Пылеударный масс-спектрометр для определения элементного состава микрометеороидов и частиц космического мусора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Помелышков Роман Александрович

Пылеударный масс-спектрометр для определения элементного состава микрометеороидов и частиц космического мусора

01.04.01 —Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2Ш

005060167

САМАРА 2013

005060167

Работа выполнена ка 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 федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)".

Стеблев Юрий Иванович, доктор технических наук, профессор федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет".

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования " Самарский государственный университет ".

Защита состоится "_"_2013г. в_часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном 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 "_"_2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

'. Шахов

Общая характеристика работы

В диссертации теоретически и экспериментально исследуются процессы образования спектров масс ионов в пыпеударном масс-спектрометре, инициируемых высокоскоростным взаимодействием с ним твёрдых пылевых частиц, а также моделируется разлёт и сбор ионов в различных конструкциях приборов.

Актуальность проблемы

Исследование физико-химических свойств микрометеороидов имеет важное научное (фундаментальные области астрофизики, космохимии) и прикладное (космическая техника) значения. С этой целью рядом авторов разработаны пылеударные масс-спектрометры. В 1986 г. были выполнены космические эксперименты по изучению кометы Галлея с помощью аппаратов "Вега-1" и "Вега-2" (прибор "Пума"). Более детальные сведения о составе первичного материала протопланетного облака могут быть получены методом активного эксперимента Deep Jam. Успешное проведение таких экспериментов требует создания современных средств регистрации физико-химических характеристик космической пыли. Основной вклад в создание пы-леударных масс-спектрометров, проведение лабораторных и космических экспериментов внесли отечественные учёные Сагдеев Р.З., Сысоев А.А., Новиков JI.C., Ев-ланов В.И. и др., а также зарубежные ученые FechtigH., Grun Е., Kissel J., Srama R., Adams N.G., Dalmann B.K., T.Kato и др.

Работа выполнена в рамках договора с ФГУП ТНПРКЦ"ЦСКБ-Прогресс" (г. Самара) и по программе АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы".

Целью диссертационной работы является создание пылеударного времяпро-лётного масс-спектрометра с большой чувствительной поверхностью для исследования физико-химических характеристик микрометеороидов и частиц космического мусора.

Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:

1. Получение зависимости зарядов ионов многокомпонентной плазмы, инициируемой высокоскоростным взаимодействием твёрдой частицы с чувствительной поверхностью масс- спектрометра, как функции напряженности электростатического поля ускоряющего промежутка и параметров частицы (скорости, плотности, массы). Получить зависимость разрешения времяпролётного масс-спектрометра от его конструктивных параметров.

2. Проведение экспериментального исследования процессов разлёта, сбора ионов, образованных высокоскоростным ударом в масс-спектрометре, с помощью электростатического ускорителя.

3. Разработать конструкцию бортового пылеударного масс-спектрометра с чувствительной площадью поверхности не менее 400 см2 для измерения параметров частиц (массой 10"12...510"14 г., скоростей 1...30 км с*1) и методики обработки информации.

Методы исследования базируются на использовании теоретических положений электродинамики, теории ударных волн, плазмы, кинетики, дифференциального и интегрального исчислений.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами расчётов, основанных на теории ударных волн, уравнений движения, кинетики процессов

в плазме, а также совпадением результатов расчётов с экспериментальными данными.

Научная новизна

1. На основе теории зонда в плазме, теории ударных волн и уравнений кинетики впервые предложена методика определения остаточных зарядов ионов многокомпонентной ударной плазмы, при разлёте её в электростатическом поле ускоряющего промежутка, учитывающая влияние поля на величины зарядов.

2. На основе решения уравнения движения ионов в изменяемом во времени ускоряющем электрическом поле разработан метод фокусирования спектра масс ионов времяпролётном пылеударном масс-спектрометре . Данный метод позволяет повысить разрешение в 5-40 раз для большого диапазона масс, по сравнению с электростатическим ускоряющим полем.

3. На основе использования электростатического ускорителя разработана методика проведения ударных экспериментов по исследованию спектрального состава высокоскоростных частиц различных материалов с учетом положительного заряда ударной частицы. Проведены эксперименты для частиц в диапазоне масс от 10"'2 до 10"14 грамм и скоростей от 1 до 20 км с"1.

4. Предложено устройстве регистрации и оценки содержания химических элементов в высокоскоростной частице и её физических характеристик (скорости, массы) с учетом влияния на время пролётный масс-спектрометр помех (ионов, протонов, электронов и импульсных электромагнитных помех).

5. Предложена конструкция пылеударного масс-спектрометра с динамическим режимом компенсации, имеющим характеристики: диапазон масс и скоростей частиц от 10"и до 10"14 г и от 1 до 30 км-с"1 соответственно, разрешения от 200 до 250 в диапазоне масс химических элементов от 1 до 100 а.е.м., площадь чувствительной поверхности прибора 400 см2.

На защиту выносятся:

1. Метод определения остаточных зарядов элементного состава твердых высокоскоростных частиц в зависимости от напряжённости электростатического поля в ускоряющем промежутке времяпролетного масс-спектрометра.

2. Метод фокусирования ионных пакетов в пылеударном масс-спектрометре в изменяемом во времени электрическом поле ускоряющего промежутка.

3. Результаты ударных экспериментов по регистрации спектров масс ионов с помощью времяпролётного масс-спектрометра при использовании электростатического ускорителя.

4. Методика обработки информации о физико-химических характеристиках высокоскоростных пылевых частиц при воздействии помех (ионов, протонов, электронов и импульсных электромагнитных помех).

5. Конструкции пылеударных масс-спектрометров с большой чувствительной поверхностью и средства регистрации спектров масс ионов.

Практическая значимость работы

В диссертационной работе результаты являются научным обоснованием соз-

дания бортового масс-спектрометра для исследования микрометеороидов, частиц космического мусора 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 конференция "Научные и технологические эксперименты на автоматических аппаратах и малых спутниках" (2008, 2011), международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов" (2003,2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011), "Научные и технологические российские и зарубежные эксперименты на автоматических космических аппаратах "Фотон", "Бион", результаты, проблемы и перспективы" (2000), "50 студенческая научно-техническая конференция" (2000), "Всероссийская студенческая научная конференция "V КОРОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ" (1999), "VI КОРОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ" (2001), 9a International Space Conference, Protection of Material and Structures From Space Environment. ICMSE-9 Toronto Canada on 2008.

