Методы и средства ионизации вещества в проблеме определения элементного состава грунта с использованием время-пролетного масс-анализатора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Полякова, Вера Витальевна

• Полякова, Вера Витальевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Полякова, Вера Витальевна

Введение.

1. Оценка возможностей использования процессов горения пиротехнических смесей для оптической накачки твердотельных лазеров.

1.1. Активные среды для твердотельных лазеров с оптической накачкой короткоимпульсными лампами.

1.2. Интегральное описание лучистого потока.

1.3. Физическая модель и дифференциальное описание лучистого теплообмена.

1.4. Спектральная эффективность излучения пиротехнической накачки.

1.5. Алгоритм вычисления интеграла Планка.

2. Конструктивные, технологические и физические особенности пиротехнических источников накачки.

2.1. Оптимизация химического состава, формы, массы и габаритов заряда пиротехнической лампы накачки.

2.2. Выбор ингредиентов и оптимизация технологии нанесения абляционных покрытий.

2.3. Транспортировка светящегося факела через сопло Лаваля в канал зеркального отражателя, содержащего активную лазерную среду.

2.4. Пиротехническая лампа для оптической накачки твердотельного лазера на основе ИАГ: Ис13+.

2.5. Экспериментальные исследования спектральных и энергетических характеристик пиротехнической лампы

3. Твердотельные ИАГ: Ис13+-лазеры с пиротехнической лампой накачки.

3.1. Режимы свободной генерации и модулированной добротности в Ис13+-лазерах с пиротехнической накачкой.

3.2. Твердотельный ИАГ: Ш3+-лазер с пиротехнической накачкой и ресурсом равным единице.

3.3. Оптическая система фокусировки лазерного излучения на мишень.

3.4. Твердотельный ИАГ: Кс13+-лазер с пиротехнической накачкой, работающий в импульсном режиме.

3.5. Теоретические и экспериментальные оценки энергетических характеристик ИАГ: К(13+-лазера с пиротехнической лампой накачки.

3.6. Температурная зависимость параметров люминесценции лазерных элементов на основе стекла, активированного ионами

4. Некоторые аспекты проблемы определения элементного состава грунта с использованием лазерного ионизатора и время-пролетного масс-анализатора.

4.1. Физические принципы взаимодействия импульсного лазерного излучения с веществом мишени.

4.2. Идентификация элементного состава грунта с использованием лазерного ионизатора и время-пролетного динамического масс-анализатора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства ионизации вещества в проблеме определения элементного состава грунта с использованием время-пролетного масс-анализатора»

Одной из основных задач в геологии, экологии и других родственных отраслях науки является задача определения элементного состава и концентрации ингредиентов в различных веществах. В настоящее время разработаны и эффективно используются целый ряд методов и средств в области анализа веществ, среди которых особое место занимают калориметрические методы, разработанные на основе законов Бугера-Ламберта-Бера.

Калориметрия - метод определения концентрации вещества в растворе по поглощению света. Метод основан на измерении ослабления светового потока, происходящего вследствие избирательного поглощения света определяемым веществом. Существует спектрофотометрический и фотометрический методы абсорбционного анализа. Первый основан на измерении в монохроматическом потоке света (свет с определенной длиной волны X), а второй - на измерении в не строго монохроматическом пучке света. Определяемый компонент при помощи химической реакции переводят в окрашенное состояние, после чего каким-либо инструментальным способом измеряют интенсивность окраски полученного раствора. Таким образом, в калориметрии играют существенную роль, во-первых, правильно выбранные условия протекания реакции по переводу определяемого компонента в окрашенный раствор и, во-вторых, знание оптических свойств окрашенных растворов, что позволяет правильно выбрать способ измерения интенсивности окраски.

При прохождении пучка белого света интенсивностью 10 через стеклянный сосуд, заполненный исследуемым раствором, происходит ослабление интенсивности первоначального светового потока, и выходящий пучок света будет иметь интенсивность 1<10 (рис.1).

Интенсивность светового потока - это мощность излучения, испускаемого источником света в определенном направлении внутри телесного угла, равного единице.

Ослабление интенсивности связано:

1. с отражением на границах стекло - воздух и стекло- раствор (10т);

2. с рассеянием света, вызванным присутствием взвешенных в растворе частиц (1р);

3. с поглощением (абсорбцией) световой энергии раствором (1а). В

Рис.1

Отсюда, справедливо равенство:

10=1а+1от+1р+1

Величинами 1от и 1р можно пренебречь за счет того, что пользуются одинаковыми кюветами и растворами достаточно чистых исходных веществ, следовательно:

10= 1а+1 отсюда, 1а=1о-1

Степень поглощения светового потока раствором неодинакова для потоков с различными X, составляющих белый свет. В результате входящий свет часто бывает окрашен.

Цвет раствора, который воспринимается нашим глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через раствор не поглощенной. Кажущийся же цвет раствора является дополнительным к цвету поглощенного раствора.

В-толщина слоя раствора;10-интенсивность входящего монохроматического светового потока ; I- интенсивность выходящего светового потока.

Оптическая плотность раствора определяется по формуле: Д=1§ VI, где Д- оптическая плотность раствора; отношения 1/10; 1(Д и 1а/10 характеризуют: 1/10=Т - прозрачность раствора; 10/1=1/Т - его непрозрачность, или поглощение; 1а/10- поглощающая способность.

Уравнение Д=1ё 1<Д - математическое описание закона Бугера-Ламберта: слои данного вещества одинаковой толщины при прочих равных условиях всегда поглощают одну и ту же часть падающего на них светового потока.

Величина, характеризующая ослабевание светового потока обозначается п, тогда I0/I=nB, то есть Д=^ nB =В lg п. Lg n=const характерная для данного окрашенного раствора при прохождении монохроматического света, то есть: fl=const B=RB

Следовательно, графическим изображением последнего отношения будет прямая.

