eng
Выпуск #6/2017
В.С.Ган, Е.Я.Черняк, В.И.Иванов, В.Т.Мильченко, А.В.Кальсин
Квадрупольный масс-спектрометр МС-1 для химического анализа ионосферы
Квадрупольный масс-спектрометр МС-1 для химического анализа ионосферы
Просмотры: 2519
Описаны принцип работы, а также особенности и преимущества установленного на борту ракеты МН-300 масс-спектрометра МС-1. Прибор предназначен для определения элементного, молекулярного и ионного состава ионосферы, а также для исследования кинетики различных процессов. Приведены основные технические характеристики
DOI: 10.22184/2227-572X.2017.37.6.24.28
DOI: 10.22184/2227-572X.2017.37.6.24.28
Масс-спектрометр МС-1 состоит из вакуумной системы с квадрупольным преобразователем и блока управления и контроля. Вакуумная система содержит устройство вскрытия, предназначенное для ее контролируемой разгерметизации на определенных высотах.
Квадрупольный преобразователь масс-спектрометра относится к группе динамических приборов с последовательным во времени анализом спектра масс. Аналитическая часть (рис.1), ответственная за выработку сигналов, содержит ионный источник, анализатор и детектор. Ионный источник с элементами ионной оптики собран в единый моноблок, в котором все узлы соединены через керамические изоляторы и плотно зажаты внешним экраном. В результате бомбардировки электронами атомов или молекул газа в источнике ионов масс-спектрометра МС-1 появляются положительные, отрицательные, а также молекулярные, осколочные и атомарные ионы, совокупность которых образует спектр разбиения, характерный для каждого вещества.
Анализатор (рис.2) состоит из четырех расположенных параллельно друг другу проводящих цилиндрических поверхностей, к которым попарно приложена комбинация постоянного и переменного электрического напряжения. На летящие вдоль оси конденсатора ионы действует поперечное переменное электрическое поле, заставляя их колебаться с амплитудами, которые зависят от удельных зарядов. Ионы с фиксированными амплитудами колебаний, не меняя направления движения, попадают на детектор. А ионы, чьи амплитуды достигают высоких значений, вылетают из межэлектродного пространства или нейтрализуются при столкновении с электродами, не достигая детектора. Таким образом, при изменении соотношения постоянной и переменной компоненты напряжения на электродах, происходит сканирование по массам ионов.
Эквипотенциали поля квадрупольного фильтра масс в поперечной плоскости описываются функцией:
Ф = Ф(t)·(x2 – y2)/(r02),
где Ф(t) = ±(U + V·cos ωt) – значение потенциалов на образующих поле электродах;
U – постоянная составляющая потенциалов;
V – амплитуда переменной составляющей потенциалов;
ω – круговая частота; ω = 2πf; f – частота изменения потенциалов;
r0 – радиус поля между электродами (рис.3);
х и у – координаты в плоскости, перпендикулярной направлению влета ионов в аналитическую систему (z).
Схема питания квадрупольного фильтра масс приведена на рис.3. Параметры ω, r0, U и V подбираются такими, чтобы только ионы с выбранным массовым числом М (рис.4) смогли пройти аналитическую систему и были зарегистрированы детектором. Ионы с другими массовыми числами (М ± ∆М) отклоняются за пределы межэлектродного промежутка или выходной диафрагмы.
Работа квадрупольного фильтра масс происходит на прямой U = λV, пересекающей привершинные области разрешенных зон (рис.5). U и V, соответствующие не перекрывающимся зонам, обеспечивают полное разделение ионов. Перекрытие зон означает недостаточное разрешение пиков, то есть ситуацию, когда могут быть одновременно зарегистрированы ионы с разными массовыми числами. При отношении U/V выше 0,168 никакие ионы через аналитическую систему масс-спектрометра не пройдут.
Для использования МС-1 в области низкого вакуума и интенсивной инсоляции солнечным излучением используется цилиндр Фарадея (рис.6), надежность которого обеспечена двойным экранированием всей области детектора.
Электрометрический усилитель ЭМУ-1 предназначен для преобразования ионного тока от цилиндра Фарадея в сигналы, доступные для дальнейшей обработки. ЭМУ-1 преобразует ионный ток в диапазоне 0,1–5 000 пА в напряжение 0–2 В в трех диапазонах: 0,1–50 пА, 1–500 пА, 10–5 000 пА. Выходное напряжение ЭМУ-1 поступает на вход платы контроллера, преобразуется посредством АЦП в цифровую форму и обрабатывается для передачи полученной информации на устройство телеметрии.
