ХАРАКТЕРИСТИКИ БЕССЕТОЧНОГО ДВУХЭЛЕКТРОДНОГО ИОННОГО ЗАТВОРА ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

Важным элементом в спектрометре ионной подвижности является ионный затвор, расположенный между источником непрерывного потока заряженных частиц и входом в дрейфовую трубку и предназначенный для формирования ионного пакета в области дрейфа с последующей сепарацией ионов по подвижности. Форма ионного пакета и его амплитуда характеризуют разрешающую способность и чувствительность спектрометра подвижности. В настоящее время для формирования и инжекции ионного пакета применяются сеточные ионные затворы Бредбери – Нильсена [1], Тиндаля – Пауэлла [2], трехсеточный ионный затвор [3]. В работе [4] отмечено, что эти ионные затворы обладают в той или иной мере дискриминацией ионной подвижности. Это ухудшает разрешающую способность спектрометров ионной подвижности. К существенным недостаткам сеточных ионных затворов следует отнести их малую геометрическую прозрачность для ионного пучка, порядка 60%, что вносит свой вклад к падению чувствительности; также рассеяние ионов на сетках приводит к уширению ионного пакета и, как следствие, ухудшению разрешающей способности. Также к недостаткам сеточных ионных затворов можно отнести технологическую сложность их изготовления, обрыв нитей и замыкание соседних нитей с противоположными потенциалами, что приводит к неработоспособности затвора. Диаметр апертуры применяемых ионных затворов, как правило, составляет 2–2.5 см. Для формирования структуры электрического поля затвора, позволяющей с минимальными искаже- ниями сформировать пакет ионов с резкими границами (фронтами), при таких размерах используются сетки различной конструкции: параллельные проводящие нити малого диаметра (50 мкм) с интервалом от 0.2 до 1 мм [5, 6] или апертуры в виде "ситечка" [7]. Альтернативой "сеточным" затворам могут являться бессеточные двухдиафрагменные затворы с малым диаметром апертуры порядка 2 мм. Такие диаметры апертуры позволяют создать необходимую структуру электрического поля в затворе, который формирует ионные пакеты не хуже сеточных затворов, но при этом обладает большей прозрачностью и простотой конструкции. Непрерывные ионные пучки диаметром 2 мм можно получить, используя либо ионную воронку [6], содержащую огромное количество (десятки) электродов с переменным диаметром апертуры от 20 мм до 2 мм, применяемую при давлениях в области дрейфа порядка 1 Tорр с использованием постоянного напряжения и высокочастотного напряжения, либо систему транспортировки при атмосферном давлении [8], состоящую из трех-четырех электродов с переменными апертурами от 4 мм до 1.2 мм и работающую при атмосферном давлении при постоянных напряжениях на электродах.

В данной работе предлагается новая конструкция бессеточного ионного затвора, состоящая из двух диафрагм, и представляются экспериментальные результаты его работы по преобразованию непрерывного ионного потока в импульсные ионные пакеты при атмосферном давлении, сравнение полученных результатов с характеристиками "сеточных" затворов.

БЕССЕТОЧНЫЙ ДВУХДИАФРАГМЕННЫЙ ИОННЫЙ ЗАТВОР.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Предлагаемый бессеточный ионный затвор предназначен для преобразования непрерывного ионного пучка в последовательность пакетов заряженных частиц поступающих в анализатор с заданными частотой и длительностью, и представляет собой пару изолированных проводящих параллельных диафрагм с соосными отверстиями. Одна из диафрагм находится под регулируемыми напряжениями от независимого источника питания, а другая диафрагма электрически соединена с независимым импульсным источником питания с регулируемыми длительностью, частотой и амплитудой напряжения. Суперпозиция электрических полей в двухэлектродном затворе в режимах запертого и открытого затвора представлена соответственно на рис. 1 и рис. 2. В случае закрытого затвора ионы теряются на первой диафрагме, т.к. потенциал второй диафрагмы выше потенциала первой. При понижении потенциала второй диафрагмы относительно первой ионы проходят в дрейфовую область ион-дрейфового спектрометра. Импульсное понижение этого потенциала формирует короткий ионный импульс. Кроме того, вследствие такого устройства затвора задний фронт формируемого ионного импульса поджимается, т.к. при закрытии ионы выталкиваются из области неоднородного электрического поля, тогда как в случае затвора Бредбери – Нильсена это делалось специальным образом [9]. Предлагаемый бессеточный ионный затвор отличается простотой конструкции и легко может быть использован в нашем ион-дрейфовом спектрометре [10].

