Прибор для регистрации элементного состава газов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ
|
Родин, Дмитрий Владимирович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Самара
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
005536987
На права^. рукописи
Родин Дмитрий Владимирович
Прибор для регистрации элементного состава газов
01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
7 НОЯ 2013
САМАРА 2013 г.
005536987
Работа выполнена на кафедре радиотехники и медицинских диагностических систем федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)".
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сёмкин Николай Данилович.
Официальные оппоненты:
Скворцов Борис Владимирович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетногое образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)", кафедра электротехники, профессор.
Стеблев Юрий Иванович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет", кафедра автоматизации и управления технологическими процессами, профессор.
Ведущая организация:
федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс».
Защита состоится "4" декабря 2013г. в И) часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.01, созданного на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.
Автореферат разослан" 29 " 10 2013г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор
Шахов
Общая характеристика работы
В диссертации рассматриваются методы расчета нелинейного распределения потенциала, позволяющие получать изохронные траектории ионных пакетов для случаев с энергетическим разбросом и ионизацией на протяженном участке, моделируется разлёт и сбор ионов в различных конструкциях приборов, а также приводятся экспериментальные результаты проверки модели.
Актуальность проблемы
Времяпролётные масс-спектрометрические приборы находят широкое применение не только в земных, но и в космических условиях. С этой целью на орбиту выводятся исследовательские космические аппараты, оборудованные соответствующей аппаратурой. В текущее время все больший интерес также проявляется к малым космическим аппаратам (МКА), позволяющим значительно понизить стоимость проведения космических экспериментов. Такие МКА предъявляют высокие требования к массо-габаритным и энергетическим характеристикам приборов, установленных на них. Времяпролетные масс-спектрометры обладают высокой разрешающей способностью и высокой чувствительностью при сохранении малых габаритов и веса. Перспективным направлением улучшения характеристик масс-спектрометрических приборов является использование нелинейных в пространстве электрических полей, создаваемых в выталкивающем (ускоряющем) промежутке и других областях (тормозящий или отражающий участок). Основной вклад в создание приборов для космических исследований внесли отечественные ученые Сысоев A.A., Каратаев В.И., Мамырин Б. А., Явор М.И., а также зарубежные - Kaufinann R., SramaR. и др.
Работа выполнена в рамках договора с ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" (г. Самара) и по программе АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы".
Целью диссертациошюй работы является создание малогабаритного газового времяпролётного масс-спектрометрического прибора с высокой разрешающей способностью для исследования состава собственной внешней атмосферы КА, а также физико-химических процессов при взаимодействии лазерного излучения с веществом.
Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:
1. Получение зависимости, описывающей нелинейное распределение потенциалов выталкивающего промежутка, обеспечивающего фокусировку ионов, вытянутых из протяженной области ионизации, в широком диапазоне начальных координат ионизации.
2. Получение зависимости, описывающей нелинейное распределите потенциалов ионного зеркала, обеспечивающего фокусировку ионов по энергиям в широком диапазоне начальных энергетических разбросов.
3. Проведение теоретического и экспериментального исследования процессов фокусировки, разлета и сбора ионов в тракте масс-спектрометрического анализатора с нелипейным выталкивающим промежутком и нелинейным ионным зеркалом.
4. Разработка методики настройки электростатического отражателя с нелинейным распределением осевого потенциала, обеспечивающего компенсацию временного разброса массовых пиков, для диапазона начальных энергай ионов, составляющего 100% от ускоряющего потенциала.
5. Разработка конструкции бортового прибора на основе газового масс-спектрометра с разрешением не менее 350 в диапазоне масс химических элементов от 1 до 100 а.е.м., массой до 3 кг, габаритными размерами не более 280 х 235 х 265 мм с учетом трубки забора пробы, энергопотреблением не более 5 Вт (во время анализа) и методики обработки информации.
Методы исследования базируются на использовании теоретических положений электростатики, электродинамики, теории кинетики, дифференциального и интегрального исчислений, численных методов.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами расчётов, основанных на уравнениях движения, численных методах моделирования, а также совпадением результатов расчетов с экспериментальными данными.
Научная новизна
1. На основе решения уравнения движения ионов в электростатическом поле получены аналитические зависимости потенциала от продольной координаты, определяющие форму нелинейного распределения поля ускоряющего промежутка ионного источника и отражающего промежутка ионного зеркала, обеспечивающие изохронность траекторий заряженных частиц одной массы с точки старта до выходной сетки вне зависимости от их начальных координат, а также изохронность траекторий в тракте прибора вне зависимости от значений их начальных энергий на выходе из ионного источника.
2. Разработана методика выбора потенциалов полезадающих элементов конструкции масс-спектрометрического прибора с восстановлением расчетного осевого распределения потенциалов, использующая генетический алгоритм расчета набора потенциалов полезадающих элементов и обеспечивающая повышение скорости вычислений благодаря применению технологии массивно-параллельного программирования. Получены численные значения потенциалов, обеспечивающих восстановление расчетного распределения с погрешностью не более 0,5% для оси и 10% для периферии прибора. Разработана методика настройки электростатического отражателя с нелинейным распределением осевого потенциала, обеспечивающая относительную ошибку компенсации временного разброса массовых пиков на уровне 0,01% для диапазона начальных энергий ионов, составляющих 100% от ускоряющего потенциала.
3. Разработан опытный образец масс-спектрометрического прибора для космических исследований, отличающийся применением нелинейного выталкивающего промежутка и нелинейного отражателя. Данная конструкция позволяет в 3 4 раза повысить разрешающую способность в диапазоне масс 0 100 а е. м. по сравнению с электростатическими приборами, основанными на фокусировке конечных порядков, а также устранить недостатки, присущие динамическим приборам.
Выпосятся па защиту
1. Метод фокусирования ионных пакетов, вытянутых из протяженной области ионизации, в ускоряющем промежутке с нелинейным осевым распределением электростатических потенциалов. Метод фокусирования ионных пакетов, имеющих начальный энергетический разброс, в отражающем промежутке с нелинейным осевым распределением электростатических потещиалов.
