Содержание к диссертации
Введение
1. Оценка возможностей использования процессов горения пиротехнических смесей для оптической накачки твердотельных лазеров 26
1.1. Активные среды для твердотельных лазеров с оптической накачкой короткоимпульсными лампами 26
1.2. Интегральное описание лучистого потока 33
1.3. Физическая модель и дифференциальное описание лучистого теплообмена 34
1.4. Спектральная эффективность излучения пиротехнической накачки 37
1.5. Алгоритм вычисления интеграла Планка 38
2. Конструктивные, технологические и физические особенно сти пиротехнических источников накачки 52
2.1. Оптимизация химического состава, формы, массы и габари тов заряда пиротехнической лампы накачки 52
2.2. Выбор ингредиентов и оптимизация технологии нанесения абляционных покрытий 59
2.3. Транспортировка светящегося факела через сопло Лаваля в канал зеркального отражателя, содержащего активную лазерную среду 65
2.4. Пиротехническая лампа для оптической накачки твердо-тельного лазера на основе ИАГ: Nd 75
2.5. Экспериментальные исследования спектральных и энергети ческих характеристик пиротехнической лампы 82
3. Твердотельные ИАГ: Ыс13+-лазеры с пиротехнической лам пой накачки .89
3.1. Режимы свободной генерации и модулированной добротно сти в И(13+-лазерах с пиротехнической накачкой 89
3.2. Твердотельный ИАГ: Ш3+-лазер с пиротехнической накачкой и ресурсом равным единице 96
3.3. Оптическая система фокусировки лазерного излучения на мишень 100
3.4. Твердотельный ИАГ: Nd -лазер с пиротехнической накачкой, работающий в импульсном режиме 114
3.5. Теоретические и экспериментальные оценки энергетических характеристик ИАГ: Ы(13+-лазера с пиротехнической лампой накачки 116
3.6. Температурная зависимость параметров люминесценции лазерных элементов на основе стекла, активированного ионами Nd3+ 130
4. Некоторые аспекты проблемы определения элементного со става грунта с использованием лазерного ионизатора и время- пролетного масс-анализатора 134
4.1. Физические принципы взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом мишени 134
4.2. Идентификация элементного состава грунта с использованием лазерного ионизатора и время-пролетного динамического масс-анализатора 139
Основные результаты и выводы по диссертационной работе... 142
Литература 145
Список условных обозначений, единиц и терминов 150
- Интегральное описание лучистого потока
- Выбор ингредиентов и оптимизация технологии нанесения абляционных покрытий
- Твердотельный ИАГ: Ш3+-лазер с пиротехнической накачкой и ресурсом равным единице
- Идентификация элементного состава грунта с использованием лазерного ионизатора и время-пролетного динамического масс-анализатора
Введение к работе
Одной из основных задач в геологии, экологии и других родственных отраслях науки является задача определения элементного состава и концентрации ингредиентов в различных веществах. В настоящее время разработаны и эффективно используются целый ряд методов и средств в области анализа веществ, среди которых особое место занимают калориметрические методы, разработанные на основе законов Бугера-Ламберта-Бера.
Калориметрия - метод определения концентрации вещества в растворе по поглощению света. Метод основан на измерении ослабления светового потока, происходящего вследствие избирательного поглощения света определяемым веществом. Существует спектрофотометрический и фотометрический методы абсорбционного анализа. Первый основан на измерении в монохроматическом потоке света (свет с определенной длиной волны X), а второй - на измерении в не строго монохроматическом пучке света. Определяемый компонент при помощи химической реакции переводят в окрашенное состояние, после чего каким-либо инструментальным способом измеряют интенсивность окраски полученного раствора. Таким образом, в калориметрии играют существенную роль, во-первых, правильно выбранные условия протекания реакции по переводу определяемого компонента в окрашенный раствор и, во-вторых, знание оптических свойств окрашенных растворов, что позволяет правильно выбрать способ измерения интенсивности окраски.
При прохождении пучка белого света интенсивностью 10 через стеклянный сосуд, заполненный исследуемым раствором, происходит ослабление интенсивности первоначального светового потока, и выходящий пучок света будет иметь интенсивность 1<10 (рис.1).
Интенсивность светового потока - это мощность излучения, испускаемого источником света в определенном направлении внутри телесного угла, равного единице.
Ослабление интенсивности связано:
1. с отражением на границах стекло - воздух и стекло- раствор (10т);
2. с рассеянием света, вызванным присутствием взвешенных в рас творе частиц (1р);
3. с поглощением (абсорбцией) световой энергии раствором (1а).
I
II I 111
Рисі Отсюда, справедливо равенство: ІО=Іа+Іот+Ір+І
Величинами 1от и 1р можно пренебречь за счет того, что пользуются одинаковыми кюветами и растворами достаточно чистых исходных веществ, следовательно:
1о= 1а+1 отсюда, Іа=І0-І
Степень поглощения светового потока раствором неодинакова для потоков с различными X, составляющих белый свет. В результате входящий свет часто бывает окрашен.
Цвет раствора, который воспринимается нашим глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через раствор не поглощенной. Кажущийся же цвет раствора является дополнительным к цвету поглощенного раствора.
В-толщина слоя раствора;10-интенсивность входящего монохроматического светового потока ; I- интенсивность выходящего светового потока.
Оптическая плотность раствора определяется по формуле: A=lg ІоЯ, где Д- оптическая плотность раствора; отношения ІЯ0; ІоЯ и 1аЯо характеризуют: 1Я0=Т - прозрачность раствора; 10Я=1/Т - его непрозрачность, или поглощение; 1аЯо- поглощающая способность.
Уравнение Jl=\g Io/I - математическое описание закона Бугера-Ламберта: слои данного вещества одинаковой толщины при прочих равных условиях всегда поглощают одну и ту же часть падающего на них светового потока.
Величина, характеризующая ослабевание светового потока обозначается п, тогда 10Я=пВ, то есть Д=^ nB =В lg п. Lg n=const характерная для данного окрашенного раствора при прохождении монохроматического света, то есть:
Д=сош1В=КВ
Следовательно, графическим изображением последнего отношения будет прямая.
Бер установил, что при прохождении света через газы и растворы степень поглощения зависит от числа частиц в единице объема, встречающихся на пути светового потока, то есть поглощение зависит от концентрации вещества: Д=^ ІоЯ = єВс, где є - коэффициент поглощения, e=const для растворов данного вещества при прохождении света с определенной длиной волны; В -толщина слоя; с - концентрация вещества, то есть оптическая плотность есть функция концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя. Причем функциональная зависимость прямо пропорциональная (закон Бера).
