Плотность нонного тока на поверхности близка —9 2

10 А/см . Выбитые из поверхностного слоя гранул реголита В несут информацию о его составе и анализируются квадрупольны] масс-спектрометром, установленным на борту КА вместе с ионно пушкой. Плотность потока ВИ вблизи КА, в предположении и изотропного разлета, легко оценить из следующего выражения:

Р и 2\ е Ь 1 = 105 * 106 ион/см2с> Ф

где Ьф=50м - расстояние между КА и поверхностью Фобос;

_. _2 _з

1п=ЗмА- полный первичный ионный ток, 1Г~= 10 10 средний коэффициент вторичной эмиссии положительных ионов, е заряд электрона.

Предположив, что основной вклад в поток дают приблизительн двадцать различающихся массами типов ионов, для среднег значения плотности потока, приходящегося на частицы одинаковым М/е, имеем Р = 5-103 -н 5-104 ион/смгс, чт достаточно для измерения существующими масс-спектрометрами относительной «шибкой 1%.

Очевидно, однако, что значение Р в реальном эксперименте мож< значительно отличаться от полученной здесь оценки, что связано рядом существенных отличий эксперимента ЛИОН от лабораторнс БИМС. К факторам, могущим значительно снизить величину 1 следует в первую очередь отнести мелкозернистость грунта Фобос

возможную ошибку в определении потенциалов поверхности, лужа и КА, а также загрязнение поверхности в результате работ двигателей. Возможно также занижение величины к+. В случае, если Фобос действительно сложен из материала, близкого к хондритам или базальтам, большинство породообразующих элементов должно входить в состав сложных окислов. Коэффициент ВИЭ в этом случае превышает использовзнное при оценке значение на 2тЗ порядка.

Серьезной проблемой является влияние ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца на интенсивность фона прибора. Согласно проведенным оценкам, поток отраженных поверхностью Фобоса УФ-фотонов, достигающих узла детектора квадруполыюго масс-спектрометра (КМ), близок к 106 фотон/с, и без специальных мер подавления УФ-излучения полезный сигнал может быть полностью подавлен фоном.

Часть поставленных вопросов, таких, как транспортировка и (

нейтрализация первичного пучка, влияние возникающих при этом электрических полей на траектории вторичных ионоз, а следовательно и саму возможность использования метода ВИМС для анализа удаленных объектов, может быть решена только в условиях полномасштабного моделирования эксперимента ЛИОН. Однахо многие проблемы могут бить решены и более простыми средствами в ходе микромоделирования и калибровок масс-спектрометра с использованием ионных пучков, имитирующих потоки ВИ.

В ходе микромоделирования било необходимо удостовериться в способности прототипа будущего полетного масс-спектрометра надежно регистрировать масс-спектры ВИ проводников и диэлектриков при соблюдении критериев подобия с полетным экспериментом; оценить чувствительность, разрешение, динамический диапазон прибора при регистрации ВИ и зависимость этих параметров от условий измерений, в частности, от величины плотности первичного ионного тока и степени компенсации поверхностного заряда и на основе полученных результатов, выработать рекомендации для создания полетного прибора; попытаться оценить абсолютные и относительные коэффициенты ВИЭ и энергетические распределения элементов из различных матриц, в частности, из аналогов грунта Фобоса; оценить влияние микрорельефа образцов на выход ВИ. Получение качественных спектров аналогов грунта Фобоса подтвердили бы, также возможность создания библиотеки спектров, необходимой для интерпретации результатов полетных измерений.

Калибровки масс-спектрометра с использованием ионных пучков с заданными характеристиками позволяют более точно определить такие параметры прибора, как чувствительность, разрешение, динамический Диапазон, функцию энергетического пропускания и установить оптимальные режимы работы. В ходе калибровок апробируются вносимые в прибор конструктивные изменения и выносятся заключения о необходимости совершенствования тех или иных его систем. Сюда же следует отнести и моделирование воздействия потоков УФ-излечения на работу прибора, в процессе

которого проверяются разработанные средства зашиты.

