автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройства регистрации элементного состава и концентрации газовых частиц

На правах рукописи

Пияков Игорь Владимирович

УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА И КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВЫХ ЧАСТИЦ

Специальность 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем

управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика СП. Королёва» (СГАУ) на кафедре радиотехники.

Научный руководитель: д.т.н., профессор Сёмкин Н.Д.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор, Скворцов Борис Владимирович к.т.н., доцент, Куляс Максим Олегович.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП ГНП РКЦ "ЦСКБ-ПРОГРЕСС").

Защита состоится « 19 » ноября 200 4 года в_часов на заседании

диссертационного совета Д 212.215.05 при Самарском государственном аэрокосмическом университете по адресу: 443068, г.Самара, Московское шоссе 34, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета.

Автореферат разослан « 6» октября 200 4 года

Ученый секретарь диссертационного совета

го ч

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Преобразователи газовых частиц (ПГЧ) находят широкое применение не только в земных, но и в космических условиях. К последнему относится изучение космического пространства, химического состава космической пыли, собственной атмосферы космических аппаратов и т.д.

Достоинствами времяпролётных преобразователей по сравнению с приборами других принципов действия являются: малые габариты, высокая чувствительность и способность определять состав космических пылевых частиц, имеющих случайный характер взаимодействия с прибором. Последнее свойство особенно важно в области космических исследований. Преобразователи такого типа могут применяться для решения задачи обнаружения места утечки воздуха из космической станции, что является актуальной задачей. В этой связи важными являются вопросы сепарации исследуемых масс при исследовании утечки воздуха из международной космической станции.

Известные преобразователи времяпролётного типа имеют низкую разрешающую способность в области детектирования тяжёлых масс ионов (более 500 а.е.м.) и сложную систему обработки спектра, что существенно усложняет их применение, особенно в космической технике.

Несмотря на большое число известных работ по масс-спектрометрическим преобразователям времяпролётного типа, специфика их использования в качестве анализаторов элементного состава высокомолекулярных газов требует решения многих задач, связанных не только с конструктивно-технологическими особенностями, но и с вопросами метрологии и диагностики. При этом основной проблемой анализа и синтеза ПГЧ времяпролётного типа является исследование движения ионных пакетов от источника к приёмнику при различных внешних воздействиях и их разделение в пространстве и во времени.

С учетом вышесказанного, создание преобразователя газовых частиц с малыми массо-габаритными показателями и высокой разрешающей способностью в области тяжёлых масс ионов является актуальной научно-технической задачей.

Целью диссертационной работы является расширение диапазона масс исследуемых компонент газа во времяпролётном преобразователе газовых частиц, исследование возможности регистрации утечки газа из модулей космических аппаратов и уменьшение массогабаритных характеристик времяпролётного преобразователя газовых частиц.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- Провести систематизацию и сравнительный анализ принципов построения преобразователей газовых частиц времяпролётного типа.

- Проанализировать пути усовершенствования преобразователей газовых частиц.

- Проанализировать влияние различных факторов на разделение ионных пакетов тяжёлых масс в разных моделях времяпролётных преобразователей газовых частиц.

РОС НАЦИ01" -----

БИБЛИО С.Пскр<

* ОЭ ТОЙ Имя

- Разработать датчик на основе масс-спектрометричсского врсмяпролётного преобразователя газовых частиц времяпролётного типа.

- Создать математическую модель, описывающую движение ионов от источника к приёмнику при различных начальных условиях.

- Разработать систему обработки ионного спектра.

- Исследовать погрешности, возникающие при работе, с целью выработки практических рекомендаций по их уменьшению.

- Исследовать возможности времяпролётных преобразователей газовых частиц для решения задачи обнаружения места утечки воздуха из модуля космического аппарата.

Методы исследования базируются на использовании теории измерительных преобразователей и применении теории вероятности и аппарата дифференциального и интегрального исчисления. Математическое моделирование выполнено с использованием машинных методов вычисления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- на основе предложенного способа формирования массовой линии во времяпролетном преобразователе газовых частиц в режиме сепарации масс разработана математическая модель осевого и периферийного движения ионов в полевом и бесполевом пространстве преобразователя;

- получено аналитическое выражение, описывающее закон изменения электрического поля в выталкивающем промежутке ионного источника, как функции времени, массы ионов и времени прихода их в приёмник, а также конструктивных параметров преобразователя;

- разработана методика определения разрешающей способности преобразователей газовых частиц в режиме сепарации масс.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработаны методики расчёта конструктивных параметров и экспериментального исследования времяпролётных преобразователей газовых частиц.