Бер установил, что при прохождении света через газы и растворы степень поглощения зависит от числа частиц в единице объема, встречающихся на пути светового потока, то есть поглощение зависит от концентрации вещества: 10Я = еВс, где г - коэффициент поглощения, e=const для растворов данного вещества при прохождении света с определенной длиной волны; В -толщина слоя; с - концентрация вещества, то есть оптическая плотность есть функция концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя. Причем функциональная зависимость прямо пропорциональная (закон Бера).

Основной закон калориметрии может быть сформулирован следующим образом: Оптическая плотность растворов при прочих равных условиях прямо пропорциональна концентрации вещества и толщине поглощающего слоя[1]. е В = const, то Д = const с.

Калориметрический метод эффективен при исследовании окрашенных растворов и оптически прозрачных или активированных красителями твердых тел, например, полимерных матриц, оптическая плотность которых Д<2.

В настоящее время для определения состава неизвестных веществ широко используются методы аналитической лазерной атомной и молекулярной абсорбционной, флуоресцентной и внутрирезонаторной спектроскопии [2].

Высокая спектральная яркость, узкополосность лазерного излучения и плавная перестройка длины волны излучения лазера значительно улучшило как чувствительность, так и спектральное разрешение методов атомной и молекулярной абсорбционной спектроскопии.

Метод поглощения основан на ослаблении лазерного пучка при прохождении его через вещество (атом, молекулу), полоса поглощения которых частично совпадает с частотой лазерного источника.

Чтобы отделить полосы поглощения атома, молекулы от поглощения, вызванного другими причинами [3], используют метод дифференциального поглощения. Сущность метода заключается в том, что в этом случае пучками, один из которых имеет частоту, совпадающую с центром линии, относящейся к полосе поглощения, другой - сдвинутую на крыло этой линии. Дифференциальное ослабление двух лазерных пучков оценивают по сигналам их рассеяния в обратном направлении [4].

Кроме метода дифференциального поглощения и рассеяния лазерное зондирование веществ включает методы, основанные на рэлеевском рассеянии, [5], Ми-рассеянии [6], комбинационном рассеянии [7], резонансном рассеянии [8] и флуоресценции [9].

Методы рассеяния базируются на: упругом рассеянии лазерного излучения атомами и молекулами без изменения частоты (рэлеевское); на упругом рассеянии лазерного излучения на малых частицах или аэрозолях, когда размер частиц сравним с длиной волны излучения без изменения частоты (Ми-рассеяние); на неупругом рассеянии лазерного излучения на молекулах со смещением частоты падающего излучения Ьу-Ьу* = Е, где величина смещения характеризует молекулы данного типа (комбинационное рассеяние); на рассеянии лазерного излучения, совпадающего по частоте с частотой определенного атомного перехода, без изменения частоты и с большим сечением (резонансное рассеяние).

Для идентификации состава различных веществ эффективно используется метод флуоресценции. В этом случае лазерное излучение, совпадающее по частоте с определенным электронным переходом в атоме или молекуле, поглощается с последующим испусканием атомов с меньшей частотой (большей длиной волны). В настоящее время абсорбционная спектроскопия получила мощный метод исследования, названный методом внутрирезонаторной лазерной спектроскопии. Метод базируется на высокой чувствительности спектрального распределения излучения широкополосного лазера к узкополосным потерям, , вводимым между зеркал оптического резонатора [10]. Схема экспериментальной установки приведена на рис.2. Исследуемое вещество 5 помещается в резонатор лазера на красителе (зеркала резонатора 8). Кювета с этаноль-ным раствором красителя 4 (активная среда лазера на красителе) помещается также в резонатор. Для накачки лазера на красителях использовался мощный рубиновый лазер 1 или ИАГ: Ш3+-лазер с удвоением частоты.

Если из резонатора лазера на красителях убрать исследуемое вещество5, то спектр генерации, регистрируемый спектрографом 7, будет определяться генерационными характеристиками органического красителя 4. При помещении исследуемого вещества 5 в резонатор лазера на красителях, спектр генерации будет изменяться - в нем будут изменяться амплитуды частотных составляющих, поглощенные веществом, что несет информацию о составе вещества и концентрации его ингредиентов. Метод позволяет детектировать единичные атомы и молекулы[11].

Отдельной фундаментальной проблемой является расширение представлений о минералогическом составе грунта Земли и окружающих ее планет.

При проведении геологических исследований эффективно используются методы дистанционного зондирования с использованием материалов аэро- и космических съемок для получения качественных и количественных характеристик природных объектов с точной географической привязной и с параметрами их пространственного распределения[12].

Аэрокосмические методы исследований применительно к геологическим задачам определяют дистанционную основу карт геологического содержания как оптимальную совокупность материалов дистанционного зондирования и результатов их обработок и интерпретации в цифровом и аналоговом виде и имеют широкие возможности при решении природно-ресурсных задач. 6 1 8

Рис.2. Схема экспериментальной установки, реализующей метод внутрирезо-наторной лазерной спектроскопии: 1- рубиновый лазер «Радуга-ЗМ»; 2- рассеивающая линза; 3- цилиндрическая линза; 4- кювета с органическим красителем; 5- кювета с исследуемым материалом; 6- отражательные плоские зеркала; 7- спектрограф; 8- зеркала резонатора.

Рассматривая дистанционное зондирование с позиций системного подхода, как правило, определяют входные и выходные элементы системы, ее внутреннюю структуру, границы и окружающую среду [12] . Естественным способом система дистанционного зондирования разделяется на три подсистемы: сбор материалов дистанционного зондирования, обработка материалов и их тематическая интерпретация.

