Главная » 2014 » Июнь » 26 » Скачать Изотопная масс-спектрометрия высокого разрешения в исследованиях солнечного и космического излучения. Ануфриев, Георгий Степанович бесплатно
02:37
Скачать Изотопная масс-спектрометрия высокого разрешения в исследованиях солнечного и космического излучения. Ануфриев, Георгий Степанович бесплатно
Изотопная масс-спектрометрия высокого разрешения в исследованиях солнечного и космического излучения
Диссертация
Автор: Ануфриев, Георгий Степанович
Название: Изотопная масс-спектрометрия высокого разрешения в исследованиях солнечного и космического излучения
Справка: Ануфриев, Георгий Степанович. Изотопная масс-спектрометрия высокого разрешения в исследованиях солнечного и космического излучения : диссертация доктора физико-математических наук : 01.04.04, 01.03.02 Ленинград, 1984 479 c. : 71 85-1/312
Объем: 479 стр.
Информация: Ленинград, 1984
Содержание:
ВВВДЕНИЕ
ЧАСТЬ I
ШВА I ДОСТИЖЕНИЯ И ПРОБЛЕМЫ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
§ 11 Современное состояние масс-спектрометрии высокого разрешения
§ 12 Основные соотношения для магнитных масс-спектрометров (МС)
§ 13 Способы повышения разрешающей способности МС
Основы новой классификации
§ 14 Магнитные времяпролётные МС
§ 15 Компенсационный режим
§ 16 Разрешающая способность и дисперсия по массе
§ 17 Чувствительность
§ 18 Опыт применения МС высокого разрешения для изотопных анализов инертных газов
§19 Выводы
ГЛАВА 2 ВЛИЯНИЕ МАЛЫХ ВОЗМУЩАЮЩИХ СИЛ НА ФОКУСИРОВКИ В
МАГНИТНЫХ МАСС-СПЕКТРОМЕТРАХ
§21 Теория движения ионов в однородном магнитном поле в присутствии малых возмущающих сил
§ 22 Способ измерения неоднородностей магнитного поля в зазорах магнитов
§23 Магнитометры
§ 24 Неоднородности магнитного поля в зазорах магнитов с плоскопараллельными полюсами
§25 Влияние неоднородное!ей магнитного поля и паразитных электрических полей на аналитические параметры Ш
§ 26 Общие закономерности влияния возмущающих сил на разрешающую способность и параметры движения ионов
Теорема
§27 Выводы III
ШВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЯПРОЛЁТНОГО ПРИНЦИПА РАЗДЕЛЕНИЯ
ИОНОВ С ФОКУСИРОВКОЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ИЗ
§ 31 Принцип действия МРМС и расчёт основных параметров ИЗ
§32 Совмещённая схема
§33 Многолучевой МРМС
§ 34 Полигармонический принцип образования спектра
§ 35 Основные узлы ионно-оптической схемы МРМС Выбор параметров
§ 36 Экспериментальное исследование МРМС в режиме низкого разрешения (первая ступень)
§ 37 Исследование МРМС в режиме высокого разрешения вторая ступень)
§38 Выводы
ШВА 4 СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИЗОТОПНЫХ
ИЗМЕРЕНИЙ
§41 Система откачки
§ 42 Квазистатический и статический режимы откачки камеры масс-анализатора МРМС
§ 43 Система напуска газа, приготовления и хранения калибровочных смесей ("лабораторных эталонов")
§ 4;4 Низкофоновая система вакуумной экстракции газов из твёрдых образцов
§ 45 Выводы
ГЛАВА 5 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ИОННО-ОПГИЧЕ
СКИЕ СХЕМЫ РАЗРАБОТАННЫХ МАСС-СПЕКГРШЕЕРШ I
§ 51 Масс-спектрометр МИ 9301
§52 Масс-спектрометр МИ 9302
§53 МРМС для изотопных исследований гелия
§54 Выводы
ЧАСТЬ 2 ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛНЕЧНОГО И КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ГЛАВА 6 методики изотопных измерений Не, Ne , Ar»
НА МРМС
§ 61 Подготовка образцов для анализов и общие приёмы изотопного анализа
§ 62 Методика изотопных измерений гелия
§ 63 Методика измерений изотопных отношений неона
§ 64 Методика измерений изотопных отношений аргона
§ 65 Методы совместных изотопных измерений Не , Ne
Alf» в одной пробе на МРМС
§ 66 Выводы
ГЛАВА 7 ИЗОТОПНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНЕРТНЫХ ГАЗ® В ЛУННОМ
ГРУНТЕ
§ 71 Исследование образцов лунного грунта, доставленного автоматической межпланетной станцией (AMC) "Луна-16"
§ 72 Исследование образцов лунного грунта, доставленного
AMC "Луна-г4"
§ 73 Вариации изотопного состава солнечного корпускулярного излучения при различной активности Солнца
§ 74 Элементный состав инертных газов при различной активности Солнца
