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 |

Исследование и оптимизация характеристик источников ионов масс-спектрометров с магнитным анализатором для анализа гексафторида урана

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Малеев Алексей Борисович

Исследование и оптимизация характеристик источников ионов

масс-спектрометров с магнитным анализатором

для анализа гексафторида урана

Специальность 01.04.01

Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2006

Работа выполнена на федеральном государственном унитарном предприятии «Уральский электрохимический комбинат»

Научный руководитель: кандидат технических наук Сапрыгин Александр Викторович
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Рутьков Евгений Викторович
кандидат физико-математических наук Кольцов Сергей Николаевич
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации»

Защита состоится 30 июня 2006 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.034.01 при институте Аналитического приборостроения Российской Академии наук (ИАнП РАН) по адресу:

190103, Санкт-Петербург, Рижский пр., 26

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИАнП РАН по тому же адресу.

Автореферат разослан 29 мая 2006 года

Ученый секретарь диссертационного совета

_____________ А.П. Щербаков

Общая характеристика работы

В настоящее время Уральский электрохимический комбинат является крупнейшим в мире предприятием, занимающимся разделением изотопов урана. В качестве основного средства технологического и товарного контроля разделительного производства используются специализированные масс-спектрометры. Во времена существования СССР такими приборами были различные модификации масс-спектрометра серии МИ-1201, выпускавшиеся Сумским заводом электронных микроскопов «Сэлми». Однако с развалом Советского Союза производитель масс-спектрометров серии МИ-1201 (ныне - ОАО «Selmi») остался за пределами Российской Федерации, а политизированные и неустойчивые отношения правительств России и Украины привели к тому, что обеспечение атомной отрасли новыми приборами, а также ремонт имеющегося парка приборов были поставлены под угрозу. Кроме того, цены как на сами масс-спектрометры, так и на запчасти, значительно возросли за счет появления таможенных и прочих сборов, не имеющих отношения к производственным затратам.

Для решения проблемы с обеспечением отрасли специализированным масс-спектрометрическим оборудованием руководством Министерства атомной промышленности РФ в 1999 году было принято решение об организации в России производства серии масс-спектрометров различного назначения, первым из которых стал специализированный масс-спектрометр для изотопного состава урана в газовой фазе, получивший обозначение МТИ-350Г.



Одним из основных узлов разрабатываемого специализированного масс-спектрометра, определяющим предельные параметры прибора, является новый источник ионов, обеспечивающий ионизацию и формирование ионного пучка из вещества пробы. Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена необходимостью создания нового специализированного масс-спектрометра для анализа гексафторида урана и эффективного источника ионов для анализа агрессивных газов, входящего в его состав. Создание такого источника должно базироваться на современной методике расчета и оптимизации характеристик источников ионов, учитывающей физические принципы, лежащие в основе принципа действия источника ионов и оказывающие влияние на его работу. Соответственно, целью настоящей работы является исследование характеристик источника ионов масс-спектрометра для анализа гексафторида урана и оптимизация этих характеристик методами математического моделирования с целью получения максимальной чувствительности и разрешающей способности масс-спектрометра МТИ-350Г. Для достижения этой цели необходимо решить следующий ряд задач:

  • выполнить моделирование ионно-оптической схемы источника ионов с учетом ее конструкторской реализации и реальной конструкции ионизационной камеры;
  • учесть в процессе моделирования наиболее значимые явления, влияющие на характеристики ионного пучка;
  • разработать методику поиска наиболее эффективного режима работы источника, найти параметры эффективного режима для источника ионов.

Объектом исследования в настоящей диссертации выступает источник ионов масс-спектрометра для анализа газов. Предметом исследования являются характеристики и ионно-оптические свойства источников ионов масс-спектрометров для анализа газов с ионизацией электронным ударом. Область исследования – моделирование физических явлений и процессов, лежащих в основе принципа действия источников ионов и оказывающих влияние на их характеристики.