В области получения информации основное применение получили ска-нерные и радиолокационные системы, которые позволяют получать информацию с высоким пространственным разрешением в видимом и инфракрасном диапазонах, изображение элементов ландшафта земной поверхности и их спектральных характеристик в тепловом диапазоне. Исходя из указанной концепции радиолокационные станции должны быть многочастотными (сантиметровый, дециметровый и метровый диапазоны), работать на различных режимах поляризации и обладать различным пространственным разрешением, должны быть измерительными и обеспечивать высокую точность измерения для решения задач дифференциальной интерферометрии.

Для изучения элементного состава грунта широко используется рентге-носпектральный флуоресцентный метод анализа ингредиентов вещества. Метод позволяет получать качественную оценку состава грунта по спектральному положению характеристических линий в спектре испускания (флуоресценции) исследуемого образца. Для получения количественной оценки концентрации ингредиентов интенсивность линий флуоресценции контролируемого образца сравнивают с аналитическим графиком известного состава (стандарта). Кроме метода внешнего стандарта используют метод внутреннего стандарта и стандарта-фона!^ 13]. .

Для анализа сложных (многокомпонентных) образцов полную систему уравнений связи расшифровывают на ЭВМ по методу последовательных (трех-четырех) приближений. Известна программа безэталонного рентгеноспек-тральногО анализа с использованием метода фундаментальных параметров, которая позволяет производить безэталонный количественный анализ без использования стандартных образцов сравнения, либо работать в режиме классического способа фундаментальных параметров. В этом случае используется один стандартный образец для каждого анализируемого элемента. Программа позволяет осуществить измерение спектров, включающих линий 73 элементов (от Са до и) и производить автоматическую идентификацию К- и Ь-серий.

В аппаратурной реализации (рис.3) метода возникновение вторичного излучения обеспечивают, используя рентгеновскую трубку с Рё-анодом (например, вакуумный спектрометр «Спектроскан-У»).

Излучение маломощной рентгеновской трубки 1 направляется на пробу грунта 2. возникающее вторичное излучение (на рис. условно показано стрелками) исследуется изогнутым кристаллом- анализатором 3 и пропорциональ

Рис.3 Функциональная схема рентгеновского флуоресцентного спектрометра:

1- рентгеновская трубка; 2-юовета с исследуемым объектом; 3-изогнутый кристалл-анализатор; 4-пропорциональный детектор; 5-прецизионный гониометр; 6-счетчик импульсов; 7-блок измерения интенсивности рентгеновской флуоресценции; 8-компьютер; 9-блок измерения спектра ингредиентов; 10-блок измерения концентрации ингредиентов. Позициями айв показаны входная и выходная щели рентгеновской камеры с соответствен- : но. ным детектором 4, которые в процессе измерения перемещаются с помощью прецизионного сканирующего гониометра 5.

Каждому фиксированному положению гониометра 5 соответствует определенная длина волны излучения.

Наличие характерных спектральных линий (позиция В) несет информацию об элементном составе. Интенсивность линий рентгеновской флуоресценции тесно связана с количественным содержанием ингредиентов и определяются с помощью компьютера 8 и блоком счетчика импульсов 6, блоком измерения интенсивности 7, блоком измерения концентрации ингредиентов 10, функционирование блоков 6, 7, 9 и 10 обеспечивается компьютером 8 и программным обеспечением спектрометра.

Задача определения элементного состава вещества условно может быть разбита на два этапа:

1 этап включает в себя качественное определение элементного состава без использования эталонных образцов по спектральному положению характеристических линий в спектре флуоресценции;

2 этап включает в себя количественное определение элементного состава по интенсивности линий флуоресценции с эталонным образцом.

Для проведения сравнительного анализа выбирают интересующие элементы, например, 8г,2п, Бе, Мп, Сг, Са, С1, Б, Р, 81, А1, и т.д.

На рис.4 приведены характерные графики спектральных линий, положение которых соответствует различным ингредиентам вещества.

При исследовании элементного состава грунта планет проблема чрезвычайно усложняется. Прежде всего, возникает ряд дополнительных требований к аппаратуре, связанных с необходимостью транспортировки ее к поверхности планеты (экспедиции «Фобос-1» и «Фобос-2») или с необходимостью внедрения комплекса аппаратуры на глубину 5-6 метров (зонды-пенетраторы). В эксперименте «Лимма» (экспедиция «Фобос-1») планировалось ионизировать пробу грунта с помощью стимулированного лазерного излучения. [5] Для обеспечения эксперимента на борту летательного аппарата был размещен двухкас

Э-МыА 10а мгЮСИ) 1». ,2<» .С*Р 5 Л

-Я

Мд асл Йй ТЬЙСГ л^СА" ""ЛЕЯ ГЕИ—Г»м"" Янй а«« и. им

1 Я: КА.

1Й5. * ш л» т*лч, , *

1115.4 Си «ТВ

I««.« И ХА Л43 63.

1141.» Си РА вест? .в

171.fr. * Гс *е

4910.3 М|> к» ю: .й

1и1 .4 Т-«

ЯЛ ял

1- ,1>

КУЗтЛ 1С* Ш-ЭТЮ«!} 7-151,-VI« 9 «Ъер д

СТЗЮелйЗЩ?*) ма» аш' "375* рем ¿рее ~

МмммявЩА

2511. в Л »4. в 21171.(1 им Т1 м

Т1 ХА 912,5 сг#1 кл> 11?.с сл ла дам*.!

