Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 7
1.1. Задачи и методы детектирования органических веществ 7
1.2. Методы и приборы спектроскопии ионной подвижности 12
1.2.1. Дрейф-спектрометры «продольной ионной подвижности» 13
1.2.2. Дрейф-спектрометры «поперечной ионной подвижности» 14
1.2.3. Устройства ввода проб в дрейф-спектрометры 15
1.3. Поверхностно-ионизационные термоэмиттеры ионов 16
1.3.1. Классическая теория поверхностной ионизации 16
1.3.2. Материалы термоэмиттеров ионов 22
1.4. Теория спектрометров «поперечной ионной подвижности» 29
1. 5. Объемный заряд ионов в поверхностно-ионизационных приборах .35
2. Постановка задачи диссертационной работы 37
3. Развитие физической модели дрейфового движения ионов с учетом влияния объемного заряда 39
3.1. Дрейфовое движение ионов в плоском зазоре 39
3.2. Движение ионного пучка в дрейфовой трубке 41
3.3. Движение симметричного ленточного ионного пучка 44
3.4. Движение несимметричного ленточного ионного пучка 47
3.5. Конструктивная схема дрейф-спектрометра 48
3.6. Выводы по главе 51
4. Физико-химия поверхностной ионизации органических молекул 52
4.1. Физико-химическая модель поверхности оксида 52
4.2. Активные центры на поверхности оксида молибдена 57
4.3. Механизм селективной ионизации органических молекул 62
4.4. Влияние влажности воздуха на эффективность ионизации 63
4.5. Исследование и разработка материала термоэмиттеров ионов 64
4.5.1. Принципы выбора состава материала термоэмиттера 64
4.5.2. Сравнительные испытания материалов термоэмиттеров 69
4.5.3. Технология изготовления материала термоэмиттера 70
4.6. Выводы по главе 71
5. Разработка конструкции и технологии поверхностно -ионизационного дрейф-спектрометра 73
5.1. Конструкция и технология изготовления термоэмиттера ионов... 73
5.2. Стенд для контроля качества термоэмиттеров ионов 76
5.3. Конструкция и технология изготовления дрейф-спектрометра 78
5.4. Методика и устройство ввода проб в дрейф-спектрометр 79
5.5. Основные технические характеристики дрейф-спектрометра 80
5.6. Выводы по главе 86
6. Исследование и разработка методик идентификации органических молекул 86
6.1. Методика контроля качества термоэмиттеров ионов 86
6.2. Методика измерения дрейфовой подвижности ионов 90
6.3. Методика измерения энергии активации ионизации 95
6.4 Дрейф - спектры органических соединений из класса аминов 99
6.5. Выводы по главе 104
7. Перспективные области применения приборов на основе селективной поверхностной ионизации 105
7.1. Детектирование гептила и его производных 105
7.2. Детектирование органических молекул отравляющих веществ 108
7.2.1. Органические соединения фосфорам мышьяка 108
7.2.2. Органические соединения серы 109
7.3. Перспективные схемы построения аналитических приборов ПО
7.4. Выводы по главе 114
Заключение 115
Литература
- Дрейф-спектрометры «поперечной ионной подвижности»
- Движение симметричного ленточного ионного пучка
- Механизм селективной ионизации органических молекул
- Конструкция и технология изготовления дрейф-спектрометра
Введение к работе
В развитии человечества в последние десятилетия обозначился ряд проблем, успешность решения которых во многом определяет прогресс и безопасность его развития, в том числе и развития России. Во-первых, это непрерывное загрязнение окружающей среды, в том числе воздушной, за счет использования экологически опасных технологий и несовершенства методов очистки промышленных выбросов. Во-вторых, это угрозы, связанные с расширяющимся распространением наркотических и психотропных веществ, что особенно актуально для России, находящейся на пересечении транспортных потоков из Центральной и Юго-Восточной Азии. И, в-третьих, это угрозы, связанные с распространение терроризма, в том числе с возможным применением средств, относящихся к отравляющим и физиологически активных веществам. Решение указанных проблем включает реализацию комплекса политических, организационных, финансовых и технических мероприятий. При этом в рамках реализации соответствующей технической политики одно из важнейших мест занимает развитие технических средств экологического мониторинга окружающей среды, разработка приборной базы для детектирования малых и сверхмалых количеств наркотических, взрывчатых и физиологически активных веществ.