Основной закон калориметрии может быть сформулирован следующим образом: Оптическая плотность растворов при прочих равных условиях прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине поглощающего слоя[1]. є В = const, то Д = const с.
Калориметрический метод эффективен при исследовании окрашенных растворов и оптически прозрачных или активированных красителями твердых тел, например, полимерных матриц, оптическая плотность которых Д<2.
В настоящее время для определения состава неизвестных веществ широко используются методы аналитической лазерной атомной и молекулярной абсорбционной, флуоресцентной и внутрирезонаторной спектроскопии [2].
Высокая спектральная яркость, узкополосность лазерного излучения и плавная перестройка длины волны излучения лазера значительно улучшило как
7 чувствительность, так и спектральное разрешение методов атомной и молекулярной абсорбционной спектроскопии.
Метод поглощения основан на ослаблении лазерного пучка при прохождении его через вещество (атом, молекулу), полоса поглощения которых частично совпадает с частотой лазерного источника.
Чтобы отделить полосы поглощения атома, молекулы от поглощения, вызванного другими причинами [3], используют метод дифференциального поглощения. Сущность метода заключается в том, что в этом случае пучками, один из которых имеет частоту, совпадающую с центром линии, относящейся к полосе поглощения, другой - сдвинутую на крыло этой линии. Дифференциальное ослабление двух лазерных пучков оценивают по сигналам их рассеяния в обратном направлении [4].
Кроме метода дифференциального поглощения и рассеяния лазерное зондирование веществ включает методы, основанные на рэлеевском рассеянии, [5], Ми-рассеянии [6], комбинационном рассеянии [7], резонансном рассеянии [8] и флуоресценции [9].
Методы рассеяния базируются на: упругом рассеянии лазерного излучения атомами и молекулами без изменения частоты (рэлеевское); на упругом рассеянии лазерного излучения на малых частицах или аэрозолях, когда размер частиц сравним с длиной волны излучения без изменения частоты (Ми-рассеяние); на неупругом рассеянии лазерного излучения на молекулах со смещением частоты падающего излучения hv-hv* = Е, где величина смещения характеризует молекулы данного типа (комбинационное рассеяние); на рассеянии лазерного излучения, совпадающего по частоте с частотой определенного атомного перехода, без изменения частоты и с большим сечением (резонансное рассеяние).
Для идентификации состава различных веществ эффективно используется метод флуоресценции. В этом случае лазерное излучение, совпадающее по частоте с определенным электронным переходом в атоме или молекуле, поглощается с последующим испусканием атомов с меньшей частотой (большей длиной волны). В настоящее время абсорбционная спектроскопия получила
8 мощный метод исследования, названный методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Метод базируется на высокой чувствительности спектрального распределения излучения широкополосного лазера к узкополосным потерям,.вводимым между зеркал оптического резонатора [10]. Схема экспериментальной установки приведена на рис.2. Исследуемое вещество 5 помещается в резонатор лазера на красителе (зеркала резонатора 8). Кювета с этаноль-ным раствором красителя 4 (активная среда лазера на красителе) помещается также в резонатор. Для накачки лазера на красителях использовался мощный рубиновый лазер 1 или НАГ: Nd -лазер с удвоением частоты.
Если из резонатора лазера на красителях убрать исследуемое вещество5, то спектр генерации, регистрируемый спектрографом 7, будет определяться генерационными характеристиками органического красителя 4. При помещении исследуемого вещества 5 в резонатор лазера на красителях, спектр генерации будет изменяться - в нем будут изменяться амплитуды частотных составляющих, поглощенные веществом, что несет информацию о составе вещества и концентрации его ингредиентов. Метод позволяет детектировать единичные атомы и молекулы[11].
Отдельной фундаментальной проблемой является расширение представлений о минералогическом составе грунта Земли и окружающих ее планет.
При проведении геологических исследований эффективно используются методы дистанционного зондирования с использованием материалов аэро- и космических съемок для получения качественных и количественных характеристик природных объектов с точной географической привязной и с параметрами их пространственного распределения^ 2].
Аэрокосмические методы исследований применительно к геологическим задачам определяют дистанционную основу карт геологического содержания как оптимальную совокупность материалов дистанционного зондирования и результатов их обработок и интерпретации в цифровом и аналоговом виде и имеют широкие возможности при решении природно-ресурсных задач.
Рис.2. Схема экспериментальной установки, реализующей метод внутрирезо-наторной лазерной спектроскопии: 1- рубиновый лазер «Радуга-ЗМ»; 2- рассеивающая линза; 3- цилиндрическая линза; 4- кювета с органическим красителем; 5- кювета с исследуемым материалом; 6- отражательные плоские зеркала; 7- спектрограф; 8- зеркала резонатора.
Рассматривая дистанционное зондирование с позиций системного подхода, как правило, определяют входные и выходные элементы системы, ее внутреннюю структуру, границы и окружающую среду [12] . Естественным способом система дистанционного зондирования разделяется на три подсистемы: сбор материалов дистанционного зондирования, обработка материалов и их тематическая интерпретация.
В области получения информации основное применение получили ска-нерные и радиолокационные системы, которые позволяют получать информацию с высоким пространственным разрешением в видимом и инфракрасном диапазонах, изображение элементов ландшафта земной поверхности и их спектральных характеристик в тепловом диапазоне. Исходя из указанной концеп-
10 ции радиолокационные станции должны быть многочастотными (сантиметровый, дециметровый и метровый диапазоны), работать на различных режимах поляризации и обладать различным пространственным разрешением, должны быть измерительными и обеспечивать высокую точность измерения для решения задач дифференциальной интерферометрии.
Для изучения элементного состава грунта широко используется рентге-носпектральный флуоресцентный метод анализа ингредиентов вещества. Метод позволяет получать качественную оценку состава грунта по спектральному положению характеристических линий в спектре испускания (флуоресценции) исследуемого образца. Для получения количественной оценки концентрации ингредиентов интенсивность линий флуоресценции контролируемого образца сравнивают с аналитическим графиком известного состава (стандарта). Кроме метода внешнего стандарта используют метод внутреннего стандарта и стан-дарта-фона[13]..
Для анализа сложных (многокомпонентных) образцов полную систему уравнений связи расшифровывают на ЭВМ по методу последовательных (трех-четырех) приближений. Известна программа безэталонного рентгеноспектрального анализа с использованием метода фундаментальных параметров, которая позволяет производить безэталонный количественный анализ без использования стандартных образцов сравнения, либо работать в режиме классического способа фундаментальных параметров. В этом случае используется один стандартный образец для каждого анализируемого элемента. Программа позволяет осуществить измерение спектров, включающих линий 73 элементов (от Са до U) и производить автоматическую идентификацию К- и L-серий.
