Особенности определения состава твердого тела с помощью масс-спектрометрии ионных сгустков на ранней стадии их разлета

• Автор: Кузнецов, Григорий Борисович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ЛАЗЕРНАЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

1.1. Успехи в развитии методов и аппаратуры для лазерного млсс-

СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВА В КОНДЕНСИРОВАННОМ СОСТОЯНИИ

1.2. Факторы, влияющие на лазерную масс-спектрометрию

КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЫ

1.3. Корреляция мевду масс-спектрами и исходным составом твердых

ВЕЩЕСТВ
1.4. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ИОНИЗАЦИИ ДЛЯ АНАЛИЗА ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ПОРОШКООБРА31 Л.1Х МАТЕРИАЛОВ
1.5. ПОСТА! ЮВКА ЗАДАЧИ
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
2.1. ОПИСАНИЕ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ЭМАЛ-2 И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
2.2. ОПИСАНИЕ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ЛАМАС-1 ОМ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ
3. СПЕКТРЫ ИОНОВ ИЗВЛЕКАЕМЫХ ИЗ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ НА РАННИХ СТАДИЯХ ЕЁ РАЗЛЕТА
3.1 Энергетические спектры лазерной плазмы в условиях ограниченного РАЗЛЕТА
3.2. ИОННЫЙ И ЗАРЯДОВЫЙ СОСТАВ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
3.4. ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ МАСС-СПЕКТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
3.5. Корреляция между составом исходного вещества и масс-спектрами..
4. УСКОРЕНИЕ И ИОНИЗАЦИЯ ЧАСТИЦ НА РАННЕЙ СТАДИИ РАЗЛЕТА ПРИ ВЗАИМОДЕЙТСИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С
КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗОЙ
4.1. взаимодействие лазерного ИЗЛУЧЕНИЯ С КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗОЙ и ОБРАЗОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
4.2. РАЗЛЕТ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
4.3. Селективность образования ионов в зависимости от массы и потенциала
ИОНИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ
5. КОРРЕЛЯЦИЯ МАСС-СПЕКТРОВ ИОННЫХ СГУСТКОВ С ИСХОДНЫМ СОСТАВОМ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ВРЕМЯПРОЛЕТНОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ
5.1 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МОДЕЛИ РАСЧЕТА КОЭФФИЦИЕНТОВ КОРРЕЛЯЦИИ
5.2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КОЧ ПРИ АНАЛИЗЕ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
6. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КОЧ ПРИ АНАЛИЗЕ ОБРАЗЦОВ В КОНДЕНСИРОВАННОЙ ФАЗЕ
6.1. ЭЛЕМЕНТНЫЙ А11АЛИЗ СТАНДАРТНОГО ОБРАЗЦА СОСТАВА «БРОНЗА 663 ».
6.2. Анализ порошкообразных образцов
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА.

ВВЕДЕНИЕ
Лазерная масс-спектрометрия (ЛМС) является одним из наиболее перспективных методов количественного анализа вещества в конденсированном состоянии. ЛМС обеспечивает получение чувствительности порядка Ю^-ИО'7 %, позволяет исследовать диэлектрики, проводники, геологические объекты и не требует специальной подготовки исследуемого образца. Универсальность данного метода состоит в возможности анализировать одновременно практически все элементы Периодической таблицы. Однако развитие и совершенствование методов количественного анализа выдвигает все более высокие требования к аналитическим возможностям ЛМС. По сравнению с другими методами, анализ с помощью лазерной ионизации имеет много преимуществ, но низкая воспроизводимость и правильность результатов анализа значительно снижает эффективность метода. Большое количество работ, посвященных этому вопросу, показывает, что основные причины кроются в сложности и многообразии процессов, протекающих при взаимодействии лазерного излучения с твердым телом, ионизации вещества и, наконец, при окончательном формировании ионных сгустков из лазерной плазмы.
В 80е-90е годы прошлого столетия при развитии методов количественного анализа вещества в конденсированном состоянии, основанных на лазерной ионизации, проводились многочисленные исследования, на основании которых сформировалась определенная физическая картина взаимодействия мощного лазерного излучения с конденсированной фазой [1,3-11]. С ее помощью можно было удовлетворительно описывать состав и свойства ионных сгустков извлекаемых из лазерной плазмы образованной при воздействии лазерного импульса на мишень. Однако, все эти исследования относятся к поздним стадиях разлета, когда наряду с процессами ионизации, определяющую роль при формировании состава ионного сгустка начинают играть процессы рекомбинации. Вместе с тем, нестабильность