Рис.4. Характерные спектры флуоресценции при определении элементного состава вещества рентгено-флуоресцентным методом. кадный гранатовый лазер на ИАГ: Ш3+, в котором первый каскад представлял собой задающий генератор, второй каскад - квантовый усилитель. В обоих каскадах использовалась оптическая накачка с помощью короткоимпульсных ламп, поджиг которых осуществлялся от электрического блока питания. Лазерная система обеспечивала излучение с энергией около 1 Дж, сфокусированное на поверхность планеты с помощью телескопической системы пятном,

8 9 имеющим диаметр 1мм. Длительность импульса составляла 10" - 10" с, а пи

8 9 ковое значение мощности излучения величину 10-10 Вт, при плотности

11 12 2 мощности излучения немногим меньше 10 -10 Вт/см . Длина волны излучения для ИАГ: Ш3+ -лазера -1064 нм. Использование лазера с указанными параметрами вызывает взрывоподобное (абляционное) испарение грунта с поверхности планеты и ионизацию вещества. Образовавшиеся ионы частично попадают в ловушку масс-спектрометра, установленного на борту летательного аппарата (рис.5).

Элементный состав грунта поверхности планеты определяют время-пролетным динамическим масс-анализатором, путем измерения времени пролета ионов с разным отношением т/е, т.е. ^АеУ' где: I — время пролета, ш и е - масса и заряд ионов, пролетевших расстояние от поверхности планеты до ловушки, V - ускоряющий потенциал.

Масс-спектрометр разделяет ионизированные лазерным излучением частицы вещества (молекулы, атомы) по их массам за счет воздействия магнитных и электрических полей на пучки ионов, летящих в вакууме.

Во время-пролетном масс-анализаторе (рис.6) образовавшиеся ионы «впрыскиваются» в виде «ионного налета» через сетку 1 в анализатор 2, представляющий собой эквипотенциальное пространство. Дрейфуя вдоль анализатора по направлению к коллектору ионов 3, исходный пакет «расслаивается» на ряд пакетов, каждый из которых состоит из ионов с одинаковой т/е. Расслоение обусловлено тем, что в исходном пакете энергия всех ионов одинакова, а их скорости и, следовательно, время пролета I анализатора обратно пропорциоально у[т . Последовательность ионных полетов, приходящих на коллектор бразует масс-спектр, который регистрируется на спектрометре.

Рис.5 Один из важнейших экспериментов, который планировался в >амках международного проекта «Фобос» ( в представлениях художника А.К. -околова).

С целью получения более достоверной информации, исключающей погрешности, связанные с определением элементного состава космического мусора (космической пыли, нагромождение метеоритов и т.п.), принадлежащего другим планетам, а также с целью обнаружения водяного льда, планируется внедрение разрабатываемых аппаратных комплексов (пенетраторов) на глубину 5-6 метров от поверхности планеты[15]. и

77/ п о • е е о О * о

• о • о О • о

1 '« о °

1 • о

1 о* а о

1 о

2 • о

Рис.6 Схема время-пролетного масс-анализатора. Пакет ионов с массами Шх и ш2 (черные и белые кружки), тг тяжелые ионы, ГП2- легкие ионы; 1-сетка, 2- дрейфовое пространство; 3- коллектор ионов.

Отделение от космического аппарата и автономный полет пенетраторов начинается за 3-5 суток до подлета к Марсу, в результате чего зонды переходят на падающую траекторию, обеспечивающую их внедрение в заданных районах Марса (рис.7). По достижению атмосферы зонды сначала с помощью жесткого конуса, а затем - надувного тормозного устройства совершают аэродинамическое торможение до заданной скорости и внедряются в грунт Марса. При касании поверхности происходит разделение хвостовой и носовой частей. Внедряемая часть зонда с научной и служебной аппаратурой проникает в грунт планеты, а хвостовая часть с остальной аппаратурой остается на поверхности. После внедрения зонда начинаются научные исследования. Передача информа

СХЕМА СПУСКА ПЕНЕТРАТОРА

1. Отделение пенеггратора от КА

2. Вход в атмосферу \Л=5,6 км/с

5. Касание поверхности

3. Начало наполнения тормозной оболочки

4. Конец наполнения тормозной оболочки и выдвижение контактногоустройотва

6. Внедрение в грунг, отделение хвостовой части

7. Выполнение экспериментов, сбор и передача информации

Рис.7. Схема спуска пенетратора на поверхность Марса. ции осуществляется на орбитальный аппарат, длительность сеанса связи около 6 минут[16].

Проект экспедиции к Марсу автоматического космического аппарата-пенетратора (рис.8) включает в себя обширные многоплановые научные эксперименты по изучению поверхности, коры, атмосферы, метереологических параметров, а также эксперименты по изучению элементного состава марсианских пород[15].

Для проведения указанных экспериментов пенетраторы (рис.8) оснащаются гамма-спектрометром, рентгеновским и нейтронным спектрометрами, а также альфа-Р-спектрометром.

Гамма-спектрометр предназначен для определения элементного состава пород Марса. Методика измерений основана на регистрации гамма-излучения естественных радионуклидов К, ТЬ, и и гамма-излучения, обусловленного ядерными взаимодействиями космических лучей с элементами, входящими в состав марсианских пород[15].

Регистрируемое прибором гамма-излучение позволяет определить в породах концентрацию Н, М§, А1, 81, К, С1, Са, П, Мп, Бе, ТЬ, и. Диапазон измерений спектров у-излучений 0,3-9,0 МэВ. Энергопотребление 1,7 Вт, масса 0,8 кг. ,.

Нейтронный спектрометр предназначен для решения задач по определению элементного состава подповерхностных пород, в том числе летучих (8, С1), породообразующих (Mg, А1, 81, Са, И, Бе) и минорных элементов. Методика измерений основана на возбуждении радиоизотопными источниками Бе 55, С(1 109 флуоресцентного излучения в пробе породы [15]. Энергопотребление 1,7 Вт, масса 0,8 кг.

