автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.09, диссертация на тему:Методы повышения стабильности характеристик гиперболоидных масс-спектрометров типа трехмерной ионной ловушки с вводом ионизирующего электронного потока

На правах рукописи

РГБ ОД

ФИЛИППОВ

с ■*

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК ГИПЕРБОЛОИДНЫХ МАСС-СПЕКТРОМЕТРОВ ТИПА ТРЕХМЕРНОЙ ИОННОЙ ЛОВУШКИ С ВВОДОМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ЭЛЕКТРОННОГО ПОТОКА

Специальность: 05.11.09 — Аналитические и структурно-аналитические приборы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических и

Рязань 2000

Работа выполнена в Рязанской академии

Научный руководитель -Научный консультант -Официальные оппоненты —

Ведущая организация -

государственной радиотехнической

доктор технических наук, профессор Э.П. Шеретов

кандидат технических наук, доцент B.C. Гуров

доктор технических наук, профессор Д.Н. Горбатов

кандидат технических наук, доцент С.А. Кайдалов

Научно-исследовательский технологический институт, г. Рязань

Защита состоится 25 мая 2000 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 063.92.02 в Рязанской государственной радиотехнической академии: 391000, г. Рязань, ГСП, ул. Гагарина, 59/1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской радиотехнической академии

Автореферат разослан " Щ " йМ^М^А 2000 i

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук профессор / Федяев В.К.

гиАА а—о, п

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современный уровень науки и техники требует соответствующего развития существующих методов анализа вещества, которые находят все более расширяющееся применение в различных областях, например в медицине, в космических исследованиях, при контроле технологических процессов, охране окружающей среды и т.д. Среди большого класса масс-спектрометров с гиперболоидными электродными системами на ведущие позиции выходят гиперболоидные масс-спектрометры1 (ГМС) типа трехмерной ионной ловушки (ТИЛ). Создание уникальной технологии производства тонкостенных, вибропрочных электродных систем выделяет эти приборы в отдельный класс, в котором они не только лидируют по массо-габаритным показателям, но и обеспечивают высокие рабочие характеристики, что позволяет использовать их в составе мобильной аппаратуры, устанавливаемой на передвижных объектах. Однако это накладывает и дополнительные требования: эти приборы должны иметь малое энергопотребление, большой срок службы, стойкость к механическим нагрузкам.

Поэтому проведение исследований, направленных на создание масс-спектрометров, способных работать в экстремальных условиях передвижных объектов, определение путей улучшения рабочих параметров, достижение их стабильности и воспроизводимости является важной и актуальной задачей.

Цель диссертационной работы заключается в поиске и разработке путей улучшения параметров ГМС типа ТИЛ с вводом ионизирующего электронного потока.

Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:

- изучение свойств полимерных углеводородных пленок, образующихся на рабочей поверхности электродов анализатора под действием ионизирующего электронного потока, и их влияния на параметры ГМС типа ТИЛ;

- изучение возможности резкого уменьшения скорости образования полимерных углеводородных пленок на рабочих поверхностях электродной системы за счет вывода электронного ионизирующего потока за пределы рабочего объема анализатора;

- поиск путей минимизации искажений электрического поля в анализаторах ТИЛ при наличии каналов для ввода электронного ионизирующего потока;

разработка метода радикального увеличения срока службы анализаторов ТИЛ, для которых невозможны вскрытие и разборка электродной системы приборов.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

в работе впервые исследовано влияние полимерных углеводородных пленок, образующихся на электродах анализатора под действием электронного потока, на параметры ГМС типа трехмерной ловушки и сформулирован комплекс мер, позволяющих существенно улучшить параметры приборов;

впервые рассмотрены особенности прохождения электронного потока через объем анализатора и решена задача нахождения конфигурации отпечатков электронного потока на поверхности электродов; найдены условия, соответствующие максимальному выводу ионизирующего электронного потока из рабочего объема анализатора и эти условия подтверждены экспериментально;

впервые обнаружена возможность «фокусировки в точку» на кольцевом электроде ленточного электронного потока, вводимого в осесимметричный анализатор, и теоретические выводы подтверждены экспериментально;

впервые получена зависимость коэффициента деградации параметров масс-спектрометра от режимов работы и показано, что при определенном режиме ввода ионизирующего электронного потока коэффициент деградации может быть уменьшен практически до нуля; впервые экспериментально исследована динамика контактной разности потенциалов поверхности, бомбардируемой электронным потоком, и оценен предельный потенциал полимерных углеводородных пленок, образующихся на поверхности электродов анализатора ГМС типа трехмерной ловушки;

сформулированы условия минимизации искажений электрического поля в анализаторе ГМС, имеющих канал для ввода электронного ионизирующего потока. Найденные условия подтверждены компьютерным моделированием;

показана возможность радикального увеличения срока службы анализаторов ГМС типа ТИЛ (до 4-5 тыс. часов), для которых невозможны разборка и вскрытие электродной системы (например, в приборах бортового типа, для космических исследований и т.д.).

Достоверность научных выводов работы подтверждается использованием дополняющих друг друга методов исследования механизмов образования и разрушения полимерных углеводородных пленок (измерение контактной разности потенциалов поверхности, покрытой полимерными углеводородными пленками, метод зонда Кельвина, масс-спектрометрия вторичных ионов, рентгеновский микроанализ), результатами испытаний ГМС типа ТИЛ, поверхность электродов которых покрыта защитным покрытием, нанесенным в соответствии с разработанной технологией.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

в работе исследованы основные причины, ограничивающие получение высоких значений параметров ГМС типа трехмерной ионной ловушки с вводом электронного потока, и разработан комплекс мер, позволяющий резко улучшить параметры ГМС типа ТИЛ;

найдено и обосновано соотношение, определяющее размеры канала для ввода электронного потока на кольцевом электроде и размеры компенсирующего отверстия в торцовых электродах, что позволяет создавать анализаторы с вводом ионизирующего потока с минимальными искажениями электрического поля; разработано защитное индиевое покрытие электродов анализатора, позволяющее осуществлять очистку поверхности электродов от полимерных углеводородных пленок без разборки электродной системы; разработан и исследован «ножевой» источник электронов для ГМС типа ГИЛ с радиальным вводом электронного потока.

Реализация результатов работы

Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались: при разработке и создании масс-спектрометров «ТУЛА-1» и «ТУЛА-2», «ГЕОХИ», «Марс-96», при чтении лекций по курсу «Физические основы современных методов анализа вещества» в Рязанской государственной радиотехнической академии (РГРТА); при создании лабораторных работ по указанному курсу.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Полимерные углеводородные пленки, образующиеся на поверхности электродов под действием бомбардировки медленными электронами, изменяют работу выхода поверхности в диапазоне до 0.5-1 эВ для

различных металлов, и их поверхностный потенциал при зарядке электронным потоком достигает величины 20-25 В.

2. Зарядка полимерных углеводородных пленок, образующихся на стенках узких протяженных каналов, приводит к фокусировке в канале моноэнергетичного потока заряженных частиц, увеличивая коэффициент прохождения в 2-3 раза при малых энергиях вводимых электронов (10-20 эВ); при прохождении через каналы потока немоноэнергетичных заряженных частиц возникает эффект запирания в канале медленных частиц этого потока. Эффект запирания исчезает, если минимальная энергия электронов в потоке превышает 20-25 эВ.

3. Наиболее удобной формой высокочастотного напряжения, подаваемого на электроды анализатора ГМС типа трехмерной ловушки, при котором через канал вывода можно вывести до 90 % введенных электронов, является импульсное напряжение.

4. Вывод электронного потока после ионизации через выходной канал за пределы анализатора уменьшает скорость деградации параметров трехмерной ионной ловушки на 2-3 порядка.