В аппаратурной реализации (рис.3) метода возникновение вторичного излучения обеспечивают, используя рентгеновскую трубку с Pd-анодом (например, вакуумный спектрометр «Спектроскан-V»).
Излучение маломощной рентгеновской трубки 1 направляется на пробу грунта 2. возникающее вторичное излучение (на рис. условно показано стрелками) исследуется изогнутым кристаллом- анализатором 3 и пропорциональ-
Рис.3 Функциональная схема рентгеновского флуоресцентного спектрометра:
1- рентгеновская трубка; 2-кювета с исследуемым объектом; 3-изогнутый кристалл-анализатор; 4-пропорциональный детектор; 5-прецизионный гониометр; 6-счетчик импульсов; 7-блок измерения интенсивности рентгеновской флуоресценции; 8-компьютер; 9-блок измерения спектра ингредиентов; 10-блок измерения концентрации ингредиентов. Позициями айв показаны входная и выходная щели рентгеновской камеры с соответственно. ным детектором 4, которые в процессе измерения перемещаются с помощью прецизионного сканирующего гониометра 5.
Каждому фиксированному положению гониометра 5 соответствует определенная длина волны излучения.
Наличие характерных спектральных линий (позиция В) несет информацию об элементном составе. Интенсивность линий рентгеновской флуоресценции тесно связана с количественным содержанием ингредиентов и определяются с помощью компьютера 8 и блоком счетчика импульсов 6, блоком измерения интенсивности 7, блоком измерения концентрации ингредиентов 10, функционирование блоков 6, 7, 9 и 10 обеспечивается компьютером 8 и программным обеспечением спектрометра.
Задача определения элементного состава вещества условно может быть разбита на два этапа: этап включает в себя качественное определение элементного состава без использования эталонных образцов по спектральному положению характеристических линий в спектре флуоресценции; этап включает в себя количественное определение элементного состава по интенсивности линий флуоресценции с эталонным образцом.
Для проведения сравнительного анализа выбирают интересующие элементы, например, Sr,Zn, Fe, Mn, Cr, Ca, CI, S, P, Si, Al, Mg и т.д.
На рис.4 приведены характерные графики спектральных линий, положение которых соответствует различным ингредиентам вещества.
При исследовании элементного состава грунта планет проблема чрезвычайно усложняется. Прежде всего, возникает ряд дополнительных требований к аппаратуре, связанных с необходимостью транспортировки ее к поверхности планеты (экспедиции «Фобос-1» и «Фобос-2») или с необходимостью внедрения комплекса аппаратуры на глубину 5-6 метров (зонды-пенетраторы). В эксперименте «Лимма» (экспедиция «Фобос-1») планировалось ионизировать пробу грунта с помощью стимулированного лазерного излучения. [5] Для обеспечения эксперимента на борту летательного аппарата был размещен двухкас-
Г.=* {Ь«^1 Я J TJ.i 1 *i . .^,.
Krt ft» ЇНПГ i?06" ""ЛЕЯ ЕЕВГТіМҐ" Янй' -Ц1Э.4
4910.3 1IJ"? .4 ?«» « J.Jy±.l Um in л* її XA. Cu KA Ге *e Nil K» т. *и ял ял
Гі- ЙИ т«лч. *
IBS».a л*абЗ-.с
3503-. О «5: .і їла.су ста tOfcrtKO'Qjjj»
wo» 2яю аиш' "3w р*ео &» xdi" !айв~Тма ~1tST 2sn.e ті xn i?5,j г7М-в Ті КЛ івг.5
СІ»! KA) 11?.О
Рис.4. Характерные спектры флуоресценции при определении элементного состава вещества рентгено-флуоресцентным методом.
14 кадный гранатовый лазер на ИАГ: Nd3+, в котором первый каскад представлял собой задающий генератор, второй каскад - квантовый усилитель. В обоих каскадах использовалась оптическая накачка с помощью короткоимпульсных ламп, поджиг которых осуществлялся от электрического блока питания. Лазерная система обеспечивала излучение с энергией около 1 Дж, сфокусированное на поверхность планеты с помощью телескопической системы пятном, имеющим диаметр 1мм. Длительность импульса составляла 10" - 10" с, а пи- ковое значение мощности излучения величину 10-10 Вт, при плотности
11 19 9 t-w мощности излучения немногим меньше 10 -10 Вт/см . Длина волны излучения для ИАГ: Nd3+ -лазера -1064 нм. Использование лазера с указанными параметрами вызывает взрывоподобное (абляционное) испарение грунта с поверхности планеты и ионизацию вещества. Образовавшиеся ионы частично попадают в ловушку масс-спектрометра, установленного на борту летательного аппарата (рис.5).
Элементный состав грунта поверхности планеты определяют время-пролетным динамическим масс-анализатором, путем измерения времени пролета ионов с разным отношением т/е, т.е. '= 4/2eV' где: t - время пролета, m и е - масса и заряд ионов, пролетевших расстояние от поверхности планеты до ловушки, V - ускоряющий потенциал.
Масс-спектрометр разделяет ионизированные лазерным излучением частицы вещества (молекулы, атомы) по их массам за счет воздействия магнитных и электрических полей на пучки ионов, летящих в вакууме.
Во время-пролетном масс-анализаторе (рис.6) образовавшиеся ионы «впрыскиваются» в виде «ионного налета» через сетку 1 в анализатор 2, представляющий собой эквипотенциальное пространство. Дрейфуя вдоль анализатора по направлению к коллектору ионов 3, исходный пакет «расслаивается» на ряд пакетов, каждый из которых состоит из ионов с одинаковой т/е. Расслоение обусловлено тем, что в исходном пакете энергия всех ионов одинакова, а их скорости и, следовательно, время пролета t анализатора обратно пропорцио- іально літ . Последовательность ионных полетов, приходящих на коллектор бразует масс-спектр, который регистрируется на спектрометре.
Рис.5 Один из важнейших экспериментов, который планировался в іамках международного проекта «Фобос» ( в представлениях художника А.К. Соколова).
С целью получения более достоверной информации, исключающей погрешности, связанные с определением элементного состава космического мусора (космической пыли, нагромождение метеоритов и т.п.), принадлежащего другим планетам, а также с целью обнаружения водяного льда, планируется внедрение разрабатываемых аппаратных комплексов (пенетраторов) на глубину 5-6 метров от поверхности планеты[15].