Нейтронный спектрометр предназначен для определения содержания и изменения влажности и плотности породы с глубиной. Методика измерений основана, на регистрации нейтронов, рассеянных на ядрах элементов породы. о

Влагосодержание определяется в объеме породы 0,3 м . энергопотребление 0,25 Вт, масса 0,2 кг[15].

Метеодатчики

Ш Датчик скорости

Термозонды

Магнитометр ТВ-камера Гамма-спектрометр

Нейтронный детектор

Сейсмометр 1 а-г Р-, X спектрометр

N X

Акселерометр Сейсмометр 2

Рис.8.Схема пенетратора.

Альфа-Р-спектрометр предназначен для определения элементного состава пород, в том числе содержания легких элементов (С, Ы, Р) и основных породообразующих элементов (О, Ыа, 81, К, Са, Ре) в пробе грунта малого объема.

Методика измерений основана на облучении пробы породы альфа-частицами радиоизотопного источника Сш 244 активностью 60-80 мКи. Прибор регистрирует спектр рассеянных альфа-частиц и вторичных протонов!^ 16].Энергетический диапазон 0,8-6,3 МэВ, энергопотребление 0,5 Вт, масса 0,32 кг.

Для энергетического обеспечения всего аппаратурного комплекса пенет-ратор имеет радионуклидный термо-электрогенератор на основе плутония-238 мощностью 0,4 Вт и литиевые батареи с ресурсом 10 А.ч. К аппаратному комплексу также выдвигаются дополнительные требования, связанные с перегрузками на пенетраторе при соударении с поверхностью планеты, равными 500g. При этом предполагается, что масса внедряемого зонда равна 45 кг, при массе научной аппаратуры 4,5 кг. В экспедиции к Марсу не предполагается проведение экспериментов типа «Лимма», в котором ионизатором вещества являлся твердотельный ИАГ: Ш3+- лазер, по крайней мере, в силу трех причин: традиционные лазеры с ламповой накачкой не выдерживают без разрушения перегрузок при соударении пенетратора с поверхностью планеты со скоростью 80±20 м/с; для поджига ламп накачки требуется мощный источник электрического питания; наличие электрического блока питания увеличивает массу и габариты аппарата.

В этой связи решение проблемы определения элементного состава грунта планет и разработка ее аппаратурного обеспечения позволит оценить уровень и формы жизни на планете, а сама проблема приобретает особую актуальность и становится задачей, имеющей важное научное и практическое значение.

Цель работы.

Целью работы является расширение функциональных возможностей метода масс-спектроскопии в условиях дефицита электрической энергии, за счет использования в качестве ионизатора вещества твердотельного ИАГ:

О!

N(1 -лазера с пиротехнической лампой накачки, для работы которого не требуется использования источников электрической энергии.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие основные задачи:

1.На основании анализа существующих активных сред для твердотельных лазеров и импульсных ламп накачки показать, что неустранимыми недостатками этих источников накачки является необходимость использования мощных электрических блоков питания, что увеличивает габариты, массу и расход потребляемой энергии. Показать, что существенное снижение указанных параметров на пути эволюции технических решений следует искать за счет применения не газоразрядных пиротехнических ламп накачки, в которых светящимся телом являются горящие пиротехнические составы.

2.Используя интегральное описание лучистого потока в соответствие с законом Стефана-Больцмана, разработать физическую модель и математическое описание лучистого теплообмена между многофазной средой продуктов химической реакции и стенкой, в которую включена селективно поглощающая активная среда.

3.Произвести оценку спектральной эффективности излучения пиротехнической накачки путем расчета спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, используя дифференциальное и интегральное уравнения Планка.

4.Разработать алгоритмы и программное обеспечение, необходимые для вычисления интеграла Планка в интервале величин длин волн поглощения ИАГ: N<3 при изменении температуры от 1000 К до 10000К. Определить спектральный КПД источника накачки как отношение излучаемой мощности в полосах поглощения Ис13+ (согласно закону Планка) к общей энергетической светимости (согласно закону Стефана-Больцмана).

5. Разработать конструкцию и довести до практического применения пиротехническую лампу накачки твердотельных лазеров на основе ИАГ: N(5 , для чего необходимо:

- оптимизировать химический состав, форму, массу и габариты заряда пиро-лампы;

- произвести оценку кинетики остывания сгоревшей пиросмеси с различной степенью дисперсности остывающих частиц;

- обеспечить сравнимую с получаемой от электроразрядных ламп засветку активной лазерной среды путем создания сверхзвуковых скоростей истечения светящегося факела через сопло Лаваля в канал отражателя, содержащего активную лазерную среду;

- разработать устройство для отсекания газовой составляющей факела;

- для предотвращения оседания непрозрачных продуктов сгорания в канале накачки и предохранения активного элемента лазера от механических и термических повреждений произвести выбор ингредиентов и оптимизировать технологию нанесения абляционных покрытий;

- разработать экспериментальные средства и произвести измерения спектральных, временных и энергетических характеристик пиротехнической лампы накачки.

6. Разработать конструкцию твердотельного ИАГ: Ш3+-лазера с пиротехнической лампой накачки в двух модификациях: с ресурсом равным единице и с ресурсом большим единицы, работающим в импульсно-периодическом режиме:

- оценить механизм температурного тушения люминесценции гранатового цилиндрического элемента с использованием метода внутрирезонаторной спектроскопии;

- рассмотреть режимы свободной генерации и модулированной добротности (оптимизировать состав ингредиентов пассивного модулятора добротности);

- разработать оптическую систему фокусировки лазерного излучения на мишень;

- разработать экспериментальные средства и произвести измерения энерге

1 I тических и временных характеристик твердотельного ИАГ: Nd -лазера с пиротехнической лампой накачки.

7. Произвести оценку взаимодействия стимулированного излучения твердо

Л I тельного ИАГ: Nd -лазера с пиротехнической накачкой с веществом мишени с целью определения ее элементного состава.