5. Для уменьшения в 30-50 раз искажений электрического поля, возникающих вследствие выполнения в кольцевом электроде кольцевого канала для ввода ионизирующего потока, в торцовых электродах следует вводить компенсирующие отверстия, причем диаметр компенсирующего отверстия и ширина кольцевого канала должны быть связаны соотношением, приведенным в тексте диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на IX Республиканском семинаре по методам расчета ЭОС, Ташкент, 1988; Всесоюзном симпозиуме по эмиссионной электронике, Рязань, 1996; Международной научно-технической конференции "Электрофизические и электрохимические технологии", Санкт-Петербург, СПбГТУ, 1997; Международной конференции "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии", Ташкент, 1997; Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика", Москва, 1997; 14-й Международной конференции по масс-спектрометрии, Тампере, Финляндия, 1997; Международной конференции по тонким пленкам и поверхности твердых тел, Институт Эрстеда, Копенгаген, Дания, 1998.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ. Подано 4 заявки на патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка цитируемой литературы из 93 наименований. Она изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 110 рисунков, 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе работы приведен краткий обзор литературы, сформулированы задачи, решаемые в работе, проведено обоснование структуры диссертации.

Устранение искажений поля, связанных с контактной разностью потенциалов образующихся полимерных углеводородных пленок, требует подробного изучения динамики изменения контактной разности потенциалов поверхности электродов под действием бомбардировки медленными электронами.

Уменьшение влияния полимерных углеводородных пленок и снижение влияния эффектов, связанных с их зарядкой, требуют изучения конфигурации областей попадания электронного потока на поверхность электродов, что связано с изучением траекторий движения электронного ионизирующего потока в объеме анализатора.

Отмечается, что получение исходного, высокого качества электрического поля, создаваемого электродными системами ГМС типа ТИЛ, требует решения проблемы оптимизации размеров и конфигурации каналов для ввода и вывода заряженных частиц, при которых вносимые этими каналами искажения поля будут минимальны.

Необходимость создания приборов с большим сроком службы требует создания защитного покрытия поверхности электродов. Обычно для снижения скорости образования полимерных углеводородных пленок электродные системы нагревают до температуры 150-180° С, что приводит к увеличению мощности, потребляемой прибором. Проектирование мобильной аппаратуры для анализа вещества, например для космических исследований, требует создания приборов с малой потребляемой мощностью. Это вызывает необходимость поиска нового защитного покрытия, позволяющего периодически восстанавливать первоначальные свойства поверхности рабочих электродов.

Решение описанных задач позволило бы создать приборы с большим сроком службы, позволяющие получать высокие стабильные аналитические параметры.

Во второй главе проводится исследование одной из причин ухудшения рабочих характеристик приборов, связанной с изменением работы выхода поверхности электродов при образовании на них полимерных углеводородных пленок вследствие бомбардировки медленными электронами. Описывается экспериментальная установка для измерения работы выхода материалов при образовании на них полимерных углеводородных пленок, представляющая собой вакуумный диод цилиндрической конструкции. Контроль за изменением работы выхода поверхности осуществлялся путем измерения контактной разности потенциалов между вольфрамовым катодом и анодом, изготовляемым из исследуемого материала. Величина контактной разности потенциалов определялась по сдвигу вольт-амперной характеристики вакуумного диода.

Измерения контактной разности потенциалов между чистой металлической поверхностью и поверхностью, подвергшейся воздействию электронного потока, показали, что образование полимерных пленок приводит к значительному изменению работы выхода поверхности в диапазоне 0.4-0.6 эВ для различных металлов уже через 30-60 минут после начала бомбардировки. В целом бомбардировка электронами поверхности металлов в течение длительного периода времени (до 80 часов) приводит к значительному изменению их работы выхода (до 1 эВ), причем эта зависимость имеет вид кривой с насыщением. Описывается влияние на скорость изменения работы выхода температуры подложки, плотности электронного тока, энергии бомбардирующих электронов.

Исследование изменения потенциала поверхности, покрытой полимерной углеводородной пленкой, при бомбардировке низкоэнергетичным электронным потоком было проведено на экспериментальной установке методом Кельвина, известным в литературе еще как "метод вращающегося зонда". Установлено, что величина потенциала поверхности в результате зарядки электронным потоком может достигать 20-25 В.

В третьей главе исследуется движение электронного ионизирующего потока при вводе его в радиальной плоскости ХУ, перпендикулярной к оси вращения 1 (радиальный ввод), и при вводе вдоль оси 2 вращения электродной системы (осевой ввод). Определяются области

локализации углеводородных пленок по отпечаткам электронного потока на электродах с целью определения основных методов снижения влияния на стабильность параметров ГМС с вводом электронного ионизирующего потока.

На основе анализа уравнений движения электронов в ГМС получены выражения, определяющие конфигурацию отпечатков электронного потока на кольцевом электроде в плоскости YZ (при радиальном вводе электронного потока вдоль оси X), определены условия, при которых размеры отпечатка по оси Z будут минимальны. Были рассмотрены две модели ввода электронного потока с учетом влияния поперечных скоростей. Из анализа теоретических моделей следует вывод, что в рабочем объеме анализатора возможна фокусировка введенного электронного потока в выходной канал по г-координате при кх = 1.2 и кх = 2.0, где кх = (ЗЦ„УАф)'/2, С/уск - ускоряющая разность потенциалов, Дер - разность потенциалов между электродами анализатора. Кроме этого, была показана возможность двойной фокусировки электронного потока по У- и 2-координатам одновременно при кх = 1.0 при выводе потока через канал, расположенный под углом 90° относительно входного канала.

Аналогичные исследования размеров отпечатка электронного потока на торцовом электроде при осевом вводе показывают возможность фокусировки потока в отверстие в выходном торцовом электроде при к, = 1.024 и к: = 1.243, где кг = (3 £/^/2 Дер)1/2.

С целью исследования влияния пленок на рабочие характеристики было проведено компьютерное моделирование работы ГМС при радиальном и осевом способах ввода электронного ионизирующего потока. При этом предполагалось, что при радиальном вводе пленка, образующаяся на кольцевом электроде, имеет форму кольца, а в случае осевого ввода пленка имеет форму диска на одном из торцовых электродов. Для оценки влияния искажений электрического поля была введена величина ДЛ/Ло, характеризующая эквивалентное изменение тангенса угла наклона линии развертки спектра масс при зарядке пленок. Исследовались пленки с одними характерными геометрическими размерами (шириной кольца и диаметром диска). Из проведенных в работе расчетов следует, что при малых потенциалах пленок (до 2 В) эквивалентное изменения тангенса угла наклона линии развертки практически одинаково для обоих способов ввода. При дальнейшем увеличении потенциала пленка на кольцевом электроде оказывает более сильное влияние на величину тангенса угла наклона рабочей

прямой и, следовательно, будет сильнее влиять на изменение разрешающей способности.

Следует заметить, что в реальном приборе пленка, образованная на кольцевом электроде, в зависимости от режимов ввода электронного потока может иметь различную форму, в частности различный угол разворота (т.е. угловые размеры пленки в плоскости ХУ при радиальном вводе). Результаты моделирования формы массового пика с наличием на кольцевом электроде пленок с различным углом разворота показали, что увеличение угла разворота снижает негативное влияние пленки на параметры прибора, в частности замедляет снижение добротности прибора (произведения чувствительности на разрешающую способность). Из этого следует важный вывод: если на кольцевом электроде пленка все-таки образуется, то для уменьшения степени воздействия связанных с ней нелинейных искажений поля следует увеличивать угол разворота этой пленки. Для этого электронный ионизирующий поток следует вводить по радиусу вдоль нескольких направлений в радиальной плоскости с тем, чтобы увеличить угол разворота образующихся пленок.

В четвертой главе исследуются особенности прохождения потоков заряженных частиц через каналы ввода/вывода, на стенках которых образуются полимерные углеводородные пленки. Необходимость подобного исследования вызвана тем, что образующиеся в каналах пленки и их последующая зарядка могут привести к существенному изменению величины вводимого электронного потока или ограничить выводимый поток отсортированных ионов, что в свою очередь приведет к изменению рабочих параметров масс-спектрометра в процессе его работы.

Экспериментальное исследование прохождения электронов через щель в кольцевом электроде проводилось на макете электродной системы ГМС. Исследовались две щели с различным значением относительной длины канала (отношение протяженности канала с к его толщине Ь): с/Ь = 5 и с/Ь= 1. Исследование проводилось с использованием несфокусированного и сфокусированного электронных потоков. Ввод несфокусированного электронного потока приводил к уменьшению в 1.5-3 раза коэффициента прохождения через обе щели в течение 40 часов облучения. Величина коэффициента прохождения определялась как отношение тока коллектора (установленного в центре кольцевого электрода) к току катода, выраженное в процентах. При сравнении ввода несфокусированного и сфокусированного моноэнергетичных электронных потоков было установлено, что в условиях,

когда на стенках каналов образуются полимерные углеводородные пленки, наиболее предпочтительным является ввод сфокусированного электронного потока через протяженную щель с относительной длиной канала от 3 до 5. При этом наблюдалось увеличение коэффициента прохождения в 2-3 раза при малых входных энергиях электронов в диапазоне 10-20 эВ.

