Разработка источника ионов на основе барьерного разряда для спектрометрии ионной подвижности и исследование его аналитических возможностей

• Автор: Печатников, Павел Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 118 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Г ЛАВА 1 Обзор литературы по тематике диссертации
1.1 Основные принципы работы спектрометров ионной подвижности
1.2 Методы ионизации, применяемые в спектрометрии ионной подвижности
1.3 Источники ионов на основе метода химической ионизации в СИП. Источники ионов на основе барьерного разряда
ГЛАВА 2 Разработка источника ионов на основе барьерного разряда и исследование его основных токовых параметров
2.1 Барьерный разряд
2.2 Разработка источника ионов на основе барьерного разряда
2.3 Экспериментальная установка для исследования ионного выхода источника ионов на основе барьерного разряда
2.4 Результаты исследований источника ионов на основе барьерного разряда
ГЛАВА 3 Моделирование параметров плазмы барьерного разряда атмосферного давления
3.1 Расчет констант скоростей элементарных процессов, параметров переноса и транспортных коэффициентов
3.2 Гидродинамическая модель плазмы барьерного разряда атмосферного давления
3.3 Результаты моделирования параметров и ионного состава БР в смеси N2/02
ГЛАВА 4 Апробация источника ионов на основе барьерного разряда в состав макета спектрометра ионной подвижности
4.1 Описание макета спектрометра ионной подвижности
4.2 Спектры подвижности реагирующих ионов
4.3 Оценка ионизационных возможностей источника ионов
Заключение
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Таблица плазмохимических реакций для модели разряда в смеси N2/02
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Сечения и константы скоростей процессов с участием
электронов

Введение
В последние годы в перечень актуальных вопросов физики низкотемпературной плазмы (НТП) вошел перечень проблем, связанных с применением плазменных источников ионов в современных наукоемких технологиях таких, например, как ионное напыление, получение новых материалов, ионные ракетные двигатели и т.д. [1]. Одно из таких востребованных-применений - разработка ионных-источников в аналитическом приборостроении для изучения физико-химических свойств вещества в широком спектре агрегатных состояний методами масс-спектрометрии. Эти методы сегодня широко используются в гео- и космохронологиях, молекулярной биологии и биофизике, экологии, технологиях ядерного синтеза [2].
В то же время существуют перспективные с точки зрения практического применения задачи, для которых стандартные методы масс-спектрометрии становятся труднореализуемыми, например, компонентный анализ воздушной среды с целью обнаружения сверхмалых, “следовых” количеств токсичных веществ во внелабораторных условиях. К рабочим характеристикам приборов, применяемых для решения подобных задач, предъявляются довольно жесткие требования сочетания высоких индикационных показателей, таких как чувствительность, селективность, быстродействие и достоверность анализа, с портативностью, простотой в использовании и невысокой стоимостью.
Несмотря на то, что методика продвижения методов масс-спектрометрии в область повышенных давлений, в принципе, известна (смотри, например [3],[4]) многие вопросы при этом остаются открытыми. Одно то обстоятельство, что методика требует применения системы газодинамического интерфейса - системы дифференциальной откачки, усложняет адаптацию классической техники масс-спектрометрии к полевым условиям.
Альтернативой может являться направление спектрометрии ионной подвижности (СИП), не требующее применения высоковакуумной техники - обстоятельство, которое может стать решающим при разработке портативных анализаторов атмосферы во внелабораторных условиях [5]. Основанный на принципе ионизации молекул определяемых компонент и последующем разделении ионов по подвижности в электрическом поле метод СИП на сегодняшний день считается одним из наиболее перспективных подходов в области “следового” газового анализа. Он обеспечивает высокие уровни чувствительности и быстродействия измерений, позволяет проводить анализ при атмосферном давлении в реальной воздушной среде, отличается относительной простой в сравнении с другими аналитическими методами. К основным недостаткам метода можно отнести: зависимость показаний приборов от климатических