2. Методика определения потенциалов полезадающих элементов конструкции масс-спектрометрического прибора, обеспечивающих восстановление расчетного распределения потенциалов. Методика настройки электростатического отражателя с нелинейным распределением осевого потенциала, обеспечивающим компенсацию временного разброса массовых пиков для диапазона начальных энергий ионов, составляющего 100% от ускоряющего потенциала.
3. Конструкция газового масс-спектрометрического прибора с высокой разрешающей способностью и средства регистрации спектров масс ионов.
Практическая значимость работы
Результаты диссертационной работы использованы для создания бортового масс-спектрометрического прибора для исследования состава собственной внешней атмосферы космического аппарата, регистрации атомарного кислорода и аппаратуры обработки спектров масс ионов.
Результаты работы использованы при выполнении гранта 2012 года ("Исследование физико-химических свойств вещества в околоземном космическом пространстве") для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобрнауки.
Апробация научных результатов
Основные результаты работы доложены на конференциях: международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов" (2011, 2012), международная конференция "Научные и технические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках" (2011), Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы ракетно-космической техники" ("Козловские чтения") (2011), "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникации" (2011), Всероссийская научно-практическая конференция творческой молодежи "Актуальные проблемы авиации и космонавтики" (2012), региональная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию полета человека в космос (2011), Международная молодежная конференция "Гагаршшкие чтения"(2013), "6th European Conference on Space Debris (2013)".
Личный вклад автора
Выносимые на защиту теоретические и экспериментальные результаты диссертации получены автором самостоятельно.
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, из них 9 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а также в материалах 15 научных конференций, получено 2 патента РФ.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформирована её цель и задачи, изложено краткое содержание диссертационной работы.
В первой главе дан обзор современных типов масс-спекгрометрических приборов, приведены их основные характеристики, указаны их преимущества и недостатки. Описаны ограничения при проведении эксперимента, накладываемые приборами различных типов. Рассмотрены основные перспективные направления улучшения функциональных характеристик масс-спектрометров. На основе анализа приведенной информации даны выводы о выборе направления исследования.
Во второй главе изложена методика расчета нелинейного распределения потенциала электростатического поля отражателя. На основе решения уравнения движения с учетом начальной энергии иона получена аналитическая зависимость потенциала от координаты внутри отражателя, обеспечивающая изохронность траекторий ионов с различными начальными энергиями.
Условие изохронности записывается как равенство времени пролета ионов в отражателе и разницы во времени пролета ионов с нулевой и ненулевой начальной энергией:
»m
" I
О
d<p
ЕЦ|У°~2т<І
Tn-
ь0
1
2 є
v0 +2—(рг u m
" m
dz
Ф,
LbiL L і і
на
4 £ !f
L Li і m 111 iL
Ф,
Фі
і и і M иг t
Фт
"f
1и - ускоряющий промежуток; 112,1з - беспалевые промежутки; - тормозящий промежуток; 1м - отражающий промежуток; И - ионный источник; 3 - ионное зеркало; П - приемник ионов Рисунок 1 - Схема исследуемого масс-спектрометра распределение потенциала отражателя:
где фщ - потенциал, эквивалентный начальному энергетическому разбросу ионов; ф! - ускоряющий потенциал; we -ускорение, соответствующее движению . на участках loi и 123; L0 - длина ' бесполевого участка; v0 - начальная скорость иона; Т<> - время пролета иона с нулевой начальной энергией; е, m -заряд и масса иона.
Расчет проведен согласно схеме масс-спектрометра, приведенной на рисунке 1.
Приведя условие изохронности траекторий к интегральному уравнению Вольтерра первого рода, можно получить его решение, описывающее
z = —^Тоа^ф —Loarcsin
Ф
- L) JV<p*" + (' + Ф* ^rcsir
(1)
jl + ф L У1 + ф
где <р* = ф/фі - нормированный по ускоряющему напряжению искомый потенциал; а2 = 2(e/m)<pi.
На рисунке 2 приведено согласно выражению (1).
0.01 0.015 0.02 1, мм
1 - зависимость потенциала от координаты; 2 -зависимость напряженности поля от координаты;
Рисунок 2 - Осевое распределение потенциала и электростатического поля внутри отражателя
1000000
И М/ДИ _ Ачолит.10%
- Числ. Ю%
— Аншшт. 30%
- Чта.30%
— Анолит. 100% -■ Наел. 100%
100000 ,
10000 ;
1 51 101 151 201 251 М. чел Рисунок 3 - Зависимость разрешающей способности от массы для нелинейного
зеркала, рассчитанного численным и аналитическим методами для диапазона масс 1 - 300 а.е.м. при 10%, 30% и 100% разбросе энергий ионов Для решения задачи было времен пролета ионами источника:
осевое распределение потенциала, вычисленное
Зависимости разрешающей
способности от массы для масс-спектрометра, построенного по схеме, изображенной на рисунке 1, с нелинейным зеркалом, рассчитанным численным и аналитическим путем, приведены на рисунке 3. Можно заметить, что аналитический метод дает несколько большую величину разрешающей способности на всем смоделированном диапазоне масс. Результаты численного метода несколько хуже, однако, при уменьшении шага расчета они стремятся к величинам, полученным аналитическим путем.
Из приведенных рисунков видно, что разрешающая способность для зеркала, рассчитанного аналитическим путем, превышает таковую для зеркала, рассчиташюго численным методом, в 1,5 2 раза для 100% энергетического разброса.
Приведен метод расчета нелинейного выталкивающего промежутка с фокусировкой на заземленной сетке для конструкции, изображенной на рисунке 4. Задача расчета поля внутри источника ионов состоит в синтезе такого распределения потенциалов на оси источника, который обеспечит приход всех ионов, образованных в области ионизации, в плоскость фокусировки Р в один и тот же момент времени независимо от их начальной координаты, записано интегральное условие изохронности
<1ф
тс), V:
где с1 - расстояние между сетками 4 и 5.