О целях макромоделирования ухе коротко говорилось. Впервые в мировой практике предстояло получить масс-спектры проводящих и диэлектрических мишеней, удаленных от диагностической аппаратуры на расстояние порядка 10 метров. При этом решалась задача определения оптимальной степени компенсации не только поверхностного заряда мишеней, но и объемного заряда первичного пучка, тах как наличие в системе даже слабых электрических полей, практически не влияющих на транспортировку самого первичного пучка, может сыграть решающую роль в экспериментах, связанных с регистрацией ВИ, энергии которых на 2*3 порядка ниже энергии первичных ионов. Другими задачами калибровки были снятие энергетических характеристик ВИ, определение чувствительности и разрешения прибора в условиях регистрации ВИ.

Таким образом, во второй главе определен перечень эффектов, влияющих на ВИМС в условиях проведения эксперимента с реальным космическим телом с борта КА. Проведена оценка параметров влияния и намечен круг экспериментов для моделирования этих эффектов.

В третьей главе дано краткое описание бортового источника первичных ионов, разработанного и изготовленного специалистами Франции. Этот источник имеет следующие параметры: масса - 50кг, энергопотребление - 50Вт, энергия ионов - ЗкВ, полный ионный ток - 2.5 мА, угол расходимости пучка при оптимальной нейтрализации заряда - 10°, рабочая частота ионизатора - 700 МГц, запас рабочего газа (Кг+) - 0,5 л при давлении 30 бар.

На основании результатов полученных в главах 2 и 3, делается вывод о том, что в качестве масс-анализатора можно использовать только прибор с максимальной входной диафрагмой, высокой трансмиссией, со скоростью сканирования до 60 массовых линий в 1с, с возможностью регистрации ионов в диапазоне разброса их энергии до 5 В, с направлениями прилета до 10° к оси прибора, при этом должно сохраняться высокое разрешение прибора по массовым линиям. На основании сравнительного анализа комплекса требований к масс-спектрометру с характеристиками магнитных, радиочастотных, время-пролетных и квадрупольных делается вывод о преимуществах последнего для использования в космическом эксперименте ДИОН. Дается рекомендация о размере входной

о

диафрагмы масс-спектрометра (не менее 1см ) и специфическом режиме сканирования с пропуском неинформативных участков спектра для получения минимальной статистической погрешности.

С целью упрощения дальнейшего изложения при определении трансмиссии прибора приводятся основные положения теории квадрупольного фильтра. Подробно рассматривается теория и методика вычисления трансмиссии квадрупольного фильтра. Результат вычисления зависимости трансмиссии для масс-спектрометра Фортрон в случае ионов массовой линии 25 с энергией 10 эВ при разрешении 50 от угла влета ионов приведен на рис.1. Зависимость трансмиссии, усредненной по полярному углу и начальной фазе, от угла влета для аналогичных условий показана на рис.2.

Приводится кратко? описание параметров и конструкции !борзторнсго млсс-спектрометра, который использовался а :спериме»гтах. Более подробно приведены ссобешгости бортового 1сс-спектрометра и его параметры. На рнс.З показана :спгркм;нталыю снятал фикция пропускания бортовсто прибора ж трех значениях энергии регистрируемого потока ионов з енснмссти от собственного электрического потенциала '.сс-спектрометра для обоих канальных умножителей (КЭУ-Л и ЗУ-В). Дано краткое описание алгоритма работы эксперимента на )рту космического аппарата.

й четвертей глзг? приведено описание экспериментальных тановок, на которых проводилось моделирование эксперимента ИОН и его отде/тыых элементов, а также калибровка приборов >мплекса ДИОН. Приведены основные характеристики установок и >но описание их основных узлов.

