Разработка нового метода столкновительной электронной спектроскопии для анализа вещества на основе микроплазменных источников

• Автор: Цыганов, Александр Борисович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Обзор литературы по методам анализа атомарного и молекулярного состава

вещества в газовой фазе

1.1 Методы оптической и масс-спектроскопии

1.2 Методы электронной спектроскопии

1.3 Методы плазменной электронной спектроскопии

2. Физические принципы метода столкновительной электронной спектроскопии (Collisional .Electron Spectroscopy - CES)
2.1. CES как метод анализа энергии электронов в условиях столкновений при изотропном распределении вектора импульса, правила подобия для детекторов

2.2. Микроплазменный анализатор CES в режиме послесвечения импульсного разряда
2.3. Вариант детектора CES для анализа металлических и жидких образцов
2.4. Микроплазменный анализатор CES для работы в постоянном режиме
2.5. Результаты моделирования микроплазменного анализатора CES с газовым разрядом в Не при повышенном давлении
3. Экспериментальное исследование спектров энергии электронов в
микроплазменном варианте детектора CES
3.1. Электрофизическая установка для исследования спектров энергии электронов в микроплазменном детекторе CES
3.2. Схема микропроцессорной системы управления и регистрации микроплазменного детектора CES
3.3. Особенности программного обеспечения для микропроцессорной системы управления и регистрации микроплазменного детектора CES
3.4. Результаты экспериментов по регистрации спектров энергии электронов в послесвечении разряда в гелии методом CES
3.5. Оценка аналитических возможностей метода CES
4. Анализ функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ) в ВУФ-фотоионизационном варианте детектора CES
4.1. Конструктивные особенности ВУФ-фотоионизационного анализатора CES
4.2. Моделирование физических процессов и электронных спектров в фотоионизационном детекторе CES
4.3. Схема микропроцессорной системы управления и регистрации ВУФ-фотоионизационного анализатора CES
4.4. Анализ электронных спектров и рабочих параметров фотоионизационного
детектора CES
5. Об определении ФРЭЭ в детекторе CES с помощью процедуры двойного дифференцирования сплайн-аппроксимированных кривых «ток-напряжение»
5.1. Алгоритмы МНК-аппроксимации сплайнами 3-го порядка и двойного дифференцирования сигналов детектора CES
5.2. Программное обеспечение для реализации метода МНК-аппроксимации сплайнами и двойного дифференцирования
5.3. Определение предела разрешающей способности метода
Заключение
Литература

Введение
Исследования плазменных методов для анализа молекулярного и атомарного состава вещества имеют важное значение как в фундаментальном, так и в прикладном отношениях. Это связано с их широким применением в научных исследованиях и в промышленности. Объектом особого интереса является дальнейшее совершенствование принципов и методик анализа вещества с точки зрения миниатюризации, снижения энергопотребления и себестоимости оборудования. Так как исследования в данной области ведутся широким фронтом и имеют, по крайней мере, столетнюю историю, то для дальнейшего продвижения в этом направлении требуется поиск и реализация новых фундаментальных физических принципов при разработке аналитических средств и методов следующего поколения.
Подавляющее большинство традиционных средств анализа вещества построено на ионизации анализируемого вещества или смеси и последующего анализа траектории движения, заряженных частиц (ионов и электронов) в специально созданных электрических или магнитных полях от области рождения до детектора. При этом определяется либо отношение массы к заряду [1] (для ионов в масс-спектрометрии), либо кинетическая энергия [2] (для электронов в электронной спектроскопии), и по этим данным происходит идентификация анализируемого вещества, зачастую в комбинации с дополнительными аналитическими средствами газовой хроматографии [3]. Однако необходимо отметить, что практически во всех подобных анализаторах определяется именно вектор импульса заряженной частицы, что накладывает жесткое требование поддержания высокого вакуума на всей траектории движения. Любое столкновение анализируемой заряженной частицы с атомами или молекулами остаточного газа приводит к рассеянию этой частицы и, таким образом, к выбыванию «из игры», или ошибочному детектированию в непредсказуемой точке приемника с потерей разрешающей способности. Дополнительной технической и методической проблемой является ввод атомов или молекул образца, как правило, находящегося при атмосферном давлении, в область анализатора, где необходимо поддерживать высокий вакуум.
Эти обстоятельства приводят к увеличению веса, габаритов, энергопотребления и технической сложности традиционных средств определения состава газовых смесей, что не позволяет решить целый ряд важных аналитических задач, стоящих перед современной наукой и техникой. В частности, практически важной задачей является создание индивидуальных детекторов с размерами в несколько кубических сантиметров и распределенных сетей газоанализаторов. Такие детекторы будут широко востребованы в

Кроме основного варианта микроплазменного детектора CES, описанного выше, можно использовать дополнительные варианты конструкции. Например, для дополнительной ионизации атомов или молекул примеси в плазме послесвечения можно использовать нейтральные частицы от внешнего источника 15, например, фотоны с определенной энергией, достаточной для ионизации примеси, но недостаточной для ионизации основного газа. В качестве источника 15 таких нейтральных частиц 16 можно использовать лазер или газовый разряд в инертном газе. Известно, что такой разряд излучает, в основном, резонансные фотоны, соответствующие переходам с нижних возбужденных уровней в основное состояние атома инертного газа и имеющие достаточную энергию для ионизации примесей. Например, разряд в гелии излучает резонансные фотоны с энергией порядка 21 эВ и достаточной монохроматичностью.
Этими фотонами 16 облучают плазму послесвечения и определяют функцию распределения фотоэлектронов F(v), образовавшихся при ионизации примесей, как описано выше. При этом изолируют ионизационную камеру от нежелательного попадания заряженных частиц из внешнего источника 15 за счет установки между ними электродов для улавливания этих заряженных частиц или за счет установки окошка, прозрачного только для фотонов. Между ионизационной камерой и внешним источником 15 также могут быть установлены диафрагмы для формирования потока фотонов 16, направляемых в заданную область ионизационной камеры. При этом инертный газ в источнике 15 может быть другого вида по сравнению с буферным газом в ионизационной камере.
Для дополнительной ионизации атомов или молекул примесей в плазме послесвечения можно также использовать в качестве частиц 16 резонансные для буферного газа фотоны, если источник 15 и ионизационная камера наполнены одним и тем же инертным газом. При этом возрастает эффективность ионизации и ток характеристических электронов за счет увеличения длины пробега фотона в ионизационной камере благодаря эффекту «пленения излучения», а также за счет дополнительной ионизации примесей при столкновениях с резонансно-возбужденными атомами основного газа.
Также, как показано на Рис. 2.2, в ионизационной камере с плазмой послесвечения катод 5 можно выполнить из нескольких (N) изолированных друг от друга сегментов 19. Напряжение для зажигания разряда от импульсного блока питания 13 подается на каждый сегмент 19 через диоды 20 для того, чтобы в послесвечении измерять ток на каждый из сегментов 19 отдельно. При этом на каждый из сегментов 19 подают в послесвечении индивидуальное значение напряжения, которое складывается из выходного напряжения ЦАП 12 и делителя напряжения из резисторов 21, подключенного к источнику питания 22.