автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.09, диссертация на тему:Гиперболоидные масс-спектрометры типа "Трехмерная ловушка"

^ На правах рукописи

сг>

^ н?

о

§ КОЛОПШШ БОРИС ИВАНОВИЧ » =?

и.

а- I

ГИПЕРБОЖЩНЫЕ МАСС-СТЕКТРОИПРЫ ТИПА "ТРЕХМЕРНАЯ ЛОВУ ЯКА"

Специальность 05.11.09 -Аналитические и структурно-аналитические приборы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Рязань 1997

Работа выполнена в Ряванской государственной радиотехнической академии

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Э.П.ШЕРЕТОВ

Официальные оппоненты: доктор (¡ивико-математических наук,

профессор С.Я.ЯВОР

доктор фивико-иатецатических наук,

профессор

Л.А.СЫСОЕВ

доктор фивико-математических наук . С.С.ВОДКОВ

Ведущая организация: Институт космических исследований

Российской академии наук

Защита состоится " 2 У " КЬСИЛ 1997 г. в часов на васедании диссертационного совета Д.0в3.92.02 в Рязанской государственной радиотехнической академии по адресу: 391000, г.Рязань ГСП, ул.Гагарина, 69/1.

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан " 1Ъ " рСс&сК 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

ССедяев В. К.

Общая характеристика работы

Актуальность теш. Современный уровень развития науга! и техники. расширяющееся проникновение человека в [космическое пространство, возникновение различного рода экологических проблем ставят задачи по совершенствованию новых, универсальных методов исследования химического, изотопного и структурного состава вещества- Уровень технологии, особенно в производстве изделий электронной техники, требует сведений о качественном и количественном составе используемых материалов. В состав научной аппаратуры большинства космических аппаратов, работающих около Земли и в межпланетном пространстве, входят масс-спектрометры того или иного типа. Решение проблемы экологического мониторинга невозможно бее аналитической аппаратуры, определяющей химичеасий состав окружающей среды. Все это вызывает потребность в малогабаритных и экономичных, относительно простых и дешевых масс-спектроыетричес-ких приборах с высокими аналитическими параметрами, способных работать при повышенных механических нагрузках в условиях различных передвижных объектов. Поэтому проведение исследований, направленных на разработку теории и создание масс-спектрометров с перечисленными выше свойствами и характеристиками, является важным и актуальным с научной и технической точек зрения.

Целью данной работы являются разработка теории работы гипер-болоидных масс-спектрометров типа трехмерной ловушки (ГМС типа ТЛ) и создание таких масс-спектрометров для анализа вещества в космических исследованиях, в производстве изделий электронной техники и при контроле вагрявнений окружающей среды.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- разработкой линейной теории работы ГМС типа ТЛ на основе исследования проблем ввода, сортировки и вывода ионов в ГМС типа ТЛ:

-"Юозданием элементов инженерного расчета таких приборов;

- экспериментальным исследованием различных режимов работы ГМС типа ТЛ;

- разработкой легкой, вибропрочной конструкции анализатора и малогабаритной, экономичной электроники для ГМС типа ТЛ;

- проведением испытаний созданных образцов ГМС типа ТЛ.

Методы исследований. Исследования выполнены с применением

теоретических и экспериментальных методов, включая анализ движе-«ия заряженных частиц в высокочастотных (ВЧ) электрических полях

с квадратичным распределением потенциала, численное решение н. ЭШ дифференциальных уравнений движения заряженных частиц, зкспе риментадьные исследования с использованием для калиОровк различных типов промышленных масс-спектрометров и стендов, а гак же испытания экспериментальных опытных образцов приборов.

Достоверность результатов подтверждается соответствием раз работанных теоретических положений и проведенных расчетов на и основе подученным результатам экспериментальных исследований испытаний созданных образцов ГМС типа ТЛ.

Научная новизна работы заключается в разработке линейной те ории работы ГМС типа ТЛ, в рамках которой:

1. Предложены новые методики расчета величин, входящих в об щее решение дифференциального уравнения Хидла.

г. Получены аналитические соотношения для расчета амплитуд но-фазовых характеристик (АФХ) движения заряженных частиц в сте Сильной и нестабильной областях решений уравнения Матье и уравне ния Хилла (при импульсной форме сигнала); установлены важнешш свойства таких АФХ; разработаны основы расчета конфигурации диах рамм стабильности для ГМС типа ТЛ при импульсной форме питахще1 напряжения.

3. Установлена тонкая структура диаграммы стабильности, св$ занная с наличием так называемых линий квазистабильности, проя! лягадяся при малых амплитудах модуляции сигнала, питающего анал; заторы ГЫС. Полученные аналитические соотношения позволяют со; дать количественную теории нелинейных резонансов в ГШ.

4. Введено понятие "динамическая вона захвата" (ДЭЗ) д: случая конечного времени движения заряженных частиц в ВЧ поле квадратичным распределением потенциала; разработана теория таи зон для "стабильных" и "нестабильных" заряженных частиц и получ* ны аналитические соотношения, определяющее скорость сортиров! заряженных частиц в ГМС.

5. Доказана возможность эффективного захвата ионоь при непосредственном вводе извне в анализатор ГШ типа ТЛ. Показан что допустимый разброс захватываемых ионов по анергиям может со тавлять 14»15 X от средней энергии ионов (которая в свою очере достигает нескольких сотен эВ).

6. Доказана высокая эффективность фазового ввода ионизиру щего электронного потока в анализаторы ГМС типа ТЛ.

7. Разработана теория сортировки заряженных частиц в ГМС типа ТЛ; получены аналитические соотношения, позволяющие определять необходимое время сортировки при заданных уровне разрешения и разрешающей способности.

8. Показано теоретически и подтверждено экспериментально, что использование в ГМС типа ТЛ эллиптических электродов позволяет повысить чувствительность такого масс-спектрометра.

9. Доказана возможность и сформулированы преимущества работы ГМС типа ТЛ с осесимметричными электродами во вторых общих зонах диаграммы стабильности.

10. Предложен и исследован новый метод сортировки заряженных частиц в ГМС типа ТЛ с дополнительным анализом по энергиям выводимых ионов.

11. Созданы элементы теории вывода отсортированных ионов из ГМС типа ТЛ, что способствовало созданию оптимальной системы регистрации для таких приборов.

12. Созданы элементы инженерного расчета ГМС типа ТЛ, на базе которых разработаны и изготовлены малогабаритные, экономичные газоанализаторы с высокой относительной чувствительностью.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Амплитудно-фазовые характеристики (АФХ) гиперболоидных масс-спектрометров имеют ряд особенностей:

- существуют области на диаграмме стабильности, где АФХ первого рода на фокусирующем промежутке может иметь несколько экстремальных точек;

- АФХ первого и второго рода на расфокусирующем промежутке имеют всегда только один экстремум, соответствующий середине этого промежутка, причем если в точке экстремума АФХ первого рода имеет максимум, то и АФХ второго рода тоже имеет матсимум и нао-5орот.

2.-Диаграмма стабильности ГМС имеет тонкую структуру в зонах зтабильных решений, связанную с наличием так называемых линий <вазистабильности; при малых коэффициентах амплитудной модуляции читающего сигнала на определенных частотах вблизи линий квазиста-5ильности зоны стабильных решений разрезаются на полосы неста-5ильности, ширина которых определяется амплитудой модулирующего сигнала; при наличии неконтролируемой модуляции питающего сигнала это явление существенно ухудшает аналитические характеристики :рибора.

- а -

3. Необходимым условием бахвата заряженных частиц ВЧ полем с квадратичным распределением потенциала является попадание рабочих точек частиц на фазовой плоскости внутрь динамических вон 8ахвата (ЮЗ).

4. Существенного повышения эффективности захвата ионов при ил вводе извне в трехмерное ВЧ поле ГМС типа ТЛ возможно достигнуть в случае, когда параметры поля во время ввода изменяются по сравнению с параметрами поля во время сортировки заряженных частиц.

Б. Наиболее эффективным режимом ввода ионизирующего электронного потока в анализаторы ГМС типа ТЛ является фазовый ввод в оптимальную фазу первого рода по г-координате; наличие начальных ски5хя:тей анализируемых ионов приводит к сильному снижению эффективности захвата ионов и сдвигу максимума эффективности захвата в сторону фаз, больших оптимальной; чувствительность масс-спектрометра возможно повысить, если накопление ионов осуществлять при подаче одинакового потенциала на электроды ловушки . а включение ноля производить в оптимальную фазу первого рода по г-координате.

6. Использование гиперболоидной ловушки с эллиптическими электродами позволяет повысить чувствительность ГМС типа ТЛ (дс одного порядка); увеличение чувствительности при этом возможно при вводе ионизирующего электронного потока вдоль большой осл кольцевого электрода.