На начальном этапе работ для экспериментального

>дтперздения возможности получения положительных

¡зультатов было проведено микромоделиросага« эксперимента

ИОН. Основные условия михромоделирог.гция - подобие

—О о

ютности тока первичного пучка (10 Л/см") н характер ¡пользуемых мишеней.

Эксперименты проводились в вакуумной камере объёмом 30л при авленин 10 торр, схема эксперимента показана на рис.4. зпользовались мишени из следующих материалов: магний, 1юминий, фторопласт-1, порошок алюминия, порошок корунда, лиф метеорита Алленде. Ионный источник в данном случае

и

загрязнял мишень испарениями с катода и его пришло;

модифицировать к ьиду, показанному на рис.5. На этом хе рнсуш

показан нейтрализатор заряда, необходимый в случае непроводяиц

или изолированных мишеней.

Проверка отдзлышх узлов и параметров бортово!

масс-спектрометра проводилась на установке, имитирующей поте!

3

вторичных ионов (рис.б). Объём камеры 1.5 м , давление в каме: до 1(Г^торр, расстожше источник ионоа- анализатор 1,5; Параметры пучка ионов: плотность ионного тока на вхо,

п —17 О

масс-снектрометра от 10 до 10 Л/см (регулировка плотное тока производилась изменением давления в камере и тска ионизаш источника ионоа), расходимость пучка не более 15°, энергетическ! разброс отдельных ионов в пучке не более 2В, диапазон среди энергии ионов пучка от 5 до 30 эВ. На этой же камере после заме! источника ионов на источник УФ-излучения проверялось качест защиты узла детектора вторичных ионов в масс-спектрометре.

Моделирование эксперимента ДИОН с прототипами бортов1 приборов (ионная пушка и масс-спектрометр) проводилось камере рис.7. В камере имелась возможность поворота мишени , угла 90°. Проверялось предположение об изотропности рассеян вторичных ионов. Предположение подтвердилось в диапазоне утл 0.-30°; при больших углах первичный пучок попадал на стен камеры и в результате спектр вторичных ионов искажал!

3

Параметры камеры: объём 5м , давление при работе ионной пуш ухудшалось до 1*10 ' торр (при отсутствии напуска газа в ионн источник давление 1*10~'торр), расстояние до мишени - 1.?

расстояние между масс-спектрометром и ионной пушкой - 50см. В процессе моделирования был зарегистрирован сильный фон отраженного от стенок камеры УФ-излучения, который исходил из области ионизации пушки, что потребовало доработку конструкции узла детектора в масс-спектрометре. Был проверен узел пушки для компенсации заряда на изолированных и непроводящих мишенях и отработана процедура поиска оптимального тока накала катод! нейтрализации.

Макромоделирование проводилось на большой вакуумной камере в Тулузе (рис.8). Геометрия и основные факторы эксперимента били максимально приближены к реальным условиям в космосе. Расстояние от пушки до масс-спектрометра было 2м, расстояние до мишени - 6м, давление в камере не хуже 5*10~^торр; использовался птейюатор первичного пучка для ослабления плотности ионного гока в 10 и 100 раз; использовались источники шумоаого юздействия в виде ламп УФ-излучения и источник тепловой плазмы Сауфмана. Измерения проводились как при электрическом юединении приборов и мишеней со стенками камеры,так и при 130ЛЯНМИ с целью создания "плавающих" потенциалов на приборах и лпиени для проверки качества нейтрализации потенциалов пучка, ппарата и мишени.

