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 |

Модель нелинейного дрейфа ионов в спектрометрии приращения ионной подвижности

-- [ Страница 1 ] --

ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ РАН

____________________________________________________________________

На правах рукописи

Шибков Сергей Викторович

МОДЕЛЬ НЕЛИНЕЙНОГО ДРЕЙФА ИОНОВ

В СПЕКТРОМЕТРИИ ПРИРАЩЕНИЯ

ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва – 2007

Работа выполнена в Институте криптографии, связи и информатики Академии ФСБ России

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

С. Д. Бенеславский

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В. В. Зеленов

кандидат физико-математических наук,

И. Н. Грознов

Ведущая организация: Институт аналитического приборостроения РАН

Защита состоится « 17 » января 2007 г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 002.112.01 при Институте энергетических проблем химической физики РАН по адресу: 119334, Москва, В-334, Ленинский проспект, д. 38, корп. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химической физики РАН

Автореферат разослан «___»____________2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.112.01,

кандидат химических наук М. И. Николаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Впервые метод разделения ионов по виду зависимости их подвижности от напряженности электрического поля при атмосферном давлении был реализован Горшковым М.П. [i]. Экспериментальная установка представляла собой спектрометр приращения ионной подвижности с плоской дрейф-камерой, в котором источником ионизирующего излучения служил радиоактивный изотоп 63Ni, а в качестве системы регистрации ионов использовался электрометрический усилитель. Дальнейшее развитие данный способ разделения ионов получил в работе [ii], где впервые был предложен метод идентификации ионов третичных аминов, определение которых является сложной задачей из-за высокой реакционной и адсорбционной способности. Для ионизации использовался  -источник 3H, а также молибденовый термоэмиттер для поверхностной ионизации. В работах [iii] и [iv] с помощью присоединенного масс-спектрометра был исследован состав газовой смеси на выходе дрейф-камеры спектрометра приращения ионной подвижности (СПИП-спектрометра), что позволило рассмотреть ионные процессы, сопровождающие процесс дрейфа ионов.

Для снижения относительного числа ионов, рекомбинирующих на обкладках плоской дрейф-камеры, были разработаны спектрометры с цилиндрической дрейф-камерой. Впервые прибор с такой конфигурацией электродов был создан Буряковым И.А., Крыловым Е.В., Солдатовым В.П. [v], а затем Карнаганом Б.Л. и Тарассовым А.С. [vi]. В работе [vii], а также независимо [viii] было экспериментально исследовано явление фокусировки ионов, которое позволяло существенно снизить потери ионов на обкладках.

В дальнейшем на основе СПИП-спектрометров в России и за рубежом был создан ряд портативных приборов для обнаружения следовых количеств различных веществ: для экологического мониторинга [ix], [x], для решения поисковых задач [xi], [xii], для экспрессного и лабораторного медицинского анализа [xiii], [xiv].



В работах [xv], [xvi] исследовались чувствительность, разрешающая способность СПИП-спектрометров, зависимость спектрометрических данных от расхода и температуры газа-носителя. Одновременно расширялся спектр веществ, которые обнаруживались спектрометрами приращения ионной подвижности [xvii]. Появлялись тандемные устройства [xviii], [xix], [xx], [xxi], в составе которых СПИП-спектрометры использовались в качестве устройства концентрации пробы, ионного фильтра на входе масс-спектрометров различных типов, а также как детекторы на выходе скоростной хроматографической установки или источника ионизации в виде электроспрея. Исследовались различные источники ионов для СПИП-спектрометров: электроспрей [xxii], коронный разряд, поверхностная ионизация [xxiii], лазерная ионизация [xxiv], высокочастотный емкостной разряд [xxv].

Рассматривались такие физические явления, как захват ионов в дрейф-камере спектрометров приращения ионной подвижности [xxvi], влияние влажности на данные спектрометрии [xxvii]. В работах [xxviii] и [xxix] обсуждались способы уменьшения диффузионных потерь, проводился сравнительный анализ спектрометров с плоской и цилиндрической дрейф-камерой. Некоторые вопросы теории СПИП были рассмотрены в работах [xxx], [xxxi], [xxxii], [xxxiii], [xxxiv].