= Т0-
¡+2—Ф1
' т
■»о
2—ф т
еф]
ф! - ускорение на линеином ускоряющем
и
4!
<э—(—
<р2 V
_Г1
Рисунок 4 - Источник ионов с протяженной областью ионизации
промежутке, То - время пролета иона с нулевой энергией, стартовавшего от сетки 4.
Решение данного уравнения с использованием интегрального
уравнения Вольтерра первого рода описывает такое распределение потенциала между сетками 3 и 4, что вне зависимости от точки старта ионы с нулевой начальной энергией придут к сетке 5 в одно и то же время:
ФФ, + (ф + ф,) агсБІп
№
Ф
Ф + Ф,
И --ф
Для совмещения методов фокусировки по энергиям и по координате выведено модифицированное выражение, описывающее распределение потенциала в зеркале:
21,
2 = - X
- Ь„ апхт
9 + <?,
23
Ч>1
л/фЧМ+(ф + <?і)а
Ф
9 + Ч>1
Зависимости потенциала и напряженности поля от координаты внутри источника и зеркала приведены на рисунке 5.
гЕ.В/м
Рисунок 5 - Зависимости напряженности поля 1 и потенциала 2 от координаты внутри а) источника, б) зеркала Для случая совмещения двух методов построены зависимости выходной скорости ионов, разрешения и суммарного времени пролета ионов от разброса по координате, приведенные на рисунках 6 и 7.
Для решения задачи восстановления расчетного распределения осевого потенциала была разработана программа расчета потенциалов полезадающих элементов с использованием генетического алгоритма оптимизации: на каждой итерации работы алгоритма генерируется массив наборов потенциалов для полезадающих элементов, для каждого набора решается уравнение Лапласа и вычисляется структура поля (заданы граничные условия и потенциалы электродов,
V. м/с
1.69М5
159Е+05 -
1Л9Е-05 -
139Е+05
2.0Е-06
1.0Е-06
О.ОЕ+ОО
I?
400000 350000 300000 -250000 -200000 -150000 -100000 50000 -|
о
6Т
^ 350Е-07
- З.ООЕ-07
- 2.50Е-07 2.00Е-07 150Е-07 Ю0Е-07 5.00Е-08 ОООЕ+ОО
О 0.003 0.006 0.009 Дг, м Рисунок 7 - Зависимости разрешения 1 и ошибки компенсации 2 от разброса по координате для прибора
150-
100-1
0.003 0.006 0.009 дг м Рисунок 6 - Зависимости скорости иона на выходе из источника 1 и ошибки компенсации 2 от разброса но координате для источника заряд ионов не учитывается ввиду малости), структура поля проходит проверку по целевой функции (ЦФ) минимизации ошибки (МО) восстановления расчетного распределения или ЦФ максимизации разрешения (МР), лучшие наборы используются для генерации следующего массива наборов. Поскольку задача вычисления поля для сеток с большим количеством элементов является требовательной к вычислительным ресурсам, а метод оптимизации подразумевает большое количество итераций таких вычислешш, код метода вычисления поля был портирован на массивно-параллельный язык С1ГОА, что позволило существенно ускорить решение задачи. Для большего ускорения возможно использование промежуточных расчетов на более грубых сетках с последующей интерполяцией.
Используя полученные значения потенциалов полезадающих колец, было рассчитано распределение потенциала в зеркале, приведенное на рисунке 8. На основе полученного распределения потенциала было вычислено двумерное распределение и рассчитана ошибка восстановления, приведенные на ^ рисунке 9. Зависимости разрешающей
0 6,ь " способности прибора от энергетического
Рисунок 8 - Распределение разброса для линейного и нелинейного
потенциала внутри зеркала зеркала с оптимизацией по целевой функции минимизации ошибки и по разрешению приведены на рисунке 10.
На рисунке 11 приведено расчетное и полученное в результате работы алгоритма осевое распределение электростатического поля отражателя, а также ошибки восстановления поля для конечных моментов работы алгоритма по целевой функции минимизации ошибки восстановления осевого распределения потенциала и по максимизации разрешения прибора. Из графиков видно, что отклонение синтезированного поля от расчетного не превышает 3% для границ зеркала вблизи сеток и 10% для периферии зеркала.
Ж
- Ч..-
Е. В/и
ДЕД 0.1 ■
0.75 ; Р/К™» 1
°-30 0.15 -
0.005 б)
'0.01" М15
0,02
0,025 1. м
Я
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 1,00 200 0
Рисунок 9 - Распределение а) поля и б) относительной ошибки внутри нелинейного ионного зеркала в зависимости от радиальной и продольной
координаты Е. В/и-,
1
3
О 0.01 0,02 X,
] — расчетная зависимость поля от координаты; 2 -синтезированная зависимость поля от координаты;
3 - зависимость относительной ошибки восстановления от координаты при оптимизации по
ЦФ МО; 4 - зависимость относительной ошибки восстановления от координаты при оптимизации по ЦФМР
Рисунок 11 - Зависимость ошибки от
координаты внутри зеркала и распределение поля внутри зеркала
0 20 40 60 80 АЕ, эВ
1 - нелинейное зеркало с оптимизацией по разрешению; 2 - нелинейное зеркало с оптимизацией по минимальной ошибке;
3 - линейное зеркало
Рисунок 10 - Зависимость разрешающей способности от энергии
В результате решения задачи получены:
- зависимость распределения нелинейного электростатического поля выталкивающего промежутка с величиной неопределенности точки ионизации, равной 15мм;
- зависимость распределения нелинейного электростатического поля отражателя при использовании нелинейного источника с величиной неопределенности энергии на вылете из источника, равной 100% от ускоряющего напряжения;
- методика выбора потенциалов полезадающих элементов на основе генетического алгоритма оптимизации по ЦФ минимизации относительной ошибки восстановления расчетного осевого распределения электростатического потенциала и по ЦФ максимизации разрешения прибора.
