Масс-спектрометр космический

Предложено техническое решение для космического радиочастотного аналого-цифрового масс-спектрометра, предназначенного для измерений газового состава верхней атмосферы Земли по нейтральной, ионной компонентам и по составу собственной внешней атмосферы вокруг носителя прибора. Особенностями прибора являются: входное отверстие с регулируемым электрическим полем для экранирования заряженных частиц верхней атмосферы, три селектирующих каскада плоских проволочных сеток, функционирующих без вакуумного корпуса, устройство измерения коллекторного ионного тока на основе микроэлектронных датчиков сверхмалых токов, управление режимом подачи сигналов на селектирующие каскады и взаимодействием устройств масс-спектрометра через программы и команды, записанные в микропроцессоре, использование многоразрядной аналого-цифровой платы на основе радиационно-стойкой микросхемы, резервирование функций масс-спектрометра. Изобретение позволяет повысить качество (точность, надежность и достоверность) измерений состава верхней атмосферы Земли. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к космическому приборостроению и предназначено для исследования состава верхней атмосферы Земли и собственной внешней атмосферы носителя прибора на орбите.

Прототипом современных технических решений масс-спектрометров [1-12] являются эксперименты Беннета [13, 14] в 1946 г. с ламповым пентодом с коаксиальными цилиндрическими электродами по разделению отрицательных ионов, отличающихся по массам.

Технических решений масс-спектрометров для космических исследований единицы. При разработке первых действующих отечественных космических радиочастотных масс-спектрометров типа МХ6401 и МХ6407 в третьей четверти прошлого века также были реализованы идеи экспериментов Беннета [13, 14]. Указанные масс-спектрометры конструировались для исследований нейтрального и ионного составов верхней атмосферы, поиска техногенных изотопов. Работы проводились под руководством В.А. Павленко и главного конструктора проекта М.Е. Слуцкого [15], а в Институте прикладной геофизики с середины 50-х годов прошлого века В.Г. Истоминым, разработки которого ориентировались на диапазон масс 20-25 атомных единиц массы (а.е.м.).

В экспериментах с помощью созданных отечественных ламповых аналоговых космических масс-спектрометров были получены уникальные результаты о составе верхней атмосферы Земли, ее изменчивости в разных гелиогеофизических условиях [16-18], разработана методика абсолютной калибровки масс-спектрометра нейтральных компонент газового состава атмосферы для ракетных экспериментов. Полученные результаты показали необходимость коррекции ГОСТ 25645.154-90 «Атмосфера Земли верхняя. Модель химического состава» [19], совершенствования технических решений используемых приборов. Однако, разработка новых технологических решений для космических масс-спектрометров (далее аббревиатура МСК - масс-спектрометр космический) завершилась в России в конце прошлого века по социально-экономическим причинам. Это подтверждают публикации по результатам обработки данных ретроспективных наблюдений с установленного масс-спектрометра на КА «Метеор» [17].

Предлагаемое изобретение космического радиочастотного аналого-цифрового масс-спектрометра является очередным шагом по созданию нового поколения МСК и основой для возобновления работ по исследованию верхней атмосферы Земли при ракетных экспериментах и с КА. Изобретение соответствует требованиям новизны технологических решений для малогабаритного масс-спектрометра, предназначенного для условий вакуума верхней атмосферы, с учетом условий доставки МСК, гелиогеофизических особенностей эксплуатации, технологических требований серийных КА, на которых возможна установка подобных приборов.

Основным прототипом предлагаемого технического решения является масс-спектрометр газовых частиц [1], который состоит из электронной пушки, приемника ионов, ускоряющей сетки, двух отклоняющих пластин, генератора выталкивающих импульсов, генератора отклоняющих импульсов и двух заземленных сеток. В бесполевое пространство между заземленными сетками дополнительно введены заземленная, тормозящая и полекомпенсирующая сетки, а между ускоряющей сеткой и первой заземленной сеткой введена запирающая сетка. Тормозящая и полекомпенсирующая сетки подключены к генератору тормозящего напряжения, запирающая сетка подключена к генератору запирающего напряжения. Генераторы выталкивающих импульсов, запирающего напряжения, тормозящего напряжения, отклоняющих импульсов, блок приема и обработки информации и электронная пушка подключены к выходам блока синхронизации. К блоку приема и обработки информации подключен блок индикации. По утверждению авторов заявленная конструкция может работать с частицами в диапазоне масс 1…10000 а.е.м.

Для реальных измерений газового состава в условиях разреженной верхней атмосферы, решений по селекции ее нейтральных и ионизованных компонент, забора анализируемых проб верхней атмосферы, в том числе при космических скоростях, предложенное решение [1] нуждается в существенной доработке, в том числе по техническому решению блока синхронизации, как и в остальных потенциальных прототипах [2-12], особенно в отношении автономной работы, для чего требуется блок управления с соответствующими программами на выдачу команд и проверки работоспособности элементов масс-спектрометра, сбора, обработки, хранения и передачи информации.

В других технических решениях масс-спектрометров прослеживаются основные тенденции в развитии масс-спектрометров и их совершенствования на основе:

1) усложнения конструктивных решений для:

- повышения точности и надежности масс-спектрометрических измерений,

- специализации к определенным условиям/требованиям,

2) использования для селекции ускоренных ионов электрического или магнитного поля или их комбинаций.