Рис.6 Схема время-пролетного масс-анализатора. Пакет ионов с массами mi и т2 (черные и белые кружки), mi- тяжелые ионы, пі2- легкие ионы; 1-сетка, 2- дрейфовое пространство; 3- коллектор ионов.
Отделение от космического аппарата и автономный полет пенетраторов начинается за 3-5 суток до подлета к Марсу, в результате чего зонды переходят на падающую траекторию, обеспечивающую их внедрение в заданных районах Марса (рис.7). По достижению атмосферы зонды сначала с помощью жесткого конуса, а затем - надувного тормозного устройства совершают аэродинамическое торможение до заданной скорости и внедряются в грунт Марса. При касании поверхности происходит разделение хвостовой и носовой частей. Внедряемая часть зонда с научной и служебной аппаратурой проникает в грунт планеты, а хвостовая часть с остальной аппаратурой остается на поверхности. После внедрения зонда начинаются научные исследования. Передача информа-
СХЕМА СПУСКА ПЕНЕТРАТОРА
1. Отделение пенетратора от КА
2. Вход в атмосферу V=5,6 км/с
. Начало наполнения тормозной оболочки
4. Конец наполнения тормозной оболочки и выдвижение контактногоустроиотва
7. Выполнение экспериментов, сбор и передача информации
5. Касание поверхности
6. Внедрение в грунт, отделение хвостовой части
Рис.7. Схема спуска пенетратора на поверхность Марса.
18 ции осуществляется на орбитальный аппарат, длительность сеанса связи около 6 минут[16].
Проект экспедиции к Марсу автоматического космического аппарата-пенетратора (рис.8) включает в себя обширные многоплановые научные эксперименты по изучению поверхности, коры, атмосферы, метереологических параметров, а также эксперименты по изучению элементного состава марсианских пород[15].
Для проведения указанных экспериментов пенетраторы (рис.8) оснащаются гамма-спектрометром, рентгеновским и нейтронным спектрометрами, а также альфа-Р-спектрометром.
Гамма-спектрометр предназначен для определения элементного состава пород Марса. Методика измерений основана на регистрации гамма-излучения естественных радионуклидов К, Th, U и гамма-излучения, обусловленного ядерными взаимодействиями космических лучей с элементами, входящими в состав марсианских пород[15].
Регистрируемое прибором гамма-излучение позволяет определить в породах концентрацию Н, Na, Mg, Al, Si, К, СІ, Са, Ті, Mn, Fe, Th, U. Диапазон измерений спектров у-излучений 0,3-9,0 МэВ. Энергопотребление 1,7 Вт, масса 0,8 кг. ,.
Нейтронный спектрометр предназначен для решения задач по определению элементного состава подповерхностных пород, в том числе летучих (S, С1), породообразующих (Mg, Al, Si, Са, Ті, Fe) и минорных элементов. Методика измерений основана на возбуждении радиоизотопными источниками Fe 55, Cd 109 флуоресцентного излучения в пробе породы [15]. Энергопотребление 1,7 Вт, масса 0,8 кг.
Нейтронный спектрометр предназначен для определения содержания и изменения влажности и плотности породы с глубиной. Методика измерений основанана регистрации нейтронов, рассеянных на ядрах элементов породы. Влагосодержание определяется в объеме породы 0,3 м . энергопотребление 0,25 Вт, масса 0,2 кг[15].
Метеодатчики
Термозонды U Датчик jp \ скорости Jf ^ ветра /г
Магнитометр -„_ ТВ-камера \ Гамма-спектрометр
Г \ (ЖОПГНТ
Нейтронный детектор — a-, P-, X-спектрометр
Сейсмометр 1 і г \ v_ Акселером етр \_ Сейсмометр 2
Рис.8.Схема пенетратора.
Альфа-Р-спектрометр предназначен для определения элементного состава пород, в том числе содержания легких элементов (С, N, F) и основных породообразующих элементов (О, Na, Mg, Si, S, К, Ca, Fe) в пробе грунта малого объема.
Методика измерений основана на облучении пробы породы альфа-частицами радиоизотопного источника Cm 244 активностью 60-80 мКи. Прибор регистрирует спектр рассеянных альфа-частиц и вторичных прото-нов[16].Энергетический диапазон 0,8-6,3 МэВ, энергопотребление 0,5 Вт, масса 0,32 кг.
Для энергетического обеспечения всего аппаратурного комплекса пенет-ратор имеет радионуклидный термо-электрогенератор на основе плутония-238 мощностью 0,4 Вт и литиевые батареи с ресурсом 10 А.ч. К аппаратному комплексу также выдвигаются дополнительные требования, связанные с перегрузками на пенетраторе при соударении с поверхностью планеты, равными 500g. При этом предполагается, что масса внедряемого зонда равна 45 кг, при массе научной аппаратуры 4,5 кг. В экспедиции к Марсу не предполагается проведение экспериментов типа «Лимма», в котором ионизатором вещества являлся твердотельный ИАГ: Nd3+ - лазер, по крайней мере, в силу трех причин: — традиционные лазеры с ламповой накачкой не выдерживают без раз рушения перегрузок при соударении пенетратора с поверхностью планеты со скоростью 80±20 м/с; — для поджига ламп накачки требуется мощный источник электрического питания; — наличие электрического блока питания увеличивает массу и габариты аппарата.
В этой связи решение проблемы определения элементного состава грунта планет и разработка ее аппаратурного обеспечения позволит оценить уровень и формы жизни на планете, а сама проблема приобретает особую актуальность и становится задачей, имеющей важное научное и практическое значение.
21 Цель работы.
Целью работы является расширение функциональных возможностей метода масс-спектроскопии в условиях дефицита электрической энергии, за счет использования в качестве ионизатора вещества твердотельного ИАГ: Nd -лазера с пиротехнической лампой накачки, для работы которого не требуется использования источников электрической энергии.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи: l.Ha основании анализа существующих активных сред для твердотельных лазеров и импульсных ламп накачки показать, что неустранимыми недостатками этих источников накачки является необходимость использования мощных электрических блоков питания, что увеличивает габариты, массу и расход потребляемой энергии. Показать, что существенное снижение указанных параметров на пути эволюции технических решений следует искать за счет применения не газоразрядных пиротехнических ламп накачки, в которых светящимся телом являются горящие пиротехнические составы.
2.Используя интегральное описание лучистого потока в соответствие с законом Стефана-Больцмана, разработать физическую модель и математическое описание лучистого теплообмена между многофазной средой продуктов химической реакции и стенкой, в которую включена селективно поглощающая активная среда.