В пятой главе в параграфе 5.1. описывается микромоделирование кспериментз ДИОИ с использованием различных мишеней: роводников, диэлектриков, аналога грунта Фобоса-метеорита шленде. Лается оценка чувствительности КМ. Показано влияние ейтрализакии поверхностного потенциала на масс смек!ри и

влияние пористости структуры мишени на вторичную ионную эмиссию. Проведенное микромоделирование позволяет сделать следующие выводы:

- при плотностях тока первичного пучка ионов (Не, Аг, Кг, Хе),

о п ^

характерных для дистанционного зондирования (10 -10 А/см), при энергии 1-2 кэВ и расстоянии мишень - масс-спектрометр в16 см, надежно регистрируются статистически достоверные спектры ВИ из металлических А1) и диэлектрических (фторопласт)

мишеней;

- проведенные измерения позволяют заключить, что лабораторный квадрупольный масс-спектрометр может быть использован как прототип для проведения эксперимента ЛИОН. Значительное повышение чувствительности КМ может быть достигнуто путем увеличения диаметра стержней анализатора и применения системы сбора ионов;

подтверждена необходимость выбора оптимальной нейтрализации поверхностного заряда диэлектрических мишеней. Неоптимальная нейтрализация приводит к дискриминации по массам в спектрах вторичных ионов;

_о —О *}

- при плотностях тока первичного пучка 10 -10 А/см отсутствует ибнное травление исследуемой мишени, поэтом} поверхностные загрязнения определяют не только массовый состав но и выход ВИ. В этом случае возникает необходимость учетг влияния работы двигателей ориентации К А на ле| ралааик поверхности Фобоса;

- получены масс-спектры аналога грунта Фобоса ккчеорип

Альенде (рис. 9) при различных степенях хомпгиеаки поверхностного заряда г.аниеии. Проведена стиха коэффициентов ВИЭ для Л1, Mg, Са, Si; при этом выход попов сказался выше по сравнению с мишенями из простого всгагстза;

- при имитации структуры поверхности Фобоса порошками Л1 м Л1203 оказалось, что пористость мишени не влияет на выход вторичных ионов при размера зерен аЮмкм, откуда следует, что при проведении опенок чувствительности эксперимента ЛИОН эффект пористости поверхности Фобоса, по-видимому, несущественен.

В параграфе 5.2 описывается лабораторное моделирование частных условий космического пространства с примене!г.!ем ¡¡окних пучков малых энергий для градуировки детектора и анализатора прибора ФОРТРОН. Основные результаты выполненного моделнр ования следующие:

- использование моноэнергетических пучков конов малой энергии (2-20 эВ) для калибровки детехторов полетного масс-спектрометра позволило установить коэффициент усиления канальных умножителей, предельную скорость счета для ионов Н2, Ng, Лг, Ne, Cog и на основе полученных данных выбрать оптимальный уровень дискриминации предусилителя и необходимый уровень высокого напряжения КЭУ;

- имитация потока вторичных ионов моноэнергетичным пучком позволила установить энергетическую функцию пропускания масс-спектрометра и, соответственно, чувствительность для разного сорта ионов (рис. 3);

- лабораторное моделирование потока УФ - излучения Солнца

дало возг/.озаюсть выбрать оптимальную конструкция детектора

о

анализатора, позволяющую подавлять фоновую засветку в 10 раз

(до уровня Мф=10 1/сек).

Полномасштабное моделирование эксперимента ЛИОН,

описываемое в параграфе 5.3, осуществлялось на спгциальних

установках ЖИ АН СССР (объем 150м3); Ы'ЙЕ (Юм3) и КНЕС

(1000м3) Франции.

В ИКИ АН СССР эксперименты выполнены на специализированной

установке ЖИ АН СССР (рис.10) с использованием сильноточного

плазменного источника Кауфмана (ток ионов ксенона ЗОмА, энергия

1,5кэВ), макета полетного масс-спектрометра и мишенн

о

размером 1,5*1,5м ) проведены измерения потоков вторичных ионов при расстояниях мишень - масс-спектрометр 5-10м. В данных измерениях выбор тока нейтрализации осуществлялся по результатам измерения потещиала электрически изолированной магниевой мишени и тока вторичных ионов. Оптимальный ток нейтрализации в этом случае соответствовал потенциалу мишени к -5В. При этом в спектрах вторичных попов практически отсутствуют примеси (рис.11 А). Уменьшение тока нейтрализации приводит к увеличению раЬходимости первичного пучка и уменьшению тока вторичных ионов (рис.11 Б) мишени и, соответственно, появлению массовых пиков примесей, выделяющихся из стенок камеры (вода, углеводороды, алюминий и т.д.). Ток вторичных ионоп из мишени пропорционален току первичного пучка в диапазоне 5-ЗОмА при оптимальной нейтрализации. Т.е. потенциал первичного пучка