Так, в техническом решении [2], которое может быть использовано, в частности, для измерения элементного состава собственной внешней атмосферы космического аппарата, техническим результатом заявлено расширение диапазона исследуемых масс с увеличением разрешающей способности. При этом, циклический масс-спектрометр газовых частиц в [2] содержит приемник ионов, три тороидальных дефлектора, блок обработки ионных спектров и заземленные сетки, ионный источник, подключенный к блоку обработки спектров, выталкивающую сетку, подключенную к генератору выталкивающих импульсов, отклоняющий электрод, подключенный к генератору отклоняющих импульсов, генератор отклоняющего напряжения тороидальных дефлекторов, подключенных к внешним отражающим электродам. Генераторы напряжений подключены к устройству синхронизации, тороидальные дефлекторы расположены друг за другом и обеспечивают циклический пролет ионов. В пространстве дрейфа установлены выравнивающие сетки и фокусаторы, представляющие собой квадруполи или фокусирующие кольца.

В данном техническом решении отсутствует устройство, организующее управление составляющими масс-спектрометра, в том числе устройством синхронизации. Отличием предложенной схемы являются три тороидальных дефлектора, усложняющих конструкцию, как и квадруполи или фокусирующие кольца. Прибор не приспособлен к условиям функционирования в космическом вакууме. Измерения заявлены по ионизованной компоненте.

В [3] заявлено техническое решение пылеударного масс-спектрометра преимущественно для космических исследований. Его отличием является электростатический цилиндрический отражатель, содержащий внешнюю и внутреннюю сетки, охватывающие мишень с выполненными в ней отверстиями, источником ионов, установленным в центре мишени и содержащим нагреватель, отражатель электронов, управляющую, ускоряющую и выходную сетки, приемниками ионов в виде вторично-электронных умножителей с соответствующими фокусирующими электродами полусферической формы, установленными с противоположной к ударному воздействию стороны мишени, симметрично каждому из ее отверстий на фиксированном расстоянии от нее, причем их выходы соединены с блоком обработки ионного спектра, управляющая сетка, отражатель электронов и нагреватель источника ионов соединены с соответствующими источниками напряжения и тока, мишень и ускоряющая сетка источника ионов соединены с источником изменяемого во времени импульсного напряжения, внешняя сетка электростатического цилиндрического отражателя соединена с плоским отражателем и источником напряжения, а выталкивающая сетка соединена с внутренней сеткой цилиндрического отражателя.

Конструктивные особенности технического решения [3] являются его отличительными признаками. Про анализ нейтральной компоненты речь не идет. Термодинамические условия эксплуатации не рассматриваются. Нет управляющего алгоритма для взаимодействия составляющих масс-спектрометра.

В [4] предложено техническое решение для времяпролетного масс-спектрометра, в том числе для космических исследований при условиях жестких ограничений массы и габаритов, со ссылками, в частности, на следующие документы: RU 2122257 C1 20.11.1998; RU 2059982 C1 10.05.1996; US 4390784 А 28.06.1983; US 5854485 А 29.12.1998; US 5654545 А 05.08.1997. Предложенный масс-спектрометр снабжен нелинейным масс-рефлектроном, с пленочным покрытием, задающим необходимую структуру отражающего поля, коаксиально расположенными приемником и источником ионов, позволяющим получать пакеты ионов с малой дисперсией по энергиям.

Основные недостатки этого решения - те же, что и для предшествующих решений. Свойство нелинейности в масс-рефлектроне может дать преимущества при наличии управляющих программ. Не понятно, как поведут себя пленочные покрытия под действием факторов космического пространства в условиях космической радиации, вакуума, аномальных температурных перепадов, вибраций и перегрузок.

Предложенное техническое решение времяпролетного масс-спектрометра с нелинейным источником ионов в [5] является развитием решения [4], в том числе в нелинейном ускоряющем промежутке источника ионов, со ссылками, в частности, на документы: RU 2504045 С2, 10.01.2014; RU 112788 U1, 20.01.2012; RU 2239910 С1, 10.11.2004; SU 1651327 А1, 23.05.1991; WO 2013052318 А1, 11.04.2013. Управление потенциальным дискретным режимом, связываемым с примерным составом ионов, должно быть уточнено, например в соответствующем контроллере, управляющим генератором -ускоряющим промежутком. В схеме прибора предусмотрены 4 селектирующие сетки. Действительно, увеличение количества селектирующих сеток может привести к новому техническому решению. При этом необходимо решать вопрос об их взаимодействии. Нужны оценки рентабельности данного усовершенствования. Учет нелинейных эффектов может повысить технические характеристики космической радиочастотной масс-спектрометрии, и разрешающую способность прибора за счет уменьшения временной дисперсии ионных пакетов в плоскости приемника.

В [6] предложено техническое решение для масс-спектрометра со ссылками, в частности, на: US 4054796 А, 18.10.1977; RU 124434 U1, 20.01.2013; RU 218171 С2, 10.08.2002; RU 2431214 C1, 10.10.2011; US 2010042334 A1, 18.02.2010; US 6639227 B1, 28.10.2003. Заявленная область применения технического решения - анализаторы масс-спектров для исследования структуры вещества, изучения поверхности твердых тел и процессов взаимодействия при столкновениях частиц в газах и плазме. Технический результат - повышение точности измерения массового состава ионного потока и снижение искажения в измерениях за счет устранения краевых эффектов, присутствующих при использовании постоянных магнитов.

В предложенном устройстве предусмотрен анализатор, который играет роль сепаратора по скоростям поступающих частиц потока ионов и содержит два цилиндрических электрода, размещенных коаксиально, с охватывающей их электромагнитной обмоткой, что обеспечивает комбинацию электрического и магнитного полей с ортогональной ориентацией их напряженностей. По направлению распространения потока ионов предусмотрен электростатический анализатор, который разделяет поступающий в него поток частиц с одинаковой скоростью по величине отношения энергии к заряду и выполняет функцию сепаратора по массам. Устройство снабжено генераторами импульсов напряжений сложной формы для управления напряжением внешнего и внутреннего цилиндрических электродов, а также для управления электромагнитной обмоткой сепаратора по скоростям и электродами сепаратора по массам. Таким образом, реализуется возможность проводить с высокой разрешающей способностью измерения функции распределения ионов по скоростям для каждой определенной массы, что, как заявлено, обеспечивает высокую точность измерения массового состава ионного потока. При этом требуется только алгоритм управления составляющими масс-спектрометра. Комбинация электрического и магнитного полей с ортогональной ориентацией их напряженностей является одним из основных отличительных признаков предложенного решения, существенно усложняющим конструкцию.