Для устранения температурного и временного дрейфа и повышения помехоустойчивости ЭМУ-1 снабжен системой усиления по переменному току. В преобразователе масс-спектрометра на входе фильтра масс ионный ток предварительно модулируется импульсным напряжением частотой 150 Гц скважностью 2 (меандр). Импульсы ионного тока преобразуются входным каскадом ЭМУ-1 в переменное напряжение, которое далее проходит сначала через масштабирующий, а затем узкополосный усилитель с центральной частотой 150 Гц и детектируется амплитудным детектором. Выходное напряжение амплитудного детектора поступает на фильтр низких частот и усиливается выходным масштабирующим усилителем. Диапазоны работы ЭМУ-1 переключаются по командам с платы контроллера на масштабирующий усилитель между входным каскадом и узкополосным усилителем.
Спектр масс формируется в результате регистрации прошедших через аналитическую систему ионов при последовательном изменении параметров U и V шаг за шагом вдоль некоторой линии сканирования (рис.7).
Масс-спектрометр поставляется в герметизированной вакуумной камере со штенгелем. Штенгель представляет собой медную трубку, которая предназначена для откачки прибора на испытательном посту предприятия-изготовителя до рабочего давления. После откачки системы штенгель пережимается с помощью специальных клещей.
Для создания и поддержания рабочего давления в период складского хранения, а также для интенсификации процесса откачки в приборе используются высокопористые титановые газопоглотители (геттеры).
На месте запуска ракеты после подачи бортового питания масс-спектрометр МС-1 переходит в автономный режим работы, при котором в блоке управления и контроля производится настройка синтезатора частоты в резонанс с контуром генератора. Источники питания прямонакального катода выключены.
После настройки частоты проверяется напряжение со встроенного преобразователя давления и при превышении им заданного порога, что свидетельствует о безопасном для катода давлении в вакуумной системе, включаются источники питания прямонакального катода. Далее происходит проверка тока эмиссии и при достижении им заданного уровня запускается развертка масс-спектра (рис.8).
Развертка осуществляется в полном диапазоне 1–50 а.е.м циклически и попеременно: один цикл – анализ нейтральных молекул, другой – анализ положительных ионов. Перед каждым циклом контроллер устанавливает режим, в процессе развертки масс-спектра передается информация на систему телеметрии о текущем массовом числе и значениях в каждом канале измерения ионного тока.
Когда ракета МН-300 достигает заданной высоты, подается сигнал системы телеметрии, после которого происходит пережигание блокировочной нихромовой нити (рис.9). Устройство вскрытия освобождается и за счет действия взведенной пружины приводит в движение рычаг. Рычаг с тросом с определенным усилием выдергивает фольгу, которая, в свою очередь, вскрывает вакуумную систему масс-спектрометра МС-1. Для постоянства полученных в ходе анализа характеристик после разгерметизации вакуумной системы устройство вскрытия с фольгой располагается ниже плоскости анализатора МС-1.
Квадрупольный преобразователь масс-спектрометра относится к группе динамических приборов с последовательным во времени анализом спектра масс. Аналитическая часть (рис.1), ответственная за выработку сигналов, содержит ионный источник, анализатор и детектор. Ионный источник с элементами ионной оптики собран в единый моноблок, в котором все узлы соединены через керамические изоляторы и плотно зажаты внешним экраном. В результате бомбардировки электронами атомов или молекул газа в источнике ионов масс-спектрометра МС-1 появляются положительные, отрицательные, а также молекулярные, осколочные и атомарные ионы, совокупность которых образует спектр разбиения, характерный для каждого вещества.
Анализатор (рис.2) состоит из четырех расположенных параллельно друг другу проводящих цилиндрических поверхностей, к которым попарно приложена комбинация постоянного и переменного электрического напряжения. На летящие вдоль оси конденсатора ионы действует поперечное переменное электрическое поле, заставляя их колебаться с амплитудами, которые зависят от удельных зарядов. Ионы с фиксированными амплитудами колебаний, не меняя направления движения, попадают на детектор. А ионы, чьи амплитуды достигают высоких значений, вылетают из межэлектродного пространства или нейтрализуются при столкновении с электродами, не достигая детектора. Таким образом, при изменении соотношения постоянной и переменной компоненты напряжения на электродах, происходит сканирование по массам ионов.
Эквипотенциали поля квадрупольного фильтра масс в поперечной плоскости описываются функцией:
Ф = Ф(t)·(x2 – y2)/(r02),
где Ф(t) = ±(U + V·cos ωt) – значение потенциалов на образующих поле электродах;
U – постоянная составляющая потенциалов;
V – амплитуда переменной составляющей потенциалов;
ω – круговая частота; ω = 2πf; f – частота изменения потенциалов;
r0 – радиус поля между электродами (рис.3);
х и у – координаты в плоскости, перпендикулярной направлению влета ионов в аналитическую систему (z).
