Пылеударный масс-спектрометр для определения элементного состава микрометеороидов и частиц космического мусора Помельников, Роман Александрович

Введение к работе

В диссертации теоретически и экспериментально исследуются процессы образования спектров масс ионов в пылеударном масс-спектрометре, инициируемых высокоскоростным взаимодействием с ним твёрдых пылевых частиц, а также моделируется разлёт и сбор ионов в различных конструкциях приборов.

Актуальность проблемы

Исследование физико-химических свойств микрометеороидов имеет важное научное (фундаментальные области астрофизики, космохимии) и прикладное (космическая техника) значения. С этой целью рядом авторов разработаны пылеударные масс-спектрометры. В 1986 г. были выполнены космические эксперименты по изучению кометы Галлея с помощью аппаратов "Вега-1" и "Вега-2" (прибор "Пума"). Более детальные сведения о составе первичного материала протопланетного облака могут быть получены методом активного эксперимента Deep Jam. Успешное проведение таких экспериментов требует создания современных средств регистрации физико-химических характеристик космической пыли. Основной вклад в создание пы- леударных масс-спектрометров, проведение лабораторных и космических экспериментов внесли отечественные учёные Сагдеев Р.З., Сысоев А.А., Новиков Л.С., Ев- ланов В.И. и др., а также зарубежные ученые Fechtig H., Grun E., Kissel J., Srama R., Adams N.G., Dalmann B.K., T.Kato и др.

Работа выполнена в рамках договора с ФГУП 'ТНПРКЦ"ЦСКБ-Прогресс" (г. Самара) и по программе АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы".

Целью диссертационной работы является создание пылеударного времяпро- лётного масс-спектрометра с большой чувствительной поверхностью для исследования физико-химических характеристик микрометеороидов и частиц космического мусора.

Поставленная цель достигается путём решения следующих задач:

1. Получение зависимости зарядов ионов многокомпонентной плазмы, инициируемой высокоскоростным взаимодействием твёрдой частицы с чувствительной поверхностью масс- спектрометра, как функции напряженности электростатического поля ускоряющего промежутка и параметров частицы (скорости, плотности, массы). Получить зависимость разрешения времяпролётного масс-спектрометра от его конструктивных параметров.

2. Проведение экспериментального исследования процессов разлёта, сбора ионов, образованных высокоскоростным ударом в масс-спектрометре, с помощью электростатического ускорителя.

3. Разработать конструкцию бортового пылеударного масс- спектрометра с чувствительной площадью поверхности не менее 400 см² для измерения параметров частиц (массой 10^-12...5-10^-14 г., скоростей 1.30 км-с^-) и методики обработки информации.

Методы исследования базируются на использовании теоретических положений электродинамики, теории ударных волн, плазмы, кинетики, дифференциального и интегрального исчислений.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами расчётов, основанных на теории ударных волн, уравнений движения, кинетики процессов в плазме, а также совпадением результатов расчётов с экспериментальными данными.

Научная новизна

3. 1. На основе теории зонда в плазме, теории ударных волн и уравнений кинетики впервые предложена методика определения остаточных зарядов ионов многокомпонентной ударной плазмы, при разлёте её в электростатическом поле ускоряющего промежутка, учитывающая влияние поля на величины зарядов.

   2. На основе решения уравнения движения ионов в изменяемом во времени ускоряющем электрическом поле разработан метод фокусирования спектра масс ионов времяпролётном пылеударном масс-спектрометре . Данный метод позволяет повысить разрешение в 5^10 раз для большого диапазона масс, по сравнению с электростатическим ускоряющим полем.

   3. На основе использования электростатического ускорителя разработана методика проведения ударных экспериментов по исследованию спектрального состава высокоскоростных частиц различных материалов с учетом положительного заряда ударной частицы. Проведены эксперименты для частиц в диапазоне масс от 10^-12 до 10^-14 грамм и скоростей от 1 до 20 км-с^-1 .