Личный вклад автора Выносимые на защиту теоретические и экспериментальные результаты диссертации получены автором самостоятельно.

Публикации по теме диссертации По теме диссертации опубликовано 29 научных работ, из них 10 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получено 7 патентов РФ, а также в материалах 12 научных конференций

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформирована её цель и задачи, изложено краткое содержание диссертационной работы.

В первой главе дан обзор исследований физико-химических характеристик микрометеороидов и частиц космического мусора. Рассмотрены результаты космических исследований, проведённых с помощью пылеударных масс-спектрометров. Отмечены преимущества и недостатки таких приборов. Показаны перспективы улучшения характеристик пылеударных масс-спектрометров. Проанализированы методы расчета параметров времяпролётных масс-спектрометров.

Во второй главе изложена методика определения характеристик остаточных зарядов ионов при высокоскоростном соударении твёрдых тел. Обосновано, что при разработке пылеударного масс-спектрометра необходимо учитывать влияние электрического поля на кинетические процессы в плазме и, соответственно, на величину остаточных зарядов ионов, образованных в результате соударения частицы с чувствительной поверхностью прибора. Методика расчёта разработана из условия сферического разлета слабоионизированной плазмы в вакуум. Разлёт ударной плазмы в вакуум описывается автомодельными уравнениями физической кинетики совместно с уравнениями для энергии ионов и электронов:

Л *=1 еЛГ0Г0 Л

^- = хе{(1-хк)01к-хкАв2}

А ' -Хе Л ; гС1

¿г, г- г,-т;

—- + 2— = х —--■ ■

» € » Л /

'о '

где г- время; Хе, хк - безразмерные концентрации электронов и ионов к-ой компоненты, соответственно; ск- концентрация химического элемента к-ой компоненты; Те, Тг энергия электронов и ионов; Е* - энергия рекомбинации на один акт; Е - напряжённость электростатического поля; У0- начальная скорость разлёта плазменного сгустка; Ло- начальный радиус плазменного сгустка; (V;) -средняя тепловая скорость ионов; q- заряд электронов ушедших на мишень; е- заряд электрона; V начальное время разлёта плазменного сгустка; теГ характерное время обмена энергией между электронами и ионами; кс- коэффициент для нахождения электрической ёмкости полусферы;

% =б,Об-1021(2,7-10-13-7;3/2Дг^(г)+8,75 10-27/7;3)ехр(-4/Ге)- скорость ионизации; N(1) = ЛГ0(г0/()3 - концентрация частиц в плазменном сгустке от времени; N0-начальная концентрация частиц в плазменном сгустке;

С2 = 2,710"13/ге3/4 + 8.75-10"27хе Ы(с)/Т*/1 - суммарная скорость фото и тройной рекомбинации; 1к = 1к0 -2-[леъ~\к{{)хе1Те - эффективное значение потенциала ионизации к-го элемента; 1ко- потенциал ионизации к-го элемента.

Начальные условия для решения системы дифференциальных уравнений получены решением уравнения Саха и законов движения сплошных сжимаемых сред при высокоскоростном ударе.

В результате решения задачи получены:

- изменения концентрации ионов в плазменном сгустке в зависимости от времени. На Рисунке 1 приведено изменение безразмерной концентрации ионов в зависимости от времени для частицы, ударяющейся о мишень со скоростью 40 км/с.

При напряжённости электростатического поля 100 В/см закалка наступает при 2-10"7 с. При отсутствии внешнего электростатического поля закалка отсутствует, т.е. процесс рекомбинации идёт до тех пор, пока не прорекомбинируют все ионы

Рис. 1 - Изменение безразмерной концентрации ионов в зависимости от времени для частицы (81=92,5%; К=2%; Ре=5%; Н=0,5%) при скорости соударения о мишень 40 км/с, напряжение на мишени: 1-100В/см, 2- ОВ/см. 1- К; 2- Ре; 3- 81; 4- Н.

Рис. 2 - Зависимость безразмерной остаточной концентрации ионов для частицы ($¡=5%; К=2%; Ре=92,5%; Н=0,5%) от скорости при напряжении на мишени: 1100 В/см, 2- 0 В/см. 1- К; 2- Ре; 3- Бп 4- Н.

0 10 20 30 40 V, км/с Рис.3 - Зависимость безразмерной остаточной концентрации ионов для частицы (81=92,5%; К=2%; Ре=5%; Н=0,5%) от скорости при напряжении на мишени: 1100 В/см, 2- 0 В/см. 1- К; 2- Ре; 3- 81; 4- Н.

с электронами;

-зависимости остаточных концентраций ионов химических элементов (Рисунки 2 и 3) и зарядов, входящих в частицу. Расчет проводится до времени 10"7с при напряжённости внешнего электростатического поля 100В/см и в его отсутствии. Остаточная степень ионизации химических элементов

в плазменном сгустке зависит от потенциала ионизации химических элементов, входящих в частицу, величины напряжённости внешнего электростатического поля и количества химических элементов в частице.

Времяпролётным масс-

спектрометрам присущи такие недостатки, как зависимость разрешения от дисперсии времени образования ионов, ширины зоны ионизации, энергетического разброса ионов. Предложен метод компенсации временного разброса ионов, в котором используется переменное во времени выталкивающее поле, обеспечивающее ионам такое ускорение, при котором они попадают в приёмник одновременно.

Описание метода приведено для схемы конструкции прибора (Рисунок 4). Ионы образованные от взаимодействия частицы с мишенью (1) ускоряются в промежутке (Ь) между мишенью (1) и сеткой (2), отражаются в линейном зеркале (О) образованном сетками (2, 3) и электродами (4), пролетают в обратном направлении через бесполевое пространство ((1) между сетками (2, 5). Бесполевое пространство (<1) обеспечивается снятием напряжения с мишени (1) после получения импульса тока зарядо-чувствительным усилителем. Отразившись от

параболического отражателя (5, 6) ионы попадают в приёмник ионов (7).