Традиционно в качестве приборов для решения указанных задач используют различные типы датчиков на основе полупроводниковых сенсоров, газовые и жидкостные хроматографы, масс-спектрометры, хромато-масс-спектрометры, инфракрасные спектрометры и т.д. Большинство из перечисленных приборов имеют апробированное методическое обеспечение, в том числе в области пробоподготовки, и обширные базы данных, что позволяет использовать их достаточно эффективно. В то же время многие из них обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих возможности решения актуальных проблем.
Основными недостатками полупроводниковых сенсоров являются их высокая чувствительность к влажности анализируемой газовой фазы и низкая селективность; газовых и жидкостных хроматографов - сравнительно низкая чув-
5 ствительность, значительное время единичного анализа и сложность методик пробоподготовки; масс-спектрометров и хромато-масс-спектрометров - значительные габариты приборов, длительное время единичного анализа и сложность в обслуживании; ИК-спектрометров - низкая чувствительность, длительное время анализа, значительные габариты приборов.
В последние 10-15 лет были предложены газоанализаторы на основе двух типов дрейф-спектрометров [1 - 4]: спектрометра «поперечной» [1] и спектрометра «продольной» [2] дрейфовой подвижности ионов. Для ионизации газовой фазы, подаваемой на вход приборов, используют устройства на основе радиоактивных источников [1-2], коронного разряда [1], ультрафиолетового излучения [3], лазерного излучения [4]. Несмотря на то, что некоторые приборы таких типов доведены до коммерческого выпуска ("IONSCAN - 400", "ITEM-ISER", «Пилот», «Шельф» и т.д.), многие вопросы физики образования ионов органических соединений, методов расчета дрейф-спектрометров, методов идентификации органических соединений, создания баз данных органических веществ требуют дальнейшей научной и инженерной проработки. Кроме того, несмотря на высокую чувствительность предложенных типов дрейф-спектрометров, возможность анализа газовой фазы при атмосферном давлении, малое время единичного анализа, они обладают и существенными недостатками - отсутствием селективности по отношению к различным классам органических соединений, недостаточной разрешающей способностью, высокой чувствительностью к колебаниям влажности газа - носителя.
Еще в 70-е годы прошлого века было экспериментально установлено, что на поверхности некоторых тугоплавких металлов (молибден, вольфрам, рений) при температуре 300 - 400 С в условиях атмосферы воздуха имеет место селективная ионизация органических соединений на основе трехвалентного азота - аминов, гидразинов и т.д. [5-7]. Однако многочисленные попытки разработки селективных поверхностных ионизаторов органических молекул и аналитических приборов на их основе, в частности дрейф-спектрометров с селективной поверхностной ионизацией аминов, окончились неудачей. Это было связано с
неадекватностью существовавших физических моделей поверхностной ионизации соединений азота в условиях атмосферы воздуха при не слишком высоких температурах поверхности термоэмиттеров ионов.
В последние несколько лет был сформулирован новый подход к явлению ионизации органических соединений в условиях атмосферы воздуха [8-9]. В частности было показано, что классическая интерпретация данного физического явления в рамках известного уравнения Саха-Ленгмюра в данном случае неприменима. Кроме того, была продемонстрирована возможность создания дрейф-спектрометров с селективной поверхностной ионизацией органических соединений, относящихся к различным их классам [10-11] и необходимость учета действия объемного заряда в дрейф-спектрометрах такого типа [9]. Однако к моменту постановки данной работы в литературе отсутствовали детальная научная и инженерная проработка:
- вопросов создания и технологий изготовления материалов поверхностно-ионизационных термоэмиттеров ионов;
- методов приближенного расчета и конструирования дрейф-
спектрометров с поверхностно-ионизационными термоэмиттерами ионов;
методов измерения параметров поверхностной ионизации органических соединений в условиях атмосферы воздуха;
вопросов селективности материалов поверхностно-ионизационных термоэмиттеров ионов к различным классам органических соединений, чувствительности их к влажности воздуха и т.д.