В [7] предложено техническое решение масс-спектрометра со ссылками, в частности, на: US 7084395 В2, 01.08.2006; US 6683299 В2, 27.01.2004; US 2005092911 А1, 05.05.2005; RU 2328791 С2, 10.07.2008; RU 2150157 C1, 27.05.2000. Изобретение относится к способам разделения ионов, а именно к спектрометрам, работающим по принципу измерения времени пролета ионов, в частности к определению состава жидких и газовых проб, и может применяться в медицине, фармацевтике, криминалистике. Не для космической деятельности.

Конструкция содержит спектрометр ионной подвижности, ионно-оптические линзы, интерфейс дифференциальной откачки, времяпролетный анализатор и детектор ионов. Спектрометр ионной подвижности содержит камеру ценообразования, дрейфовую трубку с апертурным элементом, ионный затвор, область дрейфа, область газа завесы масс-спектрометра, ввод дрейфового газа, систему питания. Источник ионов масс-спектрометра содержит корпус ионизатора аксиально-симметричной формы, на стенках корпуса ионизатора установлены радиально направленные устройство ввода и ионизации пробы анализируемого вещества с ионизаторами, точка пересечения осей устройств ввода расположена напротив вершины апертурного элемента, выполненного в виде стенки выпуклой формы с отверстием для ввода ионов на ее вершине, а времяпролетный анализатор выполнен в виде цилиндрического конденсатора, в котором установлен узел ортогонального ускорения с выталкивающим электродом и детектор ионов. Технический результат изобретения - повышение чувствительности и уменьшение габаритов устройства.

Данное решение не применимо для космической деятельности, в нем нет алгоритма взаимодействия составляющих масс-спектрометра.

В [8] предложено техническое решение масс-спектрометра и способа его использования для масс-спектрометрического анализа. В конструкции масс-спектрометра предусмотрен инжектор заряженных частиц, генератор поля, что соответствует принципам и решениям [13, 14], а особенности связаны с решениями по регистрации отклоняющихся от общего направления движения заряженных частиц, например, с помощью улавливающих электродных элементов, например, образующих паттерн ортогональной решетки или гексагональной решетки, или плотноупакованный паттерн, или паттерн в виде концентричных окружностей, резистивных полимеров или кремниевых элементов и т.д. В генераторе поля предусмотрена возможность магнитной системы, линейный режим подачи напряжения - монотонно возрастающего радиального поля. Предложенное решение конструктивно избыточно и не предназначено для космических исследований.

В заявке на полезную модель [9] предложено техническое решение конструкции масс-спектрометра, содержащего размещенные последовательно в заземленной вакуумной камере по направлению распространения исследуемого потока плазмы от ее входного отверстия ионизационную камеру, которая выполнена с входным и выходным осевыми отверстиями, имеет токоввод и снабжена накаленным катодом, выводы которого присоединены к блоку накала, фокусирующий электрод с токовводом, заземленные экстрактор и выходную диафрагму, коллектор, к которому присоединен регистрирующее устройство, кроме того, магнитный анализатор, охватывающий участок вакуумной камеры между экстрактором и выходной диафрагмой, и генератор синхронизированных импульсов, отличающийся тем, что снабжен трубкой дрейфа, которая выполнена с торцевыми диафрагмами и имеет токоввод, заземленной диафрагмой, генераторами импульсов напряжений сложной формы для управления трубкой дрейфа, ионизационной камерой и накаленным катодом, блоком смещения, который присоединен к одному из выводов накаленного катода, причем трубка дрейфа размещена в вакуумной камере у ее входного отверстия, а заземленная диафрагма между трубкой дрейфа и ионизационной камерой, при этом, токовводы трубки дрейфа и ионизационной камеры и присоединенный к блоку смещения вывод накаленного катода присоединены к выходам генераторов импульсов напряжений сложной формы, кроме того, генератор синхронизированных импульсов, который имеет независимые каналы по числу генераторов импульсов напряжений сложной формы и выполнен с возможностью формирования импульсов напряжения на выходе независимого канала, который соединен с входом генератора импульсов напряжения сложной формы для управления накаленным катодом, с временной задержкой относительно импульсов напряжения на выходе его независимого канала, который соединен с входом генератора импульсов напряжения сложной формы для управления трубкой дрейфа, не более суммы времени пролета ионной компоненты потока плазмы через трубку дрейфа и времени деионизации остаточного заряда ионов в ионизационной камере, а на выходе независимого канала, который соединен с входом генератора импульсов напряжения сложной формы для управления ионизационной камерой, с временной задержкой относительно импульсов напряжения на выходе его независимого канала, который соединен с входом генератора импульсов напряжения сложной формы для управления накаленным катодом, равной времени ионизации электронами нейтральной компоненты потока плазмы.

Магнитное поле в анализаторе перспективно для МСК. Однако алгоритм управления взаимодействием составляющих полезной модели [9] не раскрыт. Для космических условий требуется автоматическое управление взаимодействием элементов масс-спектрометра. Кроме того, верхняя атмосфера разрежена, что упрощает вопрос с указанной в полезной модели заземленной вакуумной камерой.