- исследованы конструктивно-технологические возможности создания устройства для обнаружения утечки воздуха из международной космической станции;

- созданы конструктивные варианты преобразователя газовых частиц, обладающие малыми массо-габаритными характеристиками и высокой разрешающей способностью;

- разработаны конструкции источников ионов;

Реализация и внедрение результатов работы.

Создан преобразователь газовых частиц времяпролётного типа и два варианта источника ионов, прошедшие экспериментальные исследования в лабораторных условиях СГАУ. Полученные результаты были использованы в Поволжском отделении Российской Академии проблем качества и в учебном процессе СГАУ при выполнении курсовых работ и дипломных проектов а также в экспериментах на электростатическом ускорителе пылевых частиц.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Способ формирования массовой линии во времяпролётном преобразователе газовых частиц.

2. Математическая модель движения ионов в электрическом поле и бесполевом участке преобразователя.

3. Исследование разрешающей характеристики масс-спектрометрических времяпролётных преобразователей газовых частиц в режиме сепарации масс.

4. Анализ погрешностей и формулировка рекомендаций по улучшению метрологических характеристик преобразователей газовых частиц.

5. Анализ вариантов построения датчика для работы с тяжёлыми ионами в режиме сепарации масс.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, получено 4 положительных решения на выдачу патента РФ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на П-й Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 2003 г., «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, ИПЦ КГТУ, 2002 и 2003 гг., на Всероссийском научно-техническом семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов, Самара, 2002 г., на девятой Всероссийской межвузовской конференции студентов и аспирантов, Москва, 2002г., на конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления «Датчик-2003», г. Судак, 2003 г., на семинарах и научнотехнических конференциях СГАУ в 2001 - 2004 г.г.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 163 страницах машинописного текста, иллюстрируется 70 рисунками и 7 таблицами и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 93 наименований и приложений.

2. Содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи научных исследований. Рассматриваются достоинства и недостатки масс-спектрометрических преобразователей времяпролётного типа.

Первая глава посвящена сравнительному анализу технических возможностей различных типов масс-спектрометрических преобразователей времяпролётного типа. В результате анализа различных конструкций определены наиболее перспективные пути развития времяпролётных преобразователей газовых частиц:

1. Применение выталкивающих импульсов сложной формы;

2. Использование полей, обеспечивающих заданную траекторию движения ионных пакетов;

3. Введение в бесполевое пространство новых конструктивных элементов, таких как тормозящий участок, магнитных систем, закручивающих траектории движения ионных пакетов и др.

4. Использование отражателей, обладающих фокусирующими и селективными свойствами.

5. Комбинации вышеприведённых методов.

В результате сравнительного анализа выработаны следующие пути усовершенствования датчиков для работы с тяжёлыми массами и минимизации массогабаритных показателей при анализе места утечки воздуха из модуля космического аппарата: применение выталкивающего импульса специальной формы и работа преобразователя в режиме сепарации.

Вторая глава посвящена построению математической модели движения ионов в 1И Ч (рисунок 1).

Одним из перспективных путей развития масс-спектрометрических преобразователей газовых потоков частиц является применение выталкивающих импульсов специальной формы, способствующих компенсации начального энергетического разброса ионов.

Для определения закона изменения выталкивающего поля примем, что электрическое поле зависит от времени, массы ионов времени прихода ионов заданной массы в приёмник и длины бесполевого участка.

Для определения закона изменения выталкивающего поля решено уравнение движения ионов в электрическом поле с граничными начальными условиями ионизации: при и условии изохронности прилёта ионов в

приёмник Т = ^ + Ьд/У, :

77

(1)

где Т - время прихода ионов в приёмник, Ьд - длина дрейфового (бесполевого)

пространства, -скорость вылета ионов из выталкивающего пространства, время вылета ионов из выталкивающего пространства.

Соотношение (1) определяет искомый закон ускорения. Так как при = 0,

то для физической реализации данного алгоритма ускорения ионов в течение времени ускорение ионов должно быть постоянным, а затем используем полученный закон ускорения (1).

Таким образом для выражения ускоряющего поля получим выражение:

(2)

где ^ - заряд иона, т - масса иона Обычно

Полученное выражение должно обеспечить фокусирование ионных пакетов одной массы и способствовать разделению ионов разных масс. Для более подробного рассмотрения работы такого алгоритма необходимо построить математическую модель преобразователя и определить разрешающую способность.

Для построения математической модели представленного на рис.1 масс-спектрометра зададим начальные параметры ионов: начальная скорость иона V, координаты ионизации частицы 21 и ^ , время появления и о(б[0ат], масса иона т и заряд иона д.