Методы исследования. Исследования проведены на основе численных методов вычислительной математики и численных методов моделирования с использованием как универсального (MathCAD, Excel), так и специализированного программного обеспечения (SIMION).

Достоверность результатов подтверждена результатами лабораторных, заводских и Государственных приемочных испытаний разработанного источника ионов в составе масс-спектрометра.

Положения, выносимые на защиту:

  • конструкция нового специализированного источника ионов с ионизацией электронным ударом в составе масс-спектрометра МТИ-350Г, обеспечивающего прецизионный анализ урана в газовой фазе при молекулярном напуске гексафторида урана;
  • критерий одновременной оптимизации разрешающей способности и чувствительности магнитного статического масс-спектрометра, основанный на учете энергетического разброса ионов в пучке при повышении пропускания;
  • методика повышения пропускания ионного пучка методом выбора комбинации потенциалов электродов источника ионов с учетом особенностей его конструктивной и технологической реализации при серийном производстве;
  • учет реальных распределений образующихся ионов в начальном эмиттансе при моделировании ионно-оптических систем.

В настоящее время известно множество источников ионов масс-спектрометров, применяемых для изотопного анализа веществ в газовой фазе. Но эти источники не могут быть использованы в конструкции масс-спектрометра МТИ-350Г, так как для специализированного масс-спектрометра необходимо разработать источник ионов, удовлетворяющий, во-первых, требованиям единства ионно-оптической схемы прибора, а во-вторых, специфическим условиям, связанным с особенностями использования агрессивного газа – гексафторида урана, в частности – с применением системы ввода анализируемого вещества в виде молекулярного пучка. Была разработана принципиальная ионно-оптическая схема нового источника ионов, положенная в основу его конструкции. При этом реальный источник ионов включает ряд отличий от принципиальной схемы, связанных с технологией его изготовления и необходимых для его работы при анализе гексафторида урана. Это потребовало проведения дополнительных исследований параметров источника ионов и оптимизации его характеристик. В связи с этим научная новизна работы заключается в том, что впервые была комплексно решена задача оптимизации характеристик специализированного источника ионов для анализа изотопного состава гексафторида урана, при этом:

  • впервые при оптимизации характеристик источника ионов для масс-спектрометра с магнитным анализатором был предложен, обоснован и применен критерий оптимизации разрешающей способности масс-спектрометра, основанный на учете энергетического разброса ионов в ионном пучке;
  • впервые при моделировании источника ионов произведен анализ и учет неравномерного характера пространственного распределения ионов в горизонтальном сечении начального эмиттанса;
  • впервые разработана методика нахождения в численном эксперименте потенциального режима ионно-оптической системы источника ионов, адекватного экспериментальному;
  • впервые выявлено влияние паразитных вытягивающих полей, возникающих вследствие необходимо близкого расположения элементов системы ввода пробы, и искажающих распределение потенциалов внутри ионизационной камеры, предложены меры по уменьшению этого влияния.

Практическая значимость работы состоит в исследовании и оптимизации характеристик источника ионов, используемого в специализированном масс-спектрометре для анализа изотопного состава гексафторида урана и обеспечении оптимального режима работы источника ионов. Являясь одним из главных узлов, определяющим предельные параметры прибора в целом, разработанный источник входит в состав аналитической части масс-спектрометра МТИ-350Г.

Апробации

Результаты работы докладывались на семинаре по масс-спектрометрии Минатома РФ, (С-Пб, ИАнП РАН, 2000 г.), на XVI симпозиуме по геохимии изотопов (Москва, 2001 г.), на Всероссийской конференции с международным участием "Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы" (Москва, 2005 г.), на семинарах КНТС-М (2000-2003 г.г.), на 14-ой ежегодной конференции Ядерного Общества России «Научное обеспечение безопасного использования ядерных энергетических технологий» (Удомля, 2003 г.), на семинаре «Спектрометрический анализ. Аппаратура и обработка данных на ПЭВМ» (Обнинск, ГОУ «ГЦИПК», 2003 г.), на XVI Уральской конференции по спектроскопии (Новоуральск, 2003 г.).