8. Показать целесообразность использования разработанного лазера в космических экспериментах с целью определения элементного состава грунта планет с помощью время-пролетного динамического масс-анализатора.

Методы исследования. Диссертационная работа выполнена на основе комплексных аналитических и экспериментальных исследований. Аналитические исследования проводились на математических и физических моделях, основанных на современных знаниях в области термодинамики, квантовой электроники и лазерной техники, волновой оптики и физической химии, технологии композиционных материалов.

Проверка выдвинутых теоретических положений проводилась путем сопоставительного анализа с экспериментальными результатами. Обработка данных проводилась на ЭВМ по программам, реализованным в системе Delphi 5.0 и стандартным программам.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Предложены физическая модель и дифференциальное описание лучистого теплообмена между ядром абсолютно черного тела, окруженного оболочкой и стенкой, куда включена селективно поглощающая активная лазерная среда.

2. Разработан алгоритм интеграла Планка и соответствующее программное обеспечение, необходимое для анализа и расчета спектральной эффективности излучения черного тела в полосы поглощения активной среды (для ИАГ: Ш3+).

3. Оптимизированы химический состав, форма, масса и габариты пиротехнического заряда.

4. Исследованы кинетика остывания сгоревшей пиросмеси и установлены зависимости температуры, мощности и энергии от дисперсности остывающих частиц.

5. Исследованы газодинамические параметры пиротехнического факела в зависимости от скорости истечения факела из сопла Лаваля для разных температур. Оптимизированы объем камеры сгорания, начальное давление и скорость истечения факела на выходе сопла Лаваля.

6. Обоснован выбор ингредиентов и оптимизирована технология нанесения абляционных покрытий, предохраняющих активный элемент лазера от механических и термических повреждений, а так же задымленности оптического канала накачки.

7. Изучена и обоснована эффективность использования твердотельного ИАГ: N(1 -лазера с пиротехнической лампой накачки для ионизации вещества с целью определения элементного состава грунта с помощью время-пролетного динамического масс-анализатора.

Практическая ценность работы.

Практическую ценность диссертационной работы представляют:

1. Пиротехническая лампа накачки, обеспечивающая достижение

-7 I инверсной населенности в активных лазерных элементах на базе ИАГ: N(1 , без использования электрического блока питания.

2. Твердотельный ИАГ: Ыс13+-лазер с пиротехнической лампой накачки, разработанный в двух модификациях : с ресурсом равным единице и работающий в частотно-периодическом режиме, который реализуется за счет периодической замены пиролампы.

3. Пассивный модулятор добротности на базе полимерной матрицы (ПММА), активизированной красителями, работающий без использования электрических блоков.

4. Экспериментальные установки для исследования спектральных, временных и энергетических характеристик пиротехнических ламп и твердотельных лазеров с пиротехнической накачкой.

5. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР по межвузовской научно-технической программе МО и ПО РФ «Сварка и контроль», раздел «Оптические, радиоволновые и тепловые методы контроля». Код темы по ГРНТИ: 87.01.81,1998-2000 г.г.

6. Диссертационная работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства образования РФ в соответствии с грантом по конкурсу 2000г. по фундаментальным исследованиям в области технических наук, раздел конкурса 8 «Приборостроение» и в соответствии с грантом по конкурсу молодых ученых 2002г, раздел конкурса 59 «Приборостроение».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических семинарах в проблемной научно-исследовательской лаборатории (ПНИЛ) СЗТУ (Санкт-Петербург, 1998-2002г.г.); на XVI-Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Санкт-Петербург, 2002 г.).

Публикации.

Основные результаты исследований опубликованы в 11 научных работах.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации составляет 150 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 25 таблиц и списка используемой литературы из 51 наименований.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Полякова, Вера Витальевна

Основные выводы по работе сводятся к следующему:

1.0.Показано, что основными недостатками твердотельных лазеров и импульсных ламп накачки является необходимость использования мощных электрических блоков питания, что увеличивает габариты, массу и расход электрической энергии; что существенного снижения указанных параметров на пути эволюции технических решений следует искать за счет применения не газоразрядных пиротехнических ламп накачки, в которых светящимся телом являются горящие пиротехнические составы.

1.1.На основе анализа интегрального описания лучистого потока в соответствии с законом Стефана-Больцмана разработана физическая модель и математическое описание лучистого теплообмена между многофазной средой продуктов химической реакции и стенкой, в которую включена селективно поглощающая активная лазерная среда.

1.2.Произведена оценка спектральной эффективности излучения пиротехнической накачки путем расчета спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела с использованием дифференциального и интегрального уравнений Планка.

1.3.Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, необходимые для вычисления интеграла Планка в интервале величин длин волн

Л 1 поглощения ИАГ:Ш при изменении температуры от 1000 до 10000К. Определен спектральный КПД источника накачки как отношение излучаемой мощности в полосах поглощения N(1 (согласно закону Планка) к общей энергетической светимости (согласно закону Стефана-Больцмана).

2.0.Сформулированы физические и конструктивные требования к пиротехнической лампе накачки твердотельных лазеров на основе ИАГ: Ис13+.

2.1. Оптимизирован химический состав, масса и габариты заряда пиротехнической лампы накачки.

2.2.Произведена численная оценка кинетики остывания сгоревшей пиросмеси с различной степенью дисперсности остывающих частиц, оценка временных зависимостей температуры, мощности и энергии при вариации массы и дисперсности продуктов сгорания.

2.3.Обеспечена сравнимая с получаемой от газоразрядных ламп засветка активной лазерной среды путем создания сверхзвуковых скоростей истечения светящегося факела через сопло Лаваля в канал осветителя, содержащего активную среду.