определяемый объемным зарядом, г.-с^-лестксне«!. Тж;м сбрисм, ккспернмгнгзлыю подтверждена возможность ссдаестэления оптимальней нейтрализации не только заряда ¡^¡шенн, но и пучка при транспортировке его на расстояние «Юм. При токах до ЗОмЛ, Ток вторичных ионов мишени обратно пропорционален квадрату расстояния мишень - кпадруполммй масс-слсктрометр в диапазоне 5-10м, т.е. распределение вторичных ионов близко к косинусоидалъному в пределах угла 15°. Оценки величины токов вторичных ионов позволили подтвердить возможность использования масс-спектрометра такого типа при удаленна мишени на расстояния и50м. Имитация влияния работа двигателей ориентации на загрязнение поверхности Фобоса производилась напуском аммиака N11^ (продукта распада топлива гидрозина) в камеру. Экспериментально показано, что молекулы N11^, сорбировавшиеся на поверхности предварительно очищенной мишени, не дают вклада в спектр вторичных ионов. Это дает основание считать, что загрязнение поверхности Фобоса при проведении эксперимента несущественно.

Моделирование эксперимента ДИОН в камере ЬРСЕ (Франция) с ионным источником СИГПТИ и макетом полетного масс-спектрометра позволило оценить чувствительность метода при

расстоянии от мишени до Ласс-спектрометра Зм и плотностях тока

9 2 2 2

8*10- А/см . Эффективная апертура КМ составляла 5*10- см , что

совпадало с результатами микромоделирования. В полученных

масс-спектрах вторичных ионов от проводящих мишеней (А1,М^)

энергетическое распределение основных элементоя мишени

значительно шире и сдвинуто в сторону больших энергий, чем у примесей и загрязнении, т.е. энергетическая селекция позволяет отделить ионы основного материала от загрязнений. Измерения продемонстрировали сильную зависимость ВП спектров тефлона от степени нейтрализации потенциала пучка и мишени, также связанную с различием в энергетическом распределении ионов различного

N

происхоздения. Максимальный выход основных ионов из мишени наблюдается при оптимальных токах нейтрализации, соответствующих отсутствию поверхностного потенциала поверхности мишени. Это подтверждено экспериментами с электрически проводящими изолированными мишенями, причём оптимальный ток нейтрализации зависит от давления нейтрального газа в камере и возрастает с ростом давления.

Полноразмерное моделирование эксперимента ДИОП проводилось с использованием лётных приборов СИППИ, ФОРТРОН (комплекс ДИОН) и прибора ЛПВ-Ф в большой имитационной камере КНЕС (Франция, Тулуза). Поскольку плазменно-волновой эксперимент АПВ-Ф участвует в натурном эксперименте ФОБОС и предназначен для измерения потенциала космической плазмы и потенциала корабля, то проведение измерения дало возможность в лабораторных условиях отработать ецгнарнй полётного эксперимента.

Условия эксперимента в камере позволяли имитировать плавающие потенциалы мишени и КА под воздействием первичного ионного гтучка и внешних источников (УФ-излученнг и низкотемпературная плазма), качество транспортировки первичного

пучка на расстоянии бм. Поскольку поток вторичных ионов от мишени определяется не только материалом, но и перечисленными выше факторами, то калибровка давала реальную возможность определить оптимальные релгимы работы комплекса приборов и чувствительность всего эксперимента.