Несмотря на широкое использование спектрометров приращения ионной подвижности, до настоящего времени отсутствует аналитическая модель динамики ионов в объеме дрейф-камеры, лежащая в основе функционирования этих приборов.

Цель работы

Целью работы явилось создание модели нелинейного дрейфа ионов в СПИП-спектрометрах, имеющих плоскую и цилиндрическую дрейф-камеры и изучение с помощью данной модели принципа разделения ионов, используемого в спектрометрах указанного типа.

Научная новизна

  1. В работе с помощью теории динамических систем, создана модель нелинейного дрейфа ионов в высокочастотных электрических полях при атмосферном давлении. В рамках модели для теоретического изучения структуры ионного шнура, формируемого в дрейф-камере СПИП-спектрометра, и вида ионного пика применен стробоскопический метод усреднения быстрых осцилляций.
  2. Впервые в качестве метода решения обратной задачи восстановления переменной составляющей подвижности ионов с помощью экспериментальной зависимости компенсирующего напряжения от амплитуды разделяющего напряжения, была предложена процедура получения интегрального уравнения Вольтерра, содержащего переменную составляющую подвижности в качестве неизвестной функции.
  3. Для описания ансамбля ионов в дрейф-камере СПИП-спектрометра применены такие понятия теории динамических систем как отображение Пуанкаре, фазовый портрет, предельный цикл, фазовое многообразие, аттрактор, положение равновесия, бифуркация рождения пары предельных циклов и связанная с ней перестройка фазового портрета динамической системы.

Научная и практическая значимость работы

  1. В работе проведено теоретическое рассмотрение процесса разделения ионов в сильных пространственно однородных и неоднородных электрических полях при атмосферном давлении. Рассчитаны основные величины, наблюдаемые в экспериментальных установках, использующих данный принцип разделения ионов – СПИП-спектрометрах с различной геометрией дрейф-камеры.
  2. Результаты работы могут быть использованы при интерпретации данных, получаемых в экспериментах с существующими СПИП-спектрометрами, при разработке новых приборов данного типа или аналитических комплексов, использующих СПИП-спектрометры как элемент аналитического тракта. Предложенная процедура восстановления зависимости подвижности от напряженности электрического поля в плотных средах, может быть положена в основу нового метода измерения такой физической величины как подвижность ионов.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Создана феноменологическая модель нелинейного дрейфа ионов в высокочастотных электрических полях при атмосферном давлении. Модель использует подходы и методы теории динамических систем. С помощью модели изучены структура ионного шнура, формируемого в дрейф-камере СПИП-спектрометра, рассчитана форма ионного пика на ионограмме.
  2. Предложен метод решения обратной задачи восстановления переменной составляющей подвижности ионов из экспериментально получаемой зависимости компенсирующего напряжения от амплитуды разделяющего напряжения. Показано, что корректность данной задачи определяется характером зависимости разделяющего напряжения от времени.
  3. На основе построенной модели показано, что режим фокусировки ионного шнура СПИП-спектрометров с неоднородными электрическими полями соответствует наличию устойчивого предельного цикла в фазовом пространстве динамической системы, описывающей ансамбль ионов. Рассмотрена работа спектрометров в режиме дефокусировки. Показано, что этому режиму соответствует наличие неустойчивого предельного цикла в фазовом пространстве соответствующей динамической системы.
  4. Показано, что в динамической системе, описывающей ансамбль ионов с немонотонной зависимостью подвижности от напряженности поля возможно возникновение бифуркации рождения пары предельных циклов. Рассчитана соответствующая форма ионного пика, которая имеет специфический вид и может быть легко обнаружена на эксперименте. Модель обобщена на случай больших значений переменной составляющей подвижности, характерных для легких ионов.
  5. Получено удовлетворительное количественное согласие расчетных величин, предсказываемых построенной теорией, с соответствующими результатами экспериментальных исследований, опубликованных на настоящий момент.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре Секции Прикладных проблем при Президиуме РАН (Москва, 2002 г.), на XXIX Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2002 г.), на Межведомственных конференциях по проблемам технического обеспечения безопасности (Москва, 2002 г. и 2004 г.), на Международной конференции по масс-спектрометрии (IMSC-16, Эдинбург, 2003 г.), на Втором международном семинаре-школе «Масс-спектрометрия в химической физике, биофизике и экологии» (Звенигород, 2004 г.), на Всероссийской конференции «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы», проводившейся Всероссийским масс-спектрометрическим обществом (Москва, 2005 г.).