7. ГМС типа ТЛ может работать во вторых общих зонах диаграммы стабильности; существенного увеличения чувствительности (дс двух порядков) при этом можно добиться, испольауя режим одномерной сортировки; в этом случае для достижения заданной разрешаете! способности масс-спектрометра требуется в несколько раз ыеньие< Бремя сортировки.

Ö. ШС типа ТЛ позволяют создавать широкий класс аналитичес ¡сой масс-спектрометрической аппаратуры с высокими аналитически» и эксплуатационными параметрами; в настоящее время созданы:

- малогабаритные высокочувствительные газоанализаторы да контроля технологических процессов;

- вибролрочные, надежные масс-спектрометры для космически исследований с высокими энергомассо-габаритными показателями;

- простые в эксплуатации масс-спектрометры для передвихны химических лабораторий контроля загрязнений окружающей среды.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Разработана методика расчета основных величин, входящих в общее решение дифференциального уравнения движения заряженных частиц в гиперболоидных масс-спектрометрах, что позволило при приемлемой точности сократить время На проведение расчетов.

2. Разработаны элементы инженерного проектирования ГМС типа ТЛ на основе использования аналитических соотношений для расчета АФХ и ДЗЗ заряженных частиц при гармоническом питании и импульсной форме сигнала; использование этих методов позволило осуществить такие режимы ввода и сортировки заряженных частиц, при которых эффективно используется полезный объем полеобрааующей электродной системы, обеспечивается заданная разрешающая способность и достигается максимальная чувствительность или, при сохранении неизменной чувствительности, уменьшаются геометрические размеры анализатора ГМС типа ТЛ.

3. Разработана теория линий квазистабильности и модуляционных резонансов, позволяющая количественно определять влияние модулирующих сигналов на искажение формы массового пика и являющаяся основой для инженерного расчета критериев стабильности питающего ГМС напряжения.

4. Доказана возможность непосредственного ввода ионов извне в анализатор ГМС типа ТЛ, при котором существенно повышена эффективность захвата ионов, что позволило создать ГМС типа ТЛ с непосредственным вводом ионов со значительно увеличенным сроком службы анализатора.

Б. Доказаны преимущества режима фазового ввода заряженных частиц в ГМС типа ТЛ при "бесполевом вводе", что позволило создать ГМС типа ТЛ с высокими аналитическими параметрами.

6. Сформулированы условия выбора геометрических параметров электродной системы ГМС типа ТЛ, обеспечивающие заданную разрешающую способность и достижение высокой чувствительности, что позволило соадать ГМС типа ТЛ с высокой относительной чувствительностью и увеличенным сроком службы.

7. Разработаны элементы расчета диаграмм стабильности для ГМС типа ТЛ при импульсном питании, позволяющие рациональным образом выбирать режим работы масс-спектрометра в высших зонах диаграмм стабильности при импульсном питании.

8. Разработан и апробирован новый метод сортировки заряженных частиц в анализаторе ГМС типа ТЛ с дополнительным их анализом по энергиям, позволяющий простыми средствами осуществлять анализ

- в -

молекулярного состава анализируемого вещества сравнительно небольших масс.

0. Разработан новый способ регистрации отсортированных ионов, основанный на том, что длительность ионного тока можно сделать достаточно малой.

Реализация результатов работы.

Теоретические и экспериментальные результаты работы использовались при создании:

- ГМС типа ТЛ на осесимметричной электродной системе длг анализа состава остаточных газов в вакуумных системах при изготовлении электронных вакуумных приборов (ЭВП);

- ГМС типа ТЛ с непосредственным вводом ионов для контролг состава газовой среды в ЭВП;

- ГМС типа ТЛ с эллиптическими электродами для проведениг газового анализа о высокой относительной чувствительностью;

- ГШ типа ТЛ "Малахит-В" для космических исследований пс проекту "Венера-Галлея";

- ГШ типа ТЛ "Зонд" для исследований собственной внешне! атмосферы космической станции "Мир";

- Г КС типа ТЛ "Тула" для работы в условиях повышенных температур и давлений в составе передвижных химических лабораторий дл! контроля загрязнений окружающей среды;

- ГШ типа ТЛ "ГЕОХИ" для проведения газового анализа в космических условиях и для контроля загрязнений при заборе пробы и: воздуха;

- экономичного генератора ВЧ напряжения для ГМС типа фильт| масс "МАК" для исследования атмосфера Марса в составе космически станции "Марс-9б".

Материалы диссертации использованы при подготовке инженерны; кадров в системе высшего образования по специальности "Физическая электроника".

Использование результатов диссертации подтверждено соответе твующими актами.

Личный вклад автора в диссертацию. Лично автором получен; следующие результаты:

- разработаны новые методики расчета величин, входящих в об ¡нее решение дифференциального уравнения Хилла;

- исследованы особенности АФХ движения заряженных частиц стабильной и нестабильной областях решений уравнения Матьс-;

- получены аналитические соотношения для расчета АФХ в случае уравнения Хилла при импульсной форме сигнала простейшей и сложной структуры и установлены некоторые характерные свойства таких АФХ;

- разработаны элементы расчета диаграмм стабильности для ГМС типа ТЛ при импульсной форме питающего напряжения;

- проведено исследование тонкой структуры диаграммы стабильности в условиях малых амплитуд модуляции импульсного сигнала, питающего анализаторы ГМС;

- исследована конфигурация и сформулированы принципы построения ДЭЗ для "стабильных" и "нестабильных" заряженных частиц;

- разработана теория ввода ионов извне в анализатор ГМС типа ТЛ при импульсном питании и постоянном напряжении во время вЕода ионов;

- проведено исследование режима фазового ввода ионизирующего электронного потока в анализаторы ГМС типа ТЛ;

- разработана теория сортировки заряженных частиц в ГМС типа ТЛ; показано теоретически и подтверждено экспериментально, что использование в ГМС типа ТЛ эллиптических электродов позволяет повысить чувствительность такого масс-спектрометра;

- доказана возможность и сформулированы преимущества работы ГШ типа ТЛ с осесимметричными электродами во вторых зонах общей диаграммы стабильности;

- предложены новые методы сортировки заряженных частиц в ГМС типа ТЛ с дополнительным их анализом по энергиям;

- исследован процесс вывода ионов в анализаторе ГМС типа ТЛ и на основании анализа результатов исследования предложен и апробирован новый способ регистрации отсортированных ионов.

При личном участии автора в качестве руководителя раздела, ответственного исполнителя или заместителя научного руководителя созданы. ГМС типа ТЛ следующих разновидностей: на осесимметричной электродной системе для анализа состава остаточных газов в вакуумных системах при изготовлении ЭВП; с непосредственным вводом ионов; с эллиптическими электродами; "Малахиг-В"; "Зонд"; "Тула"; "ГЕОХИ"; а также экономичный генератор ВЧ для ГМС типа фильтр масо "МАК".

Апробация работы. Основные результаты работы, полученный в данной диссертации, докладывались на 2, 3. 4-й Всесоюзных конференциях по масс-спектрометрии (Ленинград, 1974 г., Ленинград, 1981 г., Сумы,1986 г.). Всесоюзном симпозиуме по масс-спектромет-

рии (Сумы, 1977 г.). Всесоюзном симпозиуме по вторичной ионной и ионно-фотонной эмиссии (Харьков, 1980 г.), всесоюзном научно-техническом совещании "Разработка и применение специализированных масс-спектрометрических установок" (Москва, ВНИИРТ, 1983 г.), 4-м Всесоюзном симпозиуме по лазерной химии (Звенигород, 1985 г.), республиканском семинаре по методам расчета ЭОС (Ташкент, 1988 г.).

Публикации по теме диссертации. Предложенные теоретические и технические решения обобщены в 39 изданиях в центральной печати, в том числе в 14 авторских свидетельствах на изобретения и 3 патентах Франции, в 20 тезисах докладов на всесоюзных и республиканских конференциях, симпозиумах и совещаниях, изложены в 21 статье в трудах РГРТА (из них в 12 после 1993 года) и подробно описаны в 13 научно-технических отчетах по НИОКР.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, примечаний, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 357 страниц основного текста, 142 страницы рисунков, 7 страниц таблиц, 22 страницы списка литературы из 195 наименований и 13 страниц приложения.

Содержание работы

Во введении дана краткая характеристика работы и показана ее актуальность.