Моделирование бессеточного двухдиафрагменного затвора с целью определения его характеристик и режимов работы, обеспечивающих на выходе короткий ионный импульс (пакет) с максимально возможной амплитудой, проводилось в пакете SIMION 7 [11]. Для расчета движения ионов в газе при атмосферном давлении в сильных электрических полях использовалась разработанная ранее модель [12], реализованная в prg-программе [13]. В программе учитывается диффузия иона в плотном газе и с учетом коэффициента подвижности его движение в электрическом поле.

Был рассмотрен затвор с диафрагменными пластинами толщиной 0.2 мм и расстоянием между ними 0.2 мм, диаметром отверстий обеих диафрагм 2 мм. С целью определения параметров выходного ионного импульса при моделировании варьировалась длительность открытия затвора dt = = 20-50 мкс. На рис. 3 приведены временные профили ионных импульсов для амплитуды открывающего импульса –100 В и фиксированного коэффициента подвижности K 0 = 3 см²/(В·с). Видно, что существует оптимальная длительность открытия затвора, которой отвечает узкий выходной ионный пик достаточной амплитуды. Для моделируемых условий величина оптимальной длительности открытия затвора составляет dt = 30 мкс, профиль 2 на рис. 3. При этом ионный пик,

Рис. 1. Пространственное распределение потенциала в случае запертого бессеточного двухдиафрагменного затвора. Показаны ионные траектории

Рис. 2. Пространственное распределение потенциала в случае открытого бессеточного двухдиафрагменного затвора. Показаны ионные траектории

SO-,

Рис. 3. Модельные временные профили ионных импульсов в зависимости от длительности открытия затвора

формируемый ионами с меньшей длительностью открытия (профиль 1, 20 мкс), оказывается значительно меньшим по амплитуде, а соответствующее значение длительности ионного пика увеличивается в несколько раз. Профили 2 (30 мкс) и 3 (50 мкс) не симметричны, кроме того, профиль 3 сильно затянут в сторону бóльших времен по длительности.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Для экспериментального изучения характеристик бессеточного двухдиафрагменного электрического затвора, работающего при атмосферном давлении в покоящимся газе (лабораторном воздухе) при нормальных условиях и влияющего на преобразование непрерывного пучка ионов в последовательность ионных пакетов, была создана простая по конструкции и малогабаритная экспериментальная установка. Конструкция установки представлена на рис. 4.

На рис. 5 представлена схема экспериментальной установки. Далее в тексте все ссылки к элементам экспериментальной установки номерами позиций даны по рис. 5. Для простоты эксперимента в качестве эмитирующей заряженные частицы поверхности использовали острие (игла) (1) с положительным коронным разрядом. На расстоянии 5 мм от иглы соосно располагался анод в виде тонкостенной диафрагмы (2), являющейся первым электродом системы транспортировки заряженных частиц, которая включает в себя еще две тонкостенные диафрагмы (3) и (4). Диафрагмы (2), (3), (4) имеют толщину 0.2 мм и находятся на расстоянии 1 мм друг от друга, диаметры отвер- стий в диафрагмах (2), (3) и (4) — 4, 2.5 и 2.5 мм соответственно. За диафрагмой (4) на расстоянии 3 мм расположен бессеточный электрический затвор, формирующий ионный импульс и представляющий собой сборку из двух тонкостенных диафрагм (5) и (6) толщиной 0.2 мм с центральными отверстиями диаметром 2 мм и находящимися

Рис. 4. Конструкция экспериментальной установки для исследования характеристик бессеточного двухэлектродного затвора.

1 — коронирующее острие, 2 — противоэлектрод, 3 — двухэлектродная система транспортировки непрерывного ионного пучка до 1-го электрода затвора, 4 — двухэлектродный бессеточный затвор, 5 — система электростатической транспортировки ионных пакетов (пиков) к коллектору, 6 — коллектор

Рис. 5. Схема экспериментальной установки.