Публикации

Результаты диссертационной работы опубликованы в виде восьми статей в журналах «Атомная энергия», «Аналитика и контроль», «Научное приборостроение», «Вопросы атомной науки и техники», трех докладов, итогового отчета по разработке масс-спектрометра МТИ-350Г, а также пяти отчетов.

Личный вклад автора состоит в разработке критерия оптимизации разрешающей способности масс-спектрометра и его применении для улучшения характеристик источника ионов масс-спектрометра МТИ-350Г, в разработке методики поиска оптимальной комбинации потенциалов элементов ионно-оптической системы, обосновании необходимости учета неравномерного характера распределения ионов в горизонтальном сечении начального эмиттанса, и применении их при расчете источника ионов масс-спектрометра МТИ-350Г. Автор также принимал непосредственное участие в моделировании работы источника ионов масс-спектрометра МТИ-350Г, испытаниях разработанного источника ионов и получении экспериментальных данных, подготовке научно-исследовательских отчетов, материалов докладов и публикаций, а также в разработке технических условий и эксплуатационной документации к масс-спектрометру МТИ-350Г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех оригинальных глав, заключения, включает 141 страницу текста, 36 рисунков, 35 таблиц. Список литературы содержит 92 наименования.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приводятся цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору методов моделирования, используемых при разработке ионно-оптических схем источников ионов. Кроме того, дается описание использования концепции фазового пространства при анализе ионно-оптических систем.

В разделе 1.1 диссертации рассмотрены методы моделирования электростатических ионно-оптических систем. Исторически первоначально для расчетов сложных ионно-оптических систем (далее – ИОС) использовались методы экспериментального моделирования, при которых разрабатываемой системе сопоставлялась модель, опирающаяся на физические законы, сходные с законами распределения потенциалов электростатических систем и законами движения заряженных частиц в этих системах. Однако в последнее время в связи с бурным развитием вычислительной техники и теории электронной оптики методы экспериментального моделирования были вытеснены численными методами расчета. Одним из численных методов расчета, широко использующихся для расчета электростатических полей, стал метод конечных разностей. Наиболее популярным программным продуктом, использующим этот метод, широко применяемым как отечественными, так и зарубежными разработчиками, является программа SIMION. Именно эта программа была выбрана для моделирования источника ионов масс-спектрометра МТИ-350Г. В последнее время для расчета ИОС источников ионов наиболее плодотворно используется теория транспортировки пучков, основанная на положениях концепции анализа движения частиц в фазовом пространстве. Применение этой концепции для анализа и расчета ИОС источника ионов МТИ-350Г описано в разделе 1.2 диссертации.





В соответствии с этой концепцией поведение каждой частицы описывается обобщенными координатами и импульсами, и каждому состоянию частицы сопоставляется точка в шестимерном фазовом пространстве. На основании представления пучков в виде проекций на фазовые плоскости координат и углов характеристики ИОС источника ионов могут быть описаны в виде двумерных эмиттансов. Эмиттансы представляют собой совокупность проекций координат всех частиц, исходящих из источника ионов, и являются выходной характеристикой источника ионов. Входная характеристика, относящаяся к элементам ионной оптики, принимающим пучок, называется аксептансом. Аксептанс определяет границы, при попадании в пределы которых частицы пройдут без потерь описываемый элемент, например, магнитный анализатор масс-спектрометра. Соответственно, задача оптимального согласования источника ионов с анализатором масс-спектрометра сводится к нахождению максимального совпадения эмиттанса ИОС источника ионов и аксептанса ИОС масс-анализатора. Для использования представления движения ионов в координатах фазового пространства использовался программный модуль SIMDRAW, разработанный в Институте аналитического приборостроения РАН, и позволяющий переводить в координаты фазового пространства траектории частиц, рассчитанные при помощи программы SIMION.

