Устройство для масс-спектрометрического анализа поверхностей космических объектов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 H 01 J 49 40

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ д1 ю .

l591tjtOltf

j ф у у !

1 gg ЯЬаю. юРэвгю (21) 3768921/24-21 (22) 23.07.84 (46) 07.05.87. Бюл. № 17 (71) Институт космических исследований AH СССР (72) Г.Г.Манагадзе, P.3.Сагдеев и И.Ю.Шутяев (56) Авторское свидетельство СССР № 295572, кл. Н 01 J 49/40, 1969.

Боровский И.Б. и др. Локальные

1 етоды анализа материалов. M.: Метал лургия, 1973, с. 92.

Авторское свидетельство СССР № 198034, кл. Н 01 J 49/40, 1967.

Ъ (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАСССПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПОВЕРХ

НОСТЕЙ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, содержащее источник высокоэнергетического пучка, пространство дрейфа, после

„„SLI„„ I21 8ßÄß А которого расположен рефлектор и детектор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности результатов анализа, расширения функциональных возможностей за счет обес- печения дистанционного анализа, в него введены дальномер и блок управления параметрами рефлектора, на вход которого подключен дальномер, а выход которого соединен с,сетками рефлектора.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок управления параметрами рефлектора включает блок памяти, на адресные входы блока памяти подключен дальномер, а выходы блока памяти через. цифроана- уф логовые преобразователи подключены к М Г источникам напряжения, выходы кото- С, рых подключены к сеткам рефлектора.

feeL

1 121885

Изобретение относится к области космического приборостроения и может быть использовано для дистанционного исследования элементного состава космических объектов, лишенных атмосферы. . Целью изобретения является повышение точности результатов и расширение функциональных возможностей масс-анализатора за счет обеспечения 10 дистанционного анализа.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство, на фиг. 2 приведена схема блока управления.

Предлагаемое устройство состоит из лазера 1, фокусирующей системы 2, рефлектора 3, детектора ионов 4, дальномера 5, блока управления 6 параметрами рефлектора, Блок управления 6 состоит из (фиг. 2) аналого- 20 цифрового преобразователя (АЦП) 7, запоминающего устройства (ЗУ) 8, цифроаналоговых преобразователей (ЦАП)

9.1, 9.2, ° ... n управляемых высоко" вольтных источников 10, 10.1, 10.2, 25 п. Кроме того, устройство со- держит блок питания 11.

Устройство работает следующим образом.

Сфокусированное лазерное излучение производит испарение и ионизацию вещества грунта. Разлетающиеся продукты испарения достигают рефлектора и регистрируются устройством.

Ионы с определенной энергией за вре- 35 мя дрейфа до рефлектора разделяются в пакеты по массам (точнее по отношению масса/заряд). Выделение ионов с определенной энергией происходит в рефлекторе 3. Использование настрой- 40

: ки поля рефлектора на текущую длину дрейфа с помощью системы дальномер

5 — блок управления параметрами рефлектора 6 позволяет получить хорошее разрешение прибора при пропускаемой энергетической ширине пакета ионов порядка 10Х.

2 2

GOULD. В дальнейшем спектр масс передается по телеметрическим каналам на Землю. Возможна предварительная обработка информации на борту.

Возможная структурная схема блока управления параметрами рефлектора 6 приведена на фиг. 2. Ийформация о дистанции до исследуемого объекта от дальномера в цифровом виде подается на адресные входы ЗУ 8. Если дальномер выдает информацию в аналоговом виде, то сначала информация преобразуется с помощью АЦП 7 в цифровой код. В ЗУ 8 записана программа изменения напряжений в зависимости от расстояния, измеренного дальномера. Информация ЗУ 8 преобразуется с помощью ЦАП 9 в аналоговые сигналы и используется для управления высоковольтными источниками 10 в качестве опорного напряжения, напряжение с ко" торых подается на сетки рефлектора.

Возможны иные варианты структурных схем этого блока, реализующие ту же функцию и управление выходными напряжениями в зависимости от входной информации по заданной программе. Возможная программа будет приведена ниже.

Для оценки чувствительности массспектрометра примем следующие параметры лазера. энергия в импульсе

1 Дж, время импульсов 10 нс. Такие параметры вполне достижимы для современных лазеров с модулированной добротностью. Мощность лазера в импульсе 10 Вт. Если луч лазера сфокусирован в пятно диаметром d = 1мм, то плотность энергии в пятне составит

7у 2 ..10 Вт/смг я l

При таких условиях будет испарен слой вещества толщиной h = 0,2 мкм и выход ионов после разлета составит "-10 г от начального количества частиц /3,4/, т.е. число разлетающихся ионов составит

23

N„=n — h y = 10 ионов

4 (h=2 -10 г частиц/см ) .

Считая разлет сферически симметричным, найдем, что число ионов, попадающих на вход рефлектора при его диаметре D = 5 см и расстоянии между рефлектором и исследуемым объектом

1. = 25 м, равно

Затем выделенные ионы регистрируются детектором 4. При этом каждой 50 массе соответствует пик с определенной задержкой от начала развертки.

По амплитуде пиков можно судить о процентном содержании элементов в гРУнте. Для Регистрации и запоминания 55 сигнала можно использовать многоканальный анализатор, функционально аналогичный, например прибору

WAVEFORMRECORDER модель 8100 фирмы айаг 6.

N< 4 2 gã =0 5 10, N, =

5 ° . 10 ионов, I

N < 10 ионов

Напряжение сетки, В

Расстояние между рефлектором и объектом, м,4

0,868

0,869

0,877

0,922

0,926

1,0

30,0-32,5

32,5-37,5

37 5-42 5

37,5-47,5

1,0

0,931

1,0

0,883 0,936

1,0

47,5-52,5

0,888 0,940

1,0

0,892 . 0,943

52,5-57,5

1,0

0,896 0,946

57,5-62,5

62,5-67,5

1,0

0,948

0,950

1,0

0,898., 0

67,5-70,0

0,899

1,0

3 12188

Из этого количества ионов будет зарегистрировано 10Х, если считать, что ионы распределены равномерно по энергиям в диапазоне 0-1000 эВ и рефлектор выделяет частицы в зоне шириной 100 эВ. Таким образом число ионов, приходящих на детектор, равно

Современные вторично-электронные ум10 ножители способны зафиксировать отдельный ион, поэтому чувствительность предлагаемого устройства составит

10 % по примесям по отношению к основе образца (если считать, что для

f5 статистики достаточно 10 ионов, точность измерений 307) . Согласно проведенным на ЭВМ расчетам, разрешение анализатора, можно 20 сделать не менее 200 при расстоя52 4 нии между КА и объектом, меняющемся в пределах 30-70 м, и длине рефлектора 30 см. Расчеты проводились для трехэазорного рефлектора. В этой случае изменение напряжений на„ сетках рефлектора, т.е ° изменение поля () в рефлекторе, достаточно проводить при изменении расстояний до объекта на каждые 5 м. Программа изменений напряжений в зависимости от расстояния до рефлектора рассчитывается на

Земле и выполняется блоком управления параметрами рефлектора. Возможная программа изменения напряжений приведена в таблице (относительные единицы).

Эта таблица не является единственной и может меняться в зависимости от требования к разрешению, чувствительности и диапазону изменения расстояний.

1218852

Составитель И. Некрасов

Текред M.Õîäàíè÷ Корректор Н.Король

РеДактор В.Фельдман

Тираж 699 Подпис ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 1813/1

° В МЮЮ М

Производственно-полигра4ическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4