1 — коронирующее острие; 2 — анод в виде тонкостенной диафрагмы; 3, 4 — две тонкостенные диафрагмы ; 5, 6 — диафрагмы бессеточного электрического затвора; 7 — система электростатической транспортировки ионных пакетов (пиков); 8 — коллектор; 9, 10, 11, 12 — цифровые измерители тока; 13, 14, 15, 16, 21, 23, 28 — высоковольтные управляемые высокостабильные блоки питания; 17, 24, 25, 27 — резисторы; 18, 26 — конденсаторы; 19 — коммутатор; 20 — генератор импульсов; 22 — заземление; 29 — усилитель; 30 — оптоэлектронная развязка; 31 — двухканальный осциллограф

на расстоянии 2 мм друг от друга. Далее на расстоянии 1 мм от второй диафрагмы затвора (6) располагается система электростатической транспортировки ионных пакетов (пиков) (7), состоящая из набора последовательно расположенных диафрагм с внутренним диаметром 10 мм на расстоянии 2 мм друг от друга, общая длина системы 60 мм. Через 2 мм после последнего электрода системы (7) находится коллектор (8) в виде плоского круга диаметром 8 мм. На электроды (1), (2), (3), (4) поступают регулируемые высоковольтные высокостабильные напряжения от соответствующих каналов питания, каждый из которых включает в себя цифровой измеритель тока Digital Multimeter UT33C+UNIТ (9),(10),(11),(12), высоковольтный управляемый высокостабильный блок питания Applied Kilovots (13–15) соответственно с необходимыми диапазонами регулировки и полярностью, второй полюс которых находится под потенциалом "земля". На первый электрод затвора (5) всегда подается постоянное регулируемое напряжение от высоковольтного высокостабильного источника Аpplied Кilovolts (16) номиналом 2.5 кВ через резистор (17). На этот же электрод в режиме

I работы затвора через разделительный конденсатор 0.1 мкФ, 3 кВ (18) по цепи АВ поступает прямоугольный импульс напряжения с регулируемыми амплитудой и длительностью от коммутатора (19), который в свою очередь по логическому входу Х1 подключен к генератору импульсов TGP 110 10 Mhz Pulse Generator (England) (20), а по первому аналоговому входу (AI1) к высокостабильному источнику Аpplied Кilovolts (21) номиналом 0.5 кВ, а по второму аналоговому входу (AI2) подключен к земле (22). На второй электрод затвора (6) и первый электрод системы электростатической транспортировки ионных пакетов 7(1) всегда поступает постоянное регулируемое высоковольтное напряжение от высокостабильного высоковольтного источника Аpplied Кilovolts (23) номиналом 2.5 кВ через резисторы (24) и (25). Между электродами (6) и (7) расположен блокировочный конденсатор (26). В режиме II работы затвора на электрод (6) по цепи АС поступает прямоугольный импульс напряжения с регулируемыми амплитудой и длительностью от коммутатора (19). На электроды системы электростатической транспортировки ионных пакетов (7) всегда поступают постоянные регулируемые напряжения от резистивного делителя (27), который с одной стороны подключен к высокостабильному высоковольтному регулируемому источнику Аpplied Кilovolts (23), а с другой к высокостабильному высоковольтному регулируемому источнику Аpplied Кilovolts (28), второй полюс которого находится под потенциалом "земля". Кроме того, под потенциалом источника высокого напряжения (28) находятся коллектор (8) и усилитель (29). Сигнал с коллектора (8) поступает на усилитель (29) и через оптронную развязку (30) на вход двухканального осциллографа Tektronix DPO 3032 (31). Электрический прямоугольный управляющий импульс, подаваемый на затвор, имеет следующие характеристики: длительность импульса может изменяться в диапазоне от 10 мкс до 8 мс, амплитуда может изменяться в диапазоне от 100 В до 1000 В, длительность фронтов импульса 100 нс.

Питание высоковольтных источников осуществлялось от импульсного блока питания Mean Well S-240-24, подключенного к сети ~ 220 В, потребляемая мощность — до 240 Вт, выходное напряжение — 24 В, ток нагрузки — до 10 А, с защитой от перегрузок, короткого замыкания и выбросов питающего напряжения.

Электроды аналитической части экспериментальной установки были выполнены по технологии печатных плат (PCB) [7]. На электродах у отверстий имеется двухсторонний металлический проводящий слой в виде кольца шириной 1 мм, который также покрывает внутренний край отверстия в электроде (рис. 6). Диэлектрические прокладки выполнены из материала электродов, но без покрытия металлом. Внутренние диаметры в диэлектрических прокладках 10 мм, что позволяет избежать зарядки диэлектрика.

Рис. 6. Фотография диафрагмы затвора с внутренним диаметром 2 мм

Изучение работы бессеточного диафрагменного затвора в зависимости от величины задаваемых на электроды потенциалов проводилось по следующей методике. Во всех экспериментах ток положительного коронного разряда на игле устанавливался приблизительно на уровнях 0.5, 1 мкА. Величина напряжений, подаваемых на электроды (2), (3), (4), подбиралась таким образом, чтобы на электроды системы транспортировки попадал минимум ионного тока.