В разделе 1.3 диссертации приведены критерии оценки параметров источников ионов, на основании которых можно оценить существующие источники ионов, и которые учитывались при разработке источника ионов для специализированного масс-спектрометра МТИ-350Г.

Во второй главе приведен обзор конструкций источников ионов, применяемых в приборах для анализа изотопного состава веществ и результаты выполненного автором моделирования и анализа ионно-оптических свойств этих источников.

В качестве прототипов масс-спектрометра МТИ-350Г выступают масс-спектрометры для анализа изотопного состава МИ-1201АГМ производства ОАО «Selmi» (Украина) и МАТ-281 производства Finnigam MAT (Германия). В диссертации рассмотрены ионно-оптические схемы, устройство и особенности конструкции источников ионов указанных масс-спектрометров.

Источник ионов масс-спектрометра МИ-1201АГМ представляет из себя одну из самых распространенных в России реализаций классической схемы источника ионов Нира. Устройство и принцип действия такого источника рассмотрены в разделе 2.1 диссертации, там же приведены выявленные недостатки ионно-оптической схемы и конструкции источника ионов. Полученные результаты ионно-оптического моделирования показывают, что значительная часть ионов (до 40%) погибает на электродах источника, причем бльшая часть – на электродах коллимирующих щелей. Моделирование совмещения эмиттанса источника МИ-1201АГМ с аксептансом масс-анализатора МТИ-350Г показывает, что только небольшая часть ионов, образовавшихся в ионизационной камере, пройдет через масс-анализатор. Это означает, что источник такого типа нецелесообразно использовать в разрабатываемом масс-спектрометре по причине недостаточной чувствительности и светосилы.

Более удачным источником ионов является источник специализированного масс-спектрометра МАТ-281, устройство и особенности конструкции которого подробно рассмотрены в разделе 2.2 диссертации. Этот источник отличается более развитой электронной пушкой, сложной ионно-оптической системой и наличием системы молекулярного ввода газа. Анализ результатов моделирования источника ионов масс-спектрометра МАТ-281 показал, что конструкция этого источника обладает преимуществами перед конструкцией источника МИ-1201АГМ, что позволяют выбрать его в качестве наиболее подходящего прототипа для разработки источника ионов для масс-спектрометра МТИ-350Г.

Раздел 2.3 посвящен описанию принципиальной схемы ИОС источника ионов масс-спектрометра МТИ-350Г, состоящей из следующих элементов: ионизационной камеры, вытягивающей линзы (В), первой линзы горизонтальной фокусировки (Г1), второй линзы горизонтальной фокусировки (Г2), третьей линзы горизонтальной фокусировки (Г3), первой линзы вертикальной фокусировки (В1), второй линзы вертикальной фокусировки (В2), экранированного дрейфового промежутка, коллимирующей щели. Принципиальная ионно-оптическая схема источника ионов была разработана в Институте аналитического приборостроения РАН (ИАнП), причем все линзы ИОС в расчетной модели задавались в традиционной плоской форме. Однако при разработке конструкции источника ионов по технологическим соображениям были внесены изменения в геометрию линз В, Г1 и Г2, а также ионизационной камеры. В частности, геометрия линз была изменена на форму поверхности усеченного конуса вместо традиционной плоской. В результате таких изменений геометрии ИОС изменились ионно-оптические характеристики реальной конструкции серийного варианта источника ионов по сравнению с расчетной моделью. Таким образом, при сборке и наладке масс-спектрометра МТИ-350Г остро встала необходимость в нахождении параметров оптимального режима работы серийного варианта источника ионов и его согласования с масс-анализатором. Поэтому автором были проведены исследования и оптимизация характеристик серийного варианта источника ионов масс-спектрометра МТИ-350Г с учетом наиболее значимых физических явлений, оказывающих влияние на работу источника.

В третьей главе описаны способы учета влияния дополнительных факторов на характеристики источников ионов при их моделировании.



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.