Основные соотношения ьг°+200 В для времени пролёта иона в приёмник и его скорости имеют вид:

2У, с! 2 V,

Т = Ц +—+ —+ —Ц

аГ1 аТ2

2 еП,

о

тб

Уб

аТ1

аТ 2

Рис. 4 - Схема пылеударного масс-спектрометра. 1 — мишень пылеударного масс-спектрометра; 2, 3, 5 - сетки; 4 - электроды ионного зеркала; 6- параболический отражатель; 7 - приемник ионов; 8 - источник ионов собственной внешней атмосферы; 9 - зарядочувствительный усилитель; 10- источник высоковольтного напряжения

где Шб- базовая масса; и<>-напряжение в промежутке хе(0,1) в момент г=0 (задается

Ц>ир; и0 <ит,,

ир - напряжение между электродами параболического отражателя; ит - напряжение на электродах электрического зеркала); , аТг - ускорения:

аТ\ =еир/т°р '

4,-в"

Рис. 5 - Зависимость разрешения от массы элемента и напряжения выталкивающего импульса от времени.

¡0 6.0 7.0 т М хв^н

Рис. 6 - Зависимость коэффициента сбора (5с6) от координаты удара (х) и массы ионов(ш)

аТг - е11т / тОт , Ор- расстояние между электродами параболического отражателя;

300

200

100

Dm- глубина электростатического зеркала. Vt - скорость иона на выходе из управляющего промежутка; d - длина бесполевого участка; V6 - скорость иона, появившегося в момент t = 0; Up - напряжение между электродами параболического отражателя.

Управляющая зависимость должна обеспечить приход иона, стартовавшего в момент t (неизвестный заранее) к границе управляющего промежутка х-1 (сетка 2 на Рисунке 4) в момент времени t. Переменное во времени ускорение a(t) и скорость в интервале хе (0,1) будем записывать в виде кусочно-линейной аппроксимации по значениям ак и V!k соответственно при дискретизации времени At. Ускорение после ряда преобразований находится из системы уравнений вида:

Î0

100'

150 Мл.еи

Рис. 7 - Зависимости разрешающей способности (Я) масс-спектрометра от массы химического элемента (М): 1- осевой случай (аналитический расчёт); 2-осевой случай (числешшй расчёт); 3 - пролег частиц вблизи отклоняющих колец (численный расчет).

ш

ОЧ>г1>-Е

1—I

Ч 13 |—-1

Рис. 8 - Блок- схема экспериментальной установки

большого числа частиц. В этом случае

Дг

_2_ Д t

(к- 1)Д/

Ja(rVf-at4

/ = (*:- 1/3 )Д Г | а (г )</ г -(*-1)41 , ' 4 7

Г( УиЫ ак-

- + -

В уравнении имеется одна неизвестная величина - время вылета /, а остальные параметры (У/,ао,...,а([.;,Л?;/) - известны.

На Рисунке 5 приведены зависимости разрешения прибора от массы элемента для различных начальных условий и переменного во времени выталкивающего импульса напряжения. Приведённый метод имеет преимущества перед известным методом на основе постоянного во времени выталкивающего импульса в широком диапазоне масс.

Проведённый анализ задачи создания пылеударного масс-спектрометра показал, что при его использовании для определения физико-химических характеристик микрометеороидных частиц необходима большая площадь чувствительной поверхности для регистрации возникают значительные трудности сохране-

ния независимости выходных характеристик от места соударения исследуемых частиц с чувствительной поверхностью масс-спектрометра, обеспечения малых габаритов, массы прибора при большой площади чувствительной поверхности (>300 см2), выполнения условия высокого разрешения.

Для определения основных характеристик прибора, приведенного на Рисунке 4, разработана программа расчёта его основных характеристик.

Результаты расчётов зависимости разрешения и коэффициента сбора от координаты удара и массы химического элемента приведены на Рисунках 6, 7.

В третьей главе приведены методика проведения ударных экспериментов и описание экспериментального оборудования.

Экспериментально (с помощью электростатического ускорителя) изучены ударные спектры масс ионов, образованных в результате соударения твёрдых микронных, субмикронных частиц из А1, Сг, 8Ю2, С, Ре с мишенью (чувствительной поверхностью) масс-спектрометра (Ад, N1)) в диапазоне скоростей 1.. .20 км-с"1.

В экспериментах использова-

А1-»ЫЬ

Т-ОЯ.ДЗпГс 1=0,05.. 0,25 та

Нг

На/ Ог

10 20 30

1,911(1' II

СО,

то <.«

1С

?=2...4хя1с

1-ОЯ.ДЗшл!

К

Н, „ N. 1. . . ! 1

Щ1

п.

10 20 30 41 Р«-»№

30 К

ны лабораторные и летный образец пылеударного масс-спектрометра. На Рисунке 8 приведена схема экспериментального стенда, на котором исследованы физические характеристики и элементный состав микронных и субмикронных частиц.

Стенд включает в себя электростатический ускоритель, содержащий инжектор частиц 1; ускоряющую трубу 2 с суммарным напряжением 500кВ; систему регистрации на основе индукционных датчиков 3; исследуемый масс-спектрометр, имеющий рефлектор 4; ускоряющую сетку 5; мишень 6 с пазом в её центре, вторично-электронные умножители (ВЭУ-1,ВЭУ-2, ВЭУ-3); регистрирующие потоки ионов с мишени 6; электрод 7 для разворота ионов; электростатическое фокусирующее зеркало 8 и отражатель 9. Для измерения скорости и заряда частиц, импульсов ионов с ВЭУ-1,2,3 использовались усилители 10,11, генератор задержки 12 и запоминающие осциллографы 13,14, ключ К.

Исследовано влияние величины электростатического заряда частицы на

н,

I

На

X

60 70 <,»

Ге

I

20 30 Т-9. .13 м/с

Н!

10 20

30

50 60 70 ^шв

Си

40 50 60 70

Т=15...20пЛ 1=0,054X1 та

Н>

Н,

10 20 33 40

Рис. 9 - Ионные спектры с масс-спектрометра

спектр масс ионов. Наблюдается увеличение выхода ионов с увеличением заряда частицы. Это свидетельствует о потенциальном механизме образования ионов при скоростях соударения меньше 2+3 км-с"1.

Для конструкции прибора (Рисунок 4), приведены спектры масс ионов, образованные ударом микронных и субмикронных частиц из А1, Ре, ЯЮ2 в мишень из N1) в диапазонах скоростей 0,2+2 км с"1 ; 4,5+8 км с"1; 9+13 км с"1; 15+20 км с"1 (Рисунок 9).

