Введение к работе
Актуальность задачи создания новых перспективных масс-, спектрометрических систем для исследования химического и изотопного состава вещества в газовой фазе в первую очередь связана с исследованиями земной атмосферы — среда, в которой мы эбитаем и которой мы дьшим. В этой связи важны экологические исследования загрязнений атмосферы промышленными и природными выбросами, включающие исследования основных параметров верхней атмосферы Земли, химического и изотопного состава, температуры. rte менее актуальны задачи, связанные с физикой земной атмосферы, Логическим продолжением этих исследований является исследование, атмосфер планет Солнечной системы.
Требования, предъявляемые к масс-анализаторам,
устанавливаемым на борту космических аппаратов, состоят в том, по наряду с высокими аналитическими характеристиками, приборы юлжны иметь малые габарита, массу, потребляемую мощность и >бладатъ высокой надежностью.
Приборы, применяемые для исследования атмосфер Земли и їланет, могут быть использованы " во многих областях науки и техники на Земле. Поэтому чрезвычайно перспективна адаптация приборов, устанавливаемых на борту космических аппаратов, к їєшєшш современных задач геологии, медицины, экологии и к гекоторым другим областям, особенно при проведении высокоточного кспресс-масс-анализа в полевых условиях.
К приборам, отвечающим большинству вышеперечислешг.х ребований, мокяо уверенно отнести времяпролетные масс-лектрометры (ВШС) для анализа газовых сред. Эти приборы обладают простой конструкцией, удобны в обращении и весьмп нформативнн. Так, например, они обеспечивают возможность внорашюго обзора масс-спектра и его частей Ъ сочетании с ыстротой регистрации в неограниченном диапазоне масс. В астоящее время разработан ряд приборов на основе времяпр^етного етода анализа по массам. Среди них выделяется времяпролетный асс-рефлектрон (MP), предложенный Мамыриным В.А. с соавторами, рибор обладает существенными достоинствами, опре делящими рогресс и перспективу его применения,- высокой разрешающей
способностью, простой конструкцией, малими габаритами.
Однако MP при анализе газа имеет невысокую относительную чувствительность, что связано в первую очередь с Оольшим фоновым шумом ионного источника, обусловленным импульсным характером работа и выходом ионоз из области ионизации, а также малой входной апертурой прибора. Данные недостатки присущи всем времяпролеТі^м системам, в том числе я наиболее удачной конструкции MP - "линейному" MP. Увеличить входную апертуру MP позволила новая конструкция , предложенная Манагадзе Г.Г., а уменьшить фоновый шум - методы, предложенные в данной диссертационной работе, в том числе и применение нового тандемного масс- спектрометра на основе MP. На тандемный МО диссертантом в соавторстве получено авторское свидетельство.
Целью диссертационной работы являются: разработке и создание масс-спектромэтрмческих систем с увеличенной абсолютной и относительной чувствительностью (широким динамическим диапазоном) на основе времяпролетного масс-рефлектрона для одновременного анализа нейтрального газа и ионов атмосферы планет, а также адаптация приборов для решения широкого круга задач на Земле. Эта задача связана с исследованием физических характеристик масс-спектрометров и происходящих в них процессов, разработкой методов .повышения чувствительности, расчетом, математическим моделированием, оптимизацией режимов работы и конструкции прибора, иошю-оптической схемы прибора, методик измерений, системы регистрации и обработки масс-спектров.
Научная новизна: автором исследованы физические процессы и аналитические характеристики MP. Показана причины, ограничивающие разрешающую способность и чувствительность прибора. Предложены методы повышения чувствительности MP, а также методике одновременного анализа по массам и энергии. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан ширскоапертурный UP с высокой чувствительностью к избирательностью с широким динамическим диапазоном, а также тандемный масс-анализатор. Тандемный масс-спектрометр защищен авторским свидетельством. Научная новизна описываемых,' приборов определяется применением оригинальных методик повышение чувствительности, связанных с ионно-оптической схемой И HOBOt конструкцией MP, режимов работы масс-спектрометров, методої
-э-
рэгиетрации масс-спектров''.
Практическая ценность: В результате проведенного полного цикла лабораторних исследований и испытаний приборов разработан ir создан широкоаи^ертуркый MP с високой чувствительностью (МЛРСИОН), а также на основе изобретения, предложенного диссертантом в соазторстве, тандзмный масс-анализатор, сочетающий широкий динамический диапазон радиочастотного масс-анализатора с высоким разрешением W. Указатше масс-спектрометры могут быть использованы как на борту НА для анализа нейтрального газа и ионоз, так и в прикладных задачах на Земле.
В настоящее время на основе MP (МАРСИОН) создан прототип
малогабаритной масс-спектрометрической системы для химического
анализа газа, предназначенный для использования в задачах"
экологического контроля. Результаты диссертационной работы,
связанные с результатами исследования фоновых шумов
масс-спектрометра, методиками повышения чувствительности,
эптимизацией режима работы масс-спектрометра, могут найти
применение при разработке и конструировании различных
«асс-спектрометричвских систем. *
' На защиту выносятся следующие положения:
-Экспериментальное подтверждение расчетных характеристик разрешающей способности новой конструкции MP; -Измерение основных аналитических характеристик и результаты исследования источников и составляющих фонового шума предлагаемого MP, в том числе обнаружение нейтральных масс-пиков;
-Применение предложенного метода дополнительного отражения ионов в MP и одновременного уменьшения расстояния от рефлектора до детектора для уменьшения фонового шума и увеличения чувствительности, динамического диапазона MP; -Оптимизация иошю-оптической схемы MP и вр^енного режима работы ионного источника для достижения высокой чувствительности; ! также на основании экспериментально полученных характеристик.MP: -Разработка и создание высокочувствительной масс-спектрометрической системы на основе ЫР с широким данамиЧ'. 'жим диапазоном для исследования нейтральной компоненты и ионов;
-Примевение режима ограничения основных компонент масс-спектра в MP с целью увеличения чувствительности;
-Экспериментальное подтверждение основных характеристик прибора результатами масс-акализа эталонных газовых смесей;
-Предложение метода одновременного анализа по массам и распределения по энергии в MP;
-Расчеї и создание тандемного масс-анализатора.
Апробация диссертационной работы: Данная работа была выполнена в ИКИ АН СССР в течение I986-J93I гг. Основные теоретические и экспериментальные результаты регулярно обсуждались на семинаре лабораторій активной диагностики МИ РАН, были представлены па конкурсе молодых ученых ИКИ РАН (І99Т), докладывались на международной школе (Суздаль, 1991) и Московском семинаре по элементному масс-спектрометрнческому анализу (1992), разработанные приборы были представленн на выставке космической техники (Мериленд,1991). По теме диссертации опубликовано 5 работ и получено авторское свидетельство.
Структура диссертация: Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав и заключения. Работа имеет 138 страниц текста, рисунков 83 . Библиография насчитывает 200 наименований.