Публикации

Основные результаты работы изложены в 4 публикациях, две из которых опубликованы в отечественном реферируемом журнале и две в международном реферируемом журнале. Список публикаций приведен в конце автореферата. Работа была выполнена в Институте криптографии, связи и информатики Академии ФСБ России.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка используемой литературы. Объем диссертации составляет 119 страниц, включая 61 рисунок. Список литературы содержит 48 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен краткий обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных развитию СПИП. В результате анализа литературных источников обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована цель работы. Обсуждены научная новизна, научная и практическая значимость, приведены сведения об апробации работы, публикациях автора по теме исследования, объеме и структуре диссертации и дана краткая аннотация работы.

В разделе 1.1 первой главы формулируется модель динамики ионов в СПИП-спектрометрах с плоской дрейф-камерой.

Подвижность многих типов ионов в сильных электрических полях является функцией напряженности поля

,

( 1)

где k 0 – подвижность в слабых полях, (E) – переменная составляющая подвижности. Разделение ионов в спектрометрах приращения ионной подвижности происходит в соответствии с видом зависимости ( 1), которая определяет дрейфовую скорость ионов и является индивидуальной для каждого типа ионов.

Рис. 1 Схема СПИП-спектрометра.

Процесс разделения ионов в СПИП-спектрометре (Рис. 1) происходит, например [11], следующим образом: проба воздуха, содержащая примеси анализируемых веществ, попадает в камеру ионизации 1; под действием излучения  -источника 2, молекулы примеси ионизируются; в области газового затвора и системы транспортировки 3, ионы, двигаясь под действием продольного электрического поля навстречу запирающему газовому потоку, попадают из ионизационной в дрейф-камеру 4; к коаксиальным цилиндрическим обкладкам дрейф-камеры, приложено большое по амплитуде высокочастотное разделяющее напряжение US и малое медленно меняющееся компенсирующее напряжение UC, генерируемые источниками 5 и 6 соответственно; ионы осциллируют в радиальном и увлекаются газом-носителем в аксиальном направлении; ионы, для которых выполнено условие отбора, сформулированное ниже, достигают выхода дрейф-камеры и коллектора ионов 8; для каждого значения UС, ток прошедших ионов регистрируется электрометром 7, на выходе которого возникает ионограмма I(UC); газ-носитель внутреннего контура, разбавляющий малый входной поток, подвергается очистке с помощью фильтра 9.





Анализ условий дрейфа ионов в типичных СПИП-спектрометрах показывает, что исходными физическими положениями модели могут быть приняты следующие: 1) движение ионов в газовой среде происходит в сильном электрическом поле; 2) газ, содержащий ионы, может рассматриваться в пренебрежении эффектами сжимаемости, то есть в гидродинамическом приближении; 3) течение газа имеет ламинарный характер с однородным вдоль всей дрейф-камеры профилем скоростей; 4) рассматриваются ионные токи, при которых влиянием пространственного заряда на электрическое поле внутри дрейф-камеры и движение ионов можно пренебречь; 5) не учитывается тепловая диффузия ионов. В рамках этих предположений, описание поведения ансамбля ионов, даваемое уравнением конвекции-диффузии, посредством метода характеристик сводится к задаче движения отдельного иона в вязкой среде. Для решения этой задачи применяется стробоскопический метод усреднения быстрых осцилляций. С помощью построенной модели рассчитывается вид ионного пика на выходе спектрометра с плоской дрейф-камерой. В пренебрежении диффузией и влиянием объемного заряда пик имеет треугольную форму.

В разделе 1.2 сформулирована процедура восстановления зависимости подвижности ионов от напряженности поля с помощью экспериментальных данных, получаемых в СПИП-спектрометрах с плоской дрейф-камерой. Суть этой процедуры состоит в следующем.