- численные значения потенциалов полезадающих элементов, обеспечивающих относительное отклонение значений осевого потенциала от расчетного, не превышающего 3,5%, что обеспечивает разрешающую способность порядка 1000 для диапазона энергий до 100%.
В третьей главе приведены методика проведения экспериментов по определению элементного состава газов, описание экспериментального оборудования и обработки информации с масс-спектрометра.
Экспериментально изучены спектры остаточного газа вакуумной камеры, масс ионов, образованных в результате ионизации паров этилового спирта и разведенного в воде крахмала. Для записи спектров использовался цифровой осциллограф Gwlnstek GDS-2204 5 с частотой дискретизации 1Ггц для однократных сигналов и 25Ггц для периодических сигналов. Объем памяти составляет 25000 выборок. Разрешение прибора по вертикали составляет 8 бит, точность записи по временной оси 0,01%. Также данный осциллограф может усреднять сигнал по 2,4, 8, 16, 32, 64, 128,256 реализациям. Ионы образуются в пространстве ионизации под воздействием электронной пушки 2. Прием ионов осуществляется вторично-электронным умножителем (ВЭУ) 3, работающем в непрерывном режиме. Для согласования ВЭУ с регистрирующей аппаратурой используется преобразователь ток-напряжение 4, изготовленный на основе операционного усилителя. Запуск развертки осциллографа осуществляется по переднему фронту ускоряющего импульса.
В экспериментах использован лабораторный вариант масс-спектрометра. На рисунке 12 приведена схема экспериментального стенда, на котором исследовался элементный состав газов. Блок электроники 1 выполняет управление источником ионов, в частности задает интервалы работы электронной пушки и ускоряющего напряжения. Источник напряжения 6 служит для питания нелинейного ионного зеркала и включен постоянно. Восстановление расчетных осевых распределений потенциалов зеркала и источника осуществляется подбором резисторов между полезадающими кольцами. Пробы газа в вакуумную камеру вводятся посредством натекагеля 7. Натекатель позволяет плавно регулировать подачу исследуемого вещества в вакуумную камеру с целью исключения насыщения приемника ионов. Вакуумирование системы осуществляется безмасляным турбомолекулярным насосом Varían MiniTask 8. Во время работы системы при полностью закрытом натекателе поддерживается давление в камере на уровене (0,5 2)-10"6 мбар. Время выхода системы на режим 20 минут.
Приведена методика обработки спектров для получения концентраций элементов. Спектр остаточного газа в камере по времени приведен на рисунке 13 .
Рисунок 12 - Схема лабораторной установки исследования газовых потоков
Полная концентрация п£ определяется по температуре и давлению исследуемого газа. Пороговая чувствительность прибора, согласно расчету, составляет 3-Ю10 частиц/см3. Температура в среднем в камере составляет около 320 К (температура увеличивается при включении накала в ионном источнике и может бьггь измерена с помощью термопарного датчика).
Концентрация элемента определяется как отношение числа ионов выбранной массы к общему числу ионов с учетом вероятпости ионизации конкретного химического элемента.
Для устранения влияния случайных факторов расчеты проводились для усредненного по 100 реализациям спектра. Удаление постоянной составляющей позволяет упростить автоматический поиск массовых пиков и анализ спектра.
Для сопоставления химических элементов временам их прихода использовалась формула пересчета массового спектра к массовой оси
м(г).7-^-г
(Ль0+2-Я101+4Л/212ЗГ
где Т - время прихода ионов массы M в приемник; q - заряд частицы; U -ускоряющее напряжение.
Спектр этилового спирта, приведенный к массовой оси, приведен на рисунке 14. На основе полученного спектра, используя выражение для перехода от временной к массовой оси, производится сопоставление химических элементов массовым линиям. Затем, исходя из химического состава смеси каждой массовой линии, сопоставляется весовой коэффициент, учитывающий разницу концентраций элементов, возникающую в результате различия энергии ионизации и, как следствие, вероятности ионизации.
Обработка информации производится следующим образом. Измерив высоту спектральных линий, и тем самым получив соотношение пришедших в приемник ионов разных масс, а также учитывая весовые коэффициенты, составляется система линейных уравнений, описывающая концентрации газов в исходной массовой смеси. При этом количество неизвестных в системе равно количеству уравнений. Решая полученную систему относительно неизвестных концентраций, можно получить набор коэффициентов, определяющий химический состав анализируемого вещества.
2-10'
15-10"
110"
0510"
Н,
СО,
Н20
N0
0 S'W 1(ГО* т, С Ї-Ю"4
Рисунок 13 - Массовый спектр остаточного газа во времени
45.9 46 46.1 46.2 Ш, ае.м. Рисунок 14 - Массовый пик этилового спирта (разрешающая способность 450)
ГГ1ДЕ.М. Приведены
относительные определения времени учетом геометрических изготовления и измерения времени
Рисунок 15 - Зависимость относительной погрешности измерения и массы ионов от времени прихода в приемник
погрешности пролета с погрешностей погрешности прихода ионов. Поскольку масса ионов от времени растет, опережая рост абсолютной погрешности измерения, величина относительной погрешности измерения падает с ростом массы и не превышает 0,01%.
Зависимость относительной погрешности измерения от времени прихода химического элемента в приемник показана на рисунке 15.
м,
0.03 0.02 о.т о -001 -па; -от -ом
-G/S
номер шъцз
О S Ю К
II I I I I I I I I I I I I I I
В четвёртой главе приведены примеры различных схем конструкций газовых масс-спектрометров и ионных источников.
Показаны преимущества и недостатки различных конструктивных схем источников. Рассмотрен расчет ионного источника с накоплением ионов. Приведена методика настройки отражателя, основанная на изменении энергии пучка ионов путем варьирования ускоряющего напряжения. На основе построения развертки по всему спектру энергий и итеративной настройке потенциалов кольцевых электродов достигается минимизация ширины массовых пиков. Промежуточные результаты настройки на 1-5 итерации приведены на рисунке 16.