Начальная скорость ионов определяется из распределения Максвелла. Для формирования спектра в большинстве случаев достаточно иметь скорости

где - средняя скорость ионов выбранной массы. Для удобства вычисления

скорость иона разложим на продольную и радиальную составляющие.

В начальный момент времени на ускоряющий электрод подаётся

выталкивающий импульс и^), определяемый выражением (2). Под действием электрического поля, образуемого этим импульсом, за время ион сместится на

7

расстояние Ьх по оси и на расстояние А/" в радиальном направлении. Его новые координаты определяются выражениями:

+ А'А/) = г(/( + (Лг- 1)Д/)+Уг ((, +{Ы- 1)Д<)Х Л<

где К- номер промежутка времени.

Из (3) можно определить скорость, которую получит ион по истечении

(3)

некоторого времени

М:

Vг (/, + N61) = У2 (/, + (ЛГ-1) ДГ)+1У2 +(ЛГ- 1)Д/)Д/ + МЫ) = Ул ({, + (ЛГ -1) Д*)+(г, +(ЛГ-1)Д/)Д/

(4)

где - ускорения, действующие на ион в продольном и радиальном

направлении соответственно:

(5)

Матрица распределения электрического поля содержит коэффициенты, отображающие модуль проекции вектора электрического поля, создаваемого в данной точке выталкивающего пространства напряжением между электродами в 1 Вольт. Знак элемента матрицы указывает направление проекции вектора электрического поля. ("+" для направления в сторону приёмника по оси и к центру в радиальном направлении).

Элементы матриц распределения поля для сетчатых электродов можно определить по формуле:

(6)

Распределения полей между сетками также определялось методом конечных разностей при помощи программы ЕЬСЦТ и методом сеток при помощи машинного вычисления. Расхождение результатов не превышает 0,25% поэтому для расчёта матриц можно использовать любой способ.

Как только координата I превысит размер зазора между электродами Ь34 (рис. 1), ускорение прекращается, так как ион попадает в дрейфовое пространство. Если же

радиальная координата выйдет за пределы [0,7?], то ион попадает на внутреннюю стенку трубки датчика.

В пространстве дрейфа ионы движутся равномерно, а затем попадают в тормозящее пространство. Его суть заключается в том, чтобы расширить спектр вдоль временной оси и по возможности ещё раз сфокусировать ионные пакеты. Закон торможения как правило описывается квадратичной функцией и варьируется в зависимости от целей (затормозить или развернуть ионные пакеты). Движение ионов в тормозящем пространстве рассчитывается согласно (7) - (9) при замене времени появления иона на время попадания иона в тормозящее пространство и нулевом начальном значении координаты .

Для определения интервала времени, внутри которого эталонный ионный пакет проходит отклоняющее пространство Ьи1 необходимо провести расчёты движения ионов для самых быстрых и самых медленных ионов сепарируемой массы: самый быстрый ион (начальная скорость Уа =2Ув,, координата ионизации Г( = 0 - левая

граница зоны ионизации, время ионизации ); самый медленный ион

(начальная скорость , координата ионизации , время ионизации

Время // определяется из выражения:

(7)

Уравнение (7) решается при начальных условиях для самых быстрых и самых медленных ионов при движении их в первом пространстве дрейфа Ь}. В результате получаем, что частицы эталонной массы пройдет тормозящее поле за интервал

времени - разница решений для самых быстрых и самых

медленных ионов, которая определяет максимальную ширину спектра. Решение (7) приводит в уравнению:

которое осуществляется численным способом.

Аналогично определится и время прохождения ионами пространства между отклоняющими пластинами.

Модель преобразователя с ионным зеркалом (в случае, если тормозящее поле развернёт ионные пакеты) не имеет существенных расхождений с моделью с прямым движением ионов. Формулы вычисления скорости и координаты каждого

(8)

иона в ускоряющем пространстве соответствуют (3) - (6), за той лишь разницей, что движение ионов в ионном зеркале описывается выражением:

К2(/, +^Д/) = Кг(/, +(ЛГ-1)Д/)-»Гг(/( +(ЛГ-1)Д?)Л/

Соответственно, после разворота ион обладает отрицательной скоростью в продольном направлении. Если ускоряющую сетку принять за нулевое значение оси 2, то условием прихода иона в приёмник будет 2<0.

Также во второй главе рассматривается режим сепарации масс (рис.2).