По данным экспериментов в диапазоне скоростей 0,2+2 км-с"1 основной вклад в образование ионов вносит разрядный механизм. Появляется 10+15 элементов в спектре, многие из которых с высоким значением потенциала ионизации. С увеличением скорости частицы (V, > 2 км-с"1) вклад ударного механизма возрастает (Бе—>№>; 8Ю2-+МЪ), количество элементов в спектре уменьшается до 5+6 и можно определить поведение основного элемента, составляющего частицу (Ре, 51, А1), как функцию её скорости. Таким образом, при анализе спектра масс имеется информация о физических параметрах (скорость, масса), что должно использоваться при создании масс-спектрометра.

На Рисунке 10 приведены три масс-спектрограммы, полученные при бомбардировке мишени из N5 частицами Сг. Верхние кривые являются записью сигнала с мишени. Спектры 1 и 2 получены для частиц, с близкими скоростями 265 и 250 м-с"1 соответственно, заряды частиц составляли 3,5-10"'3 и 7,0-10~13 Кл соответственно. На спектрограмме 1 наблюдается "ступенька", амплитуда которой обусловлена частичной разрядкой входной ёмкости усилителя в цепи мишени. Если эмиссия ионов обусловлена электростатическим разрядом (ЭСР) между заряженной микрочастицей и мишенью, то величина эмитируемого заряда может изменяться в соответствии с параметрами ЭСР. Параметры ЭСР зависят от формы частицы и микрорельефа мишени в области соударения.

Определяющая роль ЭСР в возникновении эмиссии при скоростях частиц от 1,5 до 2 км-с"1 подтверждена путём нейтрализации ускоренных частиц электронами, испускаемыми раскалённой спиралью. В этом случае масс-спектры практически не регистрировались. Разработана методика оценки содержания химических элементов в высокоскоростной частице, основанной на шумовой модели приёмника ионов, учи-

1 2 3 45 6

Рис. 10-Масс-спектрограммы ионов, образующихся за счет ЭСР между микрочастицей и мишенью: 1 - КГ, 2 - К", 3 - 02\ 4 - К+, 5 - СО,4,6 -МЬ

тывающеи количество вторичных ионов, образованных в результате столкновения протонов (ионов) с чувствительной поверхностью прибора, и воздействия импульсных помех, создаваемых бортовой аппаратурой космического аппарата. Сигнал, несущий информацию о химическом составе объекта исследования (частиц), представлен последовательностью импульсов одинаковой формы с различными амплитудами:

где Т - длительность интервала анализа; Г(Ц - детерминированная функция, определяющая форму импульса; 1к - момент появления к — номер сигнального импульса с выхода ВЭУ; N - заданное количество разрешаемых химических элементов.

Моменты определяется номером химического элемента в таблице Менделеева. Задача определения химического состава частицы состоит в измерении величин вектора а - {ак} и V, к= 1,2,...,К Оценка вектора й находится из системы

уравнений с?е2/с'й = О, где е2 [*(()-х(7)рЛ , где х$ = .$(¿,2)+^) - математическое ожидание процесса х(1), где £(1:)- пуассоновская стационарная хаотическая импульсная помеха (ХИП).

Окончательное выражение для алгоритма оценки параметров спектра масс

Рис. 11. - Внешний вид пылеударного масс-спектрометра

ионов

выхода приёмника ионов имеет вид: ак = {'к+'! х(г)й?/-/?, где

Р = ■ Р{{к) = Р%{к)=е * Щ/м- распределение Пуассона; Я, = п1г! -

среднее число импульсов ХИП, попадающей в интервал времени длительностью х3.

Функциональная схема устройства, реализующего алгориггм, содержит интегратор, схему вычитания и блок стробирования, подключающий к интегратору входной сигнал только в промежутках [1кч/2; 1км/2], а также осуществляющий сброс генератора сразу после сбора информации о величине вектора а. Источниками погрешностей прибора являются: флуктуационный шум пО), ХИП и коммутационные импульсные помехи, вызванные срабатыванием бортовой аппаратуры космического аппарата.

В четвёртой главе приведены примеры различных схем конструкций пыле-ударных масс-спектрометров, включая бортовое исполнение. Показаны преимущества и недостатки таких приборов. Приведены результаты испытаний бортового прибора на электростатическом ускорителе. На основе созданных алгоритмов измерения и обработки спектров масс с выхода приёмника ВЭУ предложена методика обработки спектров с учётом физических характеристик микрометеороидов.

Разработан бортовой пылеударный масс-спектрометр с динамическим режимом компенсации временного разброса ионов (Рисунки 4 и 11) с характеристиками: диапазон масс и скоростей исследуемых частиц от 10'11 до 10"14 грамм и от 1 до 30 км с"1 соотвтветственно, разрешения от 200 до 250 в диапазоне масс химических элементов от 1 до 100 а. е. м., площадь чувствительной поверхности 400 см2, масса анализатора- 1,3 кг.

Конструкция масс- спектрометра приведенная на Рисунке 4 содержит источник ионов (8), что позволяет учитывать влияние загрязнения мишени при определении химического состава частицы.

На Рисунке 12 приведён спектр масс ионов, полученных на приведённом в диссертационной работе бортовом пылеударном масс-спектрометре. Эксперимент проведен на электродинамическом ускорителе.

Al- Аг Г--0.---.1 loca

.41

н

.^JLL-.:-.-__________■ i, ___к

о ie 2t>. 30 « so t,«otc

Рис. 12 - Спектры масс ионов с разработанного бортового пы-леударного масс-спектрометра (динамический режим компенсации) испытанного на электродинамическом ускорителе

Спектр масс ионов получен с помощью бортового пылеударного масс-спектрометра в режиме динамической компенсации времени пролёта ионов, характеристики спектра которого соответствуют теоретическим результатам.

Основные результаты работы.

1. Разработан бортовой вариант пылеударного масс-спектрометра с динамическим режимом компенсации, имеющим характеристики: диапазон масс и скоростей частиц от 10" до 10"14 г и от 1 до 30 км-с"1 соответственно, разрешения от 200 до 250 в диапазоне масс химических элементов от 1 до 100 а.е.м., площадь чувствительной поверхности прибора 400 см2.