С течение эксперимента были получены около 1000 спектров вторичных ионов от чистой магниевой и базальтовой мишеней при токах первичного пучка криптона ЗмА (100%), О.ЗмА (10%), О.ОЗмА (1%), что соответствует расстояниям КА-поверхность ФОБОСА в диапазоне от 5м до 50м (рис.12).

Суммированы основные результаты проведённой

экспериментальной работы.Ток нейтрализации первичного пучка выбирался из условия поддержания плавающего потенциала КЛ в диапазоне +(0...5)В, проводящей мишени (М{>}~при отсутствии УФ-иэлучения мину:(0...10)В, при наличии УФ-иэлучення минус(0...3)В. При таком токе нейтрализации поток вторичных ионов (1^), регистрируемый масс-спектрометром, достигает максимального значения н пропорционален току первич>гых ионов (рис.13 А). Т.о. потенциал первичного пучка, определяемый объёмным зарядом, незначителен.

Для базальтовой мишени регистрируемый поток вторичных ионов пропорционален току первичного пучка в диапазоне от 0,ЗмА до ЗмА. В диапазоне от 0,03мА до 0,ЗмА эта зависимость меняется (рис.13 Б). Т.е. имеется полная компенсация поверхностного заряда базальтовой мишени при минимальных токах первичного пучка до О,03мА.

В реальных условиях поверхностный потенциал ФОБОСА будет определяться потоком солнечного УФ-излучения и не будет зависеть от тока первичного пучка, поскольку плотность тока будет в 100 раз ниже, чем при калибровке. Поэтому можно утверждать, что применяемая методика нейтрализации ззряда первичного ионного пучка обеспечит оптимальную транспортировку ионов благодаря малой расходимости пучка при низком и достаточно стабильном потенциале КА.

Энергетическое распределение вторичных ионов, определенное методом сканирования задерживающего потенциала от масс-спектрометра, зависит от степени нейтрализации первичного пучка ионов." При неполной нейтрализации средняя энергия вторичных ионов может достигать (в случае базальтовой и плавающей проводящей мишени Мб) больших величин. Перенейтрализация приводит к уменьшению средней энергии ионов. В случае оптимальной нейтрализации энергетический спектр ионов из базальта (средняя энергия ЮэВ) близок к спектру из проводящих мишеней. Ионы примеси (например, ^О^, Н^О+) имеют среднюю энергию 1-2эВ, т.е. энергетическая селекция позволяет осуществлять регистрацию только ионов мишени (рис.12 А Б). Таким образом, в полетном эксперименте можно подавлять выбором оптимального потенциала стержней фоновые ноны, возникающие из-за ионизации первичным пучком и УФ солнечного излучения нейтральной атмосферы вблизи КА.

Измерения при токе первичного пучка 0,03мА (эффективное расстояние анализа 50м) с базальтовой мишенью при оптимальном токе нейтрализации позволили подтвердить эффективность лит

собирающей систем«. При техих оттги . V -»¡¡их потенциалах эффективность сбора ионов уаелич.чзоется п 10 раз для каждой массовой линии, т.е. нет дискриминации по мясссм, связанной с раз лтигш энергетического спектра разлит гн.ч химических элементов.

11а основе получениях данных с учётом итзрлтноД функции прибора ФОРТРОН (нз калибровок с монознерпг-пп»-.:;« нонгами пучками) и состава базальта, измеренного химическим методом, определены коэффициенты вторичной эмиссии для ионов (Иа, М.ц, 81, Л1).

Значения коэффициентов вторичной эмиссии для этого минерала оказались значительно выше заложенных в первоначальную оценку эффективности метода. Исходя из состава базальта данного сорта, определенного химическим методом, получается что чувствительность метода позволяет определить до 0,1% (атомные проценты) лития при зондировании с расстояния 50м. Динамический диапазон масс-спектрометра, определенный по суммированным

к

спектрам ВИ базальта, составляет не менее 10 (рис. 14, 15). Суммирование полученных спектров позволило определить изотопные отношения для ряда элементов. Знаюге изотопных отношений в геологии позволяет определять возраст слагающих пород и характер физико-химических процессов, протекавших в породах ФОБОСА в ходе его формирования.