а) - ионы на выходе ускоряющего пространства; б) - ионы на входе в пространство между отклоняющими пластинами; в) - напряжение между отклоняющими пластинами; г) - спектр ионов в приёмнике

При работе в режиме сепарации в приёмнике фиксируется спектр только одной массы. Принцип сепарации масс изложен на рисунке 2. Как видно масса т1 выделяется, а массы т2 и т3 подавляются и в приёмнике практически не фиксируются. Это достигается за счёт того, что пока ионы проходят между отклоняющими пластинами, на них действует поперечное электрическое поле, под действием которого они получают дополнительное приращение к радиальной составляющей вектора скорости и с большой вероятностью выходят за пределы ПГЧ, а, следовательно, не попадают в приёмник. И лишь на то время, когда между отклоняющими пластинами присутствует пакет ионов массой ти потенциал с отклоняющих пластин снимается, отключая электрическое поле. Движение ионов в этот промежуток времени является равномерным, аналогично движению в пространстве дрейфа.

»г,».». . оо.тмиитпчкяллс.тннл'т

С_4£ Т1ММ»Ми ИПНСМ

спхгтр а ■тСмнмкс ионов пгатоможгаяя ммм

Рисунок 3 - Спектр воздуха

Для поиска места утечки воздуха из МКС наиболее важным является выделение из спектра линии азота и кислорода. Пример расчёта спектра в приёмнике при выделении основных компонент воздуха (азот и кислород) приведён на рисунке 3.

Для режима сепарации разрешающую способность (или коэффициент сепарации) можно вычислять по формуле:

Где величину Ь - амплитуду распределения ионов по скоростям можно определить из распределения Максвелла:

(10)

где Па - концентрация ионов; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная

температура газового потока; т - масса иона.

Кэффициент а определяется исходя из алгоритмов расчёта спектров. Он также зависит от конструкции масс-спектрометра и характеризует процент проникновения ионов подавляемых масс в спектральную линию выделяемой массы. Его можно получить численным методом или по результатам экспериментов.

Рассчитанные спектры согласно математической модели позволяют получить разрешающую способность масс-спектрометра с учетом (10) и отобразить зависимости на графике (Рис. 4).

1

1 1, 1 *а_ ж - •

V N * ч

1

• ■ ■ С ионным зеркалом — — — С тормозящим полем —»■""■■■■Простой и ас о-спектрометр

N Г

ш, а.е.и.

* | 1

1 ю юо юоо юооо

Рисунок 4 - Разрешающая способность масс-спектрометров

Как видно из графиков, разрешающая способность простого времяпролётного масс-спектрометра сильно уменьшается в диапазоне масс 100-1000 а.е.м., следовательно, область его применения - детектирование атомарного состава газов. Модель с ионным зеркалом несколько лучше модели с торможением, но только до 500 а.е.м. Далее целесообразнее использовать модель с торможением ионов. Это можно объяснить тем, что более тяжёлые ионы легче затормозить, чем остановить, а затем разгонять, как это происходит в ионном зеркале. Таким образом логично заключить, что: в диапазоне 1...100 а.е.м. целесообразно использовать простой масс-спектрометр; в диапазоне 100...500 а.е.м. - масс-спектрометр с ионным зеркалом; при массах ионов более 500 а.е.м. - масс-спектрометр с торможением ионов.

Третья глава посвящена анализу погрешностей. Рассмотрены классификация погрешностей, основные причины появления различных погрешностей и их вклад в

суммарную погрешность. Рассмотрены причины влияния сдвига спектральной линии на временной оси и рассмотрен вопрос определения влияния соседних масс на выделяемую. Проведена оценка потерь ионов и даны рекомендации по использованию датчика для качественного и количественного анализа элементного состава газовых потоков.

Параметры ионного потока и напряжение, снимаемое с приёмника ионов, определяются не только концентрацией газа, но и от внешних условий, например, температуры, давления и др. В общем случае, измеряемое напряжение, зависит от множества факторов:

ивых=<р(пип2...пт), (И)

где - концентрация /-той компоненты газового потока.

Уравнение (11) содержит т переменных - столько же, сколько компонентов в анализируемой системе. Для определения т неизвестных необходимо т уравнений.

При исследовании спектра в предлагаемом устройстве, уравнение (11) запишется в виде:

Фи*), = яЬ„Р). (12)

где Р - давление исследуемого газа.

Для получения полной системы уравнений необходимо измерить т-1

Разрешив систему уравнений (13) получим искомые концентрации. Концентрации в (13) выражены в относительных единицах. Количественная оценка осуществляется пересчётом через давление газа и число Авогадро.