В [10] предложено техническое решение для квадрупольного масс-анализатора с ионной ловушкой. В списке ссылок на документы, в частности, указаны: US 6040573 А, 21.03.2000; US 5834771 А, 10.11.1998; US 6316768 В1, 13.11.2001; RU 2199793 С1, 27.02.2003. В конструкции масс-анализатора с ионной ловушкой включен удлиненный туннель, на стенку которого нанесена подложка и рисунки проводящих дорожек, генератор изменяемого электрического напряжения. Заявленный технический результат изобретения - повышение производительности и чувствительности, упрощение конструкции и сборки прибора. Для функционирования прибора предполагается, что туннель должен быть ориентирован по потоку ионов. При этом, необходим алгоритм управления взаимодействием элементов масс-спектрометра.

Использование квадрупольного поля включено в [11], где заявлена конструкция квадрупольного масс-спектрометра, содержащего источник ионов, квадрупольный масс-анализатор с четырьмя полеобразующими электродами в форме круговых или гиперболических цилиндров, расположенных параллельно и симметрично относительно центральной оси анализатора, и приемника ионов. Среди отличий указано, что каждый из полеобразующих электродов анализатора со стороны его входа снабжен сквозным щелевым отверстием, параллельным оси анализатора и лежащим в плоскости его симметрии. Предусмотрена возможность диагностики ионов с различным зарядом (положительным и отрицательным). Источник ионов не раскрыт, предполагаются искажения электрического поля на границах щелей, в том числе в виде провисания внутрь щелевого отверстия с установленными допусками. Этот прибор не предназначен для использования в космосе при зондировании верхней атмосферы Земли.

Наконец, в полезной модели [12] предложена конструкция магнитного масс-спектрометра для измерения малых количеств легких газов, таких как водород и гелий, содержащихся в твердых пробах. Прибор содержит систему напуска газа, источник ионов, камеру анализа, имеющую входную и выходную щели, приемник ионов, узел измерения и регистрации ионных токов, источник магнитного поля в камере анализа, системы предварительной и высоковакуумной откачки, источники питания. Отличительной особенностью прибора является источник магнитного поля, позволяющий уменьшить размеры конструкции. Вопросы напуска газов и их взаимодействие с источником ионов не обсуждаются. Прибор предназначен для исследований твердых проб.

В рассмотренных конструкциях масс-спектрометров почти не используются возможности современной микроэлектроники и цифровизации для автоматизации и управления взаимодействием составляющих масс-спектрометров, сбора, обработки, хранения и передачи информации, калибровки, повышения качества и надежности измерений. Исчезает указание на радиочастотность. Следует также отметить, что свойство надежности, указываемое в технических результатах рассмотренных технических решений, предполагает отсутствие непредвиденных недопустимых изменений качества на стадии эксплуатации. В современном космическом приборостроении это свойство имеет особое значение и актуальность. Аналоговая и ламповая аппаратура серийных отечественных КА надежна, но морально устаревает. Поэтому требуются новые решения для космических масс-спектрометров, в том числе по снижению энергопотребления и массо-габаритов, которые бы не нарушили функционал и регламенты системы управления и передачи данных серийных КА. Это учтено в предлагаемом изобретении.

Целью предлагаемого изобретения МСК является разработка на современной элементной базе новой технологической схемы (технического решения) масс-спектрометра для автоматизированных измерений состава верхней атмосферы Земли, а также собственной внешней атмосферы КА, которая образуется за счет дегазации и сублимации конструкционных материалов, особенно внешних поверхностей, неизбежных утечек газа из гермоотсеков, выхлопных продуктов реактивных двигателей и т.д., различного рода пылевых частиц.

Для достижения этой цели, в состав предлагаемого МСК включены (фиг. 1):

1. Блок анализатора, включающего:

1.1. Входное отверстие;

1.2. Ионизационную камеру с электронной пушкой;

1.3. Селектирующие сетки;

1.4. Коллекторы - мишени с датчиками ионного тока;

1.5. Выходного отверстия;

2. Блок вспомогательных устройств, включающего:

2.1. Источники/генераторы радиочастотного электрического поля и напряжения;

2.2. Устройства питания и терморегулирования;

2.3. Устройство приема, обработки, передачи и хранения информации;

2.4. Устройство калибровки, синхронизации и валидации.

3. Блок управления.

Особенностью входного отверстия 1.1 является регулируемое электрическое поле, экранирующее заряженные частицы верхней атмосферы, поступающие в ионизационную камеру при заданном с помощью управляющих сигналов режиме масс-спектрометрического анализа по нейтральной компоненте, а также при анализе внешней атмосферы вокруг КА.

Ионизационная камера с электронной пушкой 1.2 предназначена для ионизации захватываемых через входное отверстие нейтральных компонент разреженной верхней атмосферы и их разгона в пространство с селектирующими сетками. Ионизация производится потоком электронов, эмиттируемых нагретым катодом. Образовавшиеся в ионы вытягиваются из ионизационной камеры отрицательным потенциалом вытягивающей сетки в селектирующий каскад сеток. При анализе состава ионизированной плазмы верхней атмосферы катод не включается.

Следует отметить, что электронная пушка функционирует в условиях разреженной верхней атмосферы. В большинстве масс-спектрометров электронная пушка находится в вакуумной камере, поскольку ионы нестабильны в присутствии посторонних молекул.

На первую сетку селектирующего каскада (которых может быть несколько, например 4 в [5]) подается ускоряющее напряжение, а на среднюю сетку подается высокочастотный потенциал, изменяющийся по синусоидальному закону. Указанные характеристики задаются по командам, записанным в блоке управления. Ионы, проходя через селектирующие каскады сеток, получают различный прирост энергии, в зависимости от их массы и заряда.