Рисунок 16 - Зависимость относительной ошибки компенсации времени пролета от энергии ионов для 1-5 итерации настройки отражателя
Разработаны схемы обработки ионных спектров. Разработан бортовой вариант прибора на основе газового масс-спектрометра с нелинейным выталкивающим промежутком и нелинейным отражателем, имеющий характеристики: разрешение не менее 350 в диапазоне масс химических элементов от 1 до 100 а.е.м., масса до 3 кг, габаритные размеры не более 280 х 235 х 265 мм с учетом трубки забора пробы, энергопотребление не более 5 Вт (во время анализа). Внешний вид приборов в бортовом и лабораторном исполнении показан на рисунках 17 а) и б) соответственно. Суммарная погрешность согласно расчетам составляет 0,45% для измерения массы элемента, и 3,3% для измерения концентраций. Разрешающая способность прибора по сравнению с современными приборами для космических исследований повышена в 3 4 раза
а) б)
Рисунок 17 - Опытные образцы приборов в а) бортовом, б) лабораторном
исполнении
Рассмотрены вопросы применения ВЭУ в качестве приемников заряженных частиц, разработаны схемы предварительного усиления, сбора и обработки информации, а также канала телеметрии.
Основные результаты работы
1. Получены аналитические зависимости, определяющие форму нелинейного распределения потенциала ускоряющего промежутка ионного источника и отражающего промежутка ионного зеркала. Распределение поля ионного источника обеспечивает изохронность траекторий заряженных частиц одной массы с точки старта до выходной сетки вне зависимости от их начальных координат. Распределение поля отражателя обеспечивает изохронность траекторий в тракте прибора вне зависимости от их начальных кинетических энергий.
2. Разработана методика расчета потенциалов электродов масс-спектрометрического прибора. Получены численные значения потенциалов, обеспечивающие восстановление расчетного распределения с погрешностью не более 0,5% для оси и 10% для периферии прибора. Разработана методика настройки электростатического отражателя с нелинейным распределением осевого потенциала, обеспечивающая относительную ошибку компенсации временного разброса массовых пиков на уровне 0,01% для диапазона начальных энергий ионов, составляющего 100% от ускоряющего потенциала.
3. Создан опытный образец прибора для космических исследований, отличающийся применением нелинейного выталкивающего промежутка и нелинейного отражателя. Данная конструкция позволяет в 3 4 раза повысить разрешающую способность по сравнению с электростатическими приборами (например LAMS, CÜA), основанными на фокусировке конечных порядков, а также обойти недостатки, присущие приборам, основанным на динамических принципах фокусировки. Разрешающая способность прибора составляет не менее 350 единиц в диапазоне масс 1 -*• 100 а.е.м., погрешность измерения массы составляет 0,45%, погрешность измерения концентрации 3,3%.
Основные результаты опубликованы в следующих работах: Статьи в реферируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК
1 Родин, Д.В. Газовый масс-спектрометр с применением нелинейного ионного зеркала [Текст] / Д.В. Родин, И.В. Пияков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета).- 2011.- №5 (24).-С. 92-97.
2 Родин, Д.В. Пылеударный масс-спектрометр для определения элементного состава микрометеоритов и частиц космического мусора [Текст] / Д.В. Родин, И.В. Пияков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета).- 2011.- №5 (24).- С. 47-54.
3 Семкин, Н.Д. Метод обработки информации об элементопом составе микрометеороидов [Текст] / Н.Д. Семкин, Д.В. Родин, А.М. Телегин, И.В. Пияков, P.A. Помельников // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.- 2011.- Вып. 2. - Т. 14. - С. 78-83.
4 Семкин, Н.Д. Аналитический метод расчета распределения электростатического поля отражателя времяпролетного масс-спектрометра [Текст] / Н.Д. Семкин, Д.В. Родин, И.В. Пияков, P.A. Помельников // Журнал технической физики,- 2012,- Вып. 10. - Т. 82. - С. 79-84.
5 Семкин, Н.Д. Бортовой пыледеарный масс-спектрометр для исследования элементног осостава микрометеороидов [Текст] / Н.Д. Семкин, Д.В. Родин, И.В. Пияков, P.A. Помельников // Научное приборостроение.- 2012,- Т. 22. - № 3. - С. 13-20.
6 Семкин, Н.Д. Метод компенсации временного разброса ионов во времяпролетном масс-спектрометре [Текст] / Н.Д. Семкин, Д.В. Родин, И.В. Пияков, P.A. Помельников // Научное приборостроение.- 2012,- Т. 22. - № 4 - С. 17-25.
7 Семкин, Н.Д. Многослойные пленочные структуры в условиях воздействия микрометеороймов и частиц космического мусора [Текст] / Н.Д. Семкин, Д.В. Родин, М.П. Калаев, A.M. Телегин, A.B. Пияков // Прикладная физика,- 2012. - № 2. - С. 104-115.
8 Семкин, Н.Д. Моделирование масс-спектрометров с применением линейного и нелинейного [Текст] / Н.Д. Семкин, Д.В. Родин, И.В. Пияков // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королева (национального исследовательского университета).- 2013.- №1 (39).- С. 230-238.
9 Семкин, Н.Д. Метод расчета потенциалов полезадающих элементов нелинейного ионного зеркала [Текст] / Н.Д. Семкин, Д.В. Родин, И.В. Пияков, P.A. Помельников // Научное приборостроение.- 2013.- Т. 23. - № 3 - С. 69-75.
Патенты и авторские свидетельства
10 Пат. на изобретение № 2 476 908 Российская федерация, МПК G01T 1/38 (2006.01).Устройство регистрации микрометеороидов частиц космического мусора [Текст]. Семкин Н.Д., Телегин А.М., Родин Д.В., Калаев М.П.; заявитель и патентообладатель - № 2011123926/28; заявл. 10.06.2011; опубл. 27.02.2013. Бюл. № 6 - 6с.: ил.