2.4.Оптимизирован состав ингредиентов и технология нанесения абляционных покрытий, предохраняющих канал осветителя и лазерный элемент от загрязнений, механических и термических повреждений.

2.5.Разработаны пиротехническая лампа и экспериментальные средства измерения временных, спектральных и энергетических характеристик пиро лампы. Произведены сравнительные оценки характеристик с газоразрядными лампами.

3.0.Разработаны две модификации твердотельных ИАГ: Ш3+ -лазеров с пиротехнической лампой накачки: с ресурсом равным единице и лазера с ресурсом большим единицы, работающего в импульсно-периодическом режиме.

3.1.Рассмотрены режимы свободной генерации и модулированной добротности. Оптимизирован состав ингредиентов пассивного модулятора добротности.

3.2.Разработана оптическая система фокусировки излучения ИАГ: N(1 -лазера с пиротехнической лампой накачки на мишень.

3.3.Разработаны экспериментальные средства и проведены измерения временных, спектральных и энергетических характеристик лазеров с ресурсом равным единице.

4.0.Произведена численная оценка взаимодействия излучения твердотельного ИАГ: Ш3+-лазера с пиротехнической лампой накачки с веществом мишени, содержащей породообразующие элементы:А1, Тл^^М&Си с целью определения их наличия и концентрации ингредиентов.

4.1.Показана эффективность использования разработанного лазера в масс-спектрометрах с динамическим время-пролетным масс-анализатором с целью определения элементного состава грунта Земли в полевых условиях, при отсутствии электрических источников энергии.

4.2.0боснована перспективность использования ИАГ: N(1 -лазера с пиротехнической лампой накачки в планируемых экспедициях к Марсу (в пенетраторах) с целью определения элементного состава грунта планет.

Заключение

В диссертационной работе даны научно-обоснованные инженерно-физические и технические решения, направленные на создание методов и средств ионизации вещества в проблеме определения элементного состава грунта в условиях дефицита или отсутствия источников электрической энергии. В качестве базового метода выбран метод масс-спектроскопии с использованием ионного источника в виде стимулированного лазерного излучения, а в качестве анализатора - динамический время-пролетный масс-анализатор.

Метод масс-спектроскопии с ионизацией вещества лазерным лучом используется для определения элементного состава грунта Земли, когда пробы находятся в условиях вакуума.

Эффективность метода масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества подтверждается также планируемыми экспериментами для определения элементного состава грунта планет (экспедиции «Фобос-1» и «Фобос-2», эксперимент «Лимма»).

В диссертационной работе решена проблема создания нового ионного источника в виде твердотельного ИАГ:Ш3+-лазера, для работы которого не требуется электрического питания, имеющего незначительные габариты и массу и выдерживающего при транспортировке без разрушения вибрационные и ударные нагрузки.

Масс-спектрометр совместно с разработанным лазером может быть использован для определения элементного состава грунта Земли в полевых условиях, а также при планировании космических экспериментов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Полякова, Вера Витальевна, 2003 год

1. Г.С.Ландсберг. Оптика.-М.: «Наука». 1976.-916с.

2. Аналитическая лазерная спектроскопия / Под ред.Н.Оменетто.-М.: «Мир». 1982.-606с.

3. А.Н.Зайдель, В.К.Прокофьев, С.М.Райский. Таблицы спектральных линий.-М.-Л-д: Гос.изд. технико-теоретической литературы. 1952.-с.560.

4. А.И.Нестеров. Применение спектра мутности к исследованию процесса получения полиуретановой сетки из олигомеров./ Высокомолекулярные соединения. 1970, т.12А,№10.-с.2252-2277.

5. В.Е.Зуев, А.А.Землянов, Ю.Д.Копытин. Нелинейная оптика атмосферы.-Л-д.: «Гидрометиоиздат». 1989.-250с.

6. В.И.Кленин. Характеристические функции светорассеяния дисперсных систем.-Саратов.:Изд-во СГУ.1977.-173с.

7. О.Звелто. Принципы лазеров.-М.: «Мир».1984.-388с.

8. К.С.Шифрин. Рассеяние света в мутной среде.-М.: Гос.изд-во технико-теоретической литературы. 1951.-288с.

9. А.И.Потапов, В.Н.Черкасов. Лазерные методы дистанционного контроля атмосферы.Учебное пособие.-Л-д.:СЗПИ.1992.-75с.

10. Ю.С.Ф.Лукьяненко, М.М.Макагон, Л.Н.Синица. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия.-Новосибирск.: «Наука». 1985-120с.

11. Е.В.Поляков, А.И.Потапов. Внутрирезонаторная спектроскопия в проблеме исследования фазовых и мезоморфных фазовых превращений вещества.-СП-б.: Изд-во международного фонда истории науки. 1998.-43с.

12. Аэрокосмические методы геологических исследований / Под ред.А.В.Перцова.СП-б.: Изд-во СП-б картфабрики ВСЕГЕИ.2000,-316с. (МПР Россия, ФГУНПП «Аэрогеология», ГУП «НИИКАМ»).

13. Спектрометр. Государственный реестр № 13422-92.

14. В.М.Балебанов, А.В.Захаров, В.М.Линкин. Загадочные луны Марса. Наука в СССР.-М.:Издание АН СССР,№4,1986.-с.3-11.

15. Краткое описание проекта экспедиции автоматического аппарата к Марсу. Пенетраторы. ИКИ. Марс-96. Шр/Ак!.cosmos.ru/mars 96/109mars.htm, с. 1-4.

16. Краткое описание проекта экспедиции автоматического аппарата к Марсу. Пенетраторы.ИКИ.Марс-96. Шр/ЛН cosmos.ru/mars 96/109mars.htm, с.5-9.