Анализ влияния изготовления геометрических размеров преобразователя показывает, что погрешность при изменении линейных размеров на 1 мм составит 0,02% для бесполевого пространства и 1,2% для пространства внутри которого формируется электрическое поле. На основе этих результатов предлагается ввести градуировку электрического поля путём корректировки напряжения на полезадающих электродах.

Влияние ухода температуры исследуемого газа показало суммарную погрешность не более 0,005 %/°С.

Влияние неточности формирования электрического поля приведёт к смещению спектральной линии на временной оси, и как в случае с геометрическими размерами преобразователя приводит к необходимости тарировки его на эталонных газах. Градуировка проводится один раз после изготовления и в дальнейшем при работе эталонные газы не нужны. Как видно из закона Максвелла, распределение ионов имеет асимптотическую зависимость в области больших скоростей.

Разобьём диапазон скоростей на участки от 0 до 2Уг, где 2Уг - наиболее вероятная скорость ионов, и другой участок от 2Уг до бесконечности, который не учитывается в математической модели. Рассчитаем, сколько ионов не рассматривается при моделировании.

Для этого проинтегрируем закон распределения Максвелла в пределах, обусловленных разбиением. Учитываемые ионы составят:

(18)

где V - скорость ионов; к- постоянная Больцмана (1,381х 10 - 23 Дж/К); Т - абсолютная температура газового потока; т - масса иона.

Соответственно, количество неучтённых ионов можно определить из выражения (18) сменив пределы интегрирования на ^х ^^;«о|.Таим образом,

потери ионов на стадии математического моделирования составят:

И,

5и = -

и, +п,

-100%-

(19)

Решением уравнения (19) является постоянная величина, не зависящая от массы ионов и температуры, и составляющая 4,6%.

Таким образом, при качественном анализе расхождение математической модели с экспериментальными данными не должно превышать 4,6%. Следует отметить, что при разрешающей способности, определяемой для режима сепарации масс, менее 100% в исследуемую спектральную линию попадает часть ионов соседних масс, что может способствовать уменьшению данной погрешности.

Гораздо более сложной является задача компенсации динамических погрешностей. Их максимальное значение не превышает 2,5%, а их появление вызвано внешними наводками и шумами и зависит от элементной базы и модели построения приёмника ионов, а так же способа обработки ионного спектра. Их появление обусловлено тепловыми шумами схем обработки, уходом температуры в рабочей камере, квантованием по уровню АЦП в системе обработки спектра и дискретизацией по времени при определении положения максимума спектральной линии на временной оси.

В общем случае суммарная погрешность составит не более 7,5 % до градуировки и 2,9 % после нее.

В четвёртой главе рассмотрены конструктивно-технологические особенности построения датчиков преобразователя газовых потоков. Рассмотрена работа двух различных источников ионов. Предложены способы экранировки датчика и способ увеличения чувствительности датчика. Показана возможность использования датчика для решения разных задач.

Приведены описания конструкции датчика, источника и приёмников ионов, а также даны рекомендации по изготовлению устройств управления преобразователем.

Рисунок 5 - Внешний вид преобразователя газовых потоков

Преобразователь имеет окно для проникновения газа в область ионизации. В правой части преобразователя находится источник ионов, в левой - приёмник. Длина датчика составляет 40 см.

При помощи преобразователя снимались концентрации азота и кислорода в спектре остаточного газа в вакуумной камере (рис.6), проводился мониторинг за концентрацией кислорода при откачке диффузионным насосом (рис.7).

п.М 100:

50:

N о

гг+т+т,

о2

глг.

О 5 10 15 20 25 30 т.1 Рисунок б - Линии азота и кислорода в массовом спектре остаточного газа

8х«Лм

6x10 MM.pi.oi:

1 Ч 1 ' 1 1 I 1 1 ' 1 I 1 1 1 Ч-'

0 « 10 1« 20 Рисунок 7 - интегральное напряжение в приёмнике ионов от массовой линии кислорода

Пятая глава посвящена рассмотрению области применения преобразователя газовых потоков. Рассмотрены особенности конструкции для космических исследований, для обнаружения места утечки воздуха из модуля космической станции и для мониторинга внутриобъектовой среды космического аппарата.

Базовый вариант датчика имеет следующие характеристики: Диапазон исследуемых масс - 1...5000а.е.м. Основная погрешность не более - 5% Габариты датчика - 040 х 400 мм.

3. Основные результаты работы и выводы

1. Проведён сравнительный анализ масс-спектрометрических преобразователей времяпролётного типа, который показал, что перспективным направлением развития преобразователей времяпролётного типа для космических исследований и определения места утечки воздуха из модуля космического аппарата является создание прибора, работающего в режиме сепарации масс с динамическим электрическим полем для ускорения ионов.