При исследовании ввода немоноэнергетичного электронного потока был обнаружен эффект ограничения прохождения части потока заряженных частиц с энергией, меньшей 25-30 эВ. Кроме того, был разработан и исследован метод измерения потенциала образующихся пленок, с помощью которого была получена экспериментальная зависимость потенциала пленок от плотности электронного тока, которая совпадает с аналогичной зависимостью, определенной по методу Кельвина.

В пятой главе исследуются методы снижения негативного влияния ионизирующего электронного потока на параметры ГМС типа ТИЛ. Эти методы включают в себя: (1) минимизацию искажений электрического поля, вводимых каналами для ввода и вывода заряженных частиц, (2) уменьшение воздействия электронного потока за счет его фокусировки в выходной канал, которая достигается выбором режима ввода электронного потока, и (3) создание защитного покрытия электродов анализатора.

В первом разделе данной главы рассматривается проблема возникающих искажений электрического поля при выполнении в электродах каналов ввода/вывода. С самого начала выбор геометрии каналов был ориентирован на «метод скомпенсированных зарядов», разработанный в нашей лаборатории и который был ранее удачно использован для определения оптимальной конфигурации краевых областей анализатора трехмерной ловушки. Канал для радиального ввода электронного ионизирующего потока расположен в центральной части электродной системы вблизи области сортировки, и поэтому его влияние особенно велико. Логика метода скомпенсированных зарядов требует, чтобы каналу в радиальной плоскости на кольцевом электроде соответствовал канал в торцовых электродах. Из теоретического анализа данного метода было получено следующее аналитическое выражение, связывающее размеры канала в кольцевом электроде и размеры компенсирующего отверстия в торцовых электродах для осесимметричной гиперболоидной электродной системы ха-уа = га и р0= 1:

С \ 3 С \ / \ Ъ ( \

2 — = 2 + «0

) \га)

где 2К и гт - координаты границ каналов в кольцевом и торцовом электродах соответственно; ха, уа, га - кратчайшие расстояния от центра электродной системы до электродов вдоль соответствующих осей; р0 = ха2/ уа2.

Для того чтобы проверить результаты, полученные с помощью метода скомпенсированных зарядов, были проведены исследования распределения потенциала, создаваемого электродными системами с кольцевым каналом различной ширины в кольцевом электроде, выполненные методами численного моделирования. Были введены два критерия: (а) среднее значение величины относительного отклонения потенциала вдоль асимптоты электродной системы от потенциала в центре системы и (б) постоянство периода низкочастотных колебаний ионов. Из проведенных расчетов следует, что искажения, вводимые кольцевой щелью заданной ширины Аг в кольцевом электроде, можно скомпенсировать путем введения отверстия определенного диаметра с1 в торцовых электродах. Определенные по результатам расчетов зависимости диаметра компенсирующего отверстия от ширины кольцевого канала с точностью до 1 % совпадают с аналогичной зависимостью, определенной по аналитическому выражению, полученному из "метода скомпенсированных зарядов", что обосновывает и доказывает целесообразность использования этого метода для выбора размеров каналов ввода/вывода в электродах при минимальных искажениях электрического поля.

В следующем разделе описываются результаты экспериментальной проверки возможности фокусировки введенного электронного потока в выходной канал. При этом продемонстрирована возможность вывода до 90 % от введенного в анализатор электронного тока. На экспериментальной зависимости коэффициента вывода электронного потока из анализатора ГМС от коэффициента кх присутствуют два максимума, соответствующие значениям кх= 1.27 и кх = 1.97, которые близки к теоретическим значениям (кх= 1.2 и кх=2.0). Приводятся результаты исследования фокусировки введенного электронного потока при кх= I. В этом случае все вводимые электроны фокусируются в два выходных канала, расположенных под углом 90° к входной щели. Показано, что при этом удается вывести до 70 % введенного потока.

Аналогичное исследование возможности фокусировки электронного ионизирующего потока было проведено и при осевом вводе через отверстие диаметром 0.3 мм в торцовом электроде. Экспериментальная зависимость коэффициента вывода электронного потока через выходной торцовый электрод как функция коэффициента к2 содержит два максимума токопрохождения (до 90 %), соответствующего значениям кг = 1.05 и к2 = 1.25 (близких к теоретическим значениям ^ = 1.0238 и к2 = 1.243).

Проведенные эксперименты по исследованию вывода электронного потока совпадают с выводами теории и демонстрируют реальную возможность снижения "засеивания" поверхности электродов анализатора вводимыми электронами за счет фокусировки ионизирующего электронного потока в выходной канал.

При проведении экспериментальных исследований работы ГМС типа трехмерной ловушки, в которой использовался радиальный способ ввода ионизирующего электронного потока, было замечено ухудшение параметров прибора во времени. Было установлено, что скорость ухудшения параметров в сильной степени зависит от режимов ввода электронного потока и связана с зарядкой образующихся пленок. Экспериментально было показано, что, изменяя энергию электронного потока, вводимого в анализатор ГМС, можно добиться такого состояния, при котором параметры прибора не будут изменяться во времени, что соответствует условиям фокусировки (определенным теоретически и подтвержденным экспериментально) электронного потока в выходной канал при кх = . 2. Измеренная нестабильность рабочих параметров при этом не превышала 5 %. По результатам проведенных экспериментов можно сделать следующий вывод: основные рабочие параметры масс-спектрометра и их стабильность в значительной мере определяются энергией вводимого электронного ионизирующего потока. Изменяя энергию электронного потока, вводимого в анализатор ГМС, можно уменьшить степень "засеивания" электронами рабочей поверхности электродов за счет их фокусировки в выходной канал и добиться такого состояния, при котором скорость деградации рабочих параметров прибора будет наименьшей.

В заключительном разделе данной главы отмечается, что полностью вывести электронный поток из рабочего объема анализатора нельзя (в силу неидеальности электродной системы, рассеяния электронов на атомах и молекулах остаточного газа и т.д.). Кроме того, поверхность электродов подвергается бомбардировке (в основном нестабильными) ионами. Поэтому

полностью исключить образование полимерных углеводородных пленок в реальном приборе нельзя, и появляется задача изыскания способа очистки поверхности электродной системы от полимерных углеводородных пленок без ее разборки. В работе была предложена технология нанесения защитного покрытия из легкоплавкого металла (индия). На индии, так же как и на материале подложки, образуются полимерные углеводородные пленки. Однако через определенное число часов работы прибора (как правило, после ухудшения добротности прибора на порядок) производится разрушение образовавшихся углеводородных пленок и восстановление рабочих характеристик прибора путем прогрева электродной системы до температуры плавления индия. Такой цикл нами назван циклом восстановления. Предложенная технология нанесения двухслойного покрытия позволяет увеличить число циклов восстановления и срок службы прибора до 4-5 тыс. часов (т.е. в 40-50 раз).

Экспериментальная проверка подтвердила преимущества метода "самоочистки" поверхности электродов и, как следствие, восстановление рабочих параметров масс-спектрометра. Она проводилась на приборе "ГЕОХИ", на рабочую поверхность электродов которого в соответствии с разработанной технологией наносилось защитное индиевое покрытие.

В заключении сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Целью данной диссертационной работы являлись поиск и разработка путей повышения стабильности характеристик ГМС типа ТИЛ с вводом ионизирующего электронного потока.

В работе проведено исследование основных свойств полимерных углеводородных пленок, образующихся на рабочей поверхности электродов анализатора под действием бомбардировки электронным потоком, исследовано их влияние на параметры ТИЛ.

