Пылеударный масс-спектрометр для определения элементного состава микрометеороидов и частиц космического мусора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Помельников, Роман Александрович

• Помельников, Роман Александрович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Помельников, Роман Александрович

Введение.

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

1.1 Уравнение движения ионов для нерелятивистской заряженной частицы.

1.2 Основные характеристики ионного спектра.

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

1.4 Перспективы улучшения характеристик время- пролетного масс- спектрометра.

1.5 Пылеударные масс-спектрометры.

1.6 Требования, предъявляемые к бортовым масс-спектрометрам.

Выводы.

ГЛАВА 2 Методические основы создания пылеударного масс-спектрометра

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

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

2.2.1. Фокусировка ионных пакетов с помощью линейного по координате электростатического зеркала.

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

2.2.3 Нахождение разрешающей способности время- пролетного масс- спектрометра.

2.3. Разработка алгоритма расчета параметров время-пролетных масс- спектрометров.

2.4 Моделирование процессов разлета и сбора ионов в пылеударном массспектрометре различного конструктивного исполнения.

Выводы.

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

3.1 Экспериментальный стенд для изучения процессов ионизации при высокоскоростном ударе.

3.2 Методика проведения ударных экспериментов.

3.2.1 Методика проведения эксперимента по регистрации физических характеристик частиц.

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

3.3 Обработка результатов ударных спектров масс ионов.

3.4 Методика измерения элементного состава микрометеороидов.

3.4.1 Модель шума приемника ионов.

3.4.2 Алгоритм измерителя ударного спектра масс ионов.

3.4.3 Погрешность измерения физико-химических характеристик микрометеороидов.

Выводы.

Глава 4 Конструктивные особенности построения пылеударного масс- спектрометра.

4.1 Конструктивные особенности построения пылеударного масс- спектрометра.

4.2 Схемы измерения и обработка спектра масс с выхода приемника.

4.3 Методика обработки ионного спектра с учетом физических характеристик микрометеороидов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Пылеударный масс-спектрометр для определения элементного состава микрометеороидов и частиц космического мусора»

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

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

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

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

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

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

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

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

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