Система игла (1) – анод (2) позволила в описываемых экспериментах получить независимый, относительно стабильный источник заряженных частиц при атмосферном давлении. Напряжения, подаваемые на другие электроды системы, либо не влияли, либо влияли очень слабо на величину тока коронного разряда и не искажали качественного характера результатов.

ЭКСПЕРИМЕНТ

При экспериментальном изучении характеристик бессеточного двухэлектродного электрического затвора на электроды (1–4) подавались следующие напряжения: U 1 = +5 кВ, U 2 = +1.5 кВ, U 3 = +950 В, U 4 = 0 В соответственно, ток коронного разряда 1 мкА.

Характеристики затвора исследовались для двух вариантов функционирования: управление затвором при помощи первой диафрагмы затвора (5) или второй диафрагмы затвора (6). Значения напряжений на диафрагме (4), электродах затвора (5, 6) и первого электрода системы электростатической транспортировки (7) в режимах пропускания и запирания при управлении первым электродом затвора (5) представлены на рис. 7, а, значения напряжений на диафрагме (4), электродах затвора (5, 6) и первого электрода системы электростатической транспортировки (7) в режимах пропускания и запирания при управлении вторым электродом затвора (6) представлены на рис. 7, б. Значения напряжений определялись в статическом (не импульсном) режиме. Запирающее напряжение определялось по полному отсутствию тока на коллектор, а отпирающее — по полному току на коллекторе. На рис. 8 представлена осциллограмма временнóго профиля ионного пакета (пика), зарегистрированного на коллекторе (8) при длительности отпирающего электрического прямоугольного импульса t = 50 мкс, вид пика имеет симметричную форму.

Для изучения свойств ионных пиков, полученных с использованием бессеточного двухдиафрагменного затвора, исследовалась зависимость формы временнóго профиля пика и его временнóго смещения от длительности отпирающего импульса напряжения как для варианта с управлением

Рис. 7. Значения напряжений на диафрагме (4), электродах затвора (5, 6) и первом электроде системы электростатической транспортировки (7) в режимах пропускания и запирания при управлении первым электродом затвора (5) — а; значения напряжений на диафрагме (4), электродах затвора (5, 6) и первом электроде системы электростатической транспортировки (7) в режимах пропускания и запирания при управлении вторым электродом затвора (6) — б

Рис. 8. Осциллограмма ионного пакета (пика) при длительности отпирающего прямоугольного импульса t = 50 мкс первым электродом затвора (5), так и вторым электродом затвора (6). На рис. 9 представлена суперпозиция серии осциллограмм форм временных профилей ионного тока для различных длительностей открывающих электрических импульсов на первом электроде (5) затвора. Длительности открывающих импульсов t: 1 — 20 мкс, 2 — 30 мкс, 3 — 50 мкс, 4 — 100 мкс, 5 — 200 мкс, 6 — 500 мкс, 7 — 1 мс, 8 — 2 мс, 9 — 4 мс, 10 — 6 мс, 11 — 8 мс. Формы временных профилей ионного тока для длительно- стей открывающих импульсов, соответствующих временам 1–8, имеют симметричный вид без затягивания переднего фронта. Формы временных профилей ионного тока для длительностей открывающих импульсов, соответствующих временам 9–11, также имеют симметричный вид по сравнению с результатами, представленными в [14, 15], но при этом амплитуда ионного тока достигает максимума, соответствующего полному пропусканию ионов затвором во время открытия (8–11).

I , отн. ед.

Рис. 9. Суперпозиция серии осциллограмм импульсов ионного тока для различных длительностей открывающих импульсов на первом электроде затвора.

Длительности открывающих импульсов t : 1 — 20, 2 — 30, 3 — 50, 4 — 100, 5 — 200, 6 — 500 мкс; 7 — 1, 8 — 2, 9 — 4, 10 — 6, 11 — 8 мс

Рис. 10. Вид серии осциллограмм импульсов ионного тока для малых длительностей открывающих импульсов на первом электроде в увеличенном масштабе.

Длительности открывающих импульсов t : 1 — 20, 2 — 30, 3 — 50 мкс

На рис. 10 представлен вид серии осциллограмм форм временных профилей ионного тока для малых длительностей открывающих импульсов на первом (5) электроде в увеличенном масштабе по интенсивности. Длительности открывающих импульсов t : 1 — 20, 2 — 30, 3 — 50 мкс. Форма временных профилей ионных пиков симметрична по сравнению с модельными временными профилями ионных импульсов в зависимости от длительности открытия затвора, представленными на рис. 3.

