ПЫЛЕУДАРНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР Российский патент 1998 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований. Известны времяпролетный масс-спектрометр, содержащий мишень, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, электростатический отражатель, приемник ионов (статьи: I "Первые результаты измерений элементного состава пылевых частиц кометы Галлея, полученные приборами ПУМА в проекте "Вега", Письма в АЖ, т. 12, N 8, 1986. /Сагдеев Р.З., Киссель И. и др).

Недостатком является низкая разрешающая способность в области тяжелых масс ионов, зависимость разрешающей способности, сбора ионов от координаты удара, низкое качество эксперимента в связи с влиянием факторов космической среды на чистоту чувствительной поверхности мишени масс-спектрометра в процессе эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому масс-спектрометру является выбранный в качестве прототипа времяпролетный масс-спектрометр, содержащий мишень, выталкивающую сетку, электростатический отражатель с нелинейным осевым распределением потенциала, приемники ионов, расположенные в области крайнего сетчатого электрода отражателя (статья: Новиков Л.С., Семкин Н. Д., Куликаускас В.С. "Масс-спектрометрия ионов, эмиттируемых при соударении микрометеорных частиц с материалами". Физика и химия обработки материалов, N 6, 1989). Недостатком прототипа является малая площадь мишени, низкая разрешающая способность в диапазоне тяжелых масс ионов, низкое качество эксперимента, зависимость выходных характеристик от места соударения. В космическом эксперименте необходима большая площадь мишени (400 см²), информация об элементном составе мишени и окружающего газа для выделения элементного состава исследуемой частицы.

Поставлена задача разработать пылеударный масс-спектрометр с высокой разрешающей способностью по массе, с высоким качеством эксперимента, слабой зависимостью выходных характеристик от места соударения, высокой чувствительностью за счет динамической компенсации начального разброса ионов источника по координате и времени вылета путем введения источника изменяемого во времени импульсного напряжения, выполнения отверстий в мишени и электростатического цилиндрического отражателя, а также установки источника ионов в виде сетчатой трехэлектродной симметричной системы, нагреваемого отражателя.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей, позволяющих повысить чистоту и достоверность экспериментальных данных и возможность разрешения массовых пиков тяжелых масс элементов, находящихся в исследуемых пылевых частицах.

Поставленная задача достигается тем, что масс-спектрометр снабжен электростатическим цилиндрическим отражателем, содержащем внешнюю и внутреннюю сетки, охватывающем мишень с выполненными в ней отверстиями, источником ионов, установленным в центре мишени и содержащем нагреватель, отражатель электронов, управляющую, ускоряющую и выходную сетки, приемниками ионов в виде вторично-электронных умножителей с соответствующими электродами полусферической формы, установленными с противоположной к ударному воздействию стороны мишени, симметрично каждому из ее отверстий на фиксированном расстоянии от нее, причем их выходы соединены с блоком обработки ионного спектра, управляющая сетка, отражатель электронов и нагреватель источника ионов соединены с соответствующими источниками напряжения и тока, мишень и ускоряющая сетка источника ионов соединены с источником измеряемого во времени импульсного напряжения, а внешняя сетка электростатического цилиндрического отражателя соединена с плоским отражателем и источником напряжения, а выталкивающая сетка соединена с внутренней сеткой цилиндрического отражателя.

На фиг. 1 представлена схема конструкции пылеударного масс-спектрометра, на фиг. 2 - схема анализатора масс-спектрометра, на фиг. 3 - схема движения ионов в полевом и бесполевом пространстве анализатора масс-спектрометра, на фиг. 4 - зависимость разрешающей способности от базовой массы, на фиг. 5 - зависимость разрешающей способности от длительности (интервала) дискретизации, на фиг. 6 - закон распределения ускорения ионов от времени (расчетный график), на фиг. 7 - схема устройства реализации функции a(t), на фиг. 8, 9 - соответственно зависимости разрешающей способности и коэффициента сбора (K_сб) от координаты (радиуса мишени), на фиг. 10 - схема источника ионов и диаграмма потенциалов на его электродах.

Пылеударный масс-спектрометр содержит мишень 1 с выполненными в ней отверстиями (фиг. 1), плоский электростатический отражатель 2, приемник ионов 3 в виде вторично-электронного умножителя, электростатический цилиндрический отражатель, состоящий из внешней 4 и внутренней 5 сеток, охватывающий мишень 1, фокусирующие электроды полусферической формы 6, блок обработки ионного спектра 7, источник ионов 8, установленный в центре мишени и содержащий управляющую сетку 9, ускоряющую сетку 10, выходную сетку 11, нагреватель 12, отражатель 13, источник тока нагревателя 14, источник тока и напряжения отражателя 15, источник напряжения управляющей сетки 16, источник изменяемого во времени импульсного напряжения 17, выталкивающую сетку 18, источник напряжения 19. Приемники ионов 3 с соответствующими фокусирующими электродами полусферической формы 6 установлены с противоположной к ударному воздействию стороны мишени 1, симметрично каждому из ее отверстий на фиксированном расстоянии от ее оси.