§ 75 Выводы
ГЛАВА 8 ИНЕРТНЫЕ ГАЗЫ В КОСМИЧЕСКОЙ ПЫЛИ
§ 81 Введение в проблему
§ 82 Изотопы неона и другие инертные газы в океанических седиментах
§ 83 Скорость аккреции космической пыли Землёй
§84 Метод учёта потерь инертных газов
§ 85 Вклад космической пыли и солнечного ветра в инертную атмосферу Земли
§ 86 Выводы
ШВА 9 ГЕЛИЙ ЗЕМЛИ ПОИСК ПЕРВИЧНЫХ ИЗОТОПОВ
§91 Изотопный состав гелия атмосферы
§ 92 Исследование влияния географических координат отбора проб воздуха на изотопные отношения гелия
§ 93 Изотопы гелия в природных газах и в породах
§ 94 Основные закономерности распределения изотопов гелия
§95 Выводы
ГЛАВА 10 ИЗОТОПЫ ДРЕВНЕГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В
МАНТИЙНЫХ ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ
§ 101 Введение в проблему
§ 102 Лёгкие инертные газы в образцах природных газов и пород
§ 103 Фракционирование по массе в мантийных образцах
§ 104 Элементные соотношения мантийных инертных газов
§ 105 Связь изотопных составов гелия и неона в ман
• б тийных образцах
§ 106 Выводы
ГЛАВА II РЕЛИКТЫ ДРЕВНИХ КОСМОГЕННЫХ ИЗОТОПОВ
§ III Критерии космогенности в мантийных образцах
§ II2 Космогенные изотопы и некоторые черты эволюции
Земли
§ II3 Экспозиционный возраст протопланетной пыли
§ IIИзотопные данные в космогонии
§ II5 Выводы
Введение:
Актуальность проблемы. Масс-спектрометры (МС), как инструменты для исследования веществ на атомном и молекулярном уровне, за примерно 70-летнюю историю своего существования С I 3 успешно прошли испытание временем и в настоящее время широко используются в самых различных областях науки и техники. В мире ежегодно производится около 5000 Ш, из них около 500 сложных приборов С23 . Красной нитью через всю историю развития МС проходит непрерывное совершенствование аналитических характеристик и, в первую очередь, стремление повысить разрешающую способность, как средства, позволяющего увеличить информатив-: ность масс-спектра и, следовательно, расширить сферу применения С для решения новых задач нерутинного характера.
Первые и чрезвычайно плодотворные применения МС высокого разрешения получили в ядерной физике для точного определения масс ядер (дефектов массы) [3] • Именно это применение МС до настоящего времени с 4] стимулирует стремление к дальнейшему повышению разрешающей способности лабораторных МС. Затем было показано, что МС высокого разрешения позволяют существенно продвинуться в решении задач химического и структурного анализа сложных органических соединений и их смесей. При этом оказалось, что МС, предназначенные для этих целей, должны удовлетворять своим особым требованиям: кроме требования высокого разрешения очень важен предельно широкий диапазон анализируемых масс. Более высокие требования предъявляются и к другим аналитическим параметрам. Развитие этого направления исследований стимулировало промышленный выпуск МС высокого разрешения С 5,63 .
Отметим также, что возникающие новые проблемы, как проблема поиска "стабильных" трансурановых элементов в природе [7,8] , предъявляют к МС новые высокие требования [ 9] , реализация которых способствует дальнейшему продвижению по пути совершенствования аналитических характеристик МС.
Со времён масс-спектрометрических изотопных исследований Астона [10,11] и примерно до конца 60-х годов нашего столетия считалось, что для изотопных анализов вполне подходят МС низкого разрешения, уверенно разделяющие массовые пики химических элементов в пределах Периодической системы Менделеева. Хорошая чувствительность - основное требование, предъявляемое к изотопным МС. Б значительной мере это положение определялось господствующей научной концепцией, согласно которой следовало, что соотношение стабильных изотопов всех элементов в природных образованиях - величина постоянная, а наблюдаемые вариации носят вторичную природу: результат ядерно-физических превращений или разделения изотопов под действием кинетических факторов. Впоследствии оказалось, что изотопные вариации неизмеримо более информативны, и это привело к смене концепции и повышению требований к изотопным М?.