В первой главе, являющейся обзорной, рассмотрены исторические аспекты развития в нашей стране и за рубежом гиперболоидной масс-спектрометрии на основе трехмерной ионной ловушки. Здесь рассматриваются принципы действия и режимы работы ГМС типа ТЛ: распределение потенциала в гиперболоидных электродных системах, дифференциальное уравнение движения заряженных частиц в ВЧ электрических полях с квадратичным распределением потенциала, диаграмма стабильности, методы сортировки ионов и, в частности, преимущества масс-селективного метода накопления ионов, реализация которого позволила создать один из первых ГМС типа ТЛ. Проводится анализ методов теоретического исследования и расчета Г КС, основанных на различных методах решения дифференциального уравнения движения заряженных частиц в ВЧ электрических полях с квадратичным распределением потенциала. Показаны преимущества метода "характерных решений" уравнения Матье, позволившего получить аналитические соотношения, определяющие основные особенности движения

заряженных частиц в таких полях, в частности - позволяющие легко рассчитывать АФХ. Использование метода экстремальных характерных решений позволило определить конфигурацию и площадь ДЭЗ вахвата заряженных частиц на фазовой плоскости, что в свою очередь привело к получению информации о форме массового пика, чувствительности прибора и особенностях режима его работы.

Проведен анализ физических процессов во время ввода, сортировки и вывода ионов в ГМС типа ТЛ. рассмотрены особенности построения ГШ типа ТЛ различных модификаций и основные области их применения.

На основании анализа ситуации, связанной с созданием ГМС типа ТЛ и разработкой теории их работы, определена цель работы, сформулированы решаемые задачи, обоснована структура диссертации и приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

Во второй главе проведено исследование особенностей траекторий движения заряженных частиц в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала. При рассмотрении общего решения уравнения Хилла предложены новые методики расчета входящих в него величин. Получены аналитическое соотношения, позволяющие рассчитывать характеристический параметр ц без использования итеррационных методов расчета. Для расчета коэффициентов Сгг Для стабильной области решений получено компактное аналитическое соотношение, обеспечивающее точность расчетов не хуже 1 X, а для нестабильных областей решений предложена методика расчета на основе использования полученных рекуррентных соотношений для расчета С-2г при точности расчетов не хуже 0,1 X.

Приведены результаты исследований экстремальных характерных решений уравнения Матье, совпадающих с общим решением в точках, отстоящих друг от друга на величину, кратную периоду функции, содержащуюся в уравнении Матье. Они позволяют определять огибающие общего решения, что при колеблющемся характере последнего существенно упрощает анализ движения частицы. С использованием метода экстремальных характерных решений в случае уравнения Матье получены аналитические соотношения для амплитуд колебаний заряженных частиц для стабильной и нестабильной областей решений. Например, в случае стабильной области реиешгй выражение для амплитуды колебаний частиц имеет вид:

- {уо [У1(^О) + У§(«ю)] "

- 2 УоУо[у1(*о)У1(*о) + У2(*о)У2(*о)] + Уо[у1(«ю) +у|(5.о) Д.

где Уо и у0 - начальные координата и скорость частицы; «.о - начальная фаза ВЧ сигнала; У1(н^) и уг(^о) - частные независимее решения дифференциального уравнения движения, определенные при г.-бл; V - определитель Вронского для исходного уравнения Матье; а vo определяется соотношениями:

СО 60

у0- & Сйг или Е2 С2г(-1)г .

—оо -»во I •

т которых выбирается наибольшее значение. Коэффициенты Сгг определяется гаданием двух частных решений в виде:

со со

У1(0- 2 Сгг соз(2г+вК и угСО- 2 СгГ з1п(2г+ок .

-от -се

Здесь 0 - параметр стабильности. Показано, что вблизи границ зоны стабильных решений' относительная ошибка определения координаты стремится к нулю, что позволяет достаточно точно рассчитывать АФХ движения заряженных частиц я ГМС, работающих с высоким разрешением. С точки зрения создания теории работы ГМС полученные аналитические соотношения для АФХ в стабильной области решений позволяют правильно выбирать фазу ввода и начальные условия ввода (координаты и скорость) частиц в анализаторы. А аналитические соотношения для максимального отклонения частиц, рабочие точки которых находятся в нестабильной области решений, позволяют правильно выбирать необходимое время сортировки частиц в ГМС.

Рассматриваются особенности решения уравнения Хилла при импульсной форме сигнала. Приводится методика расчета траекторий движения заряженных частиц, позволяющая просто определять параметры траектории движения в моменты времени, соответствующие окончанию очередного периода импульсного поля (иными словами -определять характерную траекторию). Введение понятия характерных координат и при импульсной форме сигнала не только описывает вид траекторий движения заряженной частицы и дает возможность довольно просто-рассчитывать координаты частицы в любой момент времени.

но и позволяет получить аналитические соотношения для расчета амплитуды колебаний ионов при импульсной форме сигнала как простейшей, так и сложной формы, которую можно представить как последовательность фокусирующих и расфокусирующих воздействий на заряженные частицы. В случае импульсного сигнала, структура которого характеризуется наличием только двух разнополярных импульсов, аналитические соотношения для расчета ЛФХ на форсирующем промежутке приобретают вид

для АФХ первого рода (при Ио-О):

[1+ /1-(1/х2)}[хп/хМ 31П(241Л1Д01+Ч>)]; для АФХ второго рода (при Ио-О):

где ___+ г

Здесь Р0 и Г?о - начальные координата и скорость, определенные на начале фокусирующего промежутка; - функции матрицы преобразования

Ш+То) - УгЯо + ¿?(Т+Т0) - УэЯо + ЗД»;

В1 - параметр стабильности (гва-'Рг+^з); А1=*-1Д0 - длительность фокусирующего промежутка, Г0 - период импульсного сигнала); До1 - безразмерная фаза, изменяющаяся от О до 1 при движении по фокусирующему промежутку от его конца к началу.

Д¿я расфокусирующего промежутка: АФХ первого рода

АФХ второго рода Ям2 - >?4+(Е.1 Аг)

\

где Со-

1+/1-(1/*2) | ! V - До1- 0,6;

Лг-^г/То . - длительность расфокусирующего промежутка и ЬаНг-То); V изменяется от -0,5 до +0,6 и центру расфокусирущего промежутка соответствует условие У-0. Параметр г,?«б*1)1, где б -удельный заряд частица, ж - геометрический фактор электродной системы. 111 - значение импульсного напряжения во время фокусирующего (1-1) и расфокусирующего (1-2) промежутков. Приведенные сравнительные расчеты АФХ подтвердили хорошую точность при использовании полученных аналитических соотношений. Исследование АФХ в случае импульсного сигнала со сложной структурой позволило установить их основные свойства.

Теория АФХ движения заряженных частиц в ГМС полностью решает проблему импульсного питания со сложной структурой, когда изменением формы сигнала можно получите АФХ благоприятного вида для достижения высоких аналитических параметров ГМС. Расчет АФХ при импульсной форме сигнала послужил базой для инженерного расчета ГМС с импульсным питанием для космических исследований по проектам "Венера-Галлея" и "Маро-96".

Исследованы особенности траекторий движения заряженных частиц в условиях малых искажений формы сигнала, питающего электродные системы ГМС, что позволило установить тонкую структуру диаграммы стабильности и привело к введению новых понятий в теории работы ГМС: параметр стабильности п-го порядка, линии квазистабильности, модуляционные резонансы. Установлено, что при достаточно малых амплитудах модуляции сигнала, питающего ГМЗ. диаграмма стабильности в зонах стабильных решений может разрезаться вблизи линий квазистабильности на полосн нестабильности, ширина которых пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала. Получено аналитическое соотношение, определяющее положение линий квазистабильности на диаграмме стабильности. Явление увеличения амплитуды колебаний заряженных частиц, обусловленное амплитудной модуляцией питающего анализатор напряжения, названо модуляционным резонансом. Показано очень сильное влияние амплитуды модулирующего сигнала на эффективность модуляционного резонанса, что может быть причиной сильного искажения формы массового пика. Полученные соотношения позволяют оценивать степень влияния модулирующего сигнала на искажение формы массового пика и поэтому могут являться

X

основой для инженерного расчета критериев стабильности напряжения генераторов высокой частоты ГМС.

В третьей главе исследуются процессы и режимы ввода заряженных частиц в анализатор ГМС типа ТЛ с целью получения оптимальных параметров ввода частиц, приводящих К увеличению чувствительности и разрешающей способности ГМС. Поскольку работа ГМС основывается на достаточно продолжительном удержании "стабильных" заряженных частиц в ВЧ электрическом поле с квадратичным распределением потенциала, а вид траектории таких частиц определяется начальной координатой, скоростью частицы и начальной фазой ВЧ поля, для исследования условий захвата частиц полем используются представления о фазовом пространстве. Под захватом частиц при этом понимается такое положение, при котором заряженная частица, двигаясь в объеме анализатора в течение наперед заданного промежутка времени. не оседает на полеобразующие электроды. Использование понятия объема захвата в шестимерном фазовом пространстве позволяет характеризовать эффективность захвата заряженных частиц, т.е. оценивать ту часть частиц из всех вводимых в поле, которые удерживаются полем при различных способах и режимах ввода частиц. Для этого достаточно знать проекции этого объема на соответствующие фаговые плоскости - гоны захвата.