Вариант решения вопроса селекции ионов представлен в [20], где используется искривление траектории в электрическом поле. Чем тяжелее ионизированная частица, тем меньше искривляется ее траектория.

Для ускорения и селекции ионов могут использоваться магнитное поле и магниты, но практика показала, что конструкция с электрическими сетками оказывается более компактной, простой и надежной. Использование электрических сеток для отклонения пучка ионов соответствует традициям российского космического приборостроения, что необходимо учитывать для реализации предлагаемого изобретения.

Коллекторы (мишени) 1.4, которых достигают ионы, прошедшие селектирующие каскады, связаны с датчиками или устройством регистрации сверхмалых токов, соответствующих потоку достигших коллектора ионов.

Выходное отверстие 1.5 - это, фактически, коллектор ионного тока и негерметичный корпус анализатора, предназначенного для функционирования в верхней атмосфере.

В вспомогательный блок включены источники напряжений и генераторы радиочастотного электрического поля 2.1. Современная элементная база, позволяет минимизировать массо-габариты и энергопотребление этих устройств, и соответствовать требованиям электромагнитной совместимости с оборудованием космических комплексов. Это относится и к генераторам выталкивающих и отклоняющих импульсов, и импульсов напряжения, в том числе для анализатора (блока 1).

Устройства питания и терморегулирования 2.2 позволяют обеспечить автономную работу МСК до подачи бортового питания от КА и стабилизировать потенциальные скачки напряжения, мощности и температуры в рамках оптимальных рабочих режимов.

Устройство приема, обработки, передачи и хранения информации 2.3 выполнено на основе микроконтроллеров, программируемого процессора в блоке 3, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) блока 3, запоминающих устройств, взаимодействием с системами управления и передачи информации носителя прибора, в качестве которых может быть канал связи с КА, так и приемо-передатчик с антенной, скоммутированные с МСК.

Устройство калибровки, синхронизации и валидации измерений 2.4 предназначено для настройки прибора, проверки и корректировки получаемых данных, в том числе о рабочих режимах отдельных блоков и устройств масс-спектрометра, с использованием команд и алгоритмов в программируемом процессоре блока управления.

Особенностью блока управления 3, организующего взаимодействие устройств в блоках 1-3, является миниатюрный процессор, в котором записаны команды управления и программы, реализующие алгоритмы взаимодействия устройств масс-спектрометра, сбора, обработки, хранения и передачи данных в установленные адреса, многоразрядное на основе радиационно-стойкой микросхемы АЦП для обработки и преобразования аналоговых сигналов в установленный формат, устройство для накопления и хранения, и передачи результатов масс-спектрометрии. Возможно включение в блок управления приемопередатчика с антенной.

Негерметичный корпус, обычно, используется как единое основание прибора.

Физические основы селекции ионов по скоростям в анализаторе поясняются на упрощенном примере для схемы однокаскадной трубки на фиг. 2, где нить накала 4 является источником электронов, которые ускоряются постоянным потенциалом, поданным на первую сетку 5. Положительные ионы, образующиеся при столкновении электронов с молекулами газа между сетками 5 и 6, ускоряются по направлению к сетке 6 разностью потенциалов U. Сетки 6, 7 и 8 расположены на одинаковом расстоянии S друг от друга. Поле высокой угловой частоты w приложено к сетке 7. Электрическое поле между сетками 6 и 7:

а между сетками 7 и 8: E_7-8=-Е_6-7.

В момент времени t=0 ион пересекает плоскость сетки 6 с величиной поля E_6-7=Esin(). Число ионов при равномерном ионном токе к сетке 6 будет одинаково для каждой возможной величины . Некоторые из них будут увеличивать свою энергию при прохождении через сетки, а другие терять.

Пластина коллектора 9 имеет постоянный задерживающий потенциал и отбрасывает все ионы, кроме тех, которые образовались вблизи сетки 5 и приобрели энергию, близкую к максимальной.

Для потока газа верхней атмосферы изменение скорости иона при пролете через сетки мало, по сравнению с его начальной скоростью. Поэтому влиянием полей сеток на время пролета можно пренебречь.

Сила, действующая на ион с массой m между сетками 6-7:

где а - ускорение.

Сила, действующая на ион с массой т между сетками 7-8:

где t - время от момента пролета ионом сетки 6, а Θ - фазовый угол переменного потенциала на сетке 7 в момент t=0.

В переменном поле анализируемый ион приобретает энергию:

Время пробега иона между двумя сетками, разнесенными на расстояние S, равно S/ν. Тогда:

Величина ΔW имеет максимум по Θ при Sw/ν+Θ=π=180°. Максимальную дополнительную энергию получают те ионы, которые проходят сетку 7 в момент перемены знака поля. При изменении частоты w максимум ΔW получается при Θ=46°, когда фаза напряжения между сетками равна Sw/ν=134°. Скорость иона, получившего максимальную дополнительную энергию, определяется выражением:

где U - разность потенциалов между ионным источником 5 и сеткой 6, М - массовое число иона в атомных единицах массы, а m₀ - масса иона с единичным массовым числом.

После преобразования:

Выбор диапазона по ƒ и по U дает возможность селекции ионов по их массовым числам после прохождения через каскад селектирующих сеток.

В ламповых космических масс-спектрометрах прошлого века для измерений использовалось стабильная частота ƒ, а для U использовался линейный закон. При управлении указанными параметрами по командам процессора можно задавать любые режимы измерений: линейный и нелинейный, дискретный и т.д. Загрубляя по команде характеристики чувствительности прибора, можно диагностировать собственную внешнюю атмосферу носителя прибора.