мощности лазерного импульса, от выстрела к выстрелу, приводит к существенному изменению температуры сгустка, что, в свою очередь, также влияет на процессы, протекающие при разлете сгустка, и, в первую очередь, на процессы рекомбинации. Снизить роль процессов рекомбинации технически достаточно сложно, из-за сильной проводимости сгустка. Эта проблема была решена сравнительно недавно в ионном источнике, используемом во времяпролетном лазерном масс-спектрометре ЛАМАС-10М [2] с помощью применения магнитного поля. В данном случае ионные сгустки формируются из плазмы разрушаемой на ранних стадиях разлета. Это, с одной стороны, делает возможным получения более адекватной информации об исходном составе твердого тела, а с другой стороны дает новый и практический не изученный объект для исследований - ионный сгусток, извлекаемый из плазмы на ранних стадиях её разлета. И переход к разработке методик рутинного количественного анализа вещества в конденсированном состоянии невозможен без исследования этого «физического объекта». В свою очередь понимание процессов, протекающих при ионообра-зовании и дальнейшем разлете ионизированных частиц, должно стать ключом к улучшению метрологических характеристик анализа вещества в конденсированном состоянии методом лазерной масс-спектрометрии. Поэтому, задачи анализа взаимодействия лазерного излучения с конденсированной фазой, в указанных выше условиях, и исследования корреляции между составом исходного твердого тела и составом формируемых ионных сгустков, являются первоочередными, при использовании лазерной масс-спектрометрии для количественного анализа твердого тела.

В данной работе использовался ОКГ ИЛТИ-203, технические характеристики которого приведены в таблице 2.2. Применение мощного импульсного излучения ОКГ с модулированной добротностью для ионизации твердого вещества, позволяет производить анализ практически всех существующих в природе веществ, непрозрачных для длины волны 1064 нм.
Модуляция добротности осуществляется четвертьволновым электро-оптическим затвором, изготовленным из кристалла дейтерированного дигидрофосфата калия. В качестве хладагента в системе охлаждения ОКГ используется 0.2 % раствор хромовокислого калия в дистиллированной воде.
Излучение ОКГ фокусируется на образец с помощью фокусирующей системы, схема которой дана на рис. 2.2. Юстировка системы производится при помощи гелий-неонового лазера ЛГН-20 1 регулировочными винтами. Излучение лазера ИЛТИ-203 2 проходит через телескопическую систему 3 с пятикратным увеличением и попадает на диэлектрическое зеркало 4, разделяющее энергетический канал и канал наблюдения. Отраженное излучение ОКГ фокусируется на поверхности образца 7 объективом 6 с фокусным расстоянием 40 мм.
Для наблюдения за поверхностью образца предусмотрен окуляр 11 и система подсветки, состоящая из лампы 9, фокусирующей линзы 8 и окошка. Глаз наблюдателя 12 защищается от излучения ОКГ диэлектрическим зеркалом 4 и светофильтром 10.
Применение автоматических манипуляторов позволяет производить сканирование поверхности образца лазерным лучом в пределах ±20 мм, с заданной стабилизированной скоростью 0.1+2.0 мм/с и 0.01+0.20 мм/с по горизонтали и по вертикали, соответственно.
Изменение пятна фокусировки на мишени производится либо телескопической системой 3, либо диафрагмированием луча лазера. Это позволяет выбирать режим облучения поверхности: изменять плотность по-