На рис. 11 представлена суперпозиция серии осциллограмм форм временных профилей ионного тока для различных длительностей открываю- щих импульсов на втором электроде (6) затвора. Длительности открывающих импульсов t: 1 — 20, 2 — 30, 3 — 50, 4 — 100, 5 — 200, 6 — 500 мкс; 7 — 1, 8 — 2, 9 — 4, 10 — 6, 11 — 8 мс. Формы временных профилей имеют вид, аналогичный представленным на рис. 9, но при этом максимальная амплитуда ионного тока на 30% меньше, чем при управлении первым электродом (5) затвора.

Осциллограммы форм временных профилей ионного тока для малых длительностей открывающих импульсов на втором (6) электроде представлены в увеличенном масштабе, рис. 12. Длительности открывающих импульсов t : 1 —20,

I , отн.

Рис. 11. Суперпозиция серии осциллограмм импульсов ионного тока для различных длительностей открывающих импульсов на втором электроде затвора.

Длительности открывающих импульсов t : 1 — 20, 2 — 30, 3 — 50, 4 — 100, 5 — 200, 6 — 500 мкс; 7 — 1, 8 — 2, 9 — 4, 10 — 6, 11 — 8 мс

T , мс

Рис. 12. Вид серии осциллограмм импульсов ионного тока для малых длительностей открывающих импульсов на втором электроде в увеличенном масштабе. Длительности открывающих импульсов t : 1 — 20, 2 — 30, 3 — 50 мкс

2 — 30, 3 — 50 мкс. Амплитуды профилей ионного тока при этих параметрах в 2 раза меньше, чем в случае управления затвором первым электродом (5).

Экспериментально исследованы формы временных профилей ионного тока, зарегистрированного на коллекторе на расстоянии 60 мм от второго электрода затвора (6) в зависимости от напряженности электрического поля в системе электростатической транспортировки ионных пакетов (7). На рис. 13 представлена суперпозиция серии форм временных профилей ионного тока для различной напряженности электрического поля в системе электростатической транспортировки при длительности открывающего импульса 500 мкс на первом электроде (5) затвора. Напряженности электрического поля Е : 1 — 167, 2 — 250, 3 — 333, 4 — 416, 5 — 500, 6 — 583, 7 — 666 В/см.

На рис. 14 показана суперпозиция серии форм временных профилей ионного тока для различной напряженности электрического поля в системе электростатической транспортировки при длительности открывающего импульса 500 мкс на втором электроде (6) затвора. Напряженности электрического поля Е: 1 — 167, 2 — 250, 3 — 333, 4 — 416, 5 — 500, 6 — 583, 7 — 666 В/см.

Из представленных зависимостей на рис. 13 и 14 видно, что амплитуда временных профилей, полученных для напряженностей электрического поля в системе электростатической транспортировки в диапазоне от 416 до 666 В/см при длительности открывающего импульса 500 мкс на первом электроде (5), в 3.5 раза больше, чем при управлении вторым (6) электродом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе предложен, теоретически и экспериментально исследован бессеточный двухэлектродный электрический затвор, работающий при атмосферном давлении. Управлять работой затвора

I , отн. ед.

Рис. 14. Суперпозиция серии осциллограмм импульсов ионного тока для различной напряженности электрического поля в системе электростатической транспортировки при длительности открывающего импульса 500 мкс на втором электроде затвора.

Напряженности электрического поля Е : 1 — 167, 2 — 250, 3 — 333, 4 — 416, 5 — 500, 6 — 583, 7 — 666 В/см

I , отн. ед.

возможно подачей открывающего импульса как на первый электрод, так и на второй. Экспериментально показано, что при всех режимах работы затвора (управление на первый или второй электроды затвора) формы временных профилей ионного тока имеют симметричный вид для длительностей открывающего импульса от 20 мкс до 8 мс. Амплитуда временных профилей больше при использовании первого электрода затвора на 30%, чем при использовании второго электрода, в зависимости от длительности открывающего импульса и в 3.5 раза больше в зависимости от напряженности электрического поля в системе электростатической транспортировки при напряженностях электрического поля от 416 до 666 В/см. Этот ре- зультат, по-видимому, зависит от сложной временнóй зависимости напряженности электрического поля в системе электростатической транспортировки при подаче открывающего (управляющего) импульса на второй электрод затвора.

Работа выполнена в рамках НИР 0074-2019-0009 (номер гос. регистрации АААА-А19-119053190069-2), входящей в состав госзадания № 075-00980-19-02 ИАП РАН.