Было продемонстрировано, что негативное влияние полимерных углеводородных пленок практически полностью устраняется за счет вывода электронного ионизирующего потока за пределы рабочего объема анализатора. Получены аналитические выражения, устанавливающие связь между энергией вводимых электронов и разностью потенциалов между электродами анализатора, позволяющие осуществлять в объеме анализатора

фокусировку электронного потока в выходной канал. По результатам теоретических и экспериментальных исследований были сформулированы рекомендации по выбору режима ввода электронного ионизирующего потока, по параметрам питающих напряжений и требования к конструкции источника электронов, реализация которых позволила на 2-3 порядка повысить стабильность рабочих параметров прибора в процессе его работы.

В работе осуществлен поиск путей минимизации искажений электрического поля в анализаторах ТИЛ при наличии каналов для ввода и вывода заряженных частиц. Получено аналитическое выражение, связывающее геометрические размеры технологических каналов для ввода/вывода заряженных частиц, обеспечивающие минимальные искажения поля в анализаторе. Было проведено компьютерное моделирование электрических полей, создаваемых электродными системами с соответствующими технологическими каналами, результаты которого доказывают достоверность и предпочтительность использования полученного выражения.

Разработан метод очистки рабочей поверхности электродов анализатора от углеводородных пленок без вскрытия и разборки электродной системы, основанный на технологии нанесения двухслойного защитного индиевого покрытия, что позволило увеличить срок службы электродных систем до 4-5 тыс. часов.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы.

1. Искажения электрического поля, возникающие вследствие введения в кольцевом электроде канала для ввода ионизирующего электронного потока, уменьшаются в 30-50 раз за счет введения в торцовых электродах компенсирующих одиночных отверстий, геометрические размеры которых определяются по приведенному в работе аналитическому выражению.

2. Бомбардировка поверхности металлов медленными электронами изменяет работу выхода поверхности в диапазоне до 0.5-1 эВ вследствие образования полимерных углеводородных пленок, поверхностный потенциал которых при зарядке электронным потоком достигает величины 20-25 В.

3. Стабильность рабочих параметров ТИЛ возрастает на 2-3 порядка при осуществлении вывода ионизирующего электронного потока за пределы анализатора.

4. Обеспечение эффективного вывода (до 90 %) электронного потока через выходной канал наиболее просто реализуется при импульсном питании электродов анализатора.

5. Зарядка полимерных углеводородных пленок, образующихся на внутренних стенках каналов ввода/вывода при прохождении потоков заряженных частиц, увеличивает коэффициент прохождения моноэнергетичных электронов в 2-3 раза при малых энергиях (10-20 эВ); при прохождении через каналы потока немоноэнергетичных заряженных частиц возникает эффект запирания в канале медленных частиц этого потока. Эффект запирания исчезает, если минимальная энергия электронов в потоке превышает 20-25 эВ.

6. Использование защитного индиевого покрытия поверхности электродов позволяет увеличить срок службы прибора в 40-50 раз.

Все основные результаты, приведенные в диссертационной работе, получены лично автором. В постановке задач и обсуждении полученных результатов принимали участие научный руководитель д-р техн. наук, проф. Э.П. Шеретов и научный консультант канд. техн. наук, доц. B.C. Гуров.

Экспериментальные результаты исследования стабильности работы ГМС типа ТИЛ получены совместно с проф. Колотилиным Б.И. и асс. Брыковым A.B.

Результаты исследования процессов взаимной диффузии меди и индия получены совместно с канд. техн. наук, доц. Овсянниковым Н.П. и канд. техн. наук, доц. Гуровым B.C.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Колотилин Б.И., Филиппов И.В., Овчинников С.П. Исследование влияния напряжения вывода на распределение по энергиям ионов, выводимых из трехмерной ловушки // Научное приборостроение: Межвуз. сб./ Рязанский радиотехнический институт, Рязань, 1986. С. 6771.

2. Колотилин Б.И., Филиппов И.В., Овчинников С.П. Метод подавления пиков осколочных ионов в спектре масс-спектрометров типа трехмерной ловушки // Тезисы доклада на IV Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии, г.Сумы, 1986.С. 47-48.

3. Колотилин Б.И., Сафонов М.П., Филиппов И.В, Овчинников С.П. Расчет параметров ионного потока, формируемого гиперболоидной

высокочастотной ловушкой // Тезисы доклада IX Республиканского семинара по методам расчета ЭОС. Ташкент; ФАН Уз. ССР, 1988. С.95.

4. Шеретов Э.П., Гуров B.C., Филиппов И.В., Овчинников С.П., Горкин С.Б. Принципы построения электронно-оптических систем источников электронов для гиперболоидных анализаторов // Тезисы доклада IX Республиканского семинара по методам расчета ЭОС. Ташкент: ФАН Уз. ССР, 1988. С. 96.

5. Филиппов И.В. О методике подготовки экспериментального макета для измерения работы выхода материалов при образовании на них диэлектрических пленок // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотехн. акад., Рязань, 1994. С. 83-88.

6. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Вторично-эмиссионные свойства металлов, полученных методом электролитического формования // Тезисы доклада Всероссийского симпозиума по эмиссионной электронике, Рязань, 1996. С. 131.

7. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. О возможности нормализации свойств поверхности металлов, подвергшихся облучению заряженными частицами // Тезисы доклада Всероссийского симпозиума по эмиссионной электронике, Рязань, 1996. С. 177.

8. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Исследование процессов, происходящих на поверхности металлов при облучении медленными ионами и электронами // Тезисы доклада Всероссийского симпозиума по эмиссионной электронике, Рязань, 1996. С. 199.

9. Гуров B.C., Филиппов И.В. Исследование процессов образования углеводородных пленок загрязнений на металлических поверхностях под действием медленных электронов // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотех. акад. Рязань, 1996. С.23-28.

10. Гуров B.C., Филиппов И.В. Восстановление свойств металлических поверхностей, подвергшихся бомбардировке заряженными частицами // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотех. акад. Рязань, 1997. С.71-75.

11. Гуров B.C., Филиппов И.В. Динамика изменения газовой среды в процессе образования и разрушения полимерных пленок загрязнений // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотех. акад. Рязань, 1997. С. 140-143.

12. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. О выборе материала покрытия, обеспечивающего срок службы электронно-оптических систем,

изготовленных методом электролитического формования // МНТК "Электрофизические и электрохимические технологии", Санкт-Петербург, СПбГТУ, 1997.

13. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Исследование процессов, происходящих на поверхности металлов под действием медленных электронов // Тезисы доклада Международной конференции "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии". Ташкент, 1997.

14. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Исследование экзоэлектронной эмиссии с поверхности металлов под действием медленных электронов // Тезисы доклада Международной конференции "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии". Ташкент, 1997. С.102.

15. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. О возможности восстановления свойств металлических поверхностей, подвергшихся облучению медленными электронами // Тезисы доклада Международной конференции "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии". Ташкент, 1997.С.183.

16. Шеретов Э.П., Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Исследование свойств конструкционных материалов электронной техники, полученных методом электролитического формования // ВНТК "Электроника и информатика". Москва, 1997. С.29.

17. Safonov М.Р., Philippov I.W., Laktionov А.Е. Some Special Features in the Development of Quadrupole Mass Spectrometers // Proceedings of the 14th International Mass Spectrometry Conference. Tampere, Finland, 1997.

18. Gurov V.S., Philippov I.W. Electric Properties of Organic Polymer Films which are Caused by Slow Electrons // Abstracts of Ninth International Conference on Solid Films and Surfaces / H.C. Orsted Institute, Copenhagen, Denmark, 1998

19. Гуров B.C., Сафонов М.П., Филиппов И.В. Оптимизация геометрии анализаторов гиперболоидных масс-спектрометров // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотех. акад. Рязань, 1998.

20. Sheretov E.P., Gurov V.S., Safonov M.P., Philippov I.W. Hyperboloid Mass Spectrometers for Space Exploration // International Journal of Mass Spectrometry, 189 (1999) 9-17.

С. 182.

C.41-47.

Введение.

Глава 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1.1. Введение.

1.2. Классификация гиперболоидных электродных систем и принцип работы ГМС типа ТИЛ.

1.3. Обзор причин, приводящих к ухудшению параметров ГМС типа

1.4. Задачи диссертационной работы

Глава 2.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОДОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ МЕДЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

2.1. Введение

2.2. Экспериментальная установка для измерения работы выхода материалов при образовании на них углеводородных пленок загрязнений и методика проведения экспериментов.