Первую и очень серьёзную брешь в старых представлениях пробили изотопные исследования инертных газов в метеоритах, приведшие к открытию первичных (первозданных) инертных газов [12,13] , а затем и к обнаружению их сложной структуры С14, 15] . Эти исследования и их бурное развитие во всём мире способствовало выделению изотопных исследований инертных газов в самостоятельный раздел космофизики и космохимии. Дело здесь в том, что изотопные исследования служат экспериментальной основой многих разделов физики Солнца, наук о Земле и планетной космогонии в целом. Причём чрезвычайно важно то, что первичные инертные газы дают ключ к пониманию ранней истории Солнечной системы.
Задачи расшифровки измеренных значений изотопных составов в плане замысла напоминают задачу, успешно разрешаемую в лабораторных условиях при использовании метода изотопного разбавления, но неизмеримо более сложную, так как исследователю, как правило, не известны полностью начальные условия и последующие физико-химические воздействия на природный образец за время его существования, В этом плане, выяснение происхождения изотопного состава элемента в образце относится к классу некорректных задач. Решение таких задач возможно с привлечением статистических законов, сведений по изотопным составам других элементов и изотопных данных, характерных для экстремальных условий, реализуемых в природе или в лаборатории при проведении модельных опытов. По этой причине чрезвычайно важны результаты, получаемые при применении новых методик, позволяющих увеличить чувствительность, точность измерений, а также расширить измеряемый диапазон вариаций изотопных отношений в природе или вовлечь в сферу исследований новые элементы и их изотопы. Поэтому проблемы разработки изотопных МС высокого разрешения, создания на их основе прецизионных масс-спектрометрических методик для изотопных исследований инертных газов, а также проведение широкого комплекса изотопных исследований являются актуальными.
С другой стороны, позитивное решение поставленной задачи разработки МС высокого разрешения для изотопных исследований инертных газов, что предполагает одновременно высокую чувствительность МС, не уступающую чувствительности МС низкого разрешения, широко применяемых в изотопных лабораториях мира, при высокой точности измерений и хорошей форме пика (так называемый высокой изотопической чувствительности), представлялось чрезвычайно проблематичным. Опыта разработки подобного МС в мировой практике не существовало. Обычный путь С16,17] повышения разрешающей способности и улучшения формы пика МС автоматически приводит к значительному (часто катастрофическому) снижению чувствительности и точности измерений изотопных отношений, поэтому не приемлем.
Научная и практическая необходимость в МС для изотопных исследований инертных газов с набором существенно улучшенных аналитических характеристик подчёркивается также потребностью этих приборов в ядерной физике, геохимии и геологии, а также возможностью использования этих МС для изотопных анализов некоторых простых химически активных газов (например, Н^ , N3 , СО 1 ?Оа и др.), что важно для целого ряда научных и практических применений.
Разработка МС высокого разрешения для изотопных исследований инертных газов потребовала проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выявление причин, ограничивающих разрешающую способность. Показано, что полученные результаты имеют общую значимость для магнитных МС любых типов, использующих для разделения ионов однородные магнитные поля, поэтому этот комплекс исследований представляется важным и актуальным.
Изотопный и элементный составы корпускулярного излучения Солнца в различных фазах активности в современную эпоху и в прошлом, природа первичных инертных газов, скорость аккреции космической пыли Землёй, а также скорость аккреции планет Солнечной системы, радиационная обстановка и физические условия в этот период - комплекс задач, на которые не найдено ответа, либо предлагаемые решения дискуссионны. Изотопные исследования инертных газов, проведенные в рамках этих задач и позволившие получить новый фактический материал, а также ответить на некоторые из поставленных вопросов, представляются также актуальными.
Научная новизна. Путём теоретических и экспериментальных исследований вскрыты общие причины, ограничивающие разрешающую способность МС, использующих для разделения ионов однородные магнитные поля. Рекомендованы конкретные меры и сформулированы задачи, решение которых необходимо при дальнейшем продвижении по пути разработки приборов с более высокой (по сравнению с достигнутой) разрешающей способностью.
Экспериментально доказано, что при помощи времяпролётного принципа разделения ионов в магнитном поле возможна разработка МС для изотопных анализов, обладающих комплексом рекордно высоких аналитических параметров. Ранее считалось, что такие параметры могут быть реализованы только по отдельности, например, можно реализовать высокое разрешение в ущерб чувствительности и точности измерений изотопных отношений и т.п.
Разработаны прецизионные масс-спектрометрические методики изотопных анализов инертных газов, позволяющие значительно расширить диапазон измеряемых вариаций изотопных отношений (в случае Не примерно на пять порядков), повысить точность и достоверность анализов.