Мишень 1 соединена с источником изменяемого во времени импульсного напряжения 17, плоский отражатель 2 соединен с источником напряжения 19, приемник ионов 3 соединен с блоком обработки ионного спектра 7, внешняя сетка 4 цилиндрического отражателя соединена с источником напряжения 19, внутренняя сетка 5 цилиндрического отражателя соединена с выталкивающей сеткой 18 и заземлена, фокусирующие электроды полусферической формы 6 заземлены, управляющая сетка 9, ускоряющая сетка 10 источника ионов 8 соединены с источником напряжения 16 и изменяемым во времени импульсным источником 17, выходная сетка 11 соединена с выталкивающей сеткой 18, нагреватель 12 соединен с источником тока 14, нагреваемый отражатель электронов 13 соединен с источником напряжения и тока 15.

Устройство работает в 3-х режимах. Первый режим характеризуется регистрацией и обработкой спектра ионов, инициируемых в результате высокоскоростного соударения исследуемой частицы с поверхностью мишени 1 (фиг. 1). В момент соударения частицы с мишенью 1 блоком 17 вырабатывается импульс изменяемого во времени импульсного напряжения, уменьшающего величину ускорения ионов a(t). Образованные ионы выталкиваются из промежутка "мишень 1 - выталкивающая сетка 18" под действием напряжения, вырабатываемого блоком 17, и попадают в тормозящее поле промежутка "выталкивающая сетка 18 - отражатель 2". Ионы, рассеянные под большими углами разлета относительно нормали, попадают в промежуток сеток цилиндрического отражателя 4 - 5 и, отражаясь в нем, вторично попадают в тормозящее поле промежутка сеток 2 - 18, соответствующая часть ионов пролетают через четыре отверстия в мишени (диаметр их - d₀), попадают в область электрического поля промежутка "фокусирующий электрод 6 - ускоряющая сетка вторично-электронного умножителя 3", и далее ускоряясь в этом поле, попадают в окно умножителя (ВЭУ-6). Таким образом, сфокусированные пакеты ионов с выхода ВЭУ-6 обрабатываются в блоке 7. Более детально пояснение сущности предлагаемого способа фокусирования приводится ниже.

Режим второй реализуется после окончания приема и обработки спектра ионов в блоке 7, инициируемого соударением частицы с мишенью 1, и включает измерения элементного состава газов в окрестности мишени 1, при этом в качестве источника ионов используется источник ионов 8 (фиг. 1).

Источник ионов 8 совместно с тормозящим участком D (фиг. 1), бесполевым участком d, приемником ионов 3 образуют времяпролетный газовый масс-спектрометр, отличающийся от известных конструкцией источника ионов 8, а также законом формирования выталкивающего импульса в промежутке сеток 10 - 11, генерируемого блоком 17. Спектр ионов, полученный в процессе реализации второго режима, характеризует элементный состав собственной внешней атмосферы космического аппарата (СВА КА), является ценной информацией, однако при анализе спектра ионов, полученного в результате соударения частицы, является помехой, которую необходимо учитывать при проведении обработки.

Третий режим предназначен для регистрации элементного состава мишени 1 и необходим также для повышения качества эксперимента при анализе элементного состава пылевых частиц (например, микрометеороидов), хотя информация о загрязнении мишени 1 дает полезную информацию о процессах газовыделения элементов конструкций КА в процессе натурных экспериментов. Третий режим реализуется по времени после второго режима. От источника тока 15 нагревается отражатель электронов 13 до температуры испарения вещества, образованного на поверхности его (а также и мишени 1) в виде тонкой пленки. В результате в области источника ионов 8 образуется поток атомов, испаренных с отражателя 13, которые ионизируются электронами аналогично второму режиму. Полученный спектр ионов с выхода приемника ионов 3 учитывается при обработке ударных спектров (спектров, полученных от частиц). Таким образом, повышается качество эксперимента за счет совмещения пылеударного масс-спектрометра с газовым при сохранении высоких показателей каждого из них. Повышение чувствительности масс-спектрометра достигается за счет использования цилиндрического отражателя 4 - 5. Ионы, попадая в него, отражаются обратно в тормозящий промежуток D. Повышение разрешающей способности пылеударного (и газового) масс-спектрометра достигается за счет использования переменного во времени ускоряющего поля в промежутке мишень-сетка. То-есть суть метода повышения разрешающей способности заключается в том, что для компенсации энергетического разброса ионов используется переменное во времени ускоряющее поле.