Решению указанных задач, направленных на создание научных, инженерных и технологических основ поверхностно-ионизационной дрейф-спектрометрии, и посвящена данная диссертационная работа. Исследуемые и разрабатываемые материалы, технологии и приборы призваны прежде всего обеспечить селективное детектирование органических веществ из класса аминов, к которому относятся большинство типов вредных промышленных выбросов и наркотических веществ, с высокой чувствительностью, достоверностью и разрешающей способностью.
Дрейф-спектрометры «поперечной ионной подвижности»
В состав прибора входит дрейф-спектрометр продольной подвижности, система формирования лазерного пучка, камера ионизации, в которой создается электрическое поле заданной напряженности, и блок забора проб воздуха.
Анализаторы поперечной дрейфовой подвижности ионов используют в области значений электрических полей, когда выполняется соотношение а Е 1. В основе их работы лежит принцип разделения ионов в несимметричном импульсном электрическом поле. Схемы таких приборов с анализаторами типа «плоский конденсатор» или «цилиндрический конденсатор», приведены соответственно на Рис. 1.5 и Рис. 1.6. В данных типах приборов идентификация органических молекул осуществляется по величине коэффициента а, причем в качестве ионизатора также использован радиоизотопный источник на основе Ni03.
Приборы типа «цилиндрический конденсатор» имеет сравнительно высокую светосилу, хотя разрешающая способность их составляет 20 - 70 . Анализаторы типа «плоский конденсатор» имеют более простую конструкции, однако их светосила меньше, чем у приборов типа «цилиндрический конденсатор». 1.2.3. Устройства ввода проб в дрейф-спектрометры.
Устройства ввода анализируемого вещества в анализаторах дрейфовой подвижности ионов предназначены для обеспечения работы приборов в следующих режимах: непосредственное обнаружение и анализ паров НВ, анализ вещества, собранного с поверхности досматриваемого объекта с помощью салфетки, анализ растворов микропроб неизвестного вещества.
Так как при обычных условиях давление паров НВ достаточно мало, то для повышения чувствительности приборов они, как правило, содержат ячейку с сорбентом, через которую прокачивают воздух, отбираемый вблизи контролируемого объекта. Затем ячейку с сорбентом нагревают и поток органических молекул с поверхности сорбента направляют в аналитический прибор. Однако чувствительность дрейф-спектрометров с изотопной ионизацией паров органических молекул часто оказывается недостаточной из-за низкой эффективности ионизации паров органических молекул (порядка 10"5). Методика анатиза веществ, собранных с помощью салфеток, имеет более высокую чувствительность. При этом данная методика также предусматривает нагрев собранных проб, помещаемых в специальные камеры приборов, и анализ продуктов десорбции или пиролиза проб. При реализации рассмотренных выше методик, а также методики тестирования растворов микропроб, особое внимание должно быть уделено предотвращению конденсаиии или нештатному пиролизу паров органических молекул в тракте «испаритель - ионизатор», а также устранению «эффекта памяти» приборов.
В последнее время распространение получил так называемый циклонный обдув объекта, показанный на Рис. 1.7, который позволяет увеличить расстояние, с которого эффективно забирается проба анализируемого вещества.
Важнейшим узлом, входящим в комплект приборов и позволяющим экспериментально определить чувствительность приборов и провести их калибровку, является устройство, формирующие калиброванные потоки паров тестовых веществ. Известны различные варианты конструкций узлов данного назначения, которые можно разбить на две группы: устройства, в которых в замкнутом термостатированном объеме создается фиксированная концентрация паров наркотических веществ, а отбор калиброванной пробы осуществляется из данного объема; устройства проточного типа, в которых газовый поток пропускается через термостат с наркотическим веществом и направляется затем в калибруемый прибор. Поверхностно-ионизационные термоэмиттеры ионов. 1.3.1. Классическая теория поверхностной ионизации.