11 Пат. на изобретение № 2 466 340 Российская федерация, МПК F41B 6/00 (2006.01). Резонансный электромагнитный ускоритель [Текст]. Сухачев К.И., Семкин Н.Д., Калаев М.П., Телегин A.M., Родии Д.В., Пияков A.B.; заявитель и патентообладатель Самарский гос-ный аэрокосмический ун-т им. ак. С.П. Королева (СГАУ) - № 2011116048/11; заявл. 22.04.2011; опубл. 10.11.2012, Бюл. № 31 -6с.: ил.
Материалы конференций
12 Родин, Д.В. Масс-спектрометр с применением тороидальных дефлекторов для определения параметров микрометеоритов и частиц космического мусора [Текст] / Д.В. Родин, И.В. Пияков И Тезисы докладов региональной научно-практической конференции, посвященной 50-летию полета человека в космос. Самара, 2011. С. 197-199.
13 Родии, Д.В. Аналитический метод расчета нелинейного электростатического зеркала времяпролетного масс-спектрометра [Текст] / Д.В. Родин // Материалы докладов второй международной конференции "Научные и технические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках". 27-30 июня 2011, Самара. С. 372-374.
14 Родин, Д.В. Расчет остаточной ионизации вещества при высокоскоростном соударении частицы ударника и мишени [Текст] / Д.В. Родин, P.A. Помельников // Материалы докладов второй
международной конференции "Научные и технические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках". 27-30 июня 2011, Самара. С. 374-377.
15 Родин, Д.В. Масс-спектрометр для определения состава микрометеоритов и космической пыли искусственного и естественного происхождения [Текст] / Д.В. Родип, И.В. Пияков // Материалы докладов второй международной конференции "Научные и технические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках". 27-30 июня 2011, Самара. С. 300-302.
16 Родин, Д.В. Сравнение пылеуцарных масс-спектрометров с применением линейного и нелинейного зеркал [Текст] / Д.В. Родия, И.В. Пияков // Материалы П Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы ракетно-космической техники" ("П Козловские чтения"). 2011, Самара. С. 98-104.
17 Родин, Д.В. Применение тороидальных дефлекторов в масс-спектрометрах времяпролетного типа [Текст] / Д.В. Родия, И.В. Пияков // Труды X международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов". 11-17 сентября 2011, Самара. С. 376-378.
18 Родин, Д.В. Нелинейное электростатическое ионное зеркало [Текст] / Д.В. Родин, И.В. Пияков // Труды X международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов". 11-17 сентября 2011, Самара. С. 378-380.
19 Родив, Д.В. Разработка пылеударного масс-спектрометра для определения элементного состава микрометеоритов и частиц космического мусора [Текст] / Д.В. Родин, И.В. Пияков // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций". 10-12 мая 2011, Самара. С. 145-151.
20 Родин, Д.В. Особенности газового масс-спектрометра с применением нелинейного ионного зеркала [Текст] / Д.В. Родин, И.В. Пияков // Материалы Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций". 10-12 мая 2011, Самара. С. 151-156.
21 Родин, Д.В. Ионный источник времяпролетного масс-спектрометра для космических исследований [Текст] / Д.В. Родин, И.В. Пияков // Труды XI международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов". 26-27 сентября 2012, Екатеринбург. С. 280-282.
22 Родин, Д.В. Пылеударный масс-спектрометр для исследования состава микрометеороидов [Текст] / Д.В. Родин, И.В. Пияков // Труды XI международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов". 26-27 сентября 2012, Екатеринбург С 282-285.
23 Родин, Д.В. Метод динамического ускорения ионов во времяпролетном масс-спектрометре [Текст] / Д.В. Родин, И.В. Пияков // Труды XI международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов". 26-27 сентября 2012, Екатеринбург С 285-287.
24 Родии, Д.В. Метод аналитического расчета распределения потенциала ионного зеркала времяпролетного масс-спектрометра [Текст] / Д.В. Родии // Материалы VIII Всероссийской научно-практической конференции творческой молодежи, посвященной 55-летию запуска первого искусственного спутника Земли "Актуальные проблемы авиации и космонавтики". 9-14 апреля 2012, Красноярск. Т. 1 - С. 312-313.
25 Rodin D.V. Dust impact mass-spectrometer for the elemental composition of micrometeoroids research [Текст] / D.V. Rodin, N.D. Semkin. I.V.Piyakov // Proceedings of the 6th European Conference on Space Debris, 22-25 April 2013, ESA/ESOC, Darmstadt, Germany, P.171-172.
26 Родин Д.В. Метод расчета нелинейного ионного зеркала бортового времяпролетного масс-спектрометра [Текст]/ Д.В. Родии // XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 9 томах. Москва, 9-13 апреля 2013г., Москва. Т.6 -С. 173-175.
Подписано в печаль 25.10.2013г. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинала-макета в СГАУ. 443086, Самара, Московское шоссе, 34.