параметров воздушной среды (температура, влажность, давление), относительно невысокая в сравнении с масс-спектрометрией разрешающая способность.
В прецизионном спектральном анализе газовой пробы, использующем методы масс-спектрометрии и спектрометрии ионной подвижности, самостоятельным вопросом является выбор ионного источника (ИИ). Прежде всего, это могут быть ИИ, основанные на ионизации электронным ударом, поверхностная ионизация для веществ с невысокими значениями работы выхода (щелочные атомы), ионизация в условиях индуктивно связанной плазмы, ионизация в высоковольтном искровом и тлеющем разрядах, ионизация, инициируемая гигантским лазерным импульсом, ионизация в объеме полого катода и др.
Применительно к случаю спектрометрии ионной подвижности, работающей при атмосферном давлении воздуха, речь идет об источнике образования первичных положительных и отрицательных ионов (ионов реагента) для последующей ионизации анализируемых соединений по методу химической ионизации при атмосферном давлении (ХИАД). Ионизация определяемых соединений в этом случае осуществляется в ионномолекулярных реакциях между молекулами аналита и ионами газа-реагента (“реагирующими” ионами), образованными в источнике первичной ионизации. При анализе воздушной среды реагирующими ионами обычно являются положительные и отрицательные ионы атмосферных газов. Роль источника первичных ионов выполняют либо процессы радиолиза воздушной среды, инициируемые быстрыми частицами, испускаемыми радиоактивными изотопами, либо газовые разряды атмосферного давления, чаще всего коронный разряд. Метод ХИАД обеспечивает широкий спектр анализируемых соединений, высокий уровень чувствительности анализа и является при этом “мягким ” методом ионизации с малой долей фрагментации анализируемых молекул.
Широко используемые в настоящее время два варианта реализации метода химической ионизации в СИП - с применением радиоизотопного источника реагирующих ионов или коронного разряда - обеспечивая приемлемые параметры ионизации, обладают рядом недостатков, ограничивающих применение таких приборов. Так, использование ИИ на радиоизотопах влечет необходимость выполнения жестких условий техники безопасности, а источники ионов на основе коронного разряда обладают коротким сроком службы и отличаются невысокой стабильностью параметров из-за разрушения со временем коронирующего электрода. Поэтому задача разработки новых источников реагирующих ионов для метода ХИАД в спектрометрии ионной подвижности является сегодня востребованной задачей.

ДИОЙ I

ивых
Входной
электрод
Выходной
электрод
Рис 2.3 Схема пьезоэлектрического трансформатора с продольно-поперечной
поляризацией секций
Основными преимуществами ПТР в сравнении с электромагнитными трансформаторами являются: малые габариты и малые шумы устройства, обеспечение высокой гальванической развязки, возможность работы на высоких частотах, высокий КПД. К недостаткам ПТР можно отнести: резонансный характер работы и узость амлитудно-частотных характеристик (АЧХ) устройства, смещение АЧХ по амплитуде и частоте при воздействии температуры и изменения характера и величины нагрузки. ПТР можно охарактеризовать как объект управления с переменной структурой и переменными параметрами. В литературе возможность применения ПТР для питания БР была продемонстрирована ранее при их использовании в качестве источников напряжения для озонаторов [85]. Кроме того, известен вариант ИИ на основе барьерного разряда, реализованный с применением эффекта пьезотрансформации [64]. В качестве основных преимуществ применения ПТР для питания барьерного разряда в источнике ионов можно выделить: малые габариты устройства, гарантия отсутствия пробоя трансформатора и возможность реализации необходимого уровня переменного напряжения на разряде при уровне энергопотребления в несколько Вт.
Важно отметить, что рабочая частота ПТР может достигать ЮОкГц, что довольно трудно реализуемо в обычных электромагнитных трансформаторах. Параметр частоты питающего напряжения является одной из определяющих характеристик барьерного разряда. Увеличение частоты приводит к увеличению вкладываемой в разряд мощности и росту средних за период концентраций заряженных компонентов плазмы [69]. Для барьерного разряда в качестве источника ионов отмечается рост величины ионного тока источника ионов с увеличением частота питающего напряжения [68],[79].
Выбор источника питания разряда на основе ПТР был одним из ключевых параметров разработанного ИИ. При этом оставалась необходимость исследования возможности применения ПТР для питания барьерного разряда в нашем случае и оценки