Явление образования ионов органических молекул при столкновении их с поверхностью чистых или окисленных металлов в условиях вакуума или атмо сферы воздуха обычно рассматривают в рамках равновесного термодинамического подхода с использованием уравнения Саха - Ленгмюра [5, 32-33]. Однако физические явления, протекающие при взаимодействии органических молекул с поверхностью нагретого твердого тела и сопровождающиеся образованием ионов указанных органических молекул, не всегда соответствуют условиям применимости уравнения Саха - Ленгмюра. Это проявляется в том, что получаемые экспериментальные данные часто не описываются классическим уравнением Саха - Ленгмюра, в связи с чем водят так называемые поправочные множители, не имеющие, на наш взгляд, четкого физического смысла.
Обычно процесс образования ионов органических соединений на поверхности твердого тела представляют в виде последовательности квазихимических реакций на поверхности твердого тела: М + Твердое тело -» МА +1 Mj, А - Мл+ +1 Mf, г + ет , (1.4) где М - исходная органическая молекула, падающая на поверхность твердого тела, Mj 5 А - фрагмент і -го типа исходной молекулы, адсорбированный на поверхности твердого тела, ет - электрон твердого тела, Mj+, у , - ион і -го типа, покидающий поверхность твердого тела и переходящий в газовую фазу.
Движение симметричного ленточного ионного пучка
Таким образом, приближенные расчеты на основе уравнения Пуассона показывают, что ионный пучок, входящий в трубку дрейфа параллельно ее оси, достаточно быстро расходится из-за действия объемного заряда пучка. Причем даже при диаметре трубки дрейфа, равном 2 мм, и при расходе воздуха через трубку дрейфа, равном 3,5 л/мин, через нее может быть пропущен ионный пучок без потерь с величиной ионного тока не более 8 10" А.
По аналогии с движением интенсивных заряженных пучков в вакууме можно ожидать, что использование сходящегося газового потока через трубку дрейфа и, соответственно, сходящегося в начальном сечении трубки дрейфа ионного пучка, позволит увеличить пропускную способность трубки дрейфа. Это обусловлено тем, что величину первеанса ионного пучка можно представить в виде (3.7) где I - ток ионного пучка, Q - поток газа через дрейфовую трубку. Более того, по этой же аналогии можно ожидать существование оптимального начального угла сходимости газового потока при заданной длине трубки дрейфа и оптимальной конфигурации профиля канала трубки дрейфа. Уменьшить расходимость ионного пучка можно с помощью электростатической фокусировки ионного пучка, например, сформировав вдоль трубки дрейфа одиночную линзу и подав на ее средний электрод потенциал отрицательной полярности, величину которого можно оценить по соотношению (3.6). Рассмотрим движение ленточного ионного пучка в ленточном зазоре постоянного сечения. Если ширина зазора равна Ь, а начальная ширина ленточного ионного пучка, входящего симметрично относительно среднего сечения зазора и параллельно его пластинам, равна ао , то решение уравнения Пуассона приводит к следующему выражению для ширины ионного пучка вдоль продольной оси z ленточного зазора: где величина ионного первеанса пучка определяется выражением (3.5).
Как и в случае движения ионного пучка в дрейфовой трубке, движение ленточного пучка сопровождается увеличением потенциала в зазоре. Если принять величину потенциала пластин, ограничивающих газовый поток, равным Ua, то величина потенциала на оси пучка составит где величина ионного первеанса также определяется выражением (3.5).
Выражения (3.8) и (3.9) могут быть использованы для расчета движения ионного пучка в коаксиальном анализаторе дрейфовой подвижности ионов, если ширина зазора анализатора существенно меньше диаметра внутреннего цилиндрического электрода.
