Введение к работе
В диссертации рассматриваются методы расчета нелинейного распределения потенциала, позволяющие получать изохронные траектории ионных пакетов для случаев с энергетическим разбросом и ионизацией на протяженном участке, моделируется разлёт и сбор ионов в различных конструкциях приборов, а также приводятся экспериментальные результаты проверки модели.
Актуальность проблемы
Времяпролётные масс-спектрометрические приборы находят широкое применение не только в земных, но и в космических условиях. С этой целью на орбиту выводятся исследовательские космические аппараты, оборудованные соответствующей аппаратурой. В текущее время все больший интерес также проявляется к малым космическим аппаратам (МКА), позволяющим значительно понизить стоимость проведения космических экспериментов. Такие МКА предъявляют высокие требования к массо-габаритным и энергетическим характеристикам приборов, установленных на них. Времяпролётные масс-спектрометры обладают высокой разрешающей способностью и высокой чувствительностью при сохранении малых габаритов и веса. Перспективным направлением улучшения характеристик масс-спектрометрических приборов является использование нелинейных в пространстве электрических полей, создаваемых в выталкивающем (ускоряющем) промежутке и других областях (тормозящий или отражающий участок). Основной вклад в создание приборов для космических исследований внесли отечественные ученые Сысоев А.А., Каратаев В.И., Мамырин Б.А., Явор М.И., а также зарубежные - Kaufmann R., Srama R. и др.
Работа выполнена в рамках договора с ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс" (г. Самара) и по программе АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы".
Целью диссертационной работы является создание малогабаритного газового времяпролётного масс-спектрометрического прибора с высокой разрешающей способностью для исследования состава собственной внешней атмосферы КА, а также физико-химических процессов при взаимодействии лазерного излучения с веществом.
Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:
-
Получение зависимости, описывающей нелинейное распределение потенциалов выталкивающего промежутка, обеспечивающего фокусировку ионов, вытянутых из протяженной области ионизации, в широком диапазоне начальных координат ионизации.
-
Получение зависимости, описывающей нелинейное распределение потенциалов ионного зеркала, обеспечивающего фокусировку ионов по энергиям в широком диапазоне начальных энергетических разбросов.
-
Проведение теоретического и экспериментального исследования процессов фокусировки, разлета и сбора ионов в тракте масс-спектрометрического анализатора с нелинейным выталкивающим промежутком и нелинейным ионным зеркалом.
-
Разработка методики настройки электростатического отражателя с нелинейным распределением осевого потенциала, обеспечивающего компенсацию временного разброса массовых пиков, для диапазона начальных энергий ионов, составляющего 100% от ускоряющего потенциала.
5. Разработка конструкции бортового прибора на основе газового масс-спектрометра с разрешением не менее 350 в диапазоне масс химических элементов от 1 до 100 а.е.м., массой до 3 кг, габаритными размерами не более 280 х 235 х 265 мм с учетом трубки забора пробы, энергопотреблением не более 5 Вт (во время анализа) и методики обработки информации.
Методы исследования базируются на использовании теоретических положений электростатики, электродинамики, теории кинетики, дифференциального и интегрального исчислений, численных методов.
Достоверность полученных результатов подтверждается результатами расчётов, основанных на уравнениях движения, численных методах моделирования, а также совпадением результатов расчётов с экспериментальными данными.
Научная новизна
-
На основе решения уравнения движения ионов в электростатическом поле получены аналитические зависимости потенциала от продольной координаты, определяющие форму нелинейного распределения поля ускоряющего промежутка ионного источника и отражающего промежутка ионного зеркала, обеспечивающие изохронность траекторий заряженных частиц одной массы с точки старта до выходной сетки вне зависимости от их начальных координат, а также изохронность траекторий в тракте прибора вне зависимости от значений их начальных энергий на выходе из ионного источника.
-
Разработана методика выбора потенциалов полезадающих элементов конструкции масс-спектрометрического прибора с восстановлением расчетного осевого распределения потенциалов, использующая генетический алгоритм расчета набора потенциалов полезадающих элементов и обеспечивающая повышение скорости вычислений благодаря применению технологии массивно-параллельного программирования. Получены численные значения потенциалов, обеспечивающих восстановление расчетного распределения с погрешностью не более 0,5% для оси и 10% для периферии прибора. Разработана методика настройки электростатического отражателя с нелинейным распределением осевого потенциала, обеспечивающая относительную ошибку компенсации временного разброса массовых пиков на уровне 0,01% для диапазона начальных энергий ионов, составляющих 100% от ускоряющего потенциала.
3. Разработан опытный образец масс-спектрометрического прибора для
космических исследований, отличающийся применением нелинейного
выталкивающего промежутка и нелинейного отражателя. Данная конструкция
позволяет в 3 -і- 4 раза повысить разрешающую способность в диапазоне масс
0 -і- 100 а.е.м. по сравнению с электростатическими приборами, основанными на
фокусировке конечных порядков, а также устранить недостатки, присущие
динамическим приборам.
Выносятся на защиту
-
Метод фокусирования ионных пакетов, вытянутых из протяженной области ионизации, в ускоряющем промежутке с нелинейным осевым распределением электростатических потенциалов. Метод фокусирования ионных пакетов, имеющих начальный энергетический разброс, в отражающем промежутке с нелинейным осевым распределением электростатических потенциалов.
-
Методика определения потенциалов полезадающих элементов конструкции масс-спектрометрического прибора, обеспечивающих восстановление расчетного распределения потенциалов. Методика настройки электростатического отражателя с нелинейным распределением осевого потенциала, обеспечивающим компенсацию временного разброса массовых пиков для диапазона начальных энергий ионов, составляющего 100% от ускоряющего потенциала.
-
Конструкция газового масс-спектрометрического прибора с высокой разрешающей способностью и средства регистрации спектров масс ионов.
Практическая значимость работы
Результаты диссертационной работы использованы для создания бортового масс-спектрометрического прибора для исследования состава собственной внешней атмосферы космического аппарата, регистрации атомарного кислорода и аппаратуры обработки спектров масс ионов.
Результаты работы использованы при выполнении гранта 2012 года ("Исследование физико-химических свойств вещества в околоземном космическом пространстве") для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобрнауки.
Апробация научных результатов
Основные результаты работы доложены на конференциях: международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов" (2011, 2012), международная конференция "Научные и технические эксперименты на автоматических космических аппаратах и малых спутниках" (2011), Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы ракетно-космической техники" ("Козловские чтения") (2011), "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникации" (2011), Всероссийская научно-практическая конференция творческой молодежи "Актуальные проблемы авиации и космонавтики" (2012), региональная научно-практическая конференция, посвященная 50-летию полета человека в космос (2011), Международная молодежная конференция "Гагаринские чтения"(2013), "6th European Conference on Space Debris (2013)".
Личный вклад автора
Выносимые на защиту теоретические и экспериментальные результаты диссертации получены автором самостоятельно.
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, из них 9 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, а также в материалах 15 научных конференций, получено 2 патента РФ.