2. Рассмотрена структура электрического поля между двумя сеточными электродами.

3. Предложен способ формирования массовой линии во времяпролетном масс-спектрометре.

4. Получено аналитическое выражение для закона фокусировки пакета ионов, создаваемого в области ионизации преобразователя.

5. Разработана математическая модель движения ионов в преобразователе , ускоренных выталкивающим импульсом согласно полученному закону изменения электрического поля выталкивающего промежутка.

6. Рассмотрены погрешности, влияющие на точность исследования состава газов и причины их возникновения. Даны рекомендации по их уменьшению.

7. Рассмотрены конструктивно-технологические аспекты проектирования и изготовления преобразователя и варианты его использования применительно к космическим исследованиям.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Анализатор элементного состава ионов тяжёлых масс / И.В. Пияков, Д.В. Горюнов // Тезисы докладов и сообщений II Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (7-13 сентября 2003 г.), Самара, 2003, с. 345-346.

2. Обнаружение и регистрация места утечки воздуха из международной космической станции / К.Е. Воронов, А.А. Кириллов, А.Н. Занин, И.В. Пияков // Тезисы докладов и сообщений II Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (7-13 сентября 2003 г.), Самара, 2003, с. 344-345.

3. Расчет электрического поля от сеточного электрода дисковой формы времяпролётного масс-спектрометра / И.В. Пияков //Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического Университета имени академика СП. Королёва. Выпуск 6, Самара, 2001, с. 38 - 41. ISBN 5-7883-0188-2

4. Моделирование электрического поля ускоряющего промежутка времяпролётного масс-спектрометра / И.В. Пияков, Н.Д. Сёмкин // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов, Красноярск, ИПЦ КГТУ, 2002, с. 240 ISBN 5-7636-0464-4.

5. Времяпролётный масс-спектрометр для исследования тяжёлых частиц газовых потоков / И.В. Пияков, Н.Д. Сёмкин // Управление движением и навигация летательных аппаратов: сб. тр. X Всерос. научн.-техн. семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов / СГАУ, Самара, 2002, с. 256-259 ISBN 5-93424-060-9

6. Прибор для определения состава газовых потоков / А.Н. Занин, И.В. Пияков // Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического Университета имени академикаСП. Королёва. Выпуск 5, Самара, 2001, с. 18-21. ISBN 5-7883-0153-Х

7. Прибор для определения положения утечки воздуха из космического аппарата / И.В. Пияков, В.В. Иванов ///Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического Университета имени академика СП. Королёва. Выпуск 4, Самара, 2000, с. 20 - 23. ISBN 5-7883-0130-0

8. Особенности динамических полей времяпролётного масс-спектрометра / И.В.Пияков, Н.Д. Сёмкин, К.Е. воронов //Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического Университета имени академика СП. Королёва. Выпуск 7, Самара, 2002, с. 45 - 50. ISBN 5-7883-0205-6

#20036

9. Масс-спектрометр для определения элементного состава ионов тяжёлых масс / И.В.Пияков, Д.В. Горюнов // Актуальны проблемы радиоэлектроники. Материалы Всероссийской н.-т. конф. - Самара: НТЦ, 2003, с. 83. ISBN 5-900827-85-2

10. Датчик состава газов на основе времяпролётного масс-спектрометра в режиме сепарации масс / Н.Д. Сёмкин, ИВ. Пияков // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. Сборник научных трудов. М.: МГИЕМ, 2003, с. 236-238. ISBN 5-94506-018-6

11. Моделирование ионных пакетов в преобразователе газовых потоков времяпролётного типа / Н.Д. Сёмкин, И.В. Пияков, К.Е. Воронов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, том. 6, №3,2003, с. 80 - 85.

12. Прибор для обнаружения утечки воздуха из Международной космической станции/ Н.Д. Сёмкин, В.Л. Балакин, К.Е. Воронов, И.В. Пияков // Авиакосмическое приборостроение, №7,2003, с. 29 - 35.