На Рис. 3.7 приведены результаты расчета контура ленточного ионного пучка от величины ионного тока для цилиндрического анализатора, имеющего диаметр внутреннего электрода 10 мм, внешнего - 12 мм, длину анализатора 40 мм (область 1), длину пролетного пространства от анализатора до коллекторной области 10 мм (область 2), для величины расхода воздуха 3,5 л/мин (Рис. 3.7 а) и 1,0 л/мин (Рис. 3.7 б). В расчете принято, что первоначально ионный пучок занимает половину ширины пролетного канала анализатора.
На Рис. 3.8 приведены расчетные зависимости первеанса ионного пучка от величины ионного тока в зазоре цилиндрического анализатора при двух значениях расхода воздуха через зазор, а на Рис. 3.9 приведены расчетные зависимости потенциала в средней плоскости ленточного ионного пучка в зависимости от величины первеанса пучка также при двух значениях расхода воздуха через анализатор.
Таким образом, через анализатор дрейфовой подвижности цилиндрического типа с зазором между электродами 1 мм, диаметре внутреннего электрода 10 мм, диаметре внешнего электрода 12 мм может быть без потерь пропущен ионный ток не более 5 10 10 А при расходе газа 3,5 л/мин и ионный ток не более 1,5 10
Механизм селективной ионизации органических молекул
Во многих органических соединениях фосфор и мышьяк являются трехвалентными, проявляя свойства, идентичные свойствам азота. Поэтому такие соединения должны ионизироваться по реакции (4.11), как и соединения азота. В то же время в ряде соединений фосфор и мышьяк имеют пять валентных связей, две из которых связаны с кислородом. Однако данные связи имеют так называемый семиполярный характер [76], при котором атом кислорода имеет значительный отрицательный заряд, а сама связь - существенный дипольный момент. В этом случае атом кислорода может принять протон с кислотного центра Бренстеда с образованием положительного иона по реакции (4.11). В органических соединениях сера проявляет свойства, во многом напоминающие свойства кислорода. При этом она образует двойную связь, имеющую семиполярный характер и значительный дипольный момент [76]. В этом случае она также может захватывать протон с кислотного центра Бренстеда с образованием положительно заряженного иона. Детальное исследование возможности реализации предложенных механизмов ионизации органических соединений на основе серы, фосфора и мышьяка приведены в Разделе 7. Так как эффективность известных методов ионизации органических молекул очень чувствительна к колебаниям влажности воздуха, прокачиваемого через область ионизации, представляет большой практический интерес определить влияние влажности воздуха на стабильность центров Бренстеда, ответственных за ионизацию органических молекул на поверхности материалов термоэмиттеров ионов.
Методика экспериментальных исследований состояла в следующем. При нескольких значениях температуры термоэмиттера измеряли ток ионов в цепи эмиттера при подаче доз раствора спиртового новокаина величиной 200 мкг в узел ввода проб измерительного прибора. Затем при тех же значениях температуры термоэмиттера в узел ввода проб в течение 200 секунд подавали поток воздуха с расходом 1,9 л/мин, пропускаемый через емкость в водой, имеющей температуру 23 С, то есть насыщали воздух парами воды до 100% влажности при данной температуре. После чего при тех же значениях температуры измеряли ток в цепи эмиттера при подаче тех же доз раствора новокаина. Результаты измерений приведены в Таблице 4.2.
Результаты исследований показывают устойчивость активных центров ионизации (центров Бренстеда) на поверхности окисленного молибдена в условиях воздуха, насыщенный водяным паром при температуре 23С. Молибден относится к группе материалов, нашедших широкое применение в электронике, так как он обладает набором уникальных физических свойств, в том числе высокой теплопроводностью. Однако применение молиб дена в окислительной среде невозможно из-за его высокой окисляемости. При этом образуется токсичный триоксид МоОз, возгоняющийся при температуре выше 300 С. Кроме того, формирование активных центров Бренстеда на поверхности оксида молибдена требует очень сложной и многостадийной термообработки материала термоэмиттера ионов. При этом образовавшиеся центры крайне неустойчивы, что приводит к нестабильности процесса ионизации органических молекул.