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)"
На права^, рукописи
04201452524
Родин Дмитрий Владимирович
Прибор для регистрации элементного состава газов
01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: Семкин Николай Данилович д.т.н., профессор
САМАРА 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение............................................................................................................................................................................................................................5
ГЛАВА 1 Анализ моделей преобразователей газовых потоков и перспективы
их развития........................................................................................................................................................................7
1.1 Основные принципы масс-спектрометрии..................................................................................7
1.2 Основные характеристики масс-спектрометров..................................................................10
1.3 Требования, предъявляемые к масс-спектрометрам........................................................11
1.4 Области применения масс-спектрометрии................................................................................12
1.5 Источники ионизации газообразных и твердых веществ..............................................14
1.5.1 Ионизация электронным ударом......................................................................................................14
1.5.2 Химическая ионизация..............................................................................................................................15
1.5.3 Фотоионизация................................................................................................................................................15
1.5.4 Десорбция электрическим полем....................................................................................................16
1.5.5 Лазерная десорбция/ионизация..........................................................................................................16
1.5.6 Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (МА1ЛЭ1)..........17
1.6 Существующие в настоящее время масс-спектрометры времяпролетного типа............................................................................................................................................................................................18
1.6.1 Времяпролетные масс-спектрометры с ионизацией электронным ударом..........................................................................................................................................................................................18
1.6.2 Времяпролетные масс-спектрометры с ионизацией высокоскоростным соударением............................................................................................................................................................................35
1.6.3 Времяпролетные масс-спектрометры с лазерной ионизацией..........................43
Выводы....................................................................................................................................................................................50
ГЛАВА 2 Модель прибора для определения элементного состава газа....................53
2.1 Решение задачи фокусировки ионных пакетов по энергии при помощи нелинейного ионного зеркала..........................................................................................................................53
2.1.1 Расчет распределения электростатического поля отражателя..........................54
2.1.2 Методика аналитического расчета распределения осевого потенциала.. 55
2.2 Решение задачи фокусировки ионных пакетов, полученных в протяженной области ионизации..................................................................................................................64
2.3 Расчет электрического поля внутри тракта прибора..........................................................71
2.4 Математическая модель движения частицы в тракте масс-спектрометрического преобразователя..................................................................................................77
2.5 Решение задачи физического синтеза поля................................................................................81
2.6 Математическая модель ионизации электронным ударом..........................................92
Выводы....................................................................................................................................................................................97
ГЛАВА 3 Разработка преобразователя газовых потоков и методика
проведения экспериментов..................................................................................................................................99
3.1 Экспериментальный стенд для отработки масс-спектрометра с пространственной и энергетической фокусировкой..................................................................99
3.2 Анализ состава газовой смеси..................................................................................................................102
3.3 Результаты экспериментов по определению элементного состава веществ..........................................................................................................................................................................................106
3.3.1 Исследование остаточного газа в камере масс-спектрометра............................106
3.3.2 Исследование высокомолекулярных соединений на примере этилового
спирта и крахмала......................................................................................................................................................107
3 А Обработка результатов измерений......................................................................................................111
3.5 Классификация погрешностей................................................................................................................112
3.6 Оценка потерь ионов, вызванных ограниченностью отражающего напряжения........................................................................................................................................................................114
3.7 Анализ погрешностей, определяемых неточностями изготовления геометрических размеров датчика..............................................................................................................116
3.8 Определение погрешности определения массового числа........................................118
спектральной линии..................................................................................................................................................118
3.9 Определение ширины спектральной линии..............................................................................121
ЗЛО Погрешность измерения, вызванная ограничением частоты аналогово-
цифрового преобразования................................................................................................................................123
3.11 Погрешности методики проведения эксперимента...............i........................128
Выводы....................................................................................................................................................................................130
Глава 4 Элементы конструкции масс-спектрометрического прибора........................133
4.1 Область применения........................................................................................................................................133
4.2 Общие требования к масс-спектрометрическим приборам для космических исследований................................................................................................................................133
4.3 Требования, предъявляемые к ионным источникам времяпролётных приборов для анализа газовых потоков..................................................................................................135
4.4 Конструкции ионных источников........................................................................................................138
4.5 Приёмники ионов................................................................................................................................................147
4.6 Настройка отражателя с неоднородным полем......................................................................155
4.7 Разработка элементов конструкции прибора для регистрации элементного состава газов....................................................................................................................................157
4.8 Элементы экспериментального стенда для отработки прибора
регистрации состава газов....................................................................................................................................164
Выводы....................................................................................................................................................................................166
Заключение........................................................................................................................................................................167
Литература........................................................................................................................................................................168
Приложения......................................................................................................................................................................183
Введение
В настоящее время широкое внимание уделяется вопросам изучения космической среды и ее влияния на космические аппараты. С этой целью в частности на орбиту выводятся исследовательские космические аппараты, оборудованные соответствующей аппаратурой. В настоящее время все больший интерес также проявляется к т.н. малым космическим аппаратам (МКА), позволяющим значительно понизить стоимость проведения космических экспериментов. Использование таких аппаратов позволяет существенно сократить расходы, связанные как с разработкой, так и с запуском подобных аппаратов на орбиту. Такая доступность обеспечивает возможность различным научным организациям проводить свои эксперименты в условиях космического пространства.
Одной из задач, решаемой с помощью МКА. может являться отработка различных новых материалов в ходе космического эксперимента. При этом функционирование МКА происходит в газовой среде, образовывающейся в результате процессов газовыделения и сублимации материалов, утечек газов из внутренних отсеков КА, работы различного оборудования - например маневровых двигателей, пиропатронов или ионно-плазменных двигателей. Состав и динамика собственной внешней атмосферы (СВА) аппарата зависит также и от влияния внешних факторов космической среды - солнечного излучения, электромагнитных полей, потоков заряженных частиц и т.д.
Задача определения характеристик СВА и ее влияния на работу бортового оборудования КА является весьма актуальной при создании современных КА с длительными сроками эксплуатации. Многообразие влияющих факторов, физических процессов происходящих в СВА обуславливают высокую сложность решения этой задачи. К таким факторам относятся рассеяние частиц от набегающего газового потока, процессы адсорбции и десорбции на поверхности
КА, процессы фотоионизации и перезарядка частиц под воздействием потоков плазмы.
Теоретические и экспериментальные исследования по этой теме ведутся уже более 30 лет. Математический аппарат, созданный за это время, позволяет моделировать многие процессы, происходящие в СВА. Несмотря на это, практическое использование созданных моделей требует полных и точных исходных данных, источниками которых могут послужить масс-спектрометрические исследования состава газообразной составляющей СВА МКА.
Применение МКА для решения поставленной выше задачи, однако, накладывает определенные ограничения на массо-габаритные и энергетические характеристики приборов, установленным на них. Поэтому наиболее подходящими для использования в составе МКА типами масс-спектрометров являются преобразователи времяпролетного типа. Таким приборам присущи определенные недостатки: ограничение энергетического диапазона ионов, влекущее увеличение габаритов или ускоряющих напряжений. Перспективным направлением улучшения характеристик данных масс-спектрометров является использование нелинейных в пространстве электрических полей, создаваемых в выталкивающем (ускоряющем) промежутке и других областях (тормозящий или отражающий участок). Указанные способы фокусирования позволяют повысить разрешающую способность при сохранении небольших габаритов анализатора и не прибегая к увеличению ускоряющих напряжений.