Схема питания квадрупольного фильтра масс приведена на рис.3. Параметры ω, r0, U и V подбираются такими, чтобы только ионы с выбранным массовым числом М (рис.4) смогли пройти аналитическую систему и были зарегистрированы детектором. Ионы с другими массовыми числами (М ± ∆М) отклоняются за пределы межэлектродного промежутка или выходной диафрагмы.
Работа квадрупольного фильтра масс происходит на прямой U = λV, пересекающей привершинные области разрешенных зон (рис.5). U и V, соответствующие не перекрывающимся зонам, обеспечивают полное разделение ионов. Перекрытие зон означает недостаточное разрешение пиков, то есть ситуацию, когда могут быть одновременно зарегистрированы ионы с разными массовыми числами. При отношении U/V выше 0,168 никакие ионы через аналитическую систему масс-спектрометра не пройдут.
Для использования МС-1 в области низкого вакуума и интенсивной инсоляции солнечным излучением используется цилиндр Фарадея (рис.6), надежность которого обеспечена двойным экранированием всей области детектора.
Электрометрический усилитель ЭМУ-1 предназначен для преобразования ионного тока от цилиндра Фарадея в сигналы, доступные для дальнейшей обработки. ЭМУ-1 преобразует ионный ток в диапазоне 0,1–5 000 пА в напряжение 0–2 В в трех диапазонах: 0,1–50 пА, 1–500 пА, 10–5 000 пА. Выходное напряжение ЭМУ-1 поступает на вход платы контроллера, преобразуется посредством АЦП в цифровую форму и обрабатывается для передачи полученной информации на устройство телеметрии.
Для устранения температурного и временного дрейфа и повышения помехоустойчивости ЭМУ-1 снабжен системой усиления по переменному току. В преобразователе масс-спектрометра на входе фильтра масс ионный ток предварительно модулируется импульсным напряжением частотой 150 Гц скважностью 2 (меандр). Импульсы ионного тока преобразуются входным каскадом ЭМУ-1 в переменное напряжение, которое далее проходит сначала через масштабирующий, а затем узкополосный усилитель с центральной частотой 150 Гц и детектируется амплитудным детектором. Выходное напряжение амплитудного детектора поступает на фильтр низких частот и усиливается выходным масштабирующим усилителем. Диапазоны работы ЭМУ-1 переключаются по командам с платы контроллера на масштабирующий усилитель между входным каскадом и узкополосным усилителем.
Спектр масс формируется в результате регистрации прошедших через аналитическую систему ионов при последовательном изменении параметров U и V шаг за шагом вдоль некоторой линии сканирования (рис.7).
Масс-спектрометр поставляется в герметизированной вакуумной камере со штенгелем. Штенгель представляет собой медную трубку, которая предназначена для откачки прибора на испытательном посту предприятия-изготовителя до рабочего давления. После откачки системы штенгель пережимается с помощью специальных клещей.
Для создания и поддержания рабочего давления в период складского хранения, а также для интенсификации процесса откачки в приборе используются высокопористые титановые газопоглотители (геттеры).
На месте запуска ракеты после подачи бортового питания масс-спектрометр МС-1 переходит в автономный режим работы, при котором в блоке управления и контроля производится настройка синтезатора частоты в резонанс с контуром генератора. Источники питания прямонакального катода выключены.
После настройки частоты проверяется напряжение со встроенного преобразователя давления и при превышении им заданного порога, что свидетельствует о безопасном для катода давлении в вакуумной системе, включаются источники питания прямонакального катода. Далее происходит проверка тока эмиссии и при достижении им заданного уровня запускается развертка масс-спектра (рис.8).
Развертка осуществляется в полном диапазоне 1–50 а.е.м циклически и попеременно: один цикл – анализ нейтральных молекул, другой – анализ положительных ионов. Перед каждым циклом контроллер устанавливает режим, в процессе развертки масс-спектра передается информация на систему телеметрии о текущем массовом числе и значениях в каждом канале измерения ионного тока.
Когда ракета МН-300 достигает заданной высоты, подается сигнал системы телеметрии, после которого происходит пережигание блокировочной нихромовой нити (рис.9). Устройство вскрытия освобождается и за счет действия взведенной пружины приводит в движение рычаг. Рычаг с тросом с определенным усилием выдергивает фольгу, которая, в свою очередь, вскрывает вакуумную систему масс-спектрометра МС-1. Для постоянства полученных в ходе анализа характеристик после разгерметизации вакуумной системы устройство вскрытия с фольгой располагается ниже плоскости анализатора МС-1.
Отзывы читателей