Нами была предложена и исследована схема выбора материала поверхностно-ионизационного термоэмиттера ионов, в основе которой лежит микролего-рование молибдена элементами четвертой, седьмой и восьмой групп Периодической системы. Реализация ее позволяет резко снизить скорость испарения триоксида молибдена и существенно упростить методику формирования активных центров на поверхности термоэмиттера и повысить их стабильность.
Так как атомы кислорода и молибдена в оксиде находятся в виде ионов, а испаряющийся триоксид молибдена - электрически нейтрален, то процесс испарения триоксида можно представить в виде квазихимической реакции: где т - среднее отклонение валентного состояния молибдена от +6, р - концентрация дырок в валентной зоне оксида молибдена, равная [2]: где аир- константы, зависящие от температуры. Тогда скорость испарения триоксида молибдена Q можно представить в виде где 5 - также константа, зависящая от температуры, Nv - концентрация кислородных вакансий в оксиде. Из соотношений (4.17) и (4.18) видно, что с увеличением степени нестехиометрии триоксида молибдена скорость его испарения уменьшается.
Известно, что обеспечить нестехиометричность триоксида молибдена, в том числе перевод ионов молибдена из состояния окисления +6 в состояние окисления +5 или +4, возможно путем его отжига в восстановительной среде, например в среде водорода. Однако в условиях окислительной среды такое состояние будет нестабильным, а молибден сравнительно быстро перейдет в состояние окисления +6.
Для обеспечения работы оксида молибдена в условиях воздуха в качестве эффективного термоэмиттера ионов можно выделить два основных критерия при микролегировании молибдена: 1. Снижение испарения МоОз с окисленного молибдена. 2. Формирование свободных связей для адсорбции на них протонов и гидроксил - ионов.
Конструкция и технология изготовления дрейф-спектрометра
Для определения характеристик термоэмиттера ионов, характеристик то-копропускания дрейф-спектрометра, нахождения оптимальных параметров электропитания электродов спектрометра были изготовлены тестовые образцы на основе одного из типичных представителей аминов - спиртового раствора новокаина. При этом базовый раствор новокаина имел концентрацию Со = 3,2 мг/мл, а девять последующих образцов раствора новокаина изготавливали последовательным разбавлением исходного раствора спиртом в два раза. Поэтому испытания прибора и эмиттера проводили с использованием следующего ряда концентраций растворов: С0; Со/2; С,/4; С /8; Q/16; С0/32; CQ/64; Со/128; С0/256; С)/512. В дрейф-спектрометр образцы раствора новокаина подавали на нихро-мовой спирали, изготовленной из проволоки диаметром 0,2 мм. Спираль имела 5 витков диаметром 1 мм. С использованием микрошприца от стандартного хроматографа была проведена калибровка количества спиртового раствора, остающегося на спирали после ее окунания в раствор новокаина. Это количество составляет 2 микролитра с воспроизводимостью порядка 2-3 %. Тестовые пробы на нихромовой спирали подавали во входной канал дрейф-спектрометра, после чего спираль нагревали подачей импульса тока величиной 2 Ампера в течение 10 секунд. При этом токи первого и второго коллекторов имели форму импульсов длительностью (на полувысоте) 2 секунды. Измерения всех параметров дрейф-спектрометра повторяли 5 - 7 раз для каждого из значений параметров электропитания спектрометра, температуры термоэмиттера, напряжения «термоэмиттер - первый коллектор» и т.д., после чего все результаты усредняли и находили погрешности измерений. В Таблице 5.1. приведены значения доз новокаина, вводимых при испытаниях дрейф-спектрометра и соответствующих используемым концентрациям раствора новокаина.