Траектория движения иона в полевом и бесполевом пространстве показана на фиг. 2.

Запишем основные соотношения для времени пролета иона в приемник и его скорости

где
M_p - масса протона;
U₀ - напряжение в промежутке X ∈ [a,l], в момент t = 0 (задается заранее, причем U₀ ≤ U_т);
t₁ - момент вылета иона из управляющего промежутка (o,l);
a_т - ускорение,

Из формулы (1) имеем

При t₁ = 0 формула (2) имеет вид

Определим момент времени вылета из управляющего промежутка иона, который подвергается фокусировке

Таким образом, управляющее напряжение должно в момент t = t_1кр (фиг. 3) отключаться (т. е. a(t_1кр) = 0) (фиг. 6). Переменное во времени ускорение a(t) в интервале [o,l] запишем в следующем виде:

где
Δt - шаг дискретизации

a_k - неизвестные величины, которые находятся, с одной стороны, из условия, что в момент t₁= KΔt скорость вылета v₁(t₁) иона из промежутка X ∈ [a,l] должна быть равна

С другой стороны, величины a_k должны быть такими, чтобы ион, стартовавший в момент t (неизвестный заранее), достиг границы X= l в момент времени t₁= KΔt (фиг. 3, фиг. 6). Следовательно, ускорение a(t) находится из системы уравнений (в предположении, что при X = 0 U₀ = 0) вида

В этой системе две неизвестные величины: t и a(t).

Двойной интеграл в системе (5) можно представить в виде:

Неизвестные величины a₀, a₁ ... a_n находятся последовательно (фиг. 6). Сначала определяются значения t₀ и a₀ по заданному значению

из уравнений

Затем из условия, что в момент t₁= Δt ион, стартовавший в момент времени t (фиг. 6), достигает границы X = l с заданной скоростью v₁(t₁=Δt), из (2) находятся величины t и a₁ путем решения системы уравнений (5). По вычисленным a₀ и a₁ находится a₂ и т.д. Предположим, что найдены все значения a₀, a₁ . .. a_k-1. Тогда уравнения (5) и (6) для определения a_k можно преобразовать следующим образом:


Представим a(t),t∈[(K-1)Δt,KΔt] в следующем виде:
(9)
Тогда из формулы (7) имеем:

Для α_K получим:

Учитывая (9), (10), получим выражения для a_k:

Результаты моделирования процесса фокусировки ионов с помощью динамического компенсатора при Δ X = 1 мм, b = n/ Δ X = 1; U₀ = U_т = 200 B, d = 5 см, l = 0,5 см, D = 25 см, τ = 3 мкс, N = 500, показаны на фиг. 4, фиг. 5 (зависимости разрешающей способности от базовой массы и времени дискретизации).

Результаты расчета предлагаемого пылеударного масс-спектрометра показывают на высокую разрешающую способность в диапазоне больших масс, не достижимую в известных устройствах такого типа.

Наличие цилиндрического отражателя ионов и четырех отверстий в мишени (d₀ = 2,5 см) позволяет получить слабую зависимость R_G и K_сб (коэффициент сбора) от радиуса мишени. Увеличение количества отверстий не приводит к значительному уменьшению погрешностей выходных характеристик устройства от места соударения. Расположение приемников ионов 3 и фокусирующих электродов 6 за мишенью исключает прямое попадание высокоэнергетических частиц (более 1 кэВ), так как напряжение между сетками ВЭУ-6 и электродом 6 составляет 300 B - 350 B.

Таким образом, конструкция устройства позволяет выделить элементы исследуемой пылевой частицы из спектров, образованных загрязнением мишени (хотя она как правило имеет золотое покрытие) и газовыми частицами как составляющими СВА КА (собственной внешней атмосферой космических аппаратов), то есть повысить качество экспериментов.

Источник ионов (электронная пушка) пылеударного масс-спектрометра работает следующим образом.