При анализе газовой смеси, содержащей примесь определенного вещества, местоположение максимума ионного тока этого вещества UC, зависит от амплитуды приложенного разделяющего напряжения US. Проведя измерения для набора значений US, получим набор ионограмм, аналогичный изображенному на Рис. 2(а). Используя один из алгоритмов интерполяции, строим график зависимости UC (US ) (Рис. 2(б)), проходящий через экспериментально полученные точки (US(i), UC(i)). Записав условие отбора ионов для плоской дрейф-камеры – радиальное смещение за период US равно нулю, – получим обобщенное уравнение, связывающее зависимость компенсирующего напряжения, соответствующего положению ионного пика, от амплитуды разделяющего напряжения UC (US ) и (E)

, ( 2) онограммы, зависимость UC (US ),-2,

( 2)

Рис. 2 Ионограммы, зависимость U(U), аналитическая зависимость  () и последовательные итерации для уравнения Вольтерра (указан номер итерации).

где (см. Рис. 1, зависимость US(t)) ti – участки постоянства функции f(t), определяющей временную зависимость разделяющего напряжения; Ei – значения напряженности на участках ti,  j – участки взаимно однозначного соответствия переменных t и E', на которых существуют обратные функции t =  j (E' ). Решение (E) уравнения ( 2) дает искомую переменную составляющую подвижности ионов.

В работе показано, что если функция f(t) обладает участками постоянного значения, аналогичными t1 и t2 на Рис. 1, то уравнение ( 2) сводится к интегральному уравнению Вольтерра II рода. Напротив, широко используемая в спектрометрах зависимость f(t) в виде суперпозиции двух косинусов, не принадлежит к вышеуказанному классу функций, в силу чего не существует однозначной связи UC (US ) и (E) и, следовательно, данный вид разделяющего напряжения не может использоваться для восстановления зависимости подвижности от напряженности поля.

Далее в работе был проведен численный эксперимент по восстановлению зависимости подвижности от напряженности поля с помощью уравнения ( 2). Задавшись аналитическим видом (E), изображенным сплошной кривой на Рис. 2(в), и временной зависимостью f(t), относящейся к указанному выше типу функций, аналогичной изображенной на Рис. 1, но с отфильтрованными высокочастотными осцилляциями, с помощью выражений для ионного пика из раздела 1.1 Главы 1, получим серию пиков (Рис. 2(а)), затем график UC (US ) (Рис. 2(б)). Используя UC (US ) в правой части ( 2) и упомянутую выше временную зависимость f(t) для нахождения  j (E' ) в левой части, получим из ( 2) уравнение Вольтерра II рода, результаты решения которого методом последовательных приближений приведены на Рис. 2(в). Благодаря свойству сжимаемости интегрального оператора Вольтерра II рода, любое начальное приближение демонстрирует сходимость к искомой функции.

Большое внимание динамике ионов в спектрометрах с плоской дрейф-камерой уделено в работе по следующим причинам: 1) в отличие от пространственно неоднородных полей данный случай является интегрируемым и позволяет найти аналитическое выражение для ионного пика в случае произвольной зависимости US(t) и полиномиальной зависимости подвижности от напряженности поля; 2) этот случай является асимптотическим для модели дрейфа ионов в пространственно неоднородных полях; 3) в данной геометрии оказывается возможным осуществить процедуру восстановления зависимости подвижности от напряженности поля, описанную в разделе 1.2.

Отметим, что зависимость подвижности от напряженности поля позволяет в рамках кинетической теории определить характеристики ион-ионного и ион-молекулярного взаимодействий, происходящих в процессе дрейфа ионов в плотной газовой среде. Таким образом, восстановление зависимости подвижности от напряженности поля является важной общефизической и прикладной задачей.

Во второй главе формулируется модель динамики ионов в СПИП-спектрометрах с цилиндрической дрейф-камерой.

Как и в плоском случае, анализ условий дрейфа ионов позволяет сформулировать основные положения модели нелинейного дрейфа ионов в пространственно неоднородном поле цилиндрической дрейф-камеры. Исходя из этих положений, мы можем понизить порядок уравнения конвекции-диффузии и записать выражение для характеристики полученного уравнения в виде

,

( 3)



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.