Устройства регистрации элементного состава и концентрации газовых частиц тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Пияков, Игорь Владимирович

• Пияков, Игорь Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пияков, Игорь Владимирович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устройства регистрации элементного состава и концентрации газовых частиц»

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

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Пияков, Игорь Владимирович

3.8 ВЫЫОДЫ

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пияков, Игорь Владимирович, 2004 год

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