авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Пространственная и временная фокусировка ионных сгустков во времяпролетном масс-спектрометре с лазерной ионизацией твердой фазы

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Потешин Сергей Станиславович

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ ФОКУСИРОВКА ИОННЫХ СГУСТКОВ ВО ВРЕМЯПРОЛЕТНОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ С ЛАЗЕРНОЙ ИОНИЗАЦИЕЙ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ

Специальность 01.04.13 – Электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Автор:

Москва 2010

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор
Сысоев Александр Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Кирьянов Георгий Иосифович, канд. физ.-мат. наук
Попов Игорь Алексеевич
Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"

Защита состоится ___ ___________ 2010 г. в _____ на заседании диссертационного совета Д 212.130.01 в НИЯУ МИФИ по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д. 31, тел. 324-84-98, 323-95-26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ

Автореферат разослан “ “ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета И.С. Щедрин

Общая характеристика работы

Актуальность. Развитие высоких технологий ставит новые задачи по аналитическому обеспечению технологических процессов, совершенствованию методов и приборов для элементного анализа твёрдых образцов. Среди различных способов элементного анализа твердого тела, лазерная масс-спектрометрия (ЛМС) является одним из самых перспективных методов, который может отвечать самым современным требованиям. Метод ЛМС позволяет анализировать с высокой чувствительностью все элементы Периодической таблицы, включая газообразующие примеси. К его достоинствам также относится: простота пробоподготовки, отсутствие расходных материалов. Одно из важных преимуществ ЛМС – это универсальность. Один прибор может охватить решение широкого круга задач, таких как анализ металлов, полупроводников, диэлектриков, стекол, порошкообразных образцов.

Однако, несмотря на перспективность метода, до настоящего времени так и не создано лазерного масс-спектрометра, отвечающего современным требованиям. Основным недостатком является недостаточная воспроизводимость анализа. Невоспроизводимость результатов, во-первых, связана со сложностью и многообразием процессов, происходящих при образовании и разлете лазерной плазмы. Их параметры трудно контролировать и теоретически описывать. И, во-вторых, созданные приборы и методики оказываются очень критичны к колебаниям этих параметров. Как показывает анализ литературы, повышение воспроизводимости за счет поиска научно-технических решений, которые могли бы нивелировать влияние нестабильности плазмообразования на результаты анализа, еще далеко не исчерпан. Решение этой проблемы является непосредственным шагом к созданию лазерного масс-спектрометра, превосходящего по комплексу своих возможностей и технико-аналитических характеристик, имеющиеся средства для элементного анализа твердых образцов.



Целью работы является разработка физико-технических основ для создания нового класса масс-спектрометров c лазерно-плазменным источником ионов и построение на базе разработанных принципов лазерного времяпролетного масс-спектрометра обладающего в комплексе более высокими технико-аналитическими характеристиками в сравнении с аналогами.

Научная новизна диссертации состоит в следующем:

  1. Предложена ионная оптика лазерного источника ионов, обеспечивающая разрушение плазмы на ранней стадии ее разлета и воспроизводимое формирование коротких ионных пакетов с ускорением ионов до 1000-3000 эВ.
  2. В применении к ЛМС, предложена и обоснована новая ионно-оптическая схема масс-анализатора с секторным аксиально-симметричным полем с временной фокусировкой по трем начальным параметрам ионов.
  3. На основе моделирования ионной оптики анализатора изучены факторы, приводящие к ухудшению разрешающей способности.
  4. Изучены источники возникновения шумов и определены условия получения предела обнаружения на уровне нескольких ppb.
  5. Предложена новая методика количественного анализа твердых образцов с помощью сканирования ионов по энергиям в диапазоне 0-300 эВ, позволяющая добиться более высокой воспроизводимости и правильности анализа.
  6. Экспериментально показано, что использование новой ионно-оптической схемы прибора в сочетании с разработанной методикой анализа существенно улучшает аналитические характеристики прибора.

На защиту выносятся следующие положения

  1. Выбор и обоснование эффективности применения новой ионно-оптической схемы с аксиально-симметричным полем в лазерном времяпролетном масс-спектрометре ЛАМАС-10 для анализа твердых и порошкообразных образцов.
  2. Новое схемотехническое решение конструкции источника ионов с разрушением лазерной плазмы на ранних стадиях разлета, обеспечивающих ускорение вытянутых из плазмы ионов до энергий 1-3 кэВ, что дает существенное увеличение разрешающей способности прибора.
  3. Результат моделирования ИОС анализатора, который включает в себя определение основных источников временных аберраций, а также предложенные пути по их существенному уменьшению.
  4. Методика развертки и накопления масс-спектров со сканированием всего энергетического диапазона ионов, обеспечивающая существенное улучшение воспроизводимости анализа.