2.3. Динамика изменения работы выхода металлов под действием электронной бомбардировки.

2.3.1. Влияние времени бомбардировки электронным потоком.

2.3.2. Влияние температуры поверхности на скорость изменения работы выхода поверхности

2.3.3. Влияние плотности бомбардирующего электронного потока на скорость изменения работы выхода поверхности.

2.3.4. Влияние энергии бомбардирующего электронного потока на скорость изменения работы выхода поверхности.

2.3.5. Электрические свойства образующихся полимерных углеводородных пленок

2.3.6. Выводы

Глава 3.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ПОТОКА В РАБОЧЕМ ОБЪЕМЕ ГИПЕРБО-ЛОИДНОЙ ИОННОЙ ЛОВУШКИ

3.1. Введение.

3.2. Ввод электронного ионизирующего потока.

3.2.1 Уравнения движения электронов в рабочем объеме ГМС.

3.2.2. Радиальный ввод электронного ионизирующего потока.

3.2.2(а). Размеры отпечатка по оси Y.

3.2.2.(6). Размеры отпечатка по Z координате.

3.2.2.(в). Влияние поперечных скоростей на конфигурацию отпечатков электронного потока

3.2.2.(г). Изменение энергии электронов при их пролете через анализатор

3.2.3. Осевой ввод электронного ионизирующего потока

3.3. Компьютерное моделирование влияния полимерных углеводородных пленок, образующихся при вводе электронного ионизирующего потока на параметры

ГМС типа трехмерной ловушки

3.4. Деградация параметров ГМС в процессе работы.

3.5. Выводы.

Глава 4.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ КАНАЛЫ ВВОДА/ВЫВОДА.

4.1. Введение.

4.2. Компьютерное моделирование прохождения электронов через узкую щель в кольцевом электроде с учетом влияния образующихся полимерных углеводородных пленок.

4.3. Экспериментальное исследование прохождения электронного потока через щель в кольцевом электроде.

4.3.1. Исследования токопрохождения в статическом режиме.

4.3 .2. Исследование особенностей токопрохождения при импульсном вводе электронного потока.

4.4. Источники электронов «ТУЛА»

4.5. Выводы.

Глава 5.

МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ПОТОКА.

5.1. Введение.

5.2. Оптимизация геометрии анализатора с каналами для ввода и вывода заряженных частиц.

5.2.1. Связь между размерами каналов в кольцевом и торцовых электродах.

5.2.2. Компьютерное моделирование полей, создаваемых электродными системами с каналами для ввода/вывода заряженных частиц.

5.3. Фокусировка вводимого электронного потока в выходной канал.

5.3Л. Исследование возможности фокусировки электронного потока в выходной канал при радиальном вводе.

5.3.2. Исследование возможности фокусировки электронного потока в выходной канал при осевом вводе.

5.3.3. Исследование работы ГМС типа трехмерной ловушки в условиях фокусировки электронного потока в выходной канал.

5.4. Способ уменьшения влияния пленок за счет нанесения легкоплавкого защитного покрытия.

5.5. Выводы.

Актуальность. Современный уровень науки и техники требует соответствующего развития существующих методов анализа вещества, которые находят все более расширяющееся применение в различных областях, например, в медицине, при контроле технологических процессов, охране окружающей среды, в космических исследованиях и т.д. Среди большого класса масс-спектрометров с гиперболоидными электродными системами, на ведущие позиции выходят гиперболоидные масс спектрометры (ГМС) типа трехмерной ионной ловушки (ТИЛ). Создание уникальной технологии производства тонкостенных, вибропрочных электродных систем, выделяет эти приборы в отдельный класс, в котором они лидируют не только по массо-габаритным показателям, но и обеспечивают высокие рабочие характеристики, что позволяет использовать такие приборы в составе мобильной аппаратуры, устанавливаемой на передвижных объектах. Однако, это накладывает и дополнительные требования: эти приборы должны иметь малое энергопотребление, большой срок службы, стойкость к механическим нагрузкам.

Поэтому проведение исследований, направленных на создание масс-спектрометров, способных работать в экстремальных условиях передвижных объектов, определение путей улучшения рабочих параметров, достижение их стабильности и воспроизводимости, является важной и актуальной задачей.

Цель диссертационной работы заключается в поиске и разработке путей улучшения параметров ГМС типа ТИЛ с вводом ионизирующего электронного потока.

Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач: - изучение свойств полимерных углеводородных пленок, образующихся на рабочей поверхности электродов анализатора под действием ионизирующего электронного потока, и их влияния на параметры ГМС типа ТИЛ;

- изучение возможности резкого уменьшения скорости образования полимерных углеводородных пленок на рабочих поверхностях электродной системы за счет вывода электронного ионизирующего потока за пределы рабочего объема анализатора;

- поиск путей минимизации искажений электрического поля в анализаторах ТИЛ при наличии каналов для ввода электронного ионизирующего потока;

- разработка метода радикального увеличения срока службы анализаторов ТИЛ, для которых невозможно вскрытие и разборка электродной системы приборов.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

- в работе впервые исследовано влияние полимерных углеводородных пленок, образующихся на электродах анализатора под действием электронного потока, на параметры ГМС типа трехмерной ловушки и сформулирован комплекс мер, позволяющих существенно улучшить параметры приборов;

- впервые рассмотрены особенности прохождения электронного потока через объем анализатора и решена задача нахождения конфигурации отпечатков электронного потока на поверхности электродов; найдены условия, соответствующие максимальному выводу ионизирующего электронного потока из рабочего объема анализатора и эти условия подтверждены экспериментально;

- впервые обнаружена возможность «фокусировки в точку» на кольцевом электроде ленточного электронного потока, вводимого в осесимметричный анализатор, и теоретические выводы подтверждены экспериментально;

- впервые получена зависимость коэффициента деградации параметров масс-спектрометра от режимов работы и показано, что при определенном режиме ввода ионизирующего электронного потока, коэффициент деградации может быть уменьшен практически до нуля;

- впервые экспериментально исследована динамика контактной разности потенциалов поверхности, бомбардируемой электронным потоком, и оценен предельный потенциал полимерных углеводородных пленок, образующихся на поверхности электродов анализатора ГМС типа трехмерной ловушки;

- сформулированы условия минимизации искажений электрического поля в анализаторе ГМС, имеющих канал для ввода электронного ионизирующего потока. Найденные условия подтверждены компьютерным моделированием;

- показана возможность радикального увеличения срока службы анализаторов ГМС типа ТИЛ (до 4-5 тыс. часов), для которых невозможна разборка и вскрытие электродной системы (например, в приборах бортового типа, для космических исследований, и т.д.).

Достоверность научных выводов работы подтверждается использованием дополняющих друг друга методов исследования механизмов образования и разрушения полимерных углеводородных пленок (измерение контактной разности потенциалов поверхности, покрытой полимерными углеводородными пленками, метод зонда Кельвина, масс-спектрометрия вторичных ионов, рентгеновский микроанализ), результатами испытаний ГМС типа ТИЛ, поверхность электродов которых покрыта защитным покрытием, нанесенным в соответствии с разработанной технологией.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

- в работе исследованы основные причины, ограничивающие получение высоких значений параметров ГМС типа трехмерной ионной ловушки с вводом электронного потока и разработан комплекс мер, позволяющий резко улучшить параметры ГМС типа ТИЛ;

- найдено и обосновано соотношение, определяющее размеры канала для ввода электронного потока на кольцевом электроде и размеры компенсирующего отверстия в торцевых электродах, что позволяет создавать анализаторы с вводом ионизирующего потока с минимальными искажениями электрического поля;

- разработано защитное индиевое покрытие электродов анализатора, позволяющее осуществлять очистку поверхности электродов от полимерных углеводородных пленок без разборки электродной системы;

- разработан и исследован «ножевой» источник электронов для ГМС типа ТИЛ с радиальным вводом электронного потока.

Реализация результатов работы.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались: при разработке и создании масс-спектрометров «ТУЛА-1» и «ТУЛА-2», «ГЕОХИ», «Марс-96», при чтении лекций по курсу «Физические основы современных методов анализа вещества» в Рязанской государственной радиотехнической академии (РГРТА); при создании лабораторных работ по указанному курсу.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Полимерные углеводородные пленки, образующиеся на поверхности электродов под действием бомбардировки медленными электронами, изменяют работу выхода поверхности в диапазоне до 0.5-1 эВ для различных металлов и их поверхностный потенциал при зарядке электронным потоком достигает величины 20-25 В.