ГЛАВА 1 Анализ моделей преобразователей газовых потоков и
перспективы их развития
1.1 Основные принципы масс-спектрометрии
Масс-спектрометрия является аналитическим методом, который используется для точного измерения молекулярных и атомных масс анализируемого вещества путем ионизации частиц этого вещества. Зачастую на основе измеренных данных также могут быть получены сведения о молекулярной структуре вещества. Масс-спектрометрия также часто используется для получения количественной информации об относительном составе исследуемого вещества. К тому же масс-спектрометрия может использоваться для множества других исследований, к примеру: скорости протекания химических реакций, изучения энергии ионизации химических соединений и других задач. Таким образом, масс-спектрометрия является одним из наиболее универсальных и всеобъемлющих аналитических методов в распоряжении таких областей науки как химия и биохимия, фармацевтика, геология, космохимия, ядерная физика, материаловедение, археология, экология и других.
Масс-спектрометрические измерения происходят с использованием ионизированной формы вещества, поскольку, в отличие от нейтральной формы, заряженными частицами легко управлять при помощи электрических или магнитных полей. Можно выделить три основных шага при масс-спектрометрическом измерении:
1 ионизация. На этом шаге вне зависимости от состояния вещества-аналита необходимо получить ионизированный газ;
2 сепарация молекул в зависимости от их массы.
3 регистрация ионного тока разделенных по массам ионов.
Основным принципом работы времяпролетного масс-спектрометра [1, 2, 3] является измерение времени, которое требуется иону для того, чтобы преодолеть расстояние от источника ионов до детектора. В идеальном случае все ионы имеют одну и ту же кинетическую энергию, приобретенную на участке ускорения. Но ввиду разного соотношения массы к заряду они имеют разные скорости. Так как ионы на своем пути преодолевают бесполевой участок, они разделяются на группы или пакеты в соответствии с их скоростью, которая является функцией отношения массы к заряду. Далее эти ионные пакеты регистрируются и на основе данных времени пролета этих пакетов можно рассчитать их отношение массы к заряду. Особенностью такого вида разделения ионов является отсутствие верхнего предела отношения массы к заряду. Наиболее простым примером прибора такого типа может являться линейный масс-спектрометр, схема которого изображена на рисунке 1.1 [4].
1 - источник электронов; 2 - выталкивающая сетка; 3,4 - заземлённые сетки; 5 - источник выталкивающих импульсов; 6 - управляющее устройство; 7 — приёмник ионов; 8 - блок регистрации спектров; 9 - пространство ионизации
Рисунок 1.1- Структурная схема времяпролетного масс-спектрометра
Кинетическая энергия, полученная ионами при ускорении, равна потенциальной энергии электрического поля между ускоряющими сетками:
тт ту2
= —. (1.1)
Поскольку невозможно измерить скорость иона непосредственно, измеряется время пролета бесполевого пространства Ь. Таким образом, время пролета равно:
Ь т ш
Измеренные времена пролета всех ионов превращаются во временной спектр, который можно преобразовать в массовый спектр путем калибровки прибора. Обычно, в качестве калибровочного уравнения выступает следующее [2, 3,5]:
[ш
= * + (1.3)
где а - коэффициент пропорциональности между соотношением тА} и временем пролета;
Ь - временной сдвиг, возникающий из-за разницы между выталкивающим импульсом и импульсом начала записи массового спектра.
Обе константы в выражении (1.3) однозначно определяются при снятии массового спектра двух различных веществ с заранее известной атомной или молекулярной массой.
Исходя из выражений (1.1), (1.2), можно записать следующее выражение:
ш Я
V ь2
(1.4)
Отсюда следует:
п .ттч
(1.5)
1л
— сип =
Я
Ь
2
\ ^ У
Из (1.4) и (1.5) можно записать следующее выражение для разрешения прибора [2, 6, 7, 8]:
Различают определения разрешающей способности по 10% долине между массовыми пиками либо по ширине пика на половине уровня, что поясняется рисунком 1.2.
Рисунок 1.2 - Разрешающая способность 10%-определение и FWHM-oпpeдeлeниe
1.2 Основные характеристики масс-спектрометров
Характеристики масс-спектрометров в значительной мере зависят от конструкции масс-анализатора и его ионной оптики. Масс-анализатор при этом выполняет две функции:
- диспергирует ионы в соответствии с их отношением массы к заряду;
- фокусирует ионы в точке фокусировки.
Можно выделить следующие характеристики масс-спектрометров [2]:
- массовый диапазон - максимальное допустимое соотношение массы к заряду;
- разрешение - возможность различить два соседних массовых пика;
- массовая точность - ошибка измерения отношения массы к заряду;
- коэффициент сбора - отношение ионов, попавших в приемник, к общему количеству ионов;
- динамический диапазон - диапазон, в котором высота массового пика линейно зависит от концентрации вещества-аналита;
- скорость - количество массовых спектров в секунду или время, затраченное на снятие одного массового спектра;
- чувствительность - минимальное количество вещества-аналита, которое может быть зарегистрировано прибором;
- гибкость - возможность применения других ионных источников, детекторов, регистрирующих устройств.
- массо-габаритные и энергетические характеристики важны при использовании на борту или в мобильных приложениях.
1.3 Требования, предъявляемые к масс-спектрометрам
В связи с тем, что методы масс-спектрометрии широко применяются в различных областях науки и техники для изучения элементного состава газов, твердых веществ, изучения быстротекущих химических процессов, можно выделить следующие общие требования к масс-спектрометрам [2, 9]:
- высокая разрешающая способность прибора, которая требуется для точного определения элементного состава и обеспечивается за счет точности изготовления конструкции масс-спектрометра и настройки электроники (R > 250 для элементного анализа);
- высокая чувствительность обеспечивается за счет применения оптических
13
систем с фокусировкой ионов (давление -10* торр);
- высокое быстродействие и возможность регистрации однократных процессов обеспечиваются за счет примен