3.Произвести оценку спектральной эффективности излучения пиротехнической накачки путем расчета спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, используя дифференциальное и интегральное уравнения Планка.
4.Разработать алгоритмы и программное обеспечение, необходимые для вычисления интеграла Планка в интервале величин длин волн поглощения ИАГ: Nd при изменении температуры от 1000 К до 10000К. Определить спектральный КПД источника накачки как отношение излучаемой мощности
22 в полосах поглощения Nd3+ (согласно закону Планка) к общей энергетической светимости (согласно закону Стефана-Больцмана).
5. Разработать конструкцию и довести до практического применения пиро- техническую лампу накачки твердотельных лазеров на основе ИАГ: Nd , для чего необходимо: оптимизировать химический состав, форму, массу и габариты заряда пиро-лампы; произвести оценку кинетики остывания сгоревшей пиросмеси с различной степенью дисперсности остывающих частиц; обеспечить сравнимую с получаемой от электроразрядных ламп засветку активной лазерной среды путем создания сверхзвуковых скоростей истечения светящегося факела через сопло Лаваля в канал отражателя, содержащего активную лазерную среду; разработать устройство для отсекания газовой составляющей факела; для предотвращения оседания непрозрачных продуктов сгорания в канале накачки и предохранения активного элемента лазера от механических и термических повреждений произвести выбор ингредиентов и оптимизировать технологию нанесения абляционных покрытий; разработать экспериментальные средства и произвести измерения спектральных, временных и энергетических характеристик пиротехнической лампы накачки.
6. Разработать конструкцию твердотельного ИАГ: Ш3+-лазера с пиротехни ческой лампой накачки в двух модификациях: с ресурсом равным единице и с ресурсом большим единицы, работающим в импульсно-периодическом ре жиме: оценить механизм температурного тушения люминесценции гранатового цилиндрического элемента с использованием метода внутрирезонаторной спектроскопии; рассмотреть режимы свободной генерации и модулированной добротности (оптимизировать состав ингредиентов пассивного модулятора добротности); - разработать оптическую систему фокусировки лазерного излучения на мишень; - разработать экспериментальные средства и произвести измерения энерге- тических и временных характеристик твердотельного ИАГ: Nd -лазера с пи ротехнической лампой накачки.
Произвести оценку взаимодействия стимулированного излучения твердо-тельного ИАГ: Nd -лазера с пиротехнической накачкой с веществом мишени с целью определения ее элементного состава.
Показать целесообразность использования разработанного лазера в космических экспериментах с целью определения элементного состава грунта планет с помощью время-пролетного динамического масс-анализатора.
Методы исследования.
Диссертационная работа выполнена на основе комплексных аналитических и экспериментальных исследований. Аналитические исследования проводились на математических и физических моделях, основанных на современных знаниях в области термодинамики, квантовой электроники и лазерной техники, волновой оптики и физической химии, технологии композиционных материалов.
Проверка выдвинутых теоретических положений проводилась путем сопоставительного анализа с экспериментальными результатами. Обработка данных проводилась на ЭВМ по программам, реализованным в системе Delphi 5.0 и стандартным программам.
Научная новизна.
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
Предложены физическая модель и дифференциальное описание лучистого теплообмена между ядром абсолютно черного тела, окруженного оболочкой и стенкой, куда включена селективно поглощающая активная лазерная среда.
Разработан алгоритм интеграла Планка и соответствующее программное обеспечение, необходимое для анализа и расчета спектральной эф-
24 фективности излучения черного тела в полосы поглощения активной среды (дляИАГ:Ш3+).
3. Оптимизированы химический состав, форма, масса и габариты пиро технического заряда.
Исследованы кинетика остывания сгоревшей пиросмеси и установлены зависимости температуры, мощности и энергии от дисперсности остывающих частиц.
Исследованы газодинамические параметры пиротехнического факела в зависимости от скорости истечения факела из сопла Лаваля для разных температур. Оптимизированы объем камеры сгорания, начальное давление и скорость истечения факела на выходе сопла Лаваля.
Обоснован выбор ингредиентов и оптимизирована технология нанесения абляционных покрытий, предохраняющих активный элемент лазера от механических и термических повреждений, а так же задымленности оптического канала накачки.
Изучена и обоснована эффективность использования твердотельного ИАГ: Nd -лазера с пиротехнической лампой накачки для ионизации вещества с целью определения элементного состава грунта с помощью время-пролетного динамического масс-анализатора.
Практическая ценность работы. Практическую ценность диссертационной работы представляют: 1. Пиротехническая лампа накачки, обеспечивающая достижение инверсной населенности в активных лазерных элементах на базе ИАГ: Nd3+, без использования электрического блока питания.
2. Твердотельный ИАГ: Nd -лазер с пиротехнической лампой накачки, разработанный в двух модификациях : с ресурсом равным единице и работающий в частотно-периодическом режиме, который реализуется за счет периодической замены пиролампы.
3. Пассивный модулятор добротности на базе полимерной матрицы (ТТММА), активизированной красителями, работающий без использования электрических блоков.
4. Экспериментальные установки для исследования спектральных, временных и энергетических характеристик пиротехнических ламп и твердотельных лазеров с пиротехнической накачкой.
Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР по межвузовской научно-технической программе МО и ПО РФ «Сварка и контроль», раздел «Оптические, радиоволновые и тепловые методы контроля». Код темы по ГРНТИ: 87.01.81,1998-2000 г.г.
Диссертационная работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования РФ в соответствии с грантом по конкурсу 2000г. по фундаментальным исследованиям в области технических наук, раздел конкурса 8 «Приборостроение» и в соответствии с грантом по конкурсу молодых ученых 2002г, раздел конкурса 59 «Приборостроение».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических семинарах в проблемной научно-исследовательской лаборатории (ПНИЛ) СЗТУ (Санкт-Петербург, 1998-2002г.г.); на XVI-Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Санкт-Петербург, 2002 г.).
Публикации.
Основные результаты исследований опубликованы в 11 научных работах.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 150 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 25 таблиц и списка используемой литературы из 51 наименований.
В выполнении отдельных экспериментальных исследований и их обработке принимали участие сотрудники СЗТУ к.ф.-м.н., доц.Тарасенко В.В., к.т.н. Павлов Б.Д., аспирант Генделев М.В., которым автор выражает свою глубокую признательность.