Проведен широкий комплекс изотопных исследований инертных газов в природных образованиях, остававшийся за пределами возможности существовавших ранее методик на основе МС низкой разрешающей способности.
Получена новая информация в области астрофизики о корпускулярном излучении Солнца в настоящее время и в прошлом, о скорости аккреции космической пыли Землёй, о физических условиях во время аккреции планет, о природе первичных инертных газов.
Открыт первичный гелий в недрах Земли, обогащённый изотопом Не и показано, что этот гелий является реликтом древних солнечных газов, сохранившихся с периода аккреции планеты.
Научная и практическая ценность работы. Выявлены общие причины, ограничивающие разрешающую способность магнитных МС, учёт которых необходим при разработке МС высокого разрешения, использующих однородные магнитные поля для разделения ионов.
При прямом участии автора разработаны первые в мире промышленные МРМС с рекордно высокими аналитическими параметрами. Эти МС могут быть использованы для решения трудных в аналитическом плане задач в ядерной физике, в космофизике, в космо- и геохимии, в геологии, а также при отработке различных технологических процессов, например, при производстве моноизотопов или сверхчистых веществ.
Предложен способ прецизионного измерения малых магнитных неоднородностей и разработаны на основе его магнитометры.
Разработаны различные варианты экстракционных установок и систем напуска газа, приготовления и хранения калибровочных смесей, без которых невозможно реализовать предельно высокие аналитические возможности МРМС. Хорошие аналитические параметра этих устройств позволяют использовать их в сочетании с другими типами МС, применяемых для изотопных и элементных анализов.
Получена новая неизвестная ранее информация о изотопном и элементном составах инертных газов в "современном" и древнем солнечном излучении, а также информация о изотопных вариациях, связанных с различной активностью Солнца. Впервые найдены кос-могенные изотопы инертных газов, характеризующие древнее космическое излучение в период образования планет Солнечной системы, на основании которых сделано первое определение возраста экспозиции протопланетной пыли. Комплекс полученных данных о изотопных вариациях Не, , А г- в природе может быть использован также в космогении при построении более согласованных моделей происхождения Солнечной системы.
Цель работы. Теоретические и экспериментальные исследования в области разделения ионов в однородных магнитных полях, целенаправленные на вскрытие и устранение причин, ограничивающих разрешающую способность МС высокого разрешения. разработка МС и масс-спектрометрических установок с комплексом рекордно высоких аналитических параметров (высокое разрешение и высокая чувствительность, хорошая форма пика с подавленными "хвостами" и высокая точность измерений) для изотопных анализов инертных (и некоторых простых химически активных) газов.
Проведение широкого комплекса особо трудных изотопных исследований инертных газов в природных образцах при помощи разработанных 1Ю и масс-спектрометрических методик с целью изучения солнечного и космического излучения в широком интервале времени от момента образования планет Солнечной системы до настоящей эпохи и использования полученных данных для установления связей между изотопными и элементными составами инертных газов и солнечными процессами, для определения скорости аккреции космической пыли Землёй, возраста экспозиции протопланет-ной пыли, а также для выяснения природы первичных инертных газов.
Для достижения поставленной цели проведены следующие исследования.
1. Разработана теория движения ионов в однородных магнитных полях при действии малых возмущающих сил. Детально выяснено влияние малых неоднородностей магнитных полей на фокусировку ионных пучков, приводящее к ограничению разрешающей способности МС.
2. Разработан метод (и магнитометры) для измерения неоднородностей магнитного поля в зазорах магнитов. Обнаружены закономерности образования неоднородностей магнитного поля в зазорах магнитов и предложены способы их устранения.
3. Разработана теория метода измерения магнитных свойств слабомагнитных материалов, основанного на применении разработанных магнитометров и исследованы магнитные свойства широкого спектра материалов, которые используются или могут быть использованы для изготовления деталей масс-спектрометров и камер масс-анализаторов, размещаемых в зазорах магнитов. Сделаны рекомендации по выбору материалов, вносящих наименьшие возмущения в однородные магнитные поля в зазорах магнитов.
4. Проведены широкие экспериментальные исследования время-пролётного принципа разделения ионов в магнитном поле и предложенной схемы магнитного резонансного масс-спектрометра (МРМС).
5. Разработаны методики высокочувствительных прецизионных изотопных измерений Не , , А'Р . В рамках этой задачи разработаны низкофоновая экстракционная установка и система напуска, приготовления и хранения калибровочных смесей, а также методики получения квазистатического и статического режимов откачки камеры масс-анализатора.
6. Проведены исследования изотопного и элементного составов Не, Ые , Ар в образцах