   4. Предложено устройстве регистрации и оценки содержания химических элементов в высокоскоростной частице и её физических характеристик (скорости, массы) с учетом влияния на время пролётный масс-спектрометр помех (ионов, протонов, электронов и импульсных электромагнитных помех).

   5. Предложена конструкция пылеударного масс-спектрометра с динамическим режимом компенсации, имеющим характеристики: диапазон масс и скоростей частиц от 10^-11 до 10^-14 г и от 1 до 30 км-с^-1 соответственно, разрешения от 200 до 250 в диапазоне масс химических элементов от 1 до 100 а.е.м., площадь чувствительной поверхности прибора 400 см².

   На защиту выносятся:

   3. 4. 1. Метод определения остаточных зарядов элементного состава твёрдых высокоскоростных частиц в зависимости от напряжённости электростатического поля в ускоряющем промежутке времяпролетного масс-спектрометра .

         2. Метод фокусирования ионных пакетов в пылеударном масс-спектрометре в изменяемом во времени электрическом поле ускоряющего промежутка.

         3. Результаты ударных экспериментов по регистрации спектров масс ионов с помощью времяпролётного масс-спектрометра при использовании электростатического ускорителя.

         4. Методика обработки информации о физико-химических характеристиках высокоскоростных пылевых частиц при воздействии помех (ионов, протонов, электронов и импульсных электромагнитных помех).

         5. Конструкции пылеударных масс-спектрометров с большой чувствительной поверхностью и средства регистрации спектров масс ионов.

         Практическая значимость работы

         В диссертационной работе результаты являются научным обоснованием создания бортового масс-спектрометра для исследования микрометеороидов, частиц космического мусора 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 конференция "Научные и технологические эксперименты на автоматических аппаратах и малых спутниках" (2008, 2011), международная научно-техническая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов" (2003, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011), "Научные и технологические российские и зарубежные эксперименты на автоматических космических аппаратах "Фотон", "Бион", результаты, проблемы и перспективы" (2000), "50 студенческая научно-техническая конференция" (2000), "Всероссийская студенческая научная конференция "V КОРОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ" (1999), "VI КОРОЛЕВСКИЕ ЧТЕНИЯ" (2001), 9^th International Space Conference, Protection of Material and Structures From Space Environment. ICMSE-9 Toronto Canada on 2008.

         Личный вклад автора Выносимые на защиту теоретические и экспериментальные результаты диссертации получены автором самостоятельно.

         Публикации по теме диссертации По теме диссертации опубликовано 29 научных работ, из них 10 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получено 7 патентов РФ, а также в материалах 12 научных конференций

         Похожие диссертации на Пылеударный масс-спектрометр для определения элементного состава микрометеороидов и частиц космического мусора

         

         Устройства регистрации частиц космического мусора и микрометеороидовИзюмов, Михаил Владимирович

         

         Исследование влияния электрического поля, давления и геометрии ионного тракта на чувствительность и разрешающую способность тандема-спектрометр приращения ионной подвижности/масс-спектрометрШевень, Дмитрий Григорьевич

         Новые методы удержания циклотронного возбуждения и детектирования ионов в масс-спектрометрах ионного циклотронного резонансаГоршков, Михаил Владимирович

         

         Способы повышения аналитических и эксплуатационных характеристик масс-спектрометров МИ 1201Т Шубин Владимир Михайлович

         

         Исследование и оптимизация характеристик источников ионов масс-спектрометров с магнитным анализатором для анализа гексафторида уранаМалеев Алексей Борисович

         

         Масс-спектрометр высокого разрешения с лазерно-плазменным источником ионов Борискин Александр Иванович

         

         Автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс специализированного масс-спектрометра МТИ-350ГНовиков Дмитрий Васильевич

         

         Разработка методик и систем ввода наноколичеств образцов в масс-спектрометр для решения задач поиска и идентификации аддуктов фосфорорганических соединений с сывороточным альбуминомКраснов Илья Александрович

         

         Малогабаритные масс-спектрометры для космических исследований, экологического и технологического мониторингаКоган Виктор Тувийевич

         

         Интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией для установки по поиску массы нейтрино из b-распада тритияГолубев Николай Александрович