Апробация диссертационной работы. Основные теоретические и экспериментальные результаты были представлены на 16-й Международной масс-спектрометрической конференции (Эдинбург, Шотландия, 2004), на Международной конференции “Десорбция 2004” (Санкт Петербург, Россия, 2004), на 2-ом Международном Семинаре-школе «Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии» (Звенигород, Россия, 2004), на Всероссийской конференции по аналитической химии «Аналитика России 2004» (Москва, Россия, 2004), на научно-практической конференции “Научная сессия МИФИ 2003, 2005, 2006”, 17th International Mass Spectrometry Conference (Praga, 2006). На Всероссийской конференции «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (Москва, Россия, 2005), на III Всероссийской конференции «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (Москва, 2009 г). Описываемый прибор был представлен и отмечен дипломом победителя в 2004 году на Всероссийской выставке “Перспективные технологии XXI века”.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения. Работа имеет 139 страниц текста, включая 57 рисунков. Библиография насчитывает 85 наименований.

Содержание работы

В первой главе рассматриваются основные принципы построения масс-спектрометров с лазерной ионизацией (ЛИМС) на примере самых значимых разработок. Были рассмотрены приборы с разным типом ионно-оптической системы (ИОС). Обзор показал, что в настоящее время пока не создано ЛИМС способного конкурировать с другими методами масс-спектрометрического элементного анализа (ISP и GDCH) для анализа твердых тел.

Чтобы ответить на вопрос, почему, при всей перспективности метода, не удается получить стабильных результатов, был произведен анализ основных проблем метода. Проблемы ЛИМС, с одной стороны, связаны со сложностью воспроизводимости условий плазмообразования. С другой стороны, описываемые в литературе лазерные приборы при анализе теряют часть масс-спектрометрической информации, а восстановить ее с помощью теоретических моделей не представляется возможным. Основной акцент в настоящей диссертации сделан на решение второй группы проблем. Создание ЛИМС с идеальной, в этом отношении, ИОС встречает ряд трудностей, которые, в свою очередь, опять связаны со свойствами лазерной плазмы. Как известно, при типичных для лазерной масс-спектрометрии плотностях мощности излучения лазера (109-1010 Вт/см2) и диаметре пятна 50-70 мкм, образуется плазма со следующими важными для проектирования ИОС параметрами.

Во-первых, образуется плазма с очень большой плотностью, где присутствует ~1013-1014 ионов. Для более точного элементного анализа предпочтительнее раннее вытягивание ионов из плазмы, когда ее ионный состав максимально приближен составу образца. Но большая плотность плазмы усложняет создание вытягивающей оптики на близких расстояниях к мишени, т.к. должны присутствовать очень сильные электрические поля, что в присутствие плазмы чревато появлением пробоев, и кроме того, ионы после экстракции образуют сгусток с большим объемным зарядом. В большинстве работ по ЛИМС разрушение плазмы происходит на поздних стадиях разлета, когда ее плотность значительно падает и вытягивание ионов существенно упрощается, но вместе с этим ионный состав искажается за счет рекомбинации.

Во-вторых, полученные ионы обладают широким энергетическим разбросом 20-500 эВ. Если первый параметр, главным образом, влияет на выбор ИОС источника ионов, то второй – в большей степени влияет на выбор масс-анализатора. С таким энергоразбросом удовлетворительно «справляются» масс-анализаторы с двойной фокусировкой. Просто сколлиммировать пучок ионов по энергиям без потери масс-спектрометрической информации нельзя, т.к. максимумы распределений по энергии для разных масс смещены по шкале энергий в пределах 80-200 эВ.

Кроме того, за одну вспышку лазера должны быть зарегистрированы ионы всех масс, т.к. параметры лазерного воздействия трудно воспроизводимы и при сканировании по массам они могут измениться и привести к искажениям масс-спектрометрической информации. В этой связи круг анализаторов для решения задач лазерной масс-спектрометрии существенно сужается.