Интегральное описание лучистого потока
Для теоретической оценки таких параметров как температура излучающего тела, энергия и мощность излучения необходимо рассмотреть кинетику остывания пиросмеси в предположении, что экзотермическая реакция горения прошла. В реальности, с учетом конечной скорости реакции и теплопередачи, скорость накачки может быть только ниже, тем самым мы получим верхний предел по энергетике рассматриваемых источников оптической накачки.
Известно, что спектр излучения горящих пиротехнических составов представляет собой спектр свечения черного тела с накладывающимися на него линиями испускания некоторых возбужденных продуктов реакции, исходя из интегрального описания испускания на основе закона Стефана - Больцмана[23]. Для радиационных потоков мощность излучения можно определить из уравнения:где: То, и Tw - соответственно температура в ядре прореагировавшей смеси и на «стенках» замыкающего объема; Go - постоянная Стефана - Больцмана; єзф -эффективная степень черноты (излучательная способность тела); S - площадь излучающей поверхности.
Выражение (1.2.1.) описывает идеализированный лучистый обмен энергией между двумя серыми телами - многофазной средой продуктов химической реакции и стенкой. В понятие стенки включена и селективно поглощающая активная лазерная среда. Коэффициент Еэф, учитывающий излучательную способность тела, и коэффициент поглощения активной среды могут быть представлены в виде:где: ew - степень черноты стенки; єр - степень черноты испускающей среды.
Известно[20], что для установившихся потоков продуктов сгорания металлизированных топлив ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) єр =0,6- -0,85, хотя в начале реакции при наличии крупных частиц металлов ( 100мкм) єр -0,1, а по мере сгорания их єр доходит до значения 0,9. Для описания коротких импульсных процессов горения можно использовать среднее значение єр =0,4.
Рассмотрим лучистый квазиравновесный теплообмен между ядром (рис. 12) с параметрами Та,, єр, массой m и удельной теплоемкостью С, окруженным оболочкой площадью S (ее теплоемкость С0б :С и масса т0б«ш) и стенкой с параметрами Tw, ew (считая, что Cw-mw»C-m. За время dt испускается энергия dQHcn =—qrSdt. С другой стороны, эта величина равна dQHcn =C-m-dT. Тогда с учетом (1.2.1.), получаем
Рис.4. Физическая модель для дифференциального описания лучистого потока, где 1-ядро прореагировавшей пиросмеси;2-оболочка;3-стенка, в которую включена селективно поглощающая активная среда.
Здесь у температуры Т снят индекс со и T(t), где t - время. Кроме этого, принято что Tw= const. Разделяя переменные и интегрируя при начальном условии Tt=o0, получим зависимость t(T). Обратная функция T(t) не выражается в явном виде где аі=2-Єзф-ао-8- . В точках TWH T=TW решение не определено.
Поскольку излучаемая мощность и энергия определяются выражениямито полнить их в явном виде на основании (1.2.1.) невозможно. Для того, чтобы получить решение T(t) положим, что Tw=0, соответствующее физическому условию T»TW, что для горения пиротехники справедливо, по крайней мере, в начальной стадии. Очевидно, что расхождение с (1.2.1.) будет в этом случае существенным лишь при Т— TW. Для этой ситуации из уравненияqr-S-dt=Om-dT при том же начальном условии получим:
Из (1.3.5) - (1.3.7.) следует, что вся кинетика процесса остывания продуктов сгорания пиросмеси в сделанных допущениях определяется биномом, стоящим в круглых скобках уравнения (1.3.5.). Видно, что чем выше степень черноты еЭф, начальная температура Т0 и чем меньше теплоемкость С, тем скорее идет остывание. Существенно, что кинетика определяется также произведением S, то есть увеличение излучающей поверхности обратно пропор-ционально времени остывания. Время половинного остывания to,5=7/ (a2 To ) сильно зависит от начальной температуры.
Из уравнения (1.3.5.) следует, что максимальная мощностьзависит от є3ф, величины излучающей поверхности S и температуры, развиваемой в экзотермической реакции То4, что непосредственно следует из закона Стефана - Больцмана. Время вырабатывания половины мощности (Р=Ртах/ 2)t0,5 0,68 / (a203 ) примерно й 10 раз меньше времени половинного остывания, а полная запасенная энергия, выделяемая за время t=0,5, равна:где: ДТ=То-0, так как в принятой модели Tw=0.
Отсюда можно сделать нетрадиционный вывод о том, что поскольку в экзотермической реакции горения выделяется теплота Q=qm-m, где qm - теплота сгорания, равная W(t— co)=C-mo, то C=Q /(mo), то есть формально можно
Выбор ингредиентов и оптимизация технологии нанесения абляционных покрытий
Как было показано, процесс горения пиротехнического состава может быть описан, например, следующими уравнениямиНе трудно заметить, что сгорание пиросостава сопровождается выделением твердых продуктов, которые при контакте со стенками защитной стеклянной трубки или активного элемента способны осаждаться и конденсироваться в виде слоя « окалины». Анализ осевших продуктов сгорания показал, что они состоят из окиси циркония и хлорида калия и, что самое существенное, пленка осевших продуктов сгорания совершенно непрозрач на для света в диапазоне длин волн 400-1000 нм. Измерение освещенности внутри стеклянной трубки показало, что непрозрачный загрязняющий слой продуктов сгорания (ПС) начинает оседать практически с началом сгорания, а тем самым экранирует свет накачки.
Для предотвращения данного эффекта было предложено использовать защитные аблирующие покрытия (ЗАЛ), способные выполнять три функции:— предохранять активный элемент лазера от механического и термического повреждений;— предотвращать оседание непрозрачных ПС пиротехнического состава на стенки активного элемента или стеклянной трубки;— экранировать факел накачки от металлических элементов корпусадля предохранения факела от охлаждения.
Из литературы [31] известны материалы, использующиеся как ЗАЛ в ракетных двигателях. Это, в основном, полимеры: фенолформальдегидные смолы, кремнийорганические соединения, полиуретаны, эпоксидные смолы. Защитные свойства ЗАЛ основаны на поглощении подводимой тепловой и кинетической энергии ПС, при котором происходит разложение и постепенный унос массы изоляции.
Этот эффект связан с низкими значениями прочности, термостойкости и теплопроводности, характерными для полимеров, для которых эффект уноса массы превышает эффект осаждения охлажденных частиц. Так как в нашем случае первостепенное значение имела оптическая прозрачность ЗАЛ, полимер для него должен быть из класса оптически прозрачных материалов. К таким материалам относятся: полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонат, эпоксидные и кремнийорганические смолы. Экспериментальные исследования вышеперечисленных материалов в качестве ЗАЛ при пиротехнической накачке показало, что полиметилметакрилат, полистирол и поликарбонат не подходят вследствие интенсивного сажеоб-разования їіа поверхности. Для обычных эпоксидных компаундов также наблюдается данный отрицательный эффект. Но при модификации их низкомолекулярными разбавителями этот эффект пропадает. Также было отмечено, что кремнийорганические смолы могут быть с успехом применены в качестве ЗАП.