Испытания на предельную чувствительность проводили при дальнейшем разбавлении раствора до С0/Ю24, Со/2048, Со/4096, С0/8192, С0/16384, Со/32768, Со/65536. Это соответствовало дозам примерно : 6,2 нг; 3,1 нг; 1,6 нг; 800 пг; 400 пг; 200 пг; 100 пг. При меньших дозах новокаина возникали нестабильности, обусловленные примесями в используемом спирте. 5.5. Основные технические характеристики дрейф-спектрометра. Выбор параметров электропитания прибора.
Выбор оптимальных параметров электропитания электродов прибора был проведен в два этапа. На первом этапе экспериментально подбирали напряжение питания ускоряющего электрода, первого и второго фокусирующих электродов для получения максимального тока на внутренний электрод анализатора дрейфовой подвижности ионов. При этом на эмиттер подавали напряжение питания положительной полярности, первый коллектор был заземлен, а в узел ввода проб прибора подавали дозы новокаина с концентрацией Со/4 .
Видно, что для получения максимального ионного тока величина ускоряющего напряжения может быть установлена на уровне (80 100) В, при этом первое фокусирующее напряжение должно быть равно +(30 + 40) В, а второе фокусирующее напряжение - + (12 -46) В.
На втором этапе подбирали оптимальные значения напряжения на первом, втором и третьем фокусирующих электродах и на супрессоре для получения максимального тока коллектора ионов. Соответствующие характеристики приведены на Рис. 5.9.
Для определения чувствительности макета прибора при оптимальных значениях напряжений электропитания электродов были измерены концентрационные зависимости тока первого и второго коллекторов спектрометра. На Рис. 5.10 приведены зависимости тока первого коллектора (вверху) и чувствительности прибора по первому коллектору (внизу) от величины вводимой дозы новокаина, причем чувствительность определена нами как отношение тока данного электрода к дозе введенной пробы новокаина.
Как видно из приведенных экспериментальных зависимостей, с уменьшением вводимой дозы новокаина чувствительность прибора по току ускоряющего электрода растет, что связано с уменьшением роли объемного заряда, ограничивающего ток данного электрода, при уменьшении дозы вводимой пробы новокаина.
На Рис. 5.11 приведены аналогичные зависимости для тока второго коллектора и для чувствительности прибора по току второго коллектора. И в этом случае чувствительность прибора растет при уменьшении вводимой дозы новокаина.
Данная экспериментальная зависимость, конечно, не отражает фундаментальные аспекты ионизации органических молекул на поверхности окисленного молибдена и является некоторой усредненной характеристикой, определяемой совместным действием объемного заряда, факторами токопрохождения узлов прибора и т.д. Однако данная температурная зависимость может быть использована при разработке практических методик количественного анализа содержания органических молекул в потоке анализируемых проб воздуха.
Рис. 5.14. Расчетные траектории средней линии ионного пучка в зависимости от величины ионного тока в области расширения канала прибора вблизи коллектора ионов.
Анализ результатов расчетов, а также анализ экспериментальных результатов, приведенных в данной главе, позволил выявить две области прибора, в которых вероятно ограничение токопрохождения. В частности, измеренное значение ионного тока, проходящего через область первой фокусирующей линзы, примерно в 5 раз меньше его расчетного значения. Это связано с тем, что в зазоре между вторым фокусирующим электродом и центральным электродом анализатора имеется область повышенного первеанса ионного пучка, возникшая из-за большого зазора между данными электродами. Кроме того, экспериментально измеренный ток второго коллектора примерно в 3 раза меньше его расчетного значения. Это связано с отклонением ионного пучка в сторону центрального электрода при выходе его из области анализатора в область коллектора. На Рис. 5.13 приведены рассчитанные нами в соответствии с соотношением (3.12) траектории средней плоскости ионного пучка в данной области, которые иллюстрируют вышесказанное. Это ограничение можно уменьшить, укоротив данную область прибора и введя дополнительный корректирующий электрод в области расширения ионного пучка.
Похожие диссертации на Дрейф-спектрометрия с селективной поверхностной ионизацией органических молекул