Разрешающая способность регистрации количества селектированных ионов зависит от чувствительности датчиков ионного тока с коллектора. Современные микроэлектронные датчики достигли уровня фиксации электрических токов на три порядка лучше, чем было (десятки пикоАмпер) в предназначенных для исследований верхней атмосферы ламповых масс-спектрометрах прошлого века. Это позволяет существенно повысить точность и надежность измерений, а значит достичь технический результат изобретения - повышение качества (точности, надежности и достоверности) измерений состава верхней атмосферы.

Основными отличиями предлагаемого изобретения являются предназначение МСК для автоматических контактных измерений ионного и нейтрального состава атмосферы, а также вариаций ее состава на орбите КА в разных гелиогеофизических условиях, времени суток, для исследования собственной внешней атмосферы КА или носителя прибора, использование микропроцессора и многоразрядной АЦП в блоке управления.

Рассмотренные конструктивные особенности и указанные отличия реализованы в действующем макете МСК, в котором использовано резервирование функций путем использования двух комплектов устройств МСК, включающих:

- анализатор ионов газов по массе в электрическом поле высокой частоты;

- блок управления с процессором и АЦП;

- контроллер сопряжения с блоком накопления данных (БНД) КА;

- контроллер сопряжения с блоком электропитания КА;

В состав вспомогательных устройств включены:

- усилитель постоянного тока для усиления сигналов, формируемых анализатором;

- формирователь пилообразных напряжений для формирования линейно изменяющихся напряжений;

- сетевой фильтр для подавления высокочастотных помех, возникающих в моменты переключения силовых транзисторов импульсного стабилизатора и преобразователя;

- коммутатор релейных команд для включения заданного комплекта или выключения прибора по внешней команде;

- блок питания для преобразования напряжения питания бортовой сети КА в сетку напряжений, необходимых для работы всех узлов прибора;

- формирователь сигналов готовности прибора к передаче информации;

- интерфейсное устройство для:

а) приема сигналов запроса и синхронизации;

б) формирования управляющих сигналов;

в) приема информации от АЦП;

г) формирования служебной информации в установленном формате;

д) формирования информационного пакета по заданному алгоритму;

е) передачи информационного пакета.

Вариант схемы реализации анализатора представлен на фиг. 3.

Камера ионизации 11 предназначена для ионизации нейтральных частиц в потоке электронов, формируемом с помощью катода 28 и отражателя 29. Нормы выхода ионов при ионизации нейтралов обычно известны и рассчитаны заранее.

Электрический потенциал относительно корпуса анализатора на защитной сетке входного отверстия 10 обеспечивает сильное затягивающее либо экранирующее поле для заряженных частиц при выбранном режиме анализа состава верхней атмосферы, а также при режиме анализе внешней атмосферы вокруг КА.

В селектирующий каскад 14 попадает поток ионизированных частиц 30, которые вытягиваются через сетку 12 и антифоновую сетку 13, проходят через заряженные сетки и цилиндры (15-18), сетку задержки 19, настраиваемую на селекцию ионов, антиэлектронную сетку 20, через экран 21 на коллектор 22. Управляющая высокая частота ƒ (см. формулу 7) для селекции ионов подается на сетку 17 от генератора (вход 26) по командам процессора, а управляющие напряжения U (см. формулу 7) через ключи 24 и 25.

Сетки и цилиндры, ограничивающие пространство дрейфа, составляют селектирующую систему анализатора. Антиэлектронная сетка, находящаяся под отрицательным потенциалом, предотвращает попадание электронов, образующихся в анализаторе, на коллектор ионов. Коллектор экранируется от переменных электрических полей экраном и двумя сетками. Наличие двух сеток перед коллектором практически устраняет провисание поля антиэлектронной сетки в область коллектора, уменьшая фон анализатора, как и антифоновая сетка, на которую подается положительное напряжение пилообразной формы.

Дополнительно на фиг. 3 обозначены сопротивление (23), дубль-ключ (27).

На выход 22 подключаются датчики тока, связанные с АЦП. Значение ионного тока с коллектора преобразуется в цифровой двоичный код.

Команды на управление указанными элементами записаны в процессоре с программами функционирования МСК.

При анализе состава и концентрации ионов верхней атмосферы катод в ионизационной камере анализатора не включается. Они поступают в селектирующий каскад непосредственно из окружающего пространства. Снижение уровня ложных «гармонических» пиков в анализаторе достигается применением трех селектирующих каскадов, а требуемая разрешающая способность обеспечивается наличием между каскадами однопотенциальных пространств дрейфа с длинами, соответствующими целому числу периодов высокой частоты.

В анализаторе применен источник ионов с поперечной ионизацией, в котором вытягивание ионов происходит в плоскости, перпендикулярной плоскости ионизирующего электронного луча. Такое решение позволяет удалить раскаленный катод из зоны прохождения потока ионов, что способствует снижению фона, возникающего в результате газоотделения катода, и значительно сокращает расстояние от входного отверстия анализатора до области ионизации.

В наземных условиях в предварительно откачанный до низкого давления анализатор напускается калибровочная смесь газов с поглотителем, не поглощающим инертные газы. Перед запуском прибора в верхнюю атмосферу и после его подстройки производится разгерметизация анализатора.

Источник ионов в действующем макете МСК собран на корпусе отражателя. Во внутренней части корпуса установлена сетка (камера ионизации), представляющая собой параллелепипед, изготовленный из сеточного полотна. На торце корпуса установлена защитная сетка. Вокруг камеры ионизации расположен катод в форме квадрата. Ионизация молекул анализируемого нейтрального газа происходит в объеме камеры ионизации.

Катод для долговечности при высоких температурах изготовлен из вольфрамовой проволоки с оксидно-иттриевым покрытием. Питание катода подводится к диагонали квадрата, При перегорании одной половины катода вторая продолжает работать.

