Механизмы образования ионов нитроароматических молекул в газовой фазе и на поверхности пористого кремния при УФ-лазерном воздействии

• Автор: Мартынов, Игорь Леонидович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

Оглавление
Введение

Основные положения, выносимые на защиту

Научная новизна

Практическая ценность результатов

Апробация работы

Публикации
I. Спектрометрия ионной подвижности. Многоступенчатая и поверхностная лазерная ионизация

1.1. Спектрометрия ионной подвижности

1.1.1. Принципы спектрометрии ионной подвижности

1.1.2. Область практического применения спектрометрии ионной подвижности

1.1.3. Методы ионизации, применяемые в спектрометрии ионной подвижности
1.2. Многоступенчатое лазерное возбуждение и ионизация
1.2.1 Основные принципы
1.2.2. Особенности многоступенчатой ионизации молекул
1.3. Лазерная десорбция/ионизация
1.4. Постановка задачи
II. Экспериментальная установка и методика
2.1. Лазерная система
2.2. Спектрометр ионной подвижности
2.3. Исследуемые вещества и методика проведения измерений
III. Исследование процессов, влияющих на разрешающую способность спектрометра. Оптимизация параметров дрейфовой трубки
3.1. Разрешающая способность спектрометра. Механизмы уширения ионного пика. Оптимизация дрейфового напряжения
3.2. Оптимизация длины дрейфовой трубки
3.3. Выводы
IV. Образование ионов нитроароматических молекул при УФ-лазерном воздействии в газовой фазе
4.1. Спектры фоновой ионизации
4.2. Многоступенчатая ионизация нитроароматических молекул
4.2.1. Спектры ионной подвижности положительных ионов исследуемых веществ
4.2.2. Зависимость выхода положительных ионов от интенсивности, механизм ионизации
4.2.3. Оценка эффективности многоступенчатой ионизации сследуемых молекул
4.3. Отрицательные ионы
4.3.1. Образование отрицательных ионов при низкой интенсивности лазерного излучения (ц< 5-106 Вт/см2)
4.3.2.Образование отрицательных ионов при высокой интенсивности лазерного излучения (ц> 5-106 Вт/см2)
4.4. Выводы
V. Образование ионов нитроароматических молекул при УФ-лазерном воздействии на пористый кремний
5.1. Образцы пористого кремния
5.2. Оптимизация параметров ионного источника
5.3. Спектры фоновой ионизации при воздействии лазерного излучения на пористый кремний
5.4. Образование ионов нитроароматических молекул при лазерном воздействии на пористый кремний
5.5. Выводы
Заключение
Основные выводы
Список цитируемой литературы

Введение
В настоящее время методы селективного лазерного возбуждения и ионизации находят широкое применение, как в научных исследованиях, так и в различных областях техники. Отдельного внимания заслуживает проблема применения многоступенчатой лазерной ионизации в задаче обнаружения малых количеств органических веществ [1-3].
Современные успехи в области лазерной техники делают возможным использование лазерных источников ионов в портативных приборах. Большой интерес представляет сочетание' метода лазерной ионизации и спектрометрии ионной подвижности [4-7], которая позволяет создавать компактные, обладающие высокой скоростью анализа, простые в использовании и высокочувствительные газоанализаторы, работающие при атмосферном давлении и комнатной температуре. Основное применение такие устройства находят в задачах экологического мониторинга [8-10], а также задачах по обнаружению малых количеств наркотических, отравляющих и других токсичных веществ [11-14].
В качестве отдельной задачи можно выделить обнаружение взрывчатых веществ, среди которых существенную часть составляют нитроароматические соединения. На сегодняшний день уже существуют спектрометры ионной подвижности на основе метода лазерной ионизации, предназначенные для решения данной задачи [6,15]. Чувствительность этих устройств достигает 10‘14 - 3■ 10“15 г/см3 [15].
Вместе с тем, отчетливое понимание механизма образования положительных и отрицательных ионов нитроароматических соединений при лазерной многоступенчатой ионизации воздушной смеси, необходимое для дальнейшего совершенствования таких приборов, на сегодняшний день отсутствует.
Помимо многоступенчатой лазерной ионизации в газовой фазе в настоящее время активно развиваются методы ионизации, связанные с

поверхностью, достигающей 300 м2/см3 и более. Поверхность нанокристаллов только что изготовленного ПК покрыта пассивирующим слоем водорода, образованным в результате травления в НР [76]. При пребывании на воздухе поверхностный слой постепенно окисляется [76].

300 rm г—•— • V-
Рис. 1.15. Изображение пористого кремния, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (слева) [77] и атомного силового микроскопа (справа) [17].
Для воздействия на пористый кремний в методе DIOS использую излучение ИК, видимого и УФ диапазонов [16,17,77,78,128]. Чаще всего используется УФ излучение азотного лазера и 3-й гармоники YAG:Nd3+ лазера А.=337 нм и А,=355 нм, соответственно. При воздействии импульсного лазерного излучения на поверхность наряду с возможными фотопроцессами важнейшее значение имеет неравновесный нагрев, плавление и абляция материала мишени. Поэтому, основной величиной, характеризующей лазерное излучение и в методе MALDI, и в методе DIOS, является не интенсивность, а плотность энергии. Временные параметры лазерного импульса отдельно не исследуются, так как в режиме модуляции добротности (традиционном для MALDI и DIOS) нагрев поверхности мишени практически всегда локализован.
Характерный диапазон плотности энергии в DIOS зависит от длины волны лазерного излучения, для А.=337 нм он составляет —50 мДж/см2. При увеличении длинны волны лазерного излучения плотность энергии необходимая для получения устойчивого сигнала возрастает [17], что связанно с уменьшением коэффициента поглощения света поверхностью мишени. При заметном превышении указанного диапазона энергии наблюдается деградация «полезного» ионного сигнала и разрушение мишени, что проявляется, в