17. Справочник по лазерам. / Под ред.А.М.Прохорова-М.: «Советское радио».1978.-т.1.-504с.

18. Е.Ф.Ищенко, Ю.М.Климов. Оптические квантовые генераторы.-М.: «Советское радио». 1968.-460с.

19. Справочник по лазерам. / Под ред. А.М.Прохорова-М.: «Советское радио». 1978.-т.2.-400с.

20. Н.А.Силин, Л.Я.Капшоров, Л.Е.Шейман и др. Горение металлизированных гетерогенных конденсированных систем.-М.: «Машиностроение». 1982.-232с.

21. А. А.Каминский, А.И.Бодрецова, А.Г.Петросян и др. Новые квазинепрерывные кристаллические лазеры с пиротехнической накачкой. Квантовая электроника,10,№7,1983.с. 1493-1494.

22. А.И.Бодрецова, А.А.Каминский. Мощный ОКГ с пиролампой-осветителем на основе УзА^О^-Ий . Квантовая электроника, №2,1972.-е. 107-108.

23. Х.Кухлинг. Справочник по физике / Под ред.Е.М.Лейкина.-М.: «Мир». 1982.-519с.

24. А.Гордон, Р.Форд. Спутник химика.Физико-химические свойства, методики, библиография.М.: «Мир». 1976.-541с.

25. П.Ф.Похил, А.Ф.Беляев и др. Горение порошкообразных металлов в активных средах.-М.: «Наука». 1972.-31с.

26. Pyrotechnic pumped laser for remote organs initiation system.Patent USA,№3.618.526,cl. 102/702.

27. Физика горения и взрыва./ Под ред. М.А.Лаврентьева.-Новосибирск.: «Наука».-1980.-т.16,№2.-с. 118.

28. Р.Зигель, Д.Хауэлл. Теплообмен излучением.-М.: «Мир». 1975.-934с.

29. В.В.Полякова.Выбор ингредиентов и оптимизация технологии нанесения абляционных покрытий.//Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий. :Межвуз.сб.-СП-б.:СЗТУ.-2002.-Вып.6.-с.49-52.

30. М.М.Гилинский, А.И.Зубков, Л.Д.Сухановская. Изучение двухфазных сверхзвуковых струй.//Сборник. Струйные отрывные течения. Институт механики.МГУ.1979-с.106-120.

31. В.В.Полякова, В.Е.Поляков, А.И.Потапов. Исследование процессов накачки пиротехнических лазеров.// Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий. :Межвуз.сб.-СП-б.:СЗТУ.-2001.-Вып.4.-с. 135-145.

32. В.В.Полякова, В.Е.Поляков, А.И.Потапов. Твердотельный liAT.Nd -лазер с пиротехнической лампой накачки.// Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий. :Межвуз.сб.-СП-б.:СЗТУ.-2002.Вып.6.-с. 151-159.

33. В.Е.Поляков, А.И.Потапов, В.В.Тарасенко. Пиротехническая лампа как источник накачки для лазеров. Патент ССР, 8и № 1777636АЗ:Бюл.№43 от 23.11.1992.

34. Д.ОШиа, Р.Коллен, У.Роде. Лазерная техника.-М.: «Атомиздат». 1980.-255с.

35. И.З.Чернин. Эпоксидные полимеры и композиции.-М.: «Химия». 1982.-213с.

36. В.А.Алексеев, А.В.Лукин, С.В.Гагарский, М.Ю.Сибирев, С.И.Ханков.

37. Температурная зависимость энергетических параметров лазеров наоснове неодимсодержащих кристаллов.// Квантовая электроника: Межвуз.сб.-Сп-б.:ИТМО.-2002.-Вып. 1 .-с.5-15.

38. А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский. Техника и практика спектроскопии.М.: «Мир». 1986.-182с.

39. С.П.Анохов, Т.Я.Марусий, М.С.Соскин. Перестраиваемые лазеры.-М.: «Радио и связь». 1982.-355с.

40. Космическое оружие: дилемма безопасности. / Под ред.Е.П.Велихова, Р.З.Сагдеева и А.А.Кокошина.-М.: «Мир». 1986.-182с.

41. Дж.Бейнон. Масс-спектроскопия и ее применение в органической химии.М.: «Мир». 1964.-233с.

42. Р.Джейрам. Масс-спектрометрия. Теория и приложение.-М.: «Мир». 1969.-186с.

43. В.В.Полякова. О проблеме определения элементного состава грунта планет в космических экспериментах. Материалы XVI Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика». Санкт-Петербург, 9-12 сентября 2002г.

44. Список условных обозначений, единиц и терминов.

45. Д- оптическая плотность вещества;

46. ИАГгШ3*- иттрий алюминиевый гранат, активированный трехвалентными ионами неодима; ИФП, ИНК, ИСП марки газоразрядных ламп накачки; АЛС - активная лазерная среда; РДГП - ракетный двигатель на твердом топливе; КПД — коэффициент полезного действия;

47. АСД-1, АСД-4,ПП-1, ПП-4 марки порошкообразного алюминия; ЗАП - защитное аблирующее покрытие; ПС — продукты сгорания;

48. ЭД-181, ДЭГ-1, ТЭГ-1, МЭГ-1- марки эпоксидных смол; АЭС алифатические эпоксидные смолы; ДЭТА - марка отвердителя; БГЭ - модификатор;

49. Ш-стекло стекло, активированное ионами неодима;1. ПУА полиуретанакрилат;1. ПММА полиметилметакрилат;

50. ПК — класс полиметиновых красителей;1. ФЦ фталоцианины;

51. НР-1090 марка красителя для пассивного модулятора добротности; ИМО-2 - измеритель средней энергии и мощности; ФД - фотодиод;

52. НСФ, ЖСЗ, СЗС оптические фильтры.