Рассматриваются условия захвата заряженных частиц для случая конечного времени их движения, вводятся понятия, "динамический объем захвата" и, соответственно, "динамическая зона захвата" (ДЗЗ). Сформулированы принципы построения таких зон захвата для "стабильных" и "нестабильных" заряженных частиц и получены простые аналитические соотношения, определяющие их площади:

SCT - W(v0)2 [2 ctg an(rt/2) + опя], ,: SHecT - 2W/[®n(g.3)®2l(e.3)Slnunn],

где »ив- параметры стабильности; n - время; 5.3 - время сопоставления характерного и общего решений; Фц(ез) и $21(^3) -периодические части независимых решений вида y-e^ttit-). Из приведенных "соотношений видно, что площади ДЗЗ заряженных частиц не еависят от Фазы ВЧ поля. При увеличении времени нахождения заряженных частиц в ВЧ поле с квадратичным распределением потенциала, .в предельном случае, площадь ДЗЗ для "стабильных" частиц стремится к постоянной величине, равной площади эллипса захвата, а для "нестабильных" частиц - стремится к нулю.Формулирование принципов

построения ДЭЗ позволяет осуществлять такие режимы ввода частиц, при которых эффективно испольвуется полезный объем полеобразующе? электродной системы, что при сохранении неизменной чувствительности масс-спектрометра открывает пути к уменьшению геометрических размеров устройства.

Рассматриваются особенности захвата заряженных частиц пр» импульсной форме сигнала. Получены аналитические соотношения для расчета амплитуды колебаний заряженных частиц и площади гоны захвата, являющейся эллипсом. Для случая достаточно малых начальных скоростей заряженных частиц получено аналитическое соотношение, определяющее объем области захвата, являющегося для данного случая мерой чувствительности анализатора ГМС типа ТЛ. Показано, чтс в случае ГМС типа ТЛ объем захвата сильно зависит от фазы ввода \ максимален для фазы, соответствующей середине фокусирующего промежутка для г-оси и названной нами оптимальной фазой первого рода. Соотношения, определяющие амплитуду колебаний заряженных частиц и площадь эллипса вахвата, в самом общем случае могут использоваться при инженерном расчете эффективности ввода 8аряженны> частиц в импульсное ВЧ поле, а также для расчетов эффективное^ сортировки заряженных частиц и формы массового пика.

Рассматриваются различные режимы и способы ввода заражению частиц в анализаторы ГМС типа ТЛ. На основании теоретических исследований, подтвержденных экспериментальными результатами, доказано существенное повышение эффективности захвата ионов при к непосредственном вводе извне в анализатор ГМС типа ТЛ. Рассмотрены два вида непосредственного ввода ионов: одномерный и двумерный. На основании теории ДЭЗ получены аналитические соотношения, определяющие относительную чувствительность режимов одномерного 1 двумерного ввода. Показано, что режим двумерного ввода ионов об ладаег меньшей эффективностью вахвата, нежели режим одномерной ввода. Использование режима непосредственного ввода ионов позволяет значительно увеличить срок службы анализатора за счет снижения скорости роста диэлектрических пленок на рабочих поверхности! электродной системы.

Проведено исследование режима фазового ввода заряженных частиц в анализаторы ГМС типа ТЛ. Получены общие аналитические соот ношения, определяющие эффективность вахвата ионов в динамически гиперболоидной ловушке, если последние образуются в рабочем объ еме с заданной скоростью при произвольной ориентации ее вектора ; пространстве. Показано, что скорость накопления таких ионов в ло

вушке пропорциональна произведению объема захвата ионов без начальных скоростей и некоторой функции, определяемой начальной скоростью ионов и названной нами коэффициентом подавления эффективности захвата быстрых частиц. Получено аналитическое соотношение, определяющее зависимость объема захвата ионов, образующихся без начальных скоростей, от фазы ввода, параметров прибора, массового числа. Отмечена сильная фазовая зависимость скорости накопления медленных ионов. Получено аналитическое соотношение, определяющее форму массового пика прибора при захвате медленных ионов. анализ которого показал, что в оптимальной фазе ввода уменьшение длительности ионизирующего импульса улучшает форму массового пика и увеличивает относительную чувствительность масс-спектрометра. Установлено, что при разрешающей способности более 100 нерационально выбирать длительность ионизирующего импульса более 7 X от периода ВЧ питающего анализатор напряжения. При увеличении длительности ионизирующего импульса глубина модуляции чувствительности масс-спектромётра по фазовому диапазону резко уменьшается, что показывает предпочтительность использования фазового ввода ионизирующего электронного потока в рабочий объем анализатора.

Исследование влияния начальных скоростей ионов на фавовую зависимость эффективности вахвата привело к получению аналитического соотношения, позволяющего в практических случаях находить условия, при которых влияние начальных скоростей достаточно мало. Показано, что наименьшая допустимая скорость захватываемых ионов соответствует оптимальной фазе при вводе ионов без начальных скоростей. Учет "тепловых" начальных скоростей ввода в такой фазе приводит к снижению эффективности захвата почти на два порядка, а максимум эффективности вахвата при этом сдвигается в сторону больших фаг.

Эффективность накопления ионов в ГМС типа ТЛ можно повысить, если осуществлять ионизацию атомов и сортировку ионов при различных формах напряжений, подаваемых на электродную систему. Наибольший эффект накопления ионов достигается при их вводе в оптимальную фазу первого рода при так называемом "бесполевом вводе". В этом случае во время ввода ионизирующего электронного потока в рабочий объем анализатора потенциалы на кольцевом и торцевых электродах должны быть приблизительно равны друг другу.

В случае использования ГМС типа ТЛ с эллиптическими электродами ввод ионизирующего электронного потока вдоль большой оси

кольцевого электрода анализатора позволяет почти на порядок увеличить чувствительность масс-спектрометра. Изменением соотношения между геометрическими параметрами электродной системы ГМС типа ТЛ возможно в несколько десятков раз уменьшить площадь рабочей поверхности электродов, засеиваемую ионизирующим электронным потоком, что уменьшает нелинейные искажения поля, повышает разрешающую способность, чувствительность и срок службы таких ыасс-спект-роыетров.

Исследован процесс захвата ионов в случае селективной фотоионизации анализируемого вещества с использованием лазерного излучения. На примере селективной фотоионизации атомов индия продемонстрирована возможность захвата и продолжительного удержания ионов в рабочем объеме анализатора ГМС типа ТЛ в условиях высокого вакуума. Показано, что снижение в 102+103 раз количества заряженных частиц, вводимых в рабочий объем анализатора, в десятки раз увеличивает срок службы анализатора и повышает отношение сигнал/шум на несколько порядков.

В четвертой главе рассматриваются условия сортировки заряженных частиц в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала и особенности их вывода из рабочего объема анализатора ГМС типа ТЛ. Использование аналитических соотношений для ДЗЗ заряженных частиц при исследовании процесса сортировки заряженных частиц позволило установить, что при заданном значении времени сортировки п и уровне разрешения А реальная разрешающая способность может достигать только определенного максимального значения при любых положениях линии развертки спектра масс на диаграмме стабильности. Для заданного максимального значения разрешающей способности при увеличении времени сортировки возможно получение сколь угодно малых величин уровня разрешения Д (относительной чувствительности) и это для ГМС типа ТЛ не будет сопровождаться увеличением геометрических размеров электродной системы. Получено аналитическое соотношение, позволяющее выбирать величину коэффициента эллипс-ности р0 электродной системы ГМС типа ТЛ, при которой достигается максимальная чувствительность масс-спектрометра при заданной величине эффективного рабочего объема анализатора.

Проведено исследование режима "одномерной сортировки", который был реализован при работе во вторых общих зонах диаграммы стабильности. Для этого были разработаны элементы расчета диаграмм стабильности для ГМС типа ТЛ при импульсном питании. Полученные аналитические соотношения позволяют определить ширину зоны

стабильных решений при ее пересечении с осью и базовую линию, на которой 01-В1Г- 01г-О. что позволяет определить положение всех общих вон стабильных решений диаграммы стабильности для импульсного питания при всевозможных значениях скважности импульсного сигнала. Получено аналитическое соотношение, определяющее значение предельной разрешающей способности масс-спектрометра. Совокупность полученных в этом подразделе соотношений решает основную задачу выбора режима работы ГМС в высших зонах диаграммы стабильности при импульсном питании.

Исследование работы ГМС типа ТЛ в высших зонах диаграммы стабильности, проведенное с привлечением теории ЛФХ, показало, что одномерная сортировка обеспечивает высокую эффективность захвата заряженных частиц по оси г как с начальными асоростями, так и без начальных скоростей. В этих условиях чувствительность анализатора определяется в основном особенностями движения заряженных частиц по координате т.. Сравнительные расчеты чувствительности показали, что для одинаковой разрешающей способности работа во вторых зонах дает выигрыш в чувствительности почти на два порядка вследствие режима одномерной сортировки. Примечательно, что если, в первой зоне диаграммы стабильности выбранные значения разрешающей способности достигаются 8а 60 периодов высокочастотного напряжения, то во второй зоне для этого требуется чуть больше 10 периодов. Показано, что для работы во вторых зонах в режиме одномерной сортировки предпочтительнее оказываются осесимметричные анализаторы, а сравнение гармонического и импульсного сигнала, с точки зрения их использования во вторых зонах, оказывается в пользу импульсного сигнала больной скважности. Приведенные экспериментальные результаты исследования особенностей работы анализаторов ГМС типа ТД во вторых зонах диаграммы стабильности с довольно хорошим соответствием подтвердили основные теоретические результаты.

Рассматриваются комбинированные методы сортировки в ГМС типа ТЛ, использующие методы разделения заряженных частиц в высокочастотном электрическом поле с квадратичным распределением потенциала в сочетании с дополнительным их анализом по энергиям в ГМС типа ТЛ. Предложен и экпериментально проверен новый метод сортировки заряженных частиц в ГМС типа ТЛ с дополнительным их анализом по энергиям, основанный на том, что молекулярные и осколочные ионы в процессе сортировки локализуются в различных областях рабочего объема анализатора ГШ типа ТЛ иэ-за разных начальных ско-

-горестей ионов. Вследствие этого в зависимости от положения ионов в момент начала их вывода они имеют различные скорости. Создавая на пути ионов тормозящее электрическое поле со стороны детектора ио-1;ов, можно пропускать только быстрые (в данном случае - молекулярные) ионы. Это позволяет простыми средствами осуществлять подавление пиков осколочных ионов сравнительно небольших масс без уменьшения интенсивности молекулярных ионов и тем самым обеспечить анализ молекулярного состава анализируемого вещества. Рассмотрен и второй метод анализа заряженных частиц в ГМС типа ТЛ, предусматривающий сепарацию ионов по начальным скоростям до их сортировки по удельным зарядам. При этом методе во время ионизации рабочем объеме анализатора создаются условия, характерные для квазистатической трехмерной потенциальной ямы. Максимальные скорости заряженных частиц, захватываемых в такой яме, определяются ее глубиной. Ступенчатое изменение (уменьшение) глубины такой потенциальной ямы во время ионизации позволяет накапливать в ней только ионы с малыми энергиями, т.е. в данном случае - молекулярные ионы. Такой метод анализа также позволяет практически полностью подавить пики осколочных ионов в спектре масс ГМС типа ТЛ.

Рассмотрены особенности вывода заряженных частиц из рабочего объема анализатора ГМС типа ТЛ. В результате исследования формы ионного импульса получено общее соотношение, определяющее зависимость выходного ионного тока от времени. Это соотношение устанавливает: фазовую зависимость момента начала появления ионного тока и его амплитудного значения, характер изменения выходного ионного тока во времени в зависимости от соотношения величин напряжений на электродах анализатора во время сортировки и вывода ионов. На основании анализа результатов исследования формы выходного ионного импульса предложен и апробирован новый способ регистрации отсортированных ионов. Он основан на том, что длительность пика ионного тока можно сделать достаточно малой, а влияние наводок на входе усилителя схемы регистрации можно существенно снизить, если исключить моменты времени, соответствующие фронтам рабочего ВЧ напряжения, из времени регистрации полезного сигнала. В этом случае ьа порядок увеличилась предельная чувствительность масс-спектрометра. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование распределения ионов по энергиям, что позволило сформулировать условия вывода ионов, при которых наблюдается наибольшая величина выходного сигнала.

В пятой главе приводится описание созданных ГМС типа тл в нескольких модификациях. Для анализа состава остаточных газоп в вакуумных системах при изготовлении ЭВП создан ГМС типа ТЛ на осесимметричной электродной системе с разверткой спектра масс изменением частоты ВЧ сигнала. В этом масс-спектрометре: разработана новая электронно-оптическая система ввода ионизирующего элект• ровного потока; разработана эффективная система подавления пара битного сигнала нестабильных ионов на основе запирающей сетки перед входом вторично-электронного умножителя (ВЭУ) и использования электронной ключевой схемы в усилителе-преобразователе; создан генератор ВЧ напряжения с разверткой спектра масс за счет изменения частоты; создан малогабаритный блок управления с использованием схем кольцевых регистров, обеспечивающий постоянство условий работы масс-спектрометра при развертке спектра масс за счет изменения ВЧ напряжения.

Параметры этого прибора: диапазон анализируемых масс 1+1БО а.е.м.; разрешающая способность 150; время развертки спектра в одном диапазоне масс 5 мин.; рабочее давление 10-4+10~9 мм рт.ст.

Второй модификацией стал ГМС типа ТЛ с непосредственным вводом ионов. В этом приборе доказана возможность ввода ионов извне в рабочий объем анализатора ГМС типа ТЛ с достаточно широким диапазоном энергий; реализован режим работы масс-спектрометра с импульсной формой питающего напряжения;" значительно увеличен срок службы анализатора; повышена верхняя граница диапазона рабочих давлений.

Параметры этого масс-спектрометра: диапазон анализируемых масс 4+100 а.е.м.; разрешающая способность 60 при пороговой чувствительности Ю-9 мм рт.ст.; предельное рабочее давление (2+3)-Ю-3 мм рт.ст.; срок службы анализатора более 2000 часов; предназначен для контроля состава газовой среды в ЭВП.

Третья модификация представляет собой ГМС типа ТЛ с эллиптическими электродами. В данном приборе: реализован режим двумерной сортировки заряженных частиц в трехмерном поле с квадратичным распределением потенциала, для чего была создана электродная система анализатора с рабочими поверхностями в виде гиперболоидов; осуществлен радиальный ввод ионизирующего электродного потока через кольцевой электрод анализатора вдоль его большой оси; разработан детектор ионов на основе канального ВЭУ с управлением его коэффициента усиления с помощью магнитного поля; создан монодиапазонный генератор ВЧ напряжения с разверткой спектра масс изме-

- 22 -

нением частоты; создан новый блок управления работой ГМС.

В результате всех перечисленных мер повышена пороговая чувствительность масс-спектрометра до 10~12 мы рт.ст. и получена высокая относительная чувствительность 10 ррм на расстоянии всего 0,5 а.е.м. от пика 28 а.е.м. при разрешающей способности: на уровне 0,5 - 150 и на уровне 10~4 - 60. Диапазон анализируемых масс 1+120 а.е.м.; предельное рабочее давление 10~4 мм рт.ст. Уникальная форма массового пика позволяет использовать этот масс-спектрометр для микроанализа газов с высокой относительной чувствительностью.

Четвертая модификация ГМС типа ТЛ "Малахит-В" была создана для изучения газовых продуктов пиролиза аэрозоля облаков Венеры. Основные параметры прибора следующие: диапазон анализируемых масс от 10 до 150 а.е.м., разрешающая способность на уровне 0,1 не хуже 1М во всем диапазоне масс; пороговая чувствительность 3-Ю"11 мм рт.ст.; относительная чувствительность 2 ррм; динамический диапазон Б-10s; хорошая форма массового пика, которая характеризуется тем, что при измерениях разрешающей способности по пику азота 28 а.е.м. R -85 и R -д-42; масса прибора (без системы 0.1 ю

регистрации) 4,5 кг; объем, занимаемый масс-спектрометром, 4.2 дм3; мощность, потребляемая масс-спектрометром (вместе с ксллек-тором-пиролизатором) 35 В-А.

Перечисленные параметры достигнуты в результате: реализации режима фазового ввода заряженных частиц в поле анализатора, особенностей вывода ионов в детекторное устройство и использованhi импульсного питания анализатора; разработки и создания легкой ] вибропрочной электродной системы анализатора по новой безъюстиро-вочной технологии изготовления методом электролитического формования; создания нового режима работы и малогабаритной конструкци: электронных источников на основе разработанной нами теории ввод и сортировки заряженных частиц в электрическом поле ГМС типа ТЛ создания новой детекторной системы ионов на основе микроканальны пластин; разработки способа вывода и регистрации ионов, позволив него снизить фоновый ток и получить высокую относительную чувс твительность при динамическом диапазоне 5-Ю5; создания экономич ного. малогабаритного генератора ВЧ напряжения и устройства уп равления работой масс-спектрометра; создания компактного, эконс ' мичного многоканального источника питания.

Пятая модификация ГМС типа ТЛ "Зонд" предназначена для прс ведения анализа собственной внешней атмосферы космических аппарг

тов. Основные параметры масс-спектрометра: диапазон анализируемых масс 1+200 а.е.м.; разрешающая способность на уровне 0,1 превышает 2М; пороговая чувствительность 4-Ю"11 мм рт.ст.; масса при бора 12 кг; потребляемая мощность 50 В-А. Перечисленные параметры масс-спектрометра достигнуты в результате: реализации режима ра боты во второй 8оне диаграммы стабильности; создания новых конструкций электронных источников и детекторной системы (на основе ВЭУ-7); создания принципиально новых схем построения генератора ВЧ напряжения; использования прогреваемого индиевого покрытия ра бочих поверхностей электродной системы, что повысило срок службы анализатора.

Шестая модификация ГМС типа ТЛ "Тула" создана для использования в химической лаборатории, размещаемой на автомашине и пред назначенной для оперативного контроля содержания группы химических веществ в окружающей среде в массовом диапазоне 2*300 а.е.м. Конструкция прибора среди прочих типичных требований обеспечивает пыле- и влагонепроницаемость для проведения дезактивации. Основные параметры прибора: диапазон анализируемых масс 2+300 а.е.м.; разрешающая способность на уровне 0,1 более 1М; пороговая чувствительность по аргону 6-Ю""11 мм рт.ст., а по органическим веществам 8,7-Ю"6 мг/мл; габариты блока электроники 200*340*630 мм3, анализатора с турбомолекулярным насосом 0160x530 мм2; потребляемая мощность 70 В-А. В масс-спектрометре "Тула" в результате создания новой гиперболоидной электродной системы с эллиптическими электродами, изготавливаемой по безъюстировочной технологии электролитического наращивания и работающей при повышенных температурах, системы управления работой масс-спектрометра с помощью ЭВМ с широкими возможностями оператора решена задача создания малогабаритного масс-спектрометра с высотами аналитическими параметрами, работающего при повышенных температурах и давлениях в условиях передвижных химических лабораторий, что крайне панно при экологическом контроле.

Седьмая модификация ГМС типа ТЛ "ГЕОХИ", в отличие от предыдущих, ориентированных на работу в автономном режиме, создана как малогабаритный аналитический прибор, рассчитанный на активный диалог с оператором в процессе анализа вещества. Основные параметры масс-спектрометра: диапазон анализируемых масс 2+400 а.е.м,; разрешающая способность на уровне 0,1 не менее 1М; пороговая чувствительность 3-Ю""13 мм рт.ст.; динамический диапазон 106; м;юса прибора 10 кг; потребляемая мощность (без ЭВМ) 54 В-А. Возможное-

ти оператора по выбору режима работы прибора, его аналитических характеристик в данном масс-спектрометре расширены возможностью падания изменения (или сохранения) разрешающей способности по ди-аназону масс за счет программного управления величиной постоянной составляющей рабочего напряжения и величиной коэффициента усиления ВЭУ системы детектирования, а также возможностями обработки и идентификации спектра. Конструкция анализатора позволяет оперативно проводить его техническое обслуживание в процессе эксплуатации, а использование ионно-электронного преобразователя в детекторной системе увеличивает интенсивность массовых пиков (осо-беш ' для тяжелых анализируемых масс). Модульная конструкция блока электроники масс-спектрометра позволяет легко интегрировать его в различные сложные аналитические установки, требующие в своем составе встраиваемого малогабаритного масс-спектрометра. Созданные образцы ГМС .типа ТЛ "ГЕОХИ" использовались для отработки методики контроля загрязнений атмосферы при заборе пробы непосредственно из воздуха, для изучения гетерогенных химических реакций с участием льда в рамках проблемы "озонной дыры",и для отработки методик проведения газового анализа в условиях космических исследований.

Кроме перечисленных выше приборов на основе разработанной нами теории работы ГМС типа ТЛ при импульсной форме сигнала создан малогабаритный экономичный генератор ВЧ напряжения для питания квадрупольного фильтра масс, разработанного для исследования верхних слоев атмосферы Марса в составе космической станции :Марс-9б".

В процессе создашя и обследования ГМС типа ТЛ различных модификаций нашли свое практическое подтверждение все основные научные положения, выдвинутые в данной работе на ващиту.

В заключении отражены основные результаты работы.

1. Проведено исследование особенностей траекторий движения заряженных частиц в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала, в результате которого:

- предложены новые методики расчета величин, входящих в общее решение уравнения Хилда;

- получены и исследованы аналитические соотношения для расчета амплитуд колебаний частиц в стабильной и нестабильной областях решений уравнения Матье, что позволило установить основные свойства АФХ при гармонической форме ВЧ напряжения, питающего анализаторы ГМС;

- рассмотрены особенности решения уравнения Хилла при импульсной форме питающего ВЧ напряжения и получены аналитические соотношения для.расчета амплитуды колебаний ионов в анализаторах ГМС, определены основные свойства АФХ при различных формах ВЧ напряжения, что решает проблему использования ВЧ напряжения сложной формы при проведении инженерного расчета ГМС;

- исследованы особенности траекторий движения заряженных частиц в условиях малых искажений формы сигнала, питающего электродные системы ГМС, что позволило установить тонкую структуру диаграммы стабильности.

2. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование особенностей ввода заряженных частиц в анализаторы ГМС типа ТЛ; введено новое понятие "динамическая зона захвата" заряженных частиц на фазовой плоскости и получены аналитические соотношения для определения площади ДЭЗ; проведено исследование эффективности захвата заряженных частиц при различных режимах работы ГМС типа ТЛ.

3. На основании теоретических исследований особенностей зон захвата доказана возможность существенного повышения эффективности захвата ионов при их вводе извне в трехмерное ВЧ поле с квадратичным распределением потенциала."

4. Доказано, что при использовании в ГМС типа ТЛ анализаторов с эллиптическими электродами ввод йонизирующего электронного потока вдоль большой оси кольцевого электрода позволяет почти на порядок увеличить чувствительность масс-спектрометра.

б. Проведено исследование условий сортировки заряженных частиц в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала, в результате чего сформулированы условия и получены аналитические соотношения, позволяющие получать максимальную чувствительность масс-спектрометра при заданной величине эффективного рабочего объема анализатора и заданной разрешающей способности.

6. Разработаны элементы расчета диаграмм стабильности для ГМС типа ТЛ при импульсном питании, позволяющие с помощью полученных аналитических соотношений рациональным образом выбирать режим работы масс-спектрометра в высших зонах диаграммы стабильности при импульсном питании.

7. Предложены новые методы сортировки заряженных частиц в анализаторе ГМС типа ТЛ с дополнительным их анализом по энергиям.

Э. Исследованы особенности вывода заряженных частиц из рабочего объема ГМС типа ГЛ; получено аналитическое соотношение, оп-

ределяющее зависимость выходного ионного тока от времени; предложен способ регистрации отсортированных ионов, позволяющий iiouti на порядок увеличить предельную чувствительность масс-спектрометра.

9. Разработанные в диссертации теоретические положения, методы расчета, а также принципы построения и технические решени; использованы в процессе разработки, проектирования и создани различных модификаций ГМС типа ТЛ, внедренных на предприятия страны и подтвердивших свои высокие аналитические и эксплуатаци онные характеристики. Разработанные приборы не имеют зарубежны аналогов; оригинальность и новизна созданных приборов подтвержда етсн авторскими свидетельствами.

Представленные результаты исследований и сформулированнь выводы позволяют утверждать, что задачи диссертации решены в псм ном объеме.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах :

1. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. О расчете амплитуд кшшбаш заряженных частиц в квадрупольных масс-спектрометрах// ЖГФ. 197Í Т.42. Вып.У. С.1931-1934.

2. Шеретов Б.И., Колотилин Б.И., Сафонов М.П. К расчету э< Фективности рассеяния нестабильных заряженных частиц в квадр: польных масс-спектрометрах // ЖТФ. 1974. Т.44. Вып.12. i 2609-2613.

3. Беликов В.Н., Дорджин г.е., Зенкин В.А..Колотилин Б.И Матвеев В.Н., Гуров B.C., Шеретов Э.П. Трехмерный квадрупольн масс-спектрометр с накоплением // Электронная пром. 1974, Вып Э(3). С. 20-23.

4. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. Теория трехмерного квадр польного масс-спектрометра с одномерной сортировкой // Теэ^ докл.2-й Всесоюэн.конф. по масс-спектром. Л.: Наука, 197 С. 268-269.

5. Шеретов Э.П., Зенкин В.А., Колотилин Б.И., Могильче! Г. А. Анализ условий вывода заряженных частиц из трехмерной квг рупольной ловушки// Тезисы докл. на 2-й Всесоюзн. конф. масс-спектром, л.: Наука, 1974. С.270.

6. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Терентьев В.И.,. Сафо! М.П. Метод "характерных решений" уравнений Хилла и его исполы вание в теории квадрупольных масс-спектрометров // Тезисы до 2-й Всесоюэн.конф. по масс-спектром. Л.: Наука, 1974. С.272.

7. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. Конфигурации динамических юн захвата заряженных частиц высокочастотным квадрупольным полом ) датчиках квадрупольных масс-спектрометров // Тезисы дом. 2-й Зсесоюан. конф. по масс-спектром. Л.: Наука, 1974. С.?7"-273.

8. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. К расчету динамических зон )ахвата заряженных частиц для квадрупольных масс-спектрометров // 1ТФ. 1975. N 2. С. 420-424.

9. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Сафонов М.П. К расчету ха-эактеристических параметров движения заряженных частиц в квадру-юльных масс-спектрометрах // ЯТФ. 1975. Т.45. Вып.2. С.432-435.

10. Шеретов' Э.П., Колотилин Б.И. Новый трехмерный квадру-юльный масс-спектрометр с непосредственным вводом ионов // Иксь-Ja в ЖТФ. 1975. Т.1. Вып.3. С. 149-152.

11. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Сафонов М.Г1. Основы теории юртировки заряженных частиц в квадрупольных масс-спектрометрач '/ ЖТФ. 1976. Т.46. Вып.З. С. 614-618.

12. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Могильченко Г.А., Веселкин LB. Двойное подавление паразитного сигнала в трехмерном квадру-юльном масс-спектрометре с канальные умножителем // НТО. 1976. 1 4. С.185-186.

13. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Веселкин Н.В. и др. Перс-1ективы использования развертки спектра масс частотой высокочастотного поля в квадрупольных масс-спектрометрах // Тез. докл. Зсесоюзн. симп. по масс-спектром. Сумы, 1977. С.13 .

14. Шеретов Э.П., Самодуров В.Ф., Колотилин Б.И., Тужилкин 1.К., Веселкин Н.В. Трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с эллиптическими электродами // ПТЭ. 1978. Н 6. С. 115-117.

15. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Тужилкин Н.К.. Сафонов 1П., Самодуров В.Ф. Основы теории нового трехмерного квадруполь-югс масс-спектрометра с вводом ионов // ЯТФ. 1978. Т.48. Вып.7.

1354-1359.

16. A.c. 693892 (СССР). Датчик трехмерного квадрупольного ¿асс-спектрометра / Э.П.Шеретов, Б.И.Колотилин, О.Р.Савин, З.В.Захарченко, Э.И.Вайсберг, В.Ф.Самодуров. 19791.

1 Экспертной комиссией Рязанской государственной радиотехни-зеской академии по согласованию с ВНИИГПЭ принято заключение 308/28 от 11.П2.97 о возможности опубликования в открытой печати материалов A.c. 693892, 999866, 999867, 1259837, ранее имевших -риф "ДСП".

- ¡х -

17. Шеретов Э.П.. Зенкин В.А.. Колотилин Б.И., Сафонов М.П., Веселкин II.В. Гиперболоидные масс-спектрометры и перспективы их использования в установках для послойного анализа // Тез. докл. «(«¿«лап. семинара по вторичной ионной и ионно-фотонной эмиссии. Харьков, 1980. С.147.

18. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Самодуров В.Ф., Овчинников С.И. Гиперболоидный масс-спектрометр типа трехмерной ловушки с высокой относительной чувствительностью // Тез. докл. 3 Всесоювн. конф. по масс-спектром. Л.: Наука, 1981.

19. A.c. 801141 (СССР). Квадрупольный трехмерный масс-спектрометр и способ его изготовления / Э.П.Шеретов, Б.И.Колотилин, В.Ф.Самодуров. Опубл. в Б.И. N 4, 1981.

20. A.c. 999866 (СССР). Датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки / Э.И.Шеретов, Б.И.Колотилин,

B.Ф.Самодуров. 21.10.1882*.

21. A.c. 999867 (СССР). Датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки / Э.П.Шеретов, В.С.Гуров, Б.И.Колотилин. 21.10.19821.

22. Колотилин Б.И., Гуров B.C.. Самодуров В.Ф.. Овчинников

C.п., Сафонов М.П.. Шеретов Э.П. Анализатор малогабаритного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки // Тез. докл. I всесо-юзн. научно-техн. сов. "Разработка и применение специализированных масс-спектрометрических установок". М. : ВНШРТ, 1983. С. 65 .

23. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Сафонов М.П., Веселкин Н.В., Самодуров В.Ф., Гуров B.C., Овчинников С.П., Понкрагюв H.A., Терентьев В.И. Малогабаритный гиперболоидный масс-спектрометр типа трехмерной ловушки// Тез. докл. I всесоюзн. научно-тех-нич. сов. "Разработка и применение специализированных масс-спектрометрических установок". М.: ВНИИРТ, 1983. С.55.

24. Колотилин Б.И., Сафонов М.П., Понкрашов И.А., Самодуров В.Ф., Шеретов Э.П. Детекторная система на микроканальной сборке для малогабаритного гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки // Тез. докл. I всесоюзн. научно-технич. сов. "Разработка и применение специализированных масс-спектрометрических установок". М.: ВНИИРТ. 1983. С.97.

25. Пат.8302717-2522151 (Франция). Способ анализа ионов в гиперболоидном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки / Э.П.Шеретов, Б.И.Колотилин, Н.В.Веселкин. Опубл. 26.08.83. Оф.бвд. Франции H 34. 19 с.

26. Пат.8302419-2522190 (Франция). Анализатор масс-спектре« метра типа трехмерной ловушки / Э.П.Шеретов, В. И.Колотилин, М.П.Сафонов, В,Ф. Самодуров. Опубл. 26.08.83. Оф. бюл. Франции N 34. 10 с.

27. A.c. 1103301 (СССР). Гиперболоидный масс-спектрометр типа трехмерной ловушки / Э.П.Шеретов, В.И. Колотилин, В.Ф.Самоду--ров. Опубл. В Б.И. N 26. 15.07.84.

28. A.c. 1104602 (СССР). Способ анализа ионов в гиперболод ном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки / Э.П.Шеретов, Н.В.Веселкин, В.И.Колотилин. Опубл. в Б.И. N 27, 23.07.84.

29. Пат.83002334-2545982 (Франция). Анализатор масс-спектрометра типа трехмерной ловушки / Э.П.Шеретов, 13.И.Колотилин, В.Ф.Самодуров . Опубл. 18.11.84. Оф. бюл. Франции N 46. 9 с.

30. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Ястребков A.B., Суслов А.И., Терехин A.B. Исследование возможности создания импульсного ГМС с использованием эффектов взаимодействия лазерного получения с ионами // Тез. дога.4-го Всесоюзн.симп. по лазерной химии, Звенигород, 1985.С.2.

31. Сурков Ю.А., Иванова В. Ф., Пудов А.П., Вилков В. II., Шеретов Э.П., Колотилин Б.И.. Сафонов М.П., Тома. Р., Леспаньол Ж. Измерение состава аэрозольной компоненты атмосферы Венеры AMC "Вега-1" // Письма в АЖ. 1986. Т.12. N 2. С.110-113.

32. Самодуров В.Ф., Гуров B.C.-, Сафонов М.П., Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Петров В.В. Анализатор п-шерболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки для космических исследований // Тез. докл. 4-й Всесоюзн. конф. по масс-спектром. Сумы, 1906. Сек.8. С.36-37.

33. Гуров B.C., Колотилин Б.И. Источники электронов для ги-перболоидных масс-спектрометров типа трехмерной лопушки для космических исследований // Тез. докл. 4-й Всмхтен. конф. по масс-спектром. Сумы, 1986. Сек.8. С.38-39.

34. Сафонов М.П.. Колотилин Б.И., Самодуров В.Ф. Система сбора и регистрации ионов для гилерболоидных масс-анализаторов типа трехмерной ловушки, предназначенных для юумцч^ких исследований // Тез. докл. 4-й Всесоюзн. конф. по ма?с-оп-ястром. Сумм, 1986. Сек.8. С.40-41.

35. Шеретов Э.П.. Гуров B.C.. Колотилин i-.lt., г;э£о;:ов М.П. Перспективы использования гиперболоидных ахектдоднм систем в масс-спектрометрии и ионной оптике // Тез. докл. л й Всесоюзн. конф. по масс-спектром. Сумы. 1986. Сек.2. С. НО-21.

36. Беркутов Л.M., Колотилин Б.И.. Морозов В.Н., Овчиннике СЛ. Устройство отображения масс-спектрометрической информации / Те», дот. 4-й Всесоюзн. конф. по масс-спектром. Сумы, 198е иек.З. С.46-47.

37. Веселкин Н.В., Чердаков С.А., Колотилин Б.И., Овчиннике СЛ., Тереитьеь В.И. Автоматизированная система управления раОс той ГМО тина трехмерной ловушки для космических исследований , Тез. докл. 4-й Всесоюзн. конф. по масс-спектром. Сум! lyiiö. С. 32-33.

Овчинников С.IL, Колотилин Б.И., Филиппов И.В. Метод m дал-чшя осколочных ионов в спектре гиперболоидных масс-спектр* метров типа трехмерной ловушки // Тез.докл. 4-й Всесоюзн. ко» по масс-спектром. Суммы, 1986. Сек.1. С.47-48.

39. Сурков Ю.А., Шеретов Э.П., Колотилин Б.П., Иванова В.< и др. Масс-спектрометр для анализа состава аэрозолей в облачи слое ашосферы планеты "Венера" // Тез. докл. 4-й Всесоюзн. ко !Ю масс-спектром. Суш, 1986. Сек. 8. С. 17-18.

40. Шеретов Э.П., Колотилин Б. И., Сафонов МЛ., Веселк Н.6. и др. Малогабаритный масс-спектрометр типа трехмерной лову ки // Вопроси атомной науки и техники. Сер. Радиационная техник Сб.научн. трудов. М: ЦНИИ Атоминформ , 1986. Вып.1(32). С.18-20

41. A.c. 11228161 (СССР). Масс-спектрометрический спос анализа ионов в масс-спектрометре / ЭЛ.Шеретов, Б.И.Колотили С.II.Овчинников, С. А.Чердаков, В.Ф.Самодуров. Опубл. в Б.И. N 1 is0.04.86.

42. A.c. 1233223 (СССР). Способ анализа ионов в гиперболой ном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки / Э.П.Шеретс II.И.Колотилин, М.П.Сафонов. Опубл. в Б.И. N 19, 23.05.86.

43. A.c. 12Ö9887 (СССР). Способ изготовления анализатора i пербодсидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки/ ЭЛ. II ре-тов, в. Ф. Самодуров» В.С.Гуров, М.И.Евдокимова, А.Г.Ширяв! Б.И.Колотилин. 22.05.861.

44. A.c. 1267512 (СССР). Способ анализа заряженных частш гиперболоидном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки ЭЛ.Шеретов, Б.И.Колотилин, С.П.Овчинников, И.В.Филиппов. 0пу( В Б.И. N 40, 30.10.86.

45. A.c. 1307493 (СССР). Способ анализа ионов в гиперболо! ном масс-спектрометре типа ионной ловушки / ЭЛ.Шеретов, А.Б.Я( ребков, Б.И.Колотилин, А.И.Суслов, М.П.Сафонов, С.П.Овчинник А.В.Терехин. Опубл. в Б.И. N 16, 30.04.87.

46. A.c. 1348925 (СССР). Способ анализа но нон и гигюрбплонд ном масс-спектрометре типа ионной ловушки / а.П.Шпротов, И.И.Кп лотилин, А.Б.Пстребков. А.И.Суслов. С.II.Овчинников, onvriji. н

B.И. N 40, 30.10.87.

47. Сурков Ю.А., Иванова В. Ф., Пудов А.П., Шерг-тон П. 11 . Го-лотилинВ.И., Сафонов М.П., Тома Р., Израиль Г., Люттньол ж. . Имбо Л.. Озер А., Карамел Д. Определение хтичесмго т.тяра аэрозоля облачного слоя Венеры на AMC "Вега-1" масс спектральной аппаратурой "Малахит" /У Космич. исследования, 1Н87. Т.1\н, i'wn.b.

C.744-750. .

48. Шеретов Э.П., Ворисовкий А. П.. Колотилин Б.И., Рашш В-И., Овчинников С.П. О расчете амплитуд колебаний зарядешни частиц в гиперболоидных масс-спектрометрах при импульсном питании // ЯТФ. 1988. Г.58. ВЫП.9. С.1709-1716.

49. A.c. 1413683 (СССР). Способ анализа ионов и гиперболоид-ном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки / Э.П.ЯНлтин, Б.И.Колотилин. С.П.Овчинников, И.В.Филиппов. Опубл. в В.И. N lib. 30.07.88,

60. Колотилин Б.И., Сафонов М.П., Овчинников СЛ. Филишю» И. В. Расчет параметров ионного потока, формируемого гиперболоид вой высокочастотной ловуикой // Те#. докл. респ. семинара по методам расчета ЭОС. Ташкент: ФАН. Уз.ССР. 1S88. С.95.

51. Сурков ¡O.A., Иванова В.Ф.. Пудов А. П., Шерсюн 3.11-, Ко дотилин Б.И., Сахнов М.П.. Овчинников С.II., Веселкин II.В., Само дуров В.Ф.. Гуров B.C., Тома Р., Леспаньол Л!., Озер Л. Масс-спектрометр автоматической межпланетной станция "Вега-1" // ПТЭ. 1089. N 4. С.166-170.

52. Шеретов Э.П., Веселкин Н.В.. Колотилин В.И., Овчинников С.П. Генератор высокочастотного напряжения для масс-спектрометра тип^ трехмерной ловушки // ПТЭ. 1989. N 4. С.171-174.

53. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Овчинников С.П., Еанин

B.И., Борисовский А.П. К вопросу об оптимизации процесса ввода анализируемых частиц в гиперболоидную динамическую ловушку // Масс-спектрометрические метода н устройства для анализа твердых тел: Сб. научи, трудов / м.: Энергоиздат, 1989. С.48-52.

Б4. Шеретов Э.П., Сафонов М.П., Колотилин Б.И.. Овчинников

C.П., Гуров B.C., Веселкин Н.В., Борисовский А.П.', Ванин В.И. Новый режим работы гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки // Письма в ЯТФ. 1089. Т.15. Вып.9. С.05-07.

55. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Овчинников С.П., Банин В.И., Борисовский A.I1. Основы теории захвата заряженных частиц в т'шюрболоидных масс- анализаторах типа трехмерной ловушки. Ч. I// ИФ. 1990. Т.60. Вып.2. С. 123-129.

56. Шеретов Э.Н., Колотилин Б.И., Овчинников С.П., Банин В.И., Борисовский А.П. Основы теории захвата заряженных частиц в гиперболоидных масс-спектрометрах типа трехмерной ловушки. Ч.I1 // ЖТФ. 1990. Т.60. Вып.2. С.130-136.

57'. Шеретов Э.П., Суслов А.И., Колотилин Б. И., Ястребков

A.Б., Веселкин Н.В., Комов В.К., Овчинников С.П. Селективная фо-тоь :изация атомов индия в гиперболовдном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки // ЖТФ. 1990. Т.60. Вып.6. С.167-169.

58. A.c. 1688304 (СССР). Способ анализа ионов в гиперболовдном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки / Э.П.Шеретов,

B.И.Колотилин, А.П.Борисовский, А.И.Суслов, А.Б.Ястребков, 11.В.Веселкин. Опубл. в Б.И. N 40. 30.10.91.

59. Колотилин Б.И., Овчинников С.П. Гиперболоидные масс-спектрометры типа трехмерной ловушки для газового анализа и для работы с газовым хроматографом // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1994. С.15-30.

60. Колотилин Б.И., Филиппов И.В. Метод выделения молекулярных ионов в спектре гиперболоидных масс-спектрометров типа трехмерной ловушки // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1994. С.51-55.

61. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. О форме ионного импульса на анходе гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1994. С.107-117.

62. Колотилин Б.И. Гиперболоидная масс-спектрометрия // 100 лет радио: Сб. научн. трудов / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1995. С.49-51.

63. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И 0 структуре диаграмм стабильности гиперболоидных масс-спектрометров // Научное приборостроение: Межвув. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань,1995.С.3-8.

64. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Рожков О.В. О модуляционных реэонансах в гиперболоидных масс-спектрометрах // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань. 1995. С.8-17.

65. ШеретовЭ.П., Колотилин В.И., Сафонов М. И. Нелинейны-» резонансы в гиперболоидной масс-спектрометрии // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиогсхн. акад. Рязань, 1995. С.18-27.

66. Колотилин Б.И., Рожков О.В., Шеретов Э.П. Хромато масс-спектрометр для контроля окружающей среды // Научное прибо ростроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1995. С.50-54.

67. Колотилин В.И., Овчинников С.П., Романов И.II. Особенное ти работы анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа ионной ловушки при повышенных температурах // Научное приборостроение : Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1995. С.58-61.

68. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. Амплитудно-фазовые характеристики движения заряженных частиц в гиперболоидных масс-спектрометрах (импульсное питание) // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 1995. С.171-175.

69. Колотилин Б.И. Гиперболоидный масс-спектрометр типа трехмерной ловушки с вводом ионов// Научное приборостроение: сб. научи, трудов/ РГТРА. Рязань. 1996. С.74-86.

70. Колотилин Б.И. Особенности работы ГМС во вторых общих зонах диаграммы стабильности// Научное приборостроение: сб. научи. трудов/ РГРТА. Рязань. 1996. С.3-14.

71. Шеретов Э.П., Колотилин Б.И., Рожков О.В., Мамонтов Е.В., Веселкин Н.В., Овчинников С.П., Малютин А.В. Хромато-масс-спектрометрический модуль// Конверсия. 1996 N б. Конверсия вузовской науки "Экологические технологии и оборудование". С.15-17.

В приложении содержатся документы, подтверждающие внедрение и использование результатов диссетации.