2. Получены значения остаточных зарядов ионов в ударном спектре масс ионов как функции физико-химических характеристик микрометеороидов в результате решения задачи о разлёте ударной плазмы в электростатическом поле ускоряющего промежутка пылеударного масс- спектрометра.

13

3. Метод фокусирования спектра масс ионов во времяпролётном пылеудар-ном масс-спектрометре на основе изменяемого во времени ускоряющего электрического поля позволяет повысить разрешение в выбранном диапазоне масс химических элементов в несколько раз по сравнению с постоянным электрическим полем.

4. Разработанная методика проведения ударных экспериментов на электростатических ускорителях с различными материалами мишени и частиц, позволяющая оценить вклад в образование ионов ударного и разрядного механизмов в диапазоне скоростей частиц от 1 до 10 км с"1.

5. Разработано устройство регистрации и оценки содержания химических элементов в высокоскоростной частице и её физических характеристик (скорости, массы) с учетом влияния на времяпролётный масс-спектрометр помех (ионов, протонов, электронов и испульсных электромагнитных помех).

Основные результаты опубликованы в следующих работах: Статьи в реферируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК

1 Semkin N.D., Voronov К.Е., Pomelnicov R.A., Myasnikov S.V. A Gas-Dust Impact Mass-spectrometer // Instrument Experimental Techniques, vol,45, №1,2002, pp 107-112.

2 Помельников, P.A. Бортовой пылеударный масс-спектрометр для исследования химического состава микрометеоритов[Текст]/ P.A. Помельников, Н.Д. Семкин, Д.В. Родин, И.В. Пияков // Научное приборостроение.- 2012.- т. 22, №3,- С. 13.

3 Семкин, Н.Д. Аналитический метод расчета электростатического поля время-пролётного отражателя масс-спектрометра[Текст]/ Н.Д. Семкин, И.В. Пияков, Д.В. Родин, P.A. Помельников // ЖТФ,- 2012 - т.2, вып. 10,- С. 79.

4 Помельников, P.A. Новообразование и проводимость пленочной МДМ-структуры при взаимодействии с космическими пылинками[Текст]/ P.A. Помельников, Н.Д. Семкин, К.Е. Воронов, JI.C. Новиков, H.JI. Богоявленский // Авиакосмическое приборостроение.- 2004,- №3,- С. 49.

5 Семкин, Н.Д, Перспективы развития времяпролетных масс-спектрометров для анализа газовых и пылевых частиц[Текст]/ Н.Д. Семкин, И. В. Пияков, К. Е. Воронов, Р. А. Помельников // Прикладная физика, 2002, № 2, с. 124-141.

6 Семкин, Н.Д. Проводимость и ионообразование в ударносжатых пленочных структурах в условиях взаимодействия высокоскоростных пылевых частиц[Текст]/ Н.Д. Семкин, А.М. Телегин, P.A. Помельников // Физика волновых процессов и радиотехнические системы.- 2009.- т. 12, №4.- С. 92.

7 Semkin N.D., Novikov Z. S., Voronov K.E., Bobin D.G., Pomelnicov R.A., and Ro-tov S.V. Detector of Micrometeoroid and Artificial Space Debris Particle//Space Debris, vol.2, No. 4, 2000, pp.273-293.

8 Помельников, P.A. Времяпролётный масс - спектрометр для обнаружения утечки воздуха из модуля КА[Текст]/ P.A. Помельников, Н.Д. Семкин, И.В. Пияков //Приборы и техника эксперимента.- 2007.- №1.- С. 116.

9 Помельников, P.A. Методы обработки информации об элементном составе микрометеоритов[Текст]/ P.A. Помельников, Н.Д. Семкин, А.М. Телегин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы,- 2011.- т. 14, №2- С. 78.

10 Семкин, Н.Д. Метод компенсации временного разброса ионов во времяпро-

лётном масс-спектрометре[Текст]/ Н.Д. Семкин, Д.В. Родин, И.В. Пияков, Р.А. По-

мелышков //Научное приборостроение.- 2012.- том 22, №4.- С. 102.

Патенты и авторские свидетельства

11 Пат. на изобретение №23 26 465 Российская федерация, Пылеударный масс-спектрометр [Текст]. Семкин Н.Д., Помельников Р.А., Пияков, И.В., Пияков А.В., Воронов К.Е., 2006125302/28 опубл. 20.01.2008. Бюл.№ 15- 2с.

12 Пат. на изобретение №22 05 525 Российская федерация, Ускоритель высокоскоростных пылевых частиц[Текст]. Семкин Н.Д., Пияков И.В., Воронов К.Е., Помельников Р.А., 2001121376/06 опубл. 27.05.2003. Бюл.№15- 2с.

13 Пат. на изобретение № 46128 Российская федерация, Пылеударный масс-спектрометр[Текст]. Помельников Р.А., Семкин Н.Д., Воронов К.Е. Пияков И.В., Занин А.Н., 2004136675/22 опубл. 10.06.2005, Бюл № 16- 2с.

14 Пат. на изобретение 22 35 386 Российская федерация, Пылеударный масс-спектрометр[Текст]. Семкин Н.Д., Воронов К.Е. Пияков И.В., Помельников Р.А., 2002103528/28 опубл. 27.08.2004, Бюл. № 24- 2с.

15 Пат. на изобретение 22 31 860 Российская федерация, Газопылеударный масс-спектрометр[Текст]. Семкин Н.Д., Воронов К.Е. Пияков И.В., Помельников Р.А., 2002120948/09 опубл. от 27.06.2004, Бюл № 16- 2с.

16 Пат. на изобретение № 22 39 909 Российская федерация, Масс-спектрометр газовых частиц[Текст]. Семкин Н.Д., Воронов К.Е. Пияков И.В., Помельников Р.А., 2001119891/28 опубл. от 10.11.2004, Бюл №31-2.

17 Пат. на изобретение № 22 39 910 Российская федерация, Времяпролётный масс-спектрометр['Гекст]. Помельников Р.А., Семкин Н.Д., Воронов К.Е., 2001130673/28 опубл. от 10.11.2004, Бюл № 31- 2с.