Обычное состояние ионного источника показано сплошной линией на диаграмме потенциалов (фиг. 10). Электроны, генерируемые нитью накала 12, запираются в объеме накала потенциалами отражателя и управляющей сетки 9 (фиг. 10). В этот момент на управляющей сетке 9 низкий потенциал, равный опорному напряжению источника 16, который препятствует генерации ионов. Активное состояние источника ионов показано пунктирной линией. При этом электроны выбрасываются к ускоряющей сетке 10, где попадают в тормозящее поле между ускоряющей и выходной сетками, разворачиваются и возвращаются к накалу. Таких эволюций каждый электрон может сделать несколько. Участок возврата показан на графике жирной линией (ϕ_в) . Если ионы образовались на участке, показанном пунктирной линией, то поле ускоряет их в противоположном направлении. При подаче ускоряющего импульса U_B от блока 16 на сетку 10 пакет ионов уходит в область тормозящего поля (область D, фиг. 1).

На участке разворота электрона его энергия будет равна:

где
U_ип - напряжение источника питания ионной пушки;
X - глубина проникновения электрона в ускоряющее поле.

Эффективное сечение ионизации электронным ударом

Координата, на которой вероятность ионизации становится равной нулю, получается из уравнения (12) при ε_e≈ I

Таким образом, полная ширина зоны ионизации равна X_гр. Из (13) видно, что необходимую X_гр легко получить подбором U_уск, L₁ и U_ип. Это является одним из преимуществ данного источника ионов, тогда как известные источники традиционного типа для получения тонкого электронного листа должны быть изготовлены с прецизионной точностью, а также необходимо использование фокусирующих систем. Вторым преимуществом является совместимость ускоряющего промежутка с электронным пучком, что упрощает электронную схему источника и позволяет получить более высокое разрешение анализатора спектра. Возможно получение ионного пучка со строго заданным распределением по энергии. Кроме того, при этом принципе поучения ионов попадание электронов в объем анализатора спектра затруднено, что значительно уменьшает уровень шумов на входе приемника (3-4 иона в секунду).

Теоретические и экспериментальные исследования показали на целесообразность использования заявляемого устройства в натурных условиях, получения более детальной и достоверной информации о физико-химических свойствах высокоскоростных частиц, а также химическом составе и влиянии СВА КА на характеристики элементов конструкций КА.

Следует отметить, что на основе такого источника ионов выполнен обычный газовый масс-спектрометр времяпролетного типа в традиционном конструктивном исполнении, отличающийся от известных более высокими показателями. Например, при общих габаритах ⊘ 80 x 240 мм и размерах источника ионов ⊘ 20 x 30 мм практическое разрешение составило 520 - 530 даже при однородном по оси Z электростатическом зеркале.

Назначение: масс-спектрометрия преимущественно для космических исследований. Сущность изобретения: пылеударный масс-спектрометр снабжен электростатическим циллиндрическим отражателем, содержащим внешнюю и внутреннюю сетки, охватывающие мишень с выполненными в ней отверстиями, источником ионов, установленным в центре мишени и содержащим нагреватель, отражатель электронов, управляющую, ускоряющую и выходную сетки, приемниками ионов в виде вторично-электронных умножителей с соответствующими фокусирующими электродами полусферической формы, установленными с противоположной к ударному воздействию стороны мишени, симметрично каждому из ее отверстий на фиксированном расстоянии от нее, причем их выходы соединены с блоком обработки ионного спектра, управляющая сетка, отражатель электронов и нагреватель источника ионов соединены с соответствующими источниками напряжения и тока, мишень и ускоряющая сетка источника ионов соединены с источником изменяемого во времени импульсного напряжения, внешняя сетка электростатического цилиндрического отражателя соединена с плоским отражателем и источником напряжения, а выталкивающая сетка соединена с внутренней сеткой цилиндрического отражателя. 10 ил.

Пылеударный масс-спектрометр, содержащий мишень, выталкивающую сетку, электростатический плоский отражатель в виде сетки, приемник ионов в виде вторично-электронных умножителей, расположенных симметрично относительно оси масс-спектрометра, отличающийся тем, что он снабжен электростатическим цилиндрическим отражателем, содержащим внешнюю и внутреннюю сетки, охватывающим мишень с выполненными в ней отверстиями, источником ионов, установленным в центре мишени и содержащим нагреватель, отражатель электронов, управляющую, ускоряющую и выходную сетки, приемниками ионов в виде вторично-электронных умножителей с соответствующими фокусирующими электродами полусферической формы, установленными с противоположной к ударному воздействию стороны мишени симметрично каждому из ее отверстий на фиксированном расстоянии от нее, причем их выходы соединены с блоком обработки ионного спектра, управляющая сетка, отражатель электронов и нагреватель источника ионов соединены с соответствующими источниками напряжения и тока, мишень и ускоряющая сетка источника ионов соединены с источником изменяемого во времени импульсного напряжения, внешняя сетка электростатического цилиндрического отражателя соединена с плоским отражателем и источником напряжения, а выталкивающая сетка соединена с внутренней сеткой цилиндрического отражателя.