Генератор высокой частоты выполнен по схеме прямого цифрового синтезатора, что позволяет воспроизводить весь диапазон необходимых для действующего макета МСК частот. На аналоговых прототипах МСК для этого использовалось несколько генераторов.

Усилитель при использовании многоразрядного АЦП не нужен. В основе интерфейсного устройства для управления МСК и сопряжения с блоком управления носителя прибора использован процессор и перекрестное соединение двух комплектов МСК.

Радиационно-стойкий 32-разрядный процессор (микроконтроллер) выполнен на базе процессорного ядра ARM Cortex-M4F с металлокерамическим корпусом с заявленным температурным диапазоном функционирования от минус 60°С до +125°С, напряжением источника питания 3,0-5,5 В. Объема однократно программируемой встроенной памяти программ в 128 Кбайт, встроенной памяти программ типа СОЗУ 128 Кбайт, встроенной памяти данных 32 Кбайт достаточно для программирования работы МСК. При этом, предусмотрены:

- программы автономной проверки прибора с формированием кодовых сообщений в установленном формате;

- программы технологического режима функционирования устройств МСК в составе комплекса серийных или малых КА и ракетного эксперимента, при наземных отработках и летных испытаниях;

- программы режима работы устройств МСК на орбите с задаваемым по команде или циклическом переключением режимов измерений:

а) по нейтральному составу естественной атмосферы и собственной внешней атмосфере вокруг носителя прибора;

б) по нейтральному составу только естественной верхней атмосферы;

в) по ионному составу верхней атмосферы;

- программы переключения поддиапазонов измерений заряженных частиц;

- программы информационного обмена;

- программы калибровки и валидации измерений.

Комплекс тематических программ в процессоре может корректироваться, в том числе при взаимодействии МСК со служебными системами КА. Частота зондирования в анализаторе задается по командам процессора блока управления. Разрешающая способность определения М оценивается не хуже 10% для всех заданных диапазонов измерений: 1-4 (а.е.м.) с регистрацией спектра масс Н (1 а.е.м.), Н₂ (2 а.е.м.), Не (4 а.е.м.); 10 - 20 а.е.м. с регистрацией спектра масс N (14 а.е.м.), О (16 а.е.м.), Н₂О (18 а.е.м.), Ne (20 а.е.м.); 20 - 50 а.е.м. с регистрацией спектра масс N₂ (28 а.е.м.), О₂ (32 а.е.м.), Ar (40 а.е.м.), СО₂ (44 а.е.м.).

Действующий макет МСК с процессором и АЦП при наземных испытаниях соответствовал требуемым уровням электромагнитной совместимости с бортовыми системами устройств серийных КА и нормально функционировал в при давлении окружающей среды до 1,3-10^-4 Па (10^-6 мм рт.ст.) в рамках заданных температур. Вероятность безотказной работы за установленный срок службы соответствовала установленной величине. Масса действующего макета МСК составила несколько кг, что позволяет использовать его на малых КА и для ракетных экспериментов.

Стоимость действующего макета оказалась в 2 раза дешевле, чем серийных образцов масс-спектрометров прошлого века. Для ракетных экспериментов МСК дешевле. Форма выполнения элементов и устройств МСК определяются доступной элементной базой, имеющимися ресурсами.

Литература

1. Семкин Н.Д., Пияков И.В., Воронов К.Е., Помельников Р.А. Масс-спектрометр газовых частиц / Заявка №2001119891/28 от 17.07.2001. Дата публикации заявки: 20.06.2003, Бюл. №17. Опубликовано: 10.11.2004. Бюл. №31.

2. Семкин Н.Д., Пияков А.В., Пияков И.В., Родин Д.В., Телегин A.M. Циклический масс-спектрометр газовых частиц / Заявка: 2012115873/07, 19.04.2012. Опубликовано: 10.01.2014 Бюл. №1.

3. Семкин Н.Д., Воронов К.Е. Пылеударный масс-спектрометр / Заявка: 96103268/09, 20.02.1996. Опубликовано: 20.11.1998

4. Семкин Н.Д., Воронов К.Е., Пияков И.В., Помельников Р.А. Времяпролетный масс-спектрометр / Заявка: 2001130673/28, 12.11.2001. Дата публикации заявки: 20.07.2003. Бюл. №20. Опубликовано: 10.11.2004 Бюл. №31

5. Семкин Н.Д., Пияков И.В., Родин Д.В., Родина М.А. Времяпролетный масс-спектрометр с нелинейным источником ионов / Заявка: 2015122340, 10.06.2015. Дата публикации заявки: 27.12.2016, Бюл. №36. Опубликовано: 29.06.2017 Бюл. №19.

6. Тюрюканов П.М., Нефедова В.Э. Масс-спектрометр / Заявка: 2013149362/07, 07.11.2013. Опубликовано: 27.04.2015 Бюл. №12.

7. Сысоев А.А., Сысоев А.А., Потешин С.С. Масс-спектрометр / Заявка: 2009131035/28, 17.08.2009. Опубликовано: 27.06.2010, Бюл. №18.

8. Сидерис Димитриос Масс-спектрометр и способ масс-спектрометрического анализа / Заявка: 2012102507/07, 06.07.2010. Публикация №2 531 369. Конвенционный приоритет: 08.07.2009 GB 0911884.5. Дата публикации заявки: 27.08.2013, Бюл. №24. Дата начала рассмотрения заявки РСТ на национальной фазе: 08.02.2012. Заявка РСТ: GB 2010/001296 (06.07.2010). Публикация заявки РСТ: WO 2011/004149 (13.01.2011).

9. Тюрюканов П.Н., Нефедова В.Э. Масс-спектрометр / Заявка: 2012125969/07, 22.06.2012. Опубликовано: 20.01.2013, Бюл. №2.