2. Зарядка полимерных углеводородных пленок, образующихся на стенках узких протяженных каналов, приводит к фокусировке в канале моноэнергетичного потока заряженных частиц, увеличивая коэффициент прохождения в 2-3 раза при малых энергиях вводимых электронов (10-20 эВ); при прохождении через каналы потока немоноэнергетичных заряженных частиц, возникает эффект запирания в канале медленных частиц этого потока. Эффект запирания исчезает, если минимальная энергия электронов в потоке превышает 20-25 эВ.

3. Наиболее удобной формой высокочастотного напряжения, подаваемого на электроды анализатора ГМС типа трехмерной ловушки, при котором через канал вывода можно вывести до 90% введенных электронов, является импульсное напряжение.

4. Вывод электронного потока после ионизации через выходной канал за пределы анализатора уменьшает скорость деградации параметров трехмерной ионной ловушки на 2-3 порядка.

5. Для уменьшения в 30-50 раз искажений электрического поля, возникающих вследствие выполнения в кольцевом электроде кольцевого канала для ввода ионизирующего потока, в торцовых электродах следует вводить компенсирующие отверстия, причем диаметр компенсирующего отверстия и ширина кольцевого канала должны быть связаны соотношением, приведенным в тексте диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на IX Республиканском семинаре по методам расчета ЭОС, Ташкент, 1988; на Всесоюзном Симпозиуме по эмиссионной электронике, Рязань, 1996; на Международной научно-технической конференции "Электрофизические и электрохимические технологии", Санкт-Петербург, СПбГТУ, 1997; на Международной конференция "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии", Ташкент, 1997; на Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика", Москва, 1997; на 14-й Международной конференции по масс-спектрометрии, Тампере, Финляндия, 1997; на Международной конференции по тонким пленкам и поверхности твердых тел, Институт Эрстеда, Копенгаген, Дания, 1998.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ. Поданы 4 заявки на патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка цитируемой литературы из 93 наименований. Она изложена на 203 страницах машинописного текста, содержит 110 рисунок, 1 таблицу.

5.5. Выводы

По результатам данной главы можно сделать следующие выводы:

1. Для обеспечения высокой стабильности рабочих параметров масс-спектрометра в процессе его работы, необходимо реализовать условия, при которых вводимый в анализатор электронный ионизирующий поток фокусировался в выходной канал.

2. Экспериментальная проверка условий фокусировки электронного потока в выходные каналы показывает полное совпадение полученных результатов с выводами теории. Была показана реальная возможность практически полного (до 90%) вывода ионизирующего электронного потока из рабочего объема ГМС типа ТИЛ путем его фокусировки в выходной канал. Определенные экспериментально максимумы коэффициента вывода электронов из анализатора при радиальном и осевом способах ввода соответствуют тем соотношениям между разностью потенциалов между электродами анализатора и ускоряющей разностью потенциалов, которые были получены теоретически в Главе 3. Проведенные исследования позволили выбрать режим работы масс-анализатора типа ТИЛ за счет выбора оптимального соотношения между разностью потенциалов между электродами анализатора и входной энергии электронного потока и обеспечить тем самым стабилизацию его рабочих параметров в течение длительного времени.

3. На основе метода скомпенсированных зарядов получено аналитическое выражение, связывающие геометрические размеры технологических каналов для ввода/вывода заряженных частиц, обеспечивающие минимальные искажения поля в анализаторе; проведено компьютерное моделирование электрических полей, создаваемых электродными системами с соответствующими технологическими каналами, результаты которого доказывают работоспособность полученного аналитического выражения (5.13). Было показано, что искажения электрического поля, появляющиеся вследствие введения кольцевой щели в кольцевом электроде для ввода ионизирующего электронного потока, могут быть минимизированы путем введения компенсационного отверстия (размеры которого определяются из выражения (5.13)) в торцовых электродах.

4. Разработана технология нанесения защитного индиевого покрытия, позволяющее увеличить число циклов восстановления свойств поверхности, и увеличивающее срок службы электродных систем до 4-5 тыс. часов.

На основе проведенных исследований, описанных в данной главе, сформулированы следующие научные положения:

- Наиболее удобной формой высокочастотного напряжения, подаваемого на электроды анализатора ГМС типа трехмерной ловушки, при котором через канал вывода можно вывести до 90% введенных электронов, является импульсное напряжение.

- Вывод электронного потока после ионизации через выходной канал за пределы анализатора уменьшает скорость деградации параметров трехмерной ионной ловушки на 2-3 порядка.

- Для уменьшения в 30-50 раз искажений электрического поля, возникающих вследствие выполнения в кольцевом электроде кольцевого канала для ввода ионизирующего потока, в торцовых электродах следует вводить компенсирующие отверстия, причем диаметр компенсирующего отверстия и ширина кольцевого канала должны быть связаны соотношением, приведенным в тексте диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью данной диссертационной работы являлись поиск и разработка путей повышения стабильности характеристик ГМС типа ТИЛ с вводом ионизирующего электронного потока.

В работе проведено исследование основных свойств полимерных углеводородных пленок, образующихся на рабочей поверхности электродов анализатора под действием бомбардировки электронным потоком, исследовано их влияние на параметры ТИЛ.

Было продемонстрировано, что негативное влияние полимерных углеводородных пленок практически полностью устраняется за счет вывода электронного ионизирующего потока за пределы рабочего объема анализатора. Получены аналитические выражения, устанавливающие связь между энергией вводимых электронов и разностью потенциалов между электродами анализатора, позволяющие осуществлять в объеме анализатора фокусировку электронного потока в выходной канал. Сформулированные по результатам теоретических и экспериментальных исследований рекомендации по режиму ввода электронного ионизирующего потока и параметрам питающих напряжений, позволили на 2-3 порядка повысить стабильность рабочих параметров прибора в процессе его работы.

В работе осуществлен поиск путей минимизации искажений электрического поля в анализаторах ТИЛ при наличии каналов для ввода и вывода заряженных частиц. Получено аналитическое выражение, связывающее геометрические размеры технологических каналов для ввода/вывода заряженных частиц, обеспечивающие минимальные искажения поля в анализаторе. Было проведено компьютерное моделирование электрических полей, создаваемых электродными системами с соответствующими технологическими каналами, результаты которого доказывают работоспособность полученного выражения.

В работе разработан метод очистки рабочей поверхности электродов анализатора от углеводородных пленок без вскрытия и разборки электродной системы, основанный на технологии нанесения двухслойного защитного индиевого покрытия, что позволило увеличить срок службы электродных систем до 4-5 тыс. часов.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие выводы.

1. Искажения электрического поля, возникающие вследствие введения в кольцевом электроде канала для ввода ионизирующего электронного потока, уменьшаются в 30-50 раз за счет введения в торцовых электродах компенсирующих одиночных отверстий, геометрические размеры которых определяются по приведенному в работе аналитическому выражению.

2. Бомбардировка поверхности металлов медленными электронами изменяет работу выхода поверхности в диапазоне до 0.5-1 эВ вследствие образования полимерных углеводородных пленок, поверхностный потенциал которых при зарядке электронным током достигает величины 20-25 В.

3. Стабильность рабочих параметров ТИЛ возрастает на 2-3 порядка при осуществлении вывода ионизирующего электронного потока за пределы анализатора.

4. Обеспечение эффективного вывода (до 90%) электронного потока через выходной канал наиболее просто реализуется при импульсном питании электродов анализатора.

5. Зарядка полимерных углеводородных пленок, образующихся на внутренних стенках каналов ввода/вывода при прохождении потоков заряженных частиц, увеличивают коэффициент прохождения моноэнергетичных электронов в 2-3 раза при малых энергиях (10-20 эВ); при прохождении через каналы потока немоноэнергетичных заряженных частиц, возникает эффект запирания в канале медленных частиц этого

193 потока. Эффект запирания исчезает, если минимальная энергия электронов в потоке превышает 20-25 эВ.