Тезисы выступлений на конференциях

18 Balakin V.L., Semkin N.D., Voronov К.Е., Pomelnicov R.A., Rotov S.V. The space dust parameter registration system. European Space Agency ESASP Third European conference on Space Debris. Darmstadt, 2001, pp. 208-214.

19Novikov L.S., Pomelnicov R.A., Semkin N.D., Voronov K.E. Rotov S.V. Mass-spectrometer for space dust exploration. European Space Agency ESASP Third European conference on Space Debris . Darmstadt, 2001, pp. 243-246.

20 Семкин Н.Д. Кинетика ионизации и рекомбинации в пылеударном плазменном сгустке[Текст]/ Н.Д. Семкин, Р.А. Помельников // Материалы международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" - 11-17 сентября . Самара 2011, с 15.

21 Помельников, Р.А. Расчет остаточной ионизации вещества при высокоскоростном соударении частиц с мишенью[Текст]/ Р.А. Помельников, Д.В. Родин // Материалы докладов международной конференции "Научные и технические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках". 27-30 июня 2011, Самара. С.374-376.

22 Семкин, Н.Д. Ионообразование ударно-сжатых материалов в условиях воздействия высокоскоростных частиц[Текст]/ Н.Д. Семкин, Р.А. Помельников // Мате-

риалы докладов V международной технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов". 11-17 октября, Самара, 2006.

23 Помельников, P.A. Расчет распределения электростатического поля во время пролётном масс-спектрометре[Текст]/ P.A. Помельпиков //Труды международной конференции "Физика и технические приложения волновых "процессов". II научно-техническая конференция 7-13 сентября, Самара, 2003

24 Помельников, P.A. Ионообразование при высокоскоростном соударении заряженных частиц с твердым веществом[Текст]/ P.A. Помельников, Н.Д. Семкин // Труды международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов".17-23 сентябрь 2007, Казань.

25 Semkin N.D., Voronov К.Е., Poraelnicov RA., Novikov Z. S. Physical effects during micrometeorite paticles High - Velocity impact on metal- dielectric-metal film structures. 9-th International Conference on Protection of Materials and Structures from Space Environment, JCPMSE - 9, Toronto, on 2008. pp. 572-576.

26 Помельников, P.A. Перспективы развития время- пролётных масс- спектрометров для исследования пылевых и газовых частиц в космических условиях[Текст]/ P.A. Помельников, A.A. Ананьин, А.Н. Занин, C.B. Мясников // Сборник тезисов докладов международной конференции "Научные технологические российские и зарубежные эксперименты на автоматических космических аппаратах "Фотон", "Бион", результаты, проблемы и перспективы" Самара 2000. С. 29-30.

27 Помельников, P.A., Результаты экспериментальных исследований влияния высокоскоростных микрочастиц на элементы конструкции КА[Текст]/ P.A. Помельпиков, C.B. Ротов, Е.Ю. Барышев //Сборник тезисов докладов международной конференции "Научные технологические российские и зарубежные эксперименты на автоматических космических аппаратах "Фотон", "Бион", результаты, проблемы и перспективы" Самара 2000. С.86.

28 Помельников, P.A. Математические модели детектора космического мусора и перспективы развития проекта "КАИКС" с использовании КА "Фотон"[Текст]/ Р-А. Помельников, Н.Д. Семкин, В.П. Балакин, И.В. Белоконов, КЕ. Воронов, В.М. Шахмистов// Сборник тезисов докладов международной конференции "Научные технологические российские и зарубежные эксперименты на автоматических космических аппаратах "Фотон", "Бион", результаты, проблемы и перспективы" Самара 2000. С. 87.

29 Помельпиков, P.A. Оценка влияния собственной внешней атмосферы КА "Фо-тон/Бион" на загрязнение элементов конструкции[Текст]/ P.A. Помельников, С.Б. Коныгин//Сборник тезисов докладов международной конференции "Научные технологические российские и зарубежные эксперименты на автоматических космических аппаратах "Фотон", "Бион", результаты, проблемы и перспективы" Самара 2000. С. 83.

Подписано в печать 07.05.2013г. 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 униве

Пылеударный масс-спектрометр для определения элементного состава

микрометеороидов и частиц космического мусора

01.04.01.- приборы и методы экспериментальной физики

04201360560

Помельников Роман Александрович

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: Семкин Николай Данилович д.т.н., профессор

САМАРА 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.........................................................................................................................4

ГЛАВА 1 Обзор современных масс-спектрометрических устройств для исследования элементного состава высокоскоростных пылевых частиц.......7

1.1 Уравнение движения ионов для нерелятивистской заряженной частицы........7

1.2 Основные характеристики ионного спектра......................................................10

1.3 Время- пролетные масс-спектрометры, их основные характеристики...........13

1.4 Перспективы улучшения характеристик время- пролетного масс- спектрометра.............................................................................................16

1.5 Пылеударные масс-спектрометры......................................................................19

1.6 Требования, предъявляемые к бортовым масс-спектрометрам.......................26

Выводы..........................................................................................................................28

ГЛАВА 2 Методические основы создания пылеударного масс-спектрометра ....29

2.1 Методика расчета характеристик ионного спектра масс при высокоскоростном соударении твердых тел...................................................29

2.2 Способы фокусирования ионных пакетов во время- пролетном масс- спектрометре.............................................................................................45

2.2.1. Фокусировка ионных пакетов с помощью линейного по координате

электростатического зеркала.............................................................................49

2.2.2 Фокусировка ионных пакетов с помощью переменного во времени ускоряющего поля..............................................................................................52

2.2.3 Нахождение разрешающей способности время- пролетного масс- спектрометра.............................................................................................59

2.3. Разработка алгоритма расчета параметров время-пролетных

масс- спектрометров...........................................................................................63

2.4 Моделирование процессов разлета и сбора ионов в пылеударном масс-

спектрометре различного конструктивного исполнения...............................71

Выводы..........................................................................................................................78

Глава 3 Экспериментальное исследование ионных спектров с помощью пылеударного масс-спектрометра.....................................................................79

3.1 Экспериментальный стенд для изучения процессов ионизации при высокоскоростном ударе...................................................................................79

3.2 Методика проведения ударных экспериментов................................................82

3.2.1 Методика проведения эксперимента по регистрации физических характеристик частиц.........................................................................................82