В главе 1 делается вывод, что наилучшим образом обозначенные проблемы были решены в приборе ЭМАЛ-2. И как показывает практика, этот прибор обладает наилучшими аналитическими характеристиками и на нем выполнено большинство удачных публикаций в области количественного и полуколичественного анализа. Но ЭМАЛ-2 оказался не конкурентоспособен из-за фотографического метода регистрации и своих массо-габаритных параметров.

Как итог, ставится задача создания лазерного масс-спектрометра, для анализа твердых образцов с уровнем технических и аналитических характеристик, превышающих в комплексе характеристики ближайших аналогов:

- разрешающая способность (на полувысоте пика) 1000

- диапазон регистрируемых масс ионов, а.е.м. 1-400

- предел обнаружения, % 10-7

- время анализа, мин. 10-15

- вес прибора, кг. 100-120

Во второй главе предлагается и обосновывается концепция построения ИОС прибора.

В основе концепции прибора предлагается времяпролетный принцип разделения ионов по отношению М/q. В пользу этого выбора сыграло то, что ионизация в лазерных источниках имеет импульсный характер, и нет необходимости формировать короткие ионные пакеты. Кроме того, имеется возможность регистрации всего масс-спектра за одну вспышку лазера. Недостаток времяпролетных анализаторов – небольшой энергетический диапазон фокусировки ионов по энергиям. Но предлагаемое в этой работе решение построения ИОС в сочетании с методикой анализа, решает эту проблему.

В качестве ключевых научно-технических принципов, заложенных в концепцию прибора ЛАМАС, которые раньше не применялись в том виде, как в настоящей работе, здесь приняты следующие:

1. В основе ИОС источника ионов предлагается принцип раннего ограничения стадии свободного разлета плазмы при помощи скиммеров. В качестве аргументов в пользу данного решения можно привести следующие:





  • Резко ограничивается плотность плазмы в ускоряющем промежутке, что значительно облегчает построение вытягивающей электродной системы.
  • Реализуется генерация лазерной плазмы при нулевом потенциале и ускорение ионов до высоких энергий, что существенно увеличивает разрешение по массам и пропускание анализатора.
  • Сокращается промежуток, в котором ионы плазмы пребывают с собственными энергиями. В результате уменьшается длительность пика и стабилизируется положение пика от выстрела к выстрелу по временной шкале.
  • Уменьшается вклад рекомбинационных процессов в ионный состав плазмы.
  • Уменьшается объемный заряд вытянутых из плазмы ионов до величин удобных для транспортировки пучка.

2. Ускорение ионов до энергий ~ 1-2 кэВ.

3. В качестве времяпролетного масс-анализатора был выбран оригинальный для времяпролетной масс-спектрометрии аксиально-симметричный электростатический масс-анализатор (АСМА) по следующим причинам:

  • АСМА обеспечивает временную фокусировку ионов по трем параметрам (углам расходимости и координатам выхода ионов из источника и энергиям ионов).
  • Выбранный угол поворота ионов в полевом промежутке аксиально-симметричного анализатора в 5090 (т.е. ионы движутся по спирали) позволяет уменьшить габарит прибора.
  • АСМА обеспечивает получение спектров с низким уровнем шумов за счет отсутствия сеток, а также того, что ионы в полевом промежутке имеют спиралевидные траектории.
  • АСМА позволяет реализовать сканирование энергетического диапазона при идентичных условиях прохождения ионов разных энергий через анализатор.

4. Предлагается методика анализа с циклическим сканированием по всему диапазону собственных энергий ионов.

Расчет и моделирование ИОС масс-анализатора.

Во 2-й части 2-ой гл. приводится теоретический расчет потенциалов электродов анализатора и временных аберраций. Так же описываются результаты моделирования ИОС масс-анализатора с учетом краевых полей при помощи программы SIMION. В ходе модельных экспериментов детально исследовалось влияние разброса начальных параметров ионов на выходе из источника на временную и геометрическую фокусировку анализатора, т.е., в конечном счете, на разрешение и трансмиссию анализатора. Проведение модельных экспериментов позволило определить допустимый разброс начальных параметров ионов для обеспечения требуемых характеристик анализатора.

Таблица 1. Ограничения на разрешение, накладываемые разбросом начальных параметров ионов.
Разброс по начальному параметру Диапазон Предельное R10%
энергетический разброс ±25 эВ (2%) 14900
радиальная координата ±2 мм 3570
радиальный угол ±0,2° 4470
аксиальная координата ±2 мм 2200
аксиальный угол ±0,2° 2200
суммарное влияние параметров 1300 (10 %)


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.