Ошибки в определении изотопных отношений при данном методе измерений связаны с образованием молекулярных ионов типа "магалл-водород". Эги ошибки могуг бить уменьшены унергс 1 ическои селекцией и набором достаточной статистики.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Ня основе анализа физических факторов, определяющих го1мо:хлость проведения а;:спсрнмеита по дистанционному изучению состаза Фобоса с помощью вторично-иопней мгсс-спгктромгтрни, выбрана н обоснована методика лабораторного микро-н махромодглирозашш датого метода и осуществлена калибровка прибора.

2. Разработана экспериментальная аппаратура для проведения мжромоделирова!б1л БИМС, включающая: вакуумную камеру, ионные источник», нейтрализаторы.

3. С помошью микромоделирования показана реальная возмо>хность проведения и сделана оценка чувствительности анализа массового состава металлов, полупроводников и изоляторов при малой плотности тока первичного ионного пучка, характерной для дистанционного ВИМСа.

4. По данным микромоделирования определены требования к полетному масс-спектрометру ФОРТРОН и системе инжекюш первичного пучка. Произведен расчет трансмиссии квадрупольного фильтра.

5. Предложена и реализована методика калибровки полетного масс-спектрометра ФОРТРОН с использованием моноэнерюических ионных пучков низких энергий, позволившая определит» параметры и отработать режимы работы прибора.

6. Предложена и реализована методика полпоразмерного моделирования эксперимента в больших вакуумных камерах с

имитацией условий работы вблизи поверхности Фобоса. Такое моделирование позволило изучить условия транспортировки пучка первичных ионов на необходимые расстояния (порядка 50 м), определить оптимальный ток нейтрализации, потенциал объекта и заряд на поверхности Фобоса, используя мишени - аналоги грунта.

7. В результате полноразмерного моделирования определена реальная чувствительность метода анализа состава поверхности методом ВИМС и аналитические характеристики масс-спектрометра.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. К.Г.Белоусов, Е.Н.Евланов, Б.В.Зубков, Ю. В. Лебедев,

A.Ш.Инал-Ипа, С.Н.Подколзин. Квадрупольный масс-спектрометр для пучковых измерений. Препринт ИКИ АН СССР, Пр-1162, 1986, 2.4с.

2. Е.Н.Евланов, БДЗубков, А.Ш.Инал-Ипа. Вторичная ионная эмиссия аналогов грунта Фобоса.-Препринт ИКИ АН СССР, Пр-1299, 1987, 25с.

3. Е.Н.Евланов, Б,В,Зубков, А.Ш.Инал-Ипа. Лабораторное моделирование эксперимента ЛИОН.-Препринт ИКИ АН СССР, Пр-125.1, 1987. 21с.

I. К.Г.Белоусов, Е.Н.Евланов, Б,В,Зубков, А.Ш.Инал-Ипа,

B.Л.Кочнев, Г.Г.Манагалзе, С.Н.Подколзин, В.Н.Хромон, М.Хшелин. Квалруполышй масс-спектрометр в эксьерименк-ЛИОН Препринт ИКИ АН СССР, Ир 1<).г>8, 1990, 29с.

5. Hamelin M., Balebanov V.M., Evlanov E.N., Sagdeev R.Z., Zubkov B.V., Inal-Ipa A.Sh., at al. SIMS Remote Analisys of the Phobos Surface: the DION Experiment.- COSPAR XXVII, 1988, Ilelsinky.