Из теоретических предпосылок вытекает, что материал для ЗАЛ должен иметь невысокую прочность и теплопроводность. На основании указанных предпосылок были выбраны алифатические эпоксидные смолы удовлетворяющие этим требованиям.
Основные физико-механические свойства оптически прозрачных полимерных материалов приведены в таблице 10.
Алифатические эпоксидные смолы (АЭС) получают конденсацией эпихлоргидрина с алифатическими спиртами(гликолями) в присутствии трехфтористого бора. АЭС представляют собой низкомолекулярные (молекулярный вес 200-300) соединения с вязкостью 10-200 его. К ним относятся смолы: Э-181, ДЭГ-1, ТЭГ-1, МЭГ-1. Наибольшей прозрачностью в области до 800 нм (основная область накачки неодимового стекла) обладает смола ДЭГ-1, которая и была выбрана в качестве полимерной основы ЗАП. Для подтверждения смолы ДЭГ-1 был выбран отвердитель -дидиэтилентриамин (ДЭТА) наиболее широко использующийся для получения прозрачных оптических деталей.
Для изменения вязкоупругих и прочностных свойств покрытия в состав композиции так же вводится модификатор - бутилглицидиловый эфир (БГЭ).Состав композиции для ЗАЛ:Смола ДЭГ-1 -100 весовых частей,Отвердитель ДЭТА -25 весовых частей,Модификатор БГЭ - 10-60 весовых частей.
Для получения защитного покрытия на активном элементе лазера берется отмеренное количество смолы ДЭГ-1, отвердителя и модификатора, композиция тщательно перемешивается и вакуумируется для удаления црщрьков воздуха.
Твердотельный ИАГ: Ш3+-лазер с пиротехнической накачкой и ресурсом равным единице
На основе пиротехнической лампы с коаксиальной накачкой был разработан твердотельный лазер, в котором в качестве активного элемента использован KAT:Nd3+ в виде цилиндрического стержня. Конструктивная схема лазера приведена на рис.34. Лазер состоит из гильзы 1, с ввернутой капсюльной втулкой 2. Втулка имеет капсюль 3 и заполнена воспламенительным зарядом 4. Внутри гильзы размещен корпус лазера 5, залитый со стороны втулки специальным термостойким композитом 6, а с другой стороны заваль-цован в гильзе. В корпусе размещен основной пиротехнический заряд 7, рассекатель с пятью отверстиями 8, сопло 9, вход которого закрыт мембраной 29. Позицией 10 обозначена расширительная камера, на выходе которой установлен отсекатель 11. Активный элемент 12 одним торцом закреплен в специальной гайке 13, а другим - в корпусе лазера 5 с помощью уплотнитель-ной шайбы 14 и гайки 15. Основной пиротехнический заряд 7 выполнен в виде шашки с «бронированным» каналом 16.
В корпусе лазера 5 на упругом элементе 17 установлена юстировочная оправа 18 с выходным зеркалом оптического резонатора 19 и юстировочными винтами 20.
Глухое зеркало оптического резонатора 21 выполнено в виде призмы -«крыши», вмонтировано в специальную гайку 13. Корпус лазера 5 дополнительно жестко соединен с корпусом оптической системы 22, содержащим рассеивающую линзу 23, фокусирующую линзу 24 и защитный колпачок 25.
Между выходным зеркалом оптического резонатора 19 и торцом лазерного элемента 12 установлен пассивный модулятор добротности 26, закрепленный в резьбовой оправе и завернутый в корпусе 5 по резьбе, образованной гайкой 15. Корпус лазера 5 изготовлен из металла, имеет конфузоры 27, предназначенные для поддержания необходимого давления в камере сгорания. Суммарное проходное отверстие обеспечивает мягкое горение заряда в течение 100-200 мс без перехода горения во взрыв. Поджиг основного пиротехнического заряда осуществляется вспомогательным зарядом 4 , расположенным в капсюльной втулке 2.
В качестве основного заряда используется шашка, содержащая в своем составе циаль-16 - 43%, КСЮ4 - 47% и АСД-4 - 10%, спрессованная под давлением 300 МПа /см в картонную оболочку.
Дополнительно шашка снабжена бронированным центральным каналом. Центральный канал бронировался заливкой в него эпоксидной смолы с последующим высверливанием в нем отверстия. При этом толщина бронировки составляла 3 мм, а диаметр канала шашки с бронировкой составлял величину, равную 4 мм.
С целью оптимизации объема камеры сгорания и получения необходимой массы газа, обеспечивающей скорость истечения продуктов сгорания через сопло v 1000м/с, масса заряда была выбрана равной 43г.Для обеспечения равномерного торцевого горения прессование проводилось с подсыпкой инертного состава с одной стороны шашки. Корпус лазера 5 амеет изнутри покрытие 28, представляющее смесь эпоксидной смолы, содер-кащей до 20 % ТіОг. Покрытие обеспечивает теплоизоляцию корпуса от загретых частиц продуктов сгорания и предохраняет факел от дополнительного остывания, т.к. теплопроводность покрытия много меньше теплопроводно-л"и металлического корпуса 5.
Внутри корпуса 5 размещен рассекатель 8 ,имеющий 5 отверстий диаметром 4 мм, представляющий собой обратный корпус и предназначенный для формирования потока распыленных частиц в кольцевой факел, а также для поддержания нужного давления в камере сгорания.Активный цилиндрический лазерный элемент 12 размерами (10х 130)мм, активирован ионами Nd . Лазерный элемент имеет специальное аблирующее покрытие 6, предохраняющее его от нагрева продуктами сгорания от оседания непрозрачных продуктов сгорания на его поверхности.
В твердотельном лазере с пиротехнической накачкой сконструирован плоский незаполненный оптический резонатор, образованный из глухого зеркала - призмы «крыши» 21 и выходного зеркала 19, закрепленного в юсти-ровочной оправе.
Для обеспечения работы лазера в режиме модулированной добротности используется модулятор добротности 26 на основе окрашенного дитиобензиль-ным комплексом полиуретанакрилата. Пассивный затвор выполнен в виде триплекса из стекла К-8 и полиуретанакрилата с толщиной полимерного слоя 800 мкм.