13. Проблемы формирования спектров во времяпролётных масс-спектрометрах / И.В.Пияков // Микроэлектроника и информатика - 2002. Тезисы докладов девятой всероссийской межвузовской конференции студентов и аспирантов, М.: МИЭТ, 2002, с. 131. ISBN 5-7256-0342-3

14. Работа времяпролётного масс-спектрометра в режиме сепарации масс / И.В.Пияков, Н.Д. Сёмкин // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник научных трудов, Красноярск: ИЦП КГТУ, 2003, с. 290-294. ISBN 5-7636-0549-7

15. Перспективы развития времяпролётных масс-спектрометров для анализа газовых и пылевых частиц / Н.Д. Сёмкин, И.В. Пияков, К.Е. Воронов, Р.А. Помельников // Прикладная физика, N2,2002 с. 124-142

16. Масс-спектрометр с динамическим ионным зеркалом / И.В. Пияков, Н.Д. Сёмкин // Радиоэлектроника, электроника и энергетика. Тезисы докладов девятой международной научн.-техн. конференции студентов и аспирантов в 3-х томах, т.1 -М.: МЭИ, 2003, с. 407-408. ISBN 5-7046-0909-0

17. Преобразователь газовых потоков на основе времяпролётного масс-спектрометра для исследования тяжёлых ионов / И.В. Пияков, Н.Д. Сёмкин, К.Е. Воронов // Современные информационные и электронные технологии. Тезисы НПК, Одесса, 2003 г.

18. Газопылеударный масс-спектрометр / Н.Д. Сёмкин, К.Е. Воронов, И.В. Пияков, Р.А. Помельников // Решение о выдаче патента РФ по заявке №2002120958/09 от 26.02.2004.

19. Масс-спектрометр газовых частиц // Н.Д. Сёмкин, К.Е. Воронов, И.В. Пияков, Р.А. Помельников // Решение о выдаче патента РФ по заявке №2001119891 от 13.03.2004.

20. Пылеударный масс-спектрометр/ Н.Д. Сёмкин, К.Е. Воронов, И.В. Пияков, Р.А. Помельников // Решение о выдаче патента РФ по заявке №2002103528 от 12.03.2004.

21. Времяпролетный масс-спектрометр/Н.Д. Сёмкин, К.Е. Воронов, И.В. Пияков, Р.А. Помельников // Решение о выдаче патента РФ по заявке

№2001130673/28(032579) от 13.04.2004.

Отпечатано с готового i Подписано впечап Формат в0x841/16 бу» Тираж 100;

6

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ГАЗОВЫХ

ПОТОКОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ.

1.1 Анализ схем времяпролётных масс-спектрометров для регистрации газовых частиц.

1.2 Времяпролётные масс-спектрометры для регистрации частиц космического мусора.

1.3 Методы расчёта параметров времяпролётных масс-спектрометров.

1.4 Аналогичные разработки.

1.5 Выводы.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВРЕМЯПРОЛЁТНОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ГАЗОВЫХ ЧАСТИЦ.

2.1 Определение закона изменения электрического поля в ускоряющем промежутке.

2.2 Основные принципы работы времяпролётного масс-спектрометра в режиме сепарации масс.

2.3 Математическая модель ускорения осевых ионов во времяпролётном масс-спектрометре с выталкивающим импульсом специальной формы.

2.4 Определение распределения электрического поля в выталкивающем пространстве между двумя электродами.

2.5 Возможные траектории ионов во времяпролётном масс-спектрометре с выталкивающим и тормозящим импульсами специальной формы.

2.6 Динамическое ионное зеркало.

2.7 Математическая модель времяпролётного масс-спектрометра с прямым движением ионов.

2.8 Математическая модель времяпролётного масс-спектрометра с динамическим ионным зеркалом.

2.9 разрешающая способность времяпролётного масс-спектрометра в режиме сепарации масс.

2.10 Сравнительный анализ спектров различных моделей масс-спектрометров

2.11 Оценка потерь ионов во времяпролётном масс-спектрометре.

2.12 Математическая модель газового потока инициируемая утечкой воздуха из модуля космического аппарата.

2.13 Выводы.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ВРЕМЯПРОЛЁТНОГО МАСС

СПЕКТРОМЕТРА.

3.1 Классификацию? погрешностей.

3.2 Влияние начального энергетического разброса и точности формирования выталкивающего импульса на положение спектральной линии на временной оси.

3.3 Оценка погрешности математической модели.

3.4 Анализ погрешностей, определяемых неточностями изготовления геометрических размеров датчика.

3.5 Определение ширины спектральной линии.

3.6 Определение функции преобразования преобразователя газовых потоков.

3.7 Погрешности методики проведения эксперимента.

3.8 Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ И

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

4.1 Общие требования к преобразователям газовых потоков для космических исследований.

4.2 Требования предъявляемые к ионным источникам времяпролётных преобразователей газовых потоков.

4.3 Источники ионов с электронным ударом.

4.4 Приёмники ионов.ИЗ

4.5 Разработка генератора управляющих импульсов.

4.6 Системы регистрации и обработки ионного спектра.

4.7 Описание лабораторной установки исследования газовых потоков.

4.8 Определение процентного содержания воздуха в остаточной газовой смеси вакуумной камеры.