10. Дин Чуань-Фань Масс-анализатор с ионной ловушкой/ Заявка: 2006147225/28, 03.06.2005. Конвенционный приоритет: 04.06.2004 CN 20410024946.8. Дата публикации заявки: 20.07.2008, Бюл. №20. Опубликовано: 10.11.2009, Бюл. №31. Дата перевода заявки РСТ на национальную фазу: 09.01.2007. Заявка РСТ: СА 2005/000866 (03.06.2005). Публикация РСТ: WO 2005/119737(15.12.2005).

11. Краснов Н.В., Кузьмин А.Ф. Квадрупольный масс-спектрометр / Заявка 2008124870/28, 06.06.2008. Публикация №2 391 740 от заявки: 20.12.2009.

12. Полянский A.M., Полянский В.А., Полянская Г.Б. Магнитный масс-спектрометр / Заявка: 2007119593/22, 21.05.2007. Опубликовано: 27.11.2007, Бюл. №33.

13. Bennet W.H. Phys. Rev., 79, 222. (1950)

14. Джейрам Р. Масс-спектрометрия. Теория и приложения. - М., МИР, 1969. 252 с.

15. Павленко В. А., Рафальсон А.Э., Слуцкий М.Е. и др. Радиочастотный масс-спектрометр для анализа ионного и молекулярного состава верхних слоев атмосферы // ПТЭ. 1960. №6. С. 89.

16. Михневич В.В., Похунков А.А., Дунайкина Л.Л. и др. Исследование верхней атмосферы Земли с помощью искусственного спутника "Космос-196" / Труды ИПГ "Экспериментальные исследования верхней атмосферы". - М.: ГМИ, 1975. Вып. 24. С. 3.

17. Похунков А.А., Рыбин В.В., Тулинов Г.Ф. Исследование количественных характеристик долговременных изменений параметров верхней атмосферы за период 1966-1992 гг. // Космические исследования. 2009. №6. С. 514.

18. Похунков А.А., Рыбин В.В., Тулинов Г.Ф. Тренды высоты турбопаузы в средних широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 2003. Т. 43, №5. С. 694.

19. Атмосфера Земли верхняя. Модель химического состава / Комитет стандартизации и метрологии СССР. М.: Изд-во стандартов, 1991.

20. Козловский В.И. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду / Заявка: 2013126063/07, 06.06.2013. Опубликовано: 20.11.2014, Бюл. №32.

Подписи к рисункам к изобретению «Масс-спектрометр космический»

Фиг. 1. Схема составляющих МСК:

1 - блок анализатора, 2 - блок вспомогательных устройств, 3 - блок управления.

Фиг. 2. Схема однокаскадной трубки масс-спектрометра: 4 - нить накала, 5 - первая сетка, 6 - вторая сетка, 7 - третья сетка, 8 - четвертая сетка, 9 - коллектор.

Фиг. 3. Схема анализатора действующего макета МСК: 10 - входное отверстие, 11 -камера ионизации, 12 - вытягивающая сетка, 13 - антифоновая сетка, 14 - селектирующий каскад, 15 - первая сетка, 16 и 16* - цилиндры, 17 - средняя сетка, 18 - третья сетка, 19 -сетка задержки, 20 - антиэлектронная сетка, 21 - экран, 22 - коллектор, 23 - сопротивление, 24 и 25 - динамические управляющие напряжения, 26 - вход для сигналов от генератора высокой частоты, 27 - дубль-ключ, 28 - катод, 29 - отражатель, 30 - направление потока ионов.

1. Масс-спектрометр космический, включающий анализатор для измерений газового состава верхней атмосферы Земли по нейтральной, ионной компонентам и состава собственной внешней атмосферы вокруг носителя прибора в верхней атмосфере Земли, состоящий из анализатора, включающего входное отверстие, ионизационную камеру с электронной пушкой для ионизации нейтральных компонент, вытягивающую, антифоновую, задерживающую, антиэлектронную сетки, экрана переменных электрических полей, не менее одного селектирующего каскада потока ионов с проволочными сетками, коллектора с датчиками ионного тока, выходного отверстия, вспомогательных устройств, включающих генератор высокочастотного электрического поля и источники напряжения, устройства терморегулирования, контроллеры для приема, обработки, хранения, передачи команд и информации, устройства калибровки, синхронизации и валидации измерений, блока управления процессами элементами конструкции, захвата нейтральных или ионизированных компонент верхней атмосферы, ионизации нейтральных компонент, разгона ионов в селектирующие каскады сеток с переменным высокочастотным потенциалом и задерживающими потенциалами, регистрации потока ионов по массе и заряду по интенсивности инициируемого коллекторного тока, отличающийся тем, что входное отверстие ионизационной камеры оснащено экраном с регулируемым электрическим полем, отсутствует вакуумный корпус анализатора в условиях измерений разреженной верхней атмосферы, используются микроэлектронные сверхчувствительные датчики коллекторных ионных токов, многоразрядная аналого-цифровая плата на основе радиационно-стойкой микросхемы для обработки и передачи сигналов, в том числе в установленный формат, производится взаимодействие устройств масс-спектрометра по командам и программам, записанным в блоке управления, через микроконтроллеры, используются устройства калибровки, синхронизации и валидации измерений для настройки, корректировки и проверки получаемых данных, резервируются функции устройств масс-спектрометра, связанного с бортовыми системами управления хранения и передачи данных носителя прибора.

2. Спектрометр по п. 1, процессор блока управления масс-спектрометра с тематическими программами и командами управления режимами функционирования устройств масс-спектрометра, сбора, обработки, хранения и передачи данных измерений, перенастройки программ.