3.2.2 Методика проведения экспериментов по изучению ударных спектров масс ионов, инициируемых ударом заряженных частиц...............................86

3.3 Обработка результатов ударных спектров масс ионов.....................................95

3.4 Методика измерения элементного состава микрометеороидов....................114

3.4.1 Модель шума приемника ионов.....................................................................114

3.4.2 Алгоритм измерителя ударного спектра масс ионов...................................116

3.4.3 Погрешность измерения физико-химических характеристик микрометеороидов............................................................................................124

Выводы........................................................................................................................131

Глава 4 Конструктивные особенности построения пылеударного масс- спектрометра............................................................................................132

4.1 Конструктивные особенности построения пылеударного масс- спектрометра...........................................................................................132

4.2 Схемы измерения и обработка спектра масс с выхода приемника...............150

4.3 Методика обработки ионного спектра с учетом физических характеристик микрометеороидов..................................................................157

Заключение.................................................................................................................164

Литература..................................................................................................................166

Приложение А. Вывод формулы фокусировки ионных пакетов

с помощью линейного по координате электростатического

зеркала..........................................................................................177

Приложение Б. Статистические характеристики шумового тока ионизационного

преобразователя сеточной конструкции ................................................181

Введение

В последние годы наблюдается повышенный интерес к время- пролетным, квадрупольным масс-спектрометрам, энергоанализаторам для проведения научных экспериментов в космических условиях. Основное внимание разработчиками уделяется получению высоких технических характеристик при малых весах, габаритах, потреблении, а также повышению эксплуатационной надежности.

В настоящее время с их помощью исследуются потоки заряженных частиц в космосе, газопылевая обстановка в окрестности космического аппарата, физико-химические характеристики микрометеороидов. Широкая область применения и связанное с этим разнообразие предъявляемых требований привели к созданию самых различных типов спектрометров. Многообразие факторов, воздействующих на космический аппарат, сложные энергетические спектры космических корпускулярных и электромагнитных излучений, воздействие внешних факторов в различных сочетаниях и в разной временной последовательности. Все это накладывает жесткие требования к созданию масс-спектрометрической аппаратуры. Интенсивные исследования в области космического материаловедения, прогнозирование поведения материалов и элементов аппаратуры в условиях космической среды стимулирует создание масс-спектрометров с высокой разрешающей способностью при малых весах, габаритах, потреблении. В данном пособии будет освещен круг вопросов, связанный непосредственно с время- пролетными масс-спектрометрами, энергоанализаторами и гамма-спектрометрами. К настоящему времени создано много различных методов фокусировки ионных пакетов, методик расчетов конструктивных параметров спектрометров, методик обработки массовых спектров. Существующие время- пролетные масс-спектрометры имеют разрешающую способность более 1000 а.е.м. Однако при изучении поведения материалов в космосе требуется значительно более высокая разрешающая способность при малых габаритах, весах, в связи с чем проблема создания таких устройств является актуальной. Большой вклад в создание, разработку теоретических

основ построения масс-спектрометров внесли такие ученые, как Сысоев A.A., Чу-пахин М.С., Шмикк Д.В., Сурков Ю.А. и другие.

Исследование микрометеоритов, комет, астероидов имеет важное научное и прикладное значение в фундаментальных областях астрофизики, астрохимии, а также при решениях ряда прикладных задач в области космической техники.

При высокоскоростном соударении твердых тел в образующейся ударной плазме может произойти синтез органических соединений. Такой механизм синтеза органических соединений может быть ответственным и за их образование в межзвездных газопылевых облаках при соударении частиц пыли, обладающих

-у

относительными скоростями, превышающими 15-20 км с . Следовательно, сверхскоростной удар. Обладающий огромной разрушительной силой, несет в себе и элементы созидания, затрачивая часть энергии на создание условий, необходимых для зарождения жизни.

Ударная плазма представляет собой кратковременный и высокоскоростной выброс вещества частицы и преграды в виде его нейтральной и ионизированной компонент, со степенью ионизации, зависящей от скорости соударения, потенциала ионизации веществ и ряда других факторов.

Огромная энергия ударного воздействия обеспечивает формирование среды, необходимой для выживания зародившихся первичных форм живой материи. Так, падение крупного метеорита способно обеспечить нагрев пород до умеренных температур и таяния льда в значительной зоне, прилегающей к месту удара при характерном времени остывания от нескольких сотен тысяч до десятка миллионов лет, а также насыщение этой области органическими соединениями. В особых условиях сверхскоростного удара может осуществляться также инжекция синтезированных в факеле плазмы сложных органических соединений в глубинные, относительно теплые слои космических тел, обладающие низкой или высокой температурой на поверхности. Следовательно, процессы, протекающие при ударе, обладая широким спектром разнообразных характеристик, способны удовлетворить требованиям многих моделей, в которых предлагаются различные сценарии возникновения простейших форм жизни. Условия, необходимые для первичных

форм живой материи, так же как и среды, обеспечивающей выживание и эволюционное развитие живой субстанции, могли образоваться в естественных процессах, сопровождающих сверхскоростной удар метеоритных тел по поверхности Земли на ранних этапах формирования планеты.

Свойства факельной плазмы, генерируемой под воздействием метеоритного удара в процессе ее разлета способны обеспечить синтез от промежуточных низкомолекулярных реакционно-способных соединений до сложных органических макромолекулярных структур. Массы и структурные характеристики продуктов синтеза в полном объеме исследуются синхронно во время проведения модельных экспериментов с помощью время- пролетного масс-спектрометра, к которому предъявляются различные требования. Выполнение их в полной мере является сложной научно-технической задачей.

Основной вклад в создание пылеударных время- пролётных масс-спектрометров, проведение лабораторных и космических экспериментов внесли отечественные учёные Сагдеев Р.З., Сысоев A.A., Новиков Л.С., Евланов В.И. и др., а также зарубежные ученые Fechtig Н., Grun Е., Kissel J., Srama R., Adams N.G., Dalmann B.K., T.Kato и д.p.,

ГЛАВА 1 Обзор современных масс-спектрометрических устройств для исследования элементного состава высокоскоростных пылевых частиц 1.1 Уравнение движения ионов для нерелятивистской заряженной частицы

Принцип работы масс-спектрометров основан на взаимодействии заряженных частиц (ионов, электронов) с электрическими и магнитными полями. В результате взаимодействия образуются пакеты ионов, подлежащие дальнейшей обработке.