4.9 Мониторинг одной газовой компоненты.

4.10 Анализ состава газовой смеси.

4.11 Исследования на электростатическом ускорителе.

4.12 Исследование высокомолекулярных соединений.

4.13 Выводы.

ГЛАВА 5. ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ И ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ЕГО ПОМОЩЬЮ.

5.1 Область применения.

5.2 Применение времяпролётного преобразователя для решения задачи обнаружения места утечки воздуха из космического аппарата.

5.3 Конструкции ионных источников.

5.4 Приёмники ионов.

5.5 Выводы.

Времяпролётные масс-спектрометры находят широкое применение не только в земных, но и в космических условиях. К последнему относится изучение космического пространства, химического состава космической пыли, собственной атмосферы космических аппаратов и т.д.

Достоинствами времяпролётных масс-спектрометров по сравнению с приборами других принципов действия являются: малые габариты, высокая чувствительность и способность определять состав космических пылевых частиц, имеющих случайный характер взаимодействия с прибором. Последнее свойство особенно важно в области космических исследований.

Масс-спектрометры с магнитным разделением ионов довольно громоздки из-за магнитных систем или не способны работать в диапазоне больших масс при малых магнитах. В масс-спектрометрах такой конструкции [1] разделение происходит в пространстве, то есть частицы разных масс регистрируются разными приёмниками (или в режиме сепарации одним приёмником, передвигаемым по оси). Но не во всех случаях можно применять такие системы, так как даже небольшие приборы имеют большую массу [1]. В последнее время масс-спектрометрия широко используется в области космических исследований, где масса и габариты имеют важное значение. Наиболее удобными для исследования в подобных экспериментах являются времяпролётные масс-спектрометрические преобразователи. Приборы такого типа были установлены на российских космических аппаратах «Вега 1» и «Вега 2» с целью исследования кометы Галлея [2]. Эксперименты по изучению космических частиц проводятся в условиях воздействия на космический аппарат собственной внешней атмосферы, влияющей на результаты измерений, поэтому одним из направлений разработки является повышение чистоты эксперимента. Для решения проблемы обнаружения мест утечки воздуха из космического аппарата необходимо замерить концентрацию атомов основных составляющих воздуха (азота и кислорода) с его внешней стороны.

Глава 1

АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ

3.8 ВЫЫОДЫ

Сведём максимальные значения погрешностей, рассчитанных в этой главе в таблицу.

1. Кроме однократно заряженных могут образовываться также многократно заряженные ионы:1. А+е^А^+Зе.

2. При энергии электрона выше 15,6 эВ становится возможнымобразование устойчивого молекулярного иона Н£. При дальнейшем увеличении энергии электрона до 45 эВ возможно образование молекулярного иона , диссоциирующего на два протона с энергией каждого 10 эВ.

3. Таким образом, при взаимодействии электронов с молекулой водорода возможно образование молекулярных ионов по схеме:1. Н2+е—>Н2+2еи атомарных ионов по схеме

4. Н2+е->Н++Н+2е, Н2+е-> НЧЗе.

5. Вблизи порога ионизации зависимость сечения ионизации от энергии имеет вид:a^Te-e-VO1'127,где Те энергия ионизирующих электронов; e-Vj - энергия ионизации; к - коэффициент пропорциональности.

6. С увеличением энергии электронов Те сечение ионизации увеличивается до некоторого предела. В этом диапазоне вероятность процесса неупругого взаимодействия увеличивается по сравнению с вероятностью процесса упругого рассеяния.

7. Количество образующихся в ионизационной камере ионов в единицувремени может быть вычислено из формулы:r n0crSP ,.l = h<* = -~— > (4.2)огде J ионный ток, соответствующий количеству образующихся ионов в секунду; Je - электронный ток.

8. Разброс ионов по энергиям существенно зависит от конструкции источников и способа получения ионов. При ионизации электронным ударом на энергетический разброс ионов влияет следующее:

9. Средняя кинетическая энергия молекул одноатомного идеального газа равна W = -kT. При Т=300 К, W =0,025 эВ, при Т=400 К W =0,033 эВ.

10. Тепловая энергия атомов и молекул слабо влияет на энергетический разброс.

11. Из перечисленных основными причинами образования энергетического разброса ионов являются 3-я и 4-я.

12. Источники ионов с электронным ударом могут быть использованы для анализа газов и твердых веществ.

13. Наибольшее распространение в масс-спектрометрах получили источники Нира. На рис.4.2 представлена схема газового источника такого типа, применяемая в некоторых масс-спектрометрах.1. ТН1. О в