Разработанные способы повышения стабильности характеристик ГМС ТИЛ и увеличения срока службы были использованы 1) при разработке и создании масс-спектрометров «ТУЛА», «ТУЛА-1»; 2) при разработке и создании прибора «ГЕОХИ» совместно с ГЕОХИ РАН; 3) при разработке и создании масс-анализатора по проекту «Марс-96» (см. приложения).

Теоретические результаты диссертационной работы используются при чтении лекций и создании лабораторных работ по курсу "Физические основы современных методов анализа вещества" в Рязанской государственной радиотехнической академии (РГРТА).

В заключение я выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю д.т.н. проф. Шеретову Э.П., научному консультанту к.т.н. доц. Гурову B.C. за предоставленную тему диссертации, за помощь в работе и обсуждении полученных результатов.

Я также выражаю благодарность коллективу лаборатории масс-спектрометрии кафедры общей и экспериментальной физики за помощь и участие в работе.

1. Paul W., Raether M. Das elektrische Massenfilter // Z.Physik, Bd. 152 (1955) 143-182.

2. Мак-Лахлан H.B. Теория и приложения функций Матье. Ин. Литер., Москва, 1953.

3. Шеретов Э.П. Измерения, контроль, автоматизация, 11-12, (1980) 29-43.

4. Paul W. and Steinwedel Н. Ger. Pat. 944 900 (1956); US Pat. 2 939 952(1960).

5. Gunther K.G. Vacuum. 10(1960)293-309.

6. Слободенюк Г.И., Титов А.И., Воронин B.C. Ивашкин В.И.

7. Быстродействующий динамический квадрупольный масс»спектрометр // ПТЭ, 3 (1968) 141.

8. Аверина А.П., Линник Л.Н. Никитина Г.И, // ПТЭ, 4 (1965).

9. Paul W., Steinwedel Н. // Z. Natur. 8а (1953) 448.

10. Paul W., Reinchard H.P. and U. von Zahn // Z. Phys., 152 (1958) 143.

11. Dayton I.E., Shoemaker F.C. and Mozley R,F. // Rev. Sei. Instr. 25 (1954) 485.

12. U. von Zahn // Rev. Sei. Instrum. 34 (1963) 1.

13. Lever R.F. // I.B.M.J. Res. Develop., 10 (1966) 26.

14. Dawson P.H. and Whetten N.R. // Adv. Electr. Electron. Phys. 27, (1969)739.

15. Шеретов Э.П., Зенкин В.А., Могильченко Г.А. Исследование квадрупольного масс-спектрометра с накоплением, тезисы доклада // I Всесоюзная конференция по масс-спектрометрии. Ленинград, 1969.

16. Dawson P.H. Quadrupole Mass Spectrometry and its Applications. Elsevier, Amsterdam (1976).

17. Шеретов Э. П., Зенкин В.А., Болигатов О Н. // ПТЭ, 1 (1971) 166-168.

18. Шеретов Э. П., Зенкин В.А., Могильченко Г.А. // Отчет по НИР. Рязань, РРТИ, 1969.

19. Шеретов Э.П., Самодуров В.Ф., Колотилин Б.И., Тужилкин Н.К., Вееелкин Н.В. Трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с эллиптическими электродами // ПТЭ, 1978. № 6.

20. Sheretov Е. P., Gurov V.S., Safonov М.Р., Philippov I. W. // Int. J. Mass Spectrom., 189 (1999) 9-17.

21. March R. E., Hughes R.J., and Todd J.F.J, Quadrupole Storage Mass Spectrometry. Wiley-Interscience, New York (1989).

22. Shaw E. // Phys. Rev. 44, 1933, 1009.

23. Stewart R. L. // Phys. Rev. 45, 1934, 488.

24. Heine M.E., Mulvey T. // J. Opt. Soc. Amer., 42, p.763 (1952).

25. Watson J.H.L. // J. Appl. Phys., 18, p. 153 (1947).

26. Konig H. //Naturwiss., 35,p.261 (1948).

27. Hillier J. // J. Appl. Phys., 19, p.226 (1947).

28. Konig H. //Z. Phys., 129, p.483 (1951).

29. Watson J.H.L., J. Appl. Phys., 18, p. 153 (1947).

30. Cosslett V.E. // J. Appl. Phys., 18, p. 844 (1947).

31. Ellis S.G., Paper read to Amer. E.M.Soc., Washington (November 1951).

32. Poole K.M. // Proc. Phys. Soc. (London) B66, 541, (1953).

33. Ennos A.E. // Brit. J. Appl. Phys, 4, 101 (1953).

34. Ennos A.E. // Brit. J. Appl. Phys, 5, 21 (1954).

35. Okamoto H. and Isihara A. // J.Polymer Sei. 20, 115, 1956.

36. Christy R.W., Formation of Thin Polymer Films by Electron bombardment//J. Appl. Phys., 1960, vol. 31, N9, p. 1680.

37. Kunze D., Peters O., Sauerbrey. Polymerisation Adsorbierter Kohlenwasserstoffe bei Elektronenbeschuss // Z. angew. Phys. 1967, Bd. 2, S. 69.

38. Филатов B.H., Сысоев A.A. // Химия высоких энергий, 1981, т. 15, №5, с.474.

39. Филатов В.Н., Сысоев A.A., Щуров А.Н., Колотыркин В.М. // Химия высоких энергий, 1983.

40. Черепнин Н.В. Сорбционные явления в вакуумной технике. М.: Советское радио, 1973, 384 с.

41. Buck D.A. and Shoulders K.R. // Proceedings of the Eastern Joint Computer Conference, 51 (1958).

42. Rochow E.G. Chemistry of the Silicones, John Wile & Sons, Inc., New York, 1946.

43. Mann H.T. Electrical properties of thin polymer films. Pt.I, Thickeness 500-2500 A. // J.Appl.Phys. 1964, v.35, N7, p.2173.

44. Christy R. W. Electrical properties of thin polymer films. Pt. II. Thickness 50-150 A // J. Appl. Phys. 1964, v.35, №7, p.2179.

45. Aston F.W. Mass Spectra and Isotopes. Longman's, Green and Co., NY, 1942.

46. LindholmE. //Rev.Sei. Inst, 31, 1960, 210.

47. Marmet P.et Morrison J.D. // J. Chem. Phys, 36, 1962, 1238.

48. Shulz G.J. //Phys. Rev. 112, 1958, 150.

49. Marmet P.et Kerwin L. // Can. J. Phys, 38, 1960, 787.

50. Hutchison D.A. // 13th Annual Conference on Mass Spectrometry, St Louis, 1964, pp. 134-140.

51. Simpson J.A. // Rev. Sei. Inst, 35, 1964, 1698.

52. Meyer V.D., Skerbelle A. et Lasettre E.M. // J. Chem Phys, 43, 1965, 805.

53. Petit-Clerk J., Calette J.D. Surface potential of metal surfaces under electron bombardment in high vacuum- «Vacuum», 1968, v. 18, №1, p.7.

54. A.c. (СССР) 1259887. Способ изготовления анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки / Шеретов Э.П., Гуров B.C., Евдокимова М.И. и др. Опубл. 25.12.84.

55. Сысоев A.A., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. M.: Атомиздат, 1977, 304 с.

56. Шеретов Э.П., Самодуров В.Ф., Колотилин Б.И., Тужилкин Н.К., Веселкин Н.В. Трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с эллиптическими электродами // ПТЭ, 6 (1978)

57. Шеретов Э. П., Зенкин В.А., Терентьев В.И. Самодуров В.Ф., Колотилин Б.И., Могильченко Г.А. // Отчет по НИР 70010744. Рязань, РРТИ, 1971.

58. Шеретов Э.П. и др. Расчет конструктивных элементов и исследование факторов, влияющих на срок службы датчика ТКМ // Отчет по НИР 72031029. Рязань, РРТИ, 1974. 82 с.

59. Технология тонких пленок: Справочник. Под ред. JI. Маиссела, Р. Глэнга. М. : Советское радио, 1977. Т. 1, 2. 951 с.

60. A.C. (СССР) 1362352. Способ удаления полимерных углеводородных пленок с поверхностей электродных систем анализаторов масс-спектрометров и электронно- и ионнооптических систем. /Шеретов Э.П., Самодуров В.Ф., Евдокимова М.И., Ширяев А.Г. 1985.