Твердотельный ИАГ: Nd3+- лазер работает следующим образом. При разбивании капсюля воспламенительный состав инициирует горение основного пиротехнического заряда. Поджиг основного пиротехнического заряда обеспечивается вспомогательным зарядом, расположенным в капсюльной втулке. В процессе сгорания дополнительного вспомогательного заряда, образуется состав, содержащий большое количество горящих дисперсных металлических частиц, которые при сгорании дают большое количество искр, имеющих высокую температуру, что обеспечивает поджиг основного заряда по всей торцевой поверхности.
Продукты горения, представляющие собой нагретые до высокой температуры диоксиды Zr и А1 и газообразного КС1 формируются рассекателем 8 в кольцевой факел, который метается в направлении сопла Л аваля 9.
Камера сгорания отгорожена от соплового блока мембраной 29, которая взрывается при достижении определенного начального давления в камере горания. Факел, пролетая через сопло разгоняется до скорости ио=(1-2)-10 м/с и юпадает в расширительную камеру 10, предназначенную для отсекания газовой оставляющей факела (за счет расширения и конденсации газовой фракции, одержащей КС1 на холодных стенках расширительной камеры). Оставшаяся [асть газовой составляющей отсекается отсекателем 11. Факел, содержащий [иоксиды А1 и Zr, пролетает через отсекатель 11 и перемещается вдоль активно-о элемента за время t тсп / 2, где тсп - время жизни возбужденного уровня, аким образом осуществляется оптическая накачка лазерного элемента, после его продукты сгорания через конфузоры попадают на внутреннюю полость, бразованную внутренней поверхностью 6 гильзы 1 и наружной поверхностью орпуса лазера 5, где охлаждаются и конденсируются. Режим модуляции ;обротности осуществляется так, как это было показано в разделе 3.1.
Идентификация элементного состава грунта с использованием лазерного ионизатора и время-пролетного динамического масс-анализатора
Как было показано во введении, грунт представляет собой сложное вещество, содержащее большое количество химических элементов с различными термодинамическими и теплофизическими характеристиками. Преимуществом лазерной ионизации вещества является то, что при достаточно высокой плотности лазерного излучения вещество будет испаряться независимо от его физических свойств (ионная эмиссия или фотодесорбция) [48]. В этом случае поглощение светового фотона может привести к распаду молекулы на ионы, либо к ионизации атома или молекулы при пиковой мощности лазера 108-10 Вт/см . Источником ионов является высоко ионизированная плазма.
Для анализа элементного состава грунта Земли в диссертационной работе рассматривается классический метод масс-спектроскопии, в котором исследование ингредиентов и их концентраций осуществляют путем определения масс ионов или путем измерения отношений масс ионов к их зарядам. Индикаторным параметром является масс-спектр, несущий информацию о совокупности значений масс и их относительном содержании [49].
В методе масс-спектроскопии используется разделение в вакууме ионов разных масс под воздействием электрических и магнитных полей.В геологии и в геохимии масс-спектральное определение изотопного состава ряда элементов (свинца, аргона и т.п.) лежит в основе методов определения возраста горных пород и рудных образований [50].
Масс-спектральный анализ элементного состава грунта планировался в экспедициях «Фобос-1» и «Фобос-2», а также в будущих экспедициях на Марс [15,16].
Для разделения ионизированных частиц вещества по их массам, основанного на воздействии электрических и магнитных полей на пучки ионов, летящих в вакууме, используют масс-спектрометры. Функциональная схема масс-спектрометра приведена на рис. В качестве ионизатора вещества исполь-зуется ИАГ:Ш -лазер с пиротехнической лампой накачки. Контролируемое вещество представляет собой грунт Земли, для регистрации и анализа ионов используется время-пролетный масс-анализатор (см.рис.6). Ионный пакет впрыскивается через сетку 1 в анализатор 2, представляющий собой эквипотенциальное пространство. Дрейфуя вдоль анализатора, по направлению к коллектору ионовЗ исходный пакет расслаивается на ряд пакетов, каждый из которых состоит из ионов с одинаковыми т/е за счет того, что в исходном пакете энергия всех ионов одинакова, а их скорости и, следовательно, времяпролета t обратно пропорционально Vm, т.е. t=L J1 / у, где L- длина анализатора, V- ускоряющий потенциал, m и е —масса и заряд иона соответственно. Последовательность ионных пакетов, приходящих на коллектор, образует масс-спектр, который можно зарегистрировать, например, на осциллографе, спектроанализаторе и полученные результаты обработать на ЭВМ [51].
Рис.59. Функциональная схема масс-спектрометра, где: 1-лазерный иони-затор вещества (ИАГ:Ш -лазер с пиротехнической лампой накачки); 2-контролируемое вещество; 3- время-пролетный динамический масс-анализатор; 4-приемник ионов; 5- усилитель тока; 6-спектроанализатор; 7-ЭВМ; 8- система электрического питания (термо-электрогенератор на основе плутония -238); 9-вакуумные насосы. Пунктиром показана вакуумированная часть прибора.
В диссертационной работе даны научно-обоснованные инженерно-физические и технические решения, направленные на создание методов и средств ионизации вещества в проблеме определения элементного состава грунта в условиях дефицита или отсутствия источников электрической энергии. В качестве базового метода выбран метод масс-спектроскопии с использованием ионного источника в виде стимулированного лазерного излучения, а в качестве анализатора - динамический время-пролетный масс-анализатор.
Метод масс-спектроскопии с ионизацией вещества лазерным лучом используется для определения элементного состава грунта Земли, когда пробы находятся в условиях вакуума.Эффективность метода масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества подтверждается также планируемыми экспериментами для определения элементного состава грунта планет (экспедиции «Фобос-1» и «Фобос-2», эксперимент «Лимма»).
В диссертационной работе решена проблема создания нового ионного источника в виде твердотельного ИАГ:Ш3+-лазера, для работы которого не требуется электрического питания, имеющего незначительные габариты и массу и выдерживающего при транспортировке без разрушения вибрационные и ударные нагрузки.
Масс-спектрометр совместно с разработанным лазером может быть использован для определения элементного состава грунта Земли в полевых условиях, а также при планировании космических экспериментов.
Основные выводы по работе сводятся к следующему:І.О.Показано, что основными недостатками твердотельных лазеров и импульсных ламп накачки является необходимость использования мощных электрических блоков питания, что увеличивает габариты, массу и расход электрической энергии; что существенного снижения указанных параметров на пути эволюции технических решений следует искать за счет применения