Уравнение движения ионов в векторной форме для нерелятивистской заряженной частицы записывается следующим образом [1, ]:

т— = деЕ + Щой], (1.1)

Ж с

где ш - масса иона;

q - кратность заряда; е - заряд электрона; с - скорость света в вакууме; и - скорость иона;

Ё— напряжённость электрического поля; Й - напряжённость магнитного поля. Электрическое и магнитное поля являются функциями как координат, так и времени:

Ё = Е{х,у,г,1), Й = Й{х,у,г,() (1.2)

В масс-спектрометре скорости ионов существенно меньше скорости света, поэтому в дальнейшем рассматривается нерелятивистский случай.

Движение ионов в электрическом и магнитном полях, как следует из (1.1), зависит от их массы и заряда, а точнее, от отношения Из уравнения (1.1) следует, что любое масс-спектрометрическое устройство разделяет ионы только в зависимости от этого отношения, которое в дальнейшем для удобства будем называть массой иона. В масс-спектрометре рассматривают два случая движения ионов в электрическом и магнитном полях. В первом случае электрическое и

магнитное поля не зависят от времени: Ё = Ё{х,у,г,{), Й = Й(х,у,гВсе масс-

спектрометры, в основе которых лежит разделение ионов в статических электрических полях, называются статическими. Во втором случае электрическое и магнитное поля или одно из них являются функциями также и времени Ё - Ё(х, у, г, {), Й = Й(х, у, г, (). Масс-спектрометры, в которых разделение ионов

происходит в переменных полях, называются динамическими. К динамическим относятся такие приборы, в которых разделение ионов происходит в зависимости от их времени пролета. При использовании статических полей для разделения ионов рассматриваются три случая.

1. Разделение ионов в электрическом поле. Скорость иона

б/Я сШ с& ,л

0 = — =---= —и, (1.3)

Ж ds с11

где Я - радиус вектор иона;

б - координата, совпадающая с его траекторией; и- абсолютная скорость иона. Уравнение (1.1) для рассматриваемого случая после ряда преобразований можно переписать:

= (1.4)

ds ¿Б ¿8

где и=(х, у, г) - потенциал электрического поля, V - потенциал, ускоряющий ионы вне поля. Из полученного уравнения следует, что в электрическом поле траекто-рия ионов зависит от отношения их полной энергии к кратности заряда \\^Л}=еУ и не зависит от массы. Поэтому статическое электрическое поле можно применять только для разделения ионов по энергиям.

2. Разделение ионов в магнитном поле. Для рассмотрения случая уравнение (1.1) можно записать в виде

ар

— = е

*н

(1.5)

где Р- импульс иона.

Отсюда следует, что траектория движения ионов в магнитном поле за-висит от их импульса. Так как амплитуда иона зависит как от его массы, так и от энергии, то следовательно, и траектория иона в магнитном поле будет определяться этими параметрами.

Если рассматривать ионы с постоянной энергией, то каждому значению массы ионов будет соответствовать вполне определенный импульс, и в этом случае можно считать, что в магнитном поле ионы разделяются по массам.

3. Разделение ионов в совмещенных электрическом и магнитном полях. Из сказанного выше следует, что для разделения ионов по массе можно использовать только магнитное поле. Но в магнитном поле траектория ионов зависит также и от энергии, что даже при небольшом энергетическом разбросе ионов ухудшает его разделительные свойства. Для устранения этого недостатка применяют комбинацию электрического и магнитного полей, в которых при определенном их подборе разделительные свойства не зависят от энергетического разброса ионов.

При использовании переменных во времени электрических и магнитных полей для разделения ионов также можно выбрать несколько случаев.

1. Переменное электрическое поле. Умножая обе части уравнения (1.1) при Н=0 на и и интегрируя это выражение, получим

W = qeJ'(C^E)dt . (1.6)

о

Отсюда следует, что энергия ионов W, их масса и время движения связаны определенной функцией. Эта связь может быть использована для распо-знавания массы ионов в зависимости от их энергии и времени движения.

Для определения энергии ионов применяется статическое электрическое или магнитное поле.

2. Разделение ионов в переменном электрическом и постоянном магнитном полях. Поскольку скалярное произведение (и[иН])=0, то связь между массой, энергией иона и временем в рассматриваемом случае имеет такой же вид, как и в предыдущем.

3. Для разделения ионов по массам используется также разница во времени пролета по заданной траектории ионов, имеющих одинаковую энергию или импульс. Так как в этих случаях скорость однозначно связана с массой, то, определяя с помощью анализатора время ее прихода в приемник, можно определить массу элемента.

Разделительная способность электрических и магнитных полей реализуется в устройствах, называемых масс-спектрометрами и энергоспектрометрами [3, 4], которые состоят из следующих основных элементов: а) источник ионов, предназначенный для создания ионов исследуемого вещества (газа или твердого тела); б) анализатор, в котором ионы разделяются в соответствии с отношением массы к кратности заряда М=т/^ или энергии к кратности заряда W=Wn/q; в) детектор, предназначенный для сбора ионов и получения на выходе сигнала, удобного для дальнейшей обработки; г) система регистрации, служащая для усиления, запоминания и обработки информации (расшифровки ионного спектра). При работе масс-спектрометра в лабораторных условиях необходима вакуумная система для исключения столкновения ионов с молекулами воздуха.

1.2 Основные характеристики ионного спектра

Основными характеристиками ионного спектра являются высота, или интенсивность пиков, зависящая от количества ионов данной массы, поступающих на детектор, и значение массы ионов, соответствующее каждому иону. При определении массы различных ионов необходимо, чтобы пики, соответствующие этим ионам, были разделены. Качество разделения этих пиков характеризуется разрешающей способностью масс-спектрометра, которая определяется соотношением

Ы=М/ДМ, где М = ~ средняя масса ионов, ДМ=М2-М1-разность масс

этих ионов. Таким образом, разрешающая способность определяет, с какой минимальной разностью масс ДМ две группы ионов могут быть зарегистрированы реально.

Можно ввести понятие разрешения прибора, которое является величиной, обратной разрешающей способности: ^ = . Аналогично определяется разре-

^ ('У/, + )

шающая способность энергоспектро