6. Сагдеев P.3., Хамелин M., Балебанов В.М., Евланов Е.Н., Зубков Б.В., Инал-Ипа А.Ш., и др. Эксперимент ДИОН: предварительные результаты исследования минералогических образцов методом вторично-ионной масс- спектрометрии- ФОБОС. Научно-методологические аспекты исследований. Труды международной конференции 24-28 »юября 1986г., Москва.

7. Evlanov E.N., Belousov K.G., Hamelin М., Ittal—1|>а. A.Sh., Khroinov V.N., Kotchnev V.A., Managadze G.G., Podkolzin S.N., Zubkov B.V.- A Quadrupole Mass-Spectrometer for Reniote SIMS Analysis of Small Bodies of the Solar System: the FORTRON Instrument in the DION-Pliobos Experiment.- Rev.Sci.lnstr. в печати.

8. Буринская T.M., К.Г.Белоусов, Е.Н.Евланов, Б,В,Зубков, А.Ш.Инал-Ипа и др.-Вдияние электрических полей первичного ионного пучка на транспортировку вторичных ионов,- Физика плазмы, 1990, Т.16, в.6, с.1068-1078.

Pltr 2 Пл МИГИ МОСТ». угрРЛНРПИоЛ Tin мпмярпому угпу К ППЧПШ но фп.«" i р n i if м I г г г- il î г KM or vi лп n/t^m м'Чгом и .Hiii;<!:.in i мр

о.4 . Схема экспериментам troff установки:: I - катод; 2 ~ сет~ ка; 3 - ионизатор; t - вытягивапаая сетка;- 5 - мишень;, 6 - сетка вытягивания. ВЙ; 7 - Корпус^ источника

I

'не.5 Источник с экранировании«, катодом: 1. - iiiyv.;-эатор; 2 - катод;: 5> - сетка;; '(•. — катод нейтрализатора;- 5"' — вытягивялвдяа с^тка. Нейтрализатора

Рис 7 Схема измерений в вакуумной кпмере ЛИСИ

{'ис. Ö Вакуумная каморп Ш1КС

й3

Ка А1 91

Ее

Ка

А1

К Са

е »1

Ы\д

20 30 40 М, в.е.и.

Рис.9. Масс-спектры положительной ВИЗ метеорита Алленде при разной степени компенсации заряда поверхности

А.

Спектр пторичиых ионов из магниевой мишени. Устаноька ИКИ Л11 СССР. Расстояние мишень - масс-спзктроиетр Юм. А - оптимальная нзйтрали-аацип пучка. Б - неполная нейтрализация пучка.

ЕЖ ВШШЛШ и Г' !

И -9 . (| 1 {

Шг1?

15119113

|ш

115*

Л.

5

_9

<«)»1р

15:33:1? *гг-ЭЗ-1Ш 1'«

10К

я

4К

К

Г

Б.

и

........ ' Ч'"'' ■ 11 ,,,,

РиоЛй

Типичные спектры вторичных ионов из базальтовой ииявии. Эффективное расстояние 50м. Л - потенций* стерясней -Ад. Б - потенция* стержней ОБ.

1%. 10% 100% 0.03 0.3 3 ма

Рис. 13"'

Зависимость числа вторичных ионов, регистрируемых масс-спектрометром от тока первичного пучка. А - мишень металлический магний: ионы 3 - мишень базальт: ионы ссЦ\1-"г

а'''А Г"

Чнгпо спектров 20t Mnpt-20- 1991

П 'lut мо спектром 20 »

Морг-20- 109»

1 22 з : i i 25

Рис Г4*

А СуимпрнмО < лк-ктр пторимных tmiccn ия fin :т ns.ro по rt uiküpiik et ir к троп 2<)i fî - Мп/милй г hp vip

J q 1 # 5 о -«-»• »x'iX оо

CD?

0.1 ЗИ »Л, ä-ьсз с: =1

tH

№

s

-v.

■laacaEtassaHrg.iiaiäJ.

О"

PhoJQ .СукэдркиЯ спахтр от базальтовой икпани