61. A.C. (СССР) 801141. Квадрупольный трехмерный масс-спектрометр и способ его изготовления /Шеретов Э.П., Колотилин Б.И. Самодуров В.Ф. 1981.

62. Haefer R. A. Das Ionenbaffle, eine nenartige, elekrische Kohlenwasserstoff-Falle fur Olrotationspumpen. // «Vacuum Technik», 1961, Bd. 10, №4, S.96.

63. A.C. (СССР) 1521163. Способ изготовления и обработки электродных систем анализаторов масс-спектрометров и электронно- и ионно-оптических систем. /Шеретов Э.П., Ширяев А.Г., Овчинников С.П., Самодуров В.Ф. 1988.

64. Яценко С.Т. Индий. Свойства и применение. М. Наука, 1987.

65. Griffiths I. W., Quadrupole Ion Store (Quistor) Mass Spectrometry // Intern. J. Mass Spectrom. Ion Processes, 99 (1990) 79-98.

66. Quarmby S. T., Yost R. A. // Int. J. Mass Spectrom. 190/191 (1999) 81-102.

67. Шеретов Э.П. Основы теории, исследование и разработка гиперболоидных масс-спектрометров: Диссертация на соискание ученой степени д-ра техн. наук. М., 1980. 398 с.

68. Holland L., Laurenson L., Priestland С. // Rev. Scient. Instrum. Vol. 34, (1963) 47-51.

69. Добрецов Jl.H. Гомоюнова M.B. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966, 564 с.

70. Филиппов И.В. О методике подготовки экспериментального макета для измерения работы выхода материалов при образовании на них диэлектрических пленок // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радитех. акад. Рязань, 1994. с. 41-47.

71. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Исследование процессов, происходящих на поверхности металлов при облучении медленными ионами и электронами // Материалы Всероссийского симпозиума по эмиссионной электронике, Рязань, 1996.

72. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Исследование процессов, происходящих на поверхности металлов под действием медленных электронов // Международная конференция "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии". Ташкент, 1997.

73. Шеретов Э.П., Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Исследование свойств конструкционных материалов электронной техники, полученных методом электролитического формования // ВНТК "Электроника и информатика", Москва, 1997.

74. Gurov V.S., Philippov I.W. Electric Properties of Organic Polymer Films which are Caused by Slow Electrons // Ninth International Conference on Solid Films and Surfaces H.C. Orsted Institute, Copenhagen, Denmark, 1998.

75. Колотилин Б.И., Филиппов И.В., Овчинников С.П. Исследование влияния напряжения вывода на распределение по энергиям ионов, выводимых из трехмерной ловушки // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. радитех. инст. Рязань, 1986.

76. Колотилин Б.И., Овчинников С.П., Филиппов И.В. Метод подавления пиков осколочных ионов в спектре масс-спектрометров типа трехмерной ловушки // Тезисы доклада на IV Всесоюзной конференции по масс-спектрометрии, ПО «Электрон», г.Сумы, 1986.

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

78. A.C. (СССР) 999865. Шеретов Э.П., Сафонов М.П. Датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки. 1982.

79. Гуров B.C., Сафонов М.П., Филиппов И.В. Оптимизация геометрии анализаторов гиперболоидных масс-спектрометров // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радиотех. акад. Рязань, 1998.

80. Колотилин Б.И., Сафонов М.П., Филиппов И.В., Овчинников С.П. Расчет параметров ионного потока, формируемогогиперболоидной высокочастотной ловушкой // Тезисы доклада IX Республиканского семинара по методам расчета ЭОС. Ташкент, 1988.

81. Safonov М.Р., Philippov I.W., Laktionov А.Е. Some Special Features in the Development of Quadrupole Mass Spectrometers // Proceedings of the 14th International Mass Spectrometry Conference. Tampere, Finland, 1997.

82. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков M.B. О возможности нормализации свойств поверхности металлов, подвергшихся облучению заряженными частицами // Материалы Всероссийского симпозиума по эмиссионной электронике. Рязань, 1996.

83. Гуров B.C., Филиппов И. В. Восстановление свойств металлических поверхностей, подвергшихся бомбардировке заряженными частицами // Научное приборостроение: Межв. сб. /Рязан. гос. радиотех. акад. Рязань, 1997.

84. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. О возможности восстановления свойств металлических поверхностей, подвергшихся облучению медленными электронами // Международная конференция "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии". Ташкент, 1997.

85. Хансен Н, Андерко К. Структуры двойных сплавов. М:Металлургиздат, 1962 г. 425с.

86. Эспе В. Технология электровакуумных материалов. Т. 1, Материалы с металлической проводимостью. Москва, Ленинград: Энергоиздат, 1962, 631с.

87. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Исследование экзоэлектронной эмиссии с поверхности металлов под действием медленных электронов // Международная конференция "Эмиссионная электроника, новые методы и технологии". Ташкент, 1997.

88. Гуров B.C., Филиппов И.В., Дубков М.В. Вторично-эмиссионные свойства металлов, полученных методом электролитического формования // Материалы Всесоюзного Симпозиума по эмиссионной электронике, Рязань, 1996.

89. Гуров B.C., Филиппов И.В., Динамика изменения газовой среды в процессе образования и разрушения полимерных пленок загрязнений // Научное приборостроение: Межвуз. сб. / Рязан. гос. радитех. акад. Рязань, 1997.

90. Настоящим актом подтверждается, что основные результаты диссертационной работы, выполненной Филипповым И.В. в Рязанской государственной радиотехнической академии внедрены в процессе выполнения ниже перечисленных научно-исследовательских ОКР.

91. Копии писем ГЕОХИ РАН исх. №10-01.256/01 от 15.01.97 и исх. N813110-01.256/3 от 01.04.99 г., подтверждающих внедрение результатов НИР, прилагаются.

92. Перечисленные выше НИР выполнялись в рамках Федеральной космической программы России.

93. По отзыву ГЕОХИ РАН перечисленные выше приборы имеют высокие аналитические параметры и эксплутационные характеристики, позволяющие использовать их при проведении космических исследований.

94. Зав. кафедрой ОиЭФ д.т.н., профессор1. Шеретов Э.П.

95. Профессор кафедры ОиЭФ д.т.н., профессор1.м.1. Ко лота лин Б. И.1. РОССИЙСКАЯ академии илу л

96. ОРДЕНД ЛЕНИНА и ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

97. На Ваш N2175/58 от 19.12.96г.

98. Перечисленные выше приборы имеют высокие аналитические параметры и эксплуатационные характеристики, позволившие использовать их при проведении космических исследований.

99. Главный конструктор доктор физ.-мат.наукпрофессор . ^ Г7 Сурков Ю.А.1. РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НА УК

100. ОРДЕНА ЛЕНИНА и ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

101. ИНСТИТУТ ГЕОХИМИИ И АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. В.И. ВЕРНАДСКОГО (ГЕОХИ)117975 ГСП-1, Москва, B-334, улица Косыгина, 19 Для телеграмм: Москва, В-334,ГЕОХИ. Телефон:(095) 137 14 84. Телекс: 4116333 TERRA RU. Телефакс^095) 938 20 541. Исх№ 13110 -с/.Же/з

102. J " ¿^сиГс 199,/г. Проректору РГРТА

103. В результате выполненной работы создан лабораторный макет аппаратуры "МАГ" для определения содержания летучих компонентов лунном грунте как составная часть внедряемого зонда проекта "ЛУНА-ГЛОБ" по государственному контракту от 12.09.97г. №026-5420/97.

104. В результате выполненных НИР в НПК «Гипермасс» выпущены малой серией действующие образцы масс-спектрометров «ТУЛА» и «ТУЛА-1» на базе гиперболоидных ионных ловушек, способных работать в составе мобильных передвижных объектов.

105. От НПК «Гипермасс» Зав. кафедрой ОиЭФк.т.н. д.т. н. профессор1. Шеретов Э.П.

106. Мы, нижеподписавшиеся, заведующий кафедрой общей и экспериментальной физики (ОиЭФ) Шеретов Э.П. и профессор кафедры ОиЭФ Колотилин Б,И. составили настоящий акт в том, что результаты работы ФИЛИППОВА И.В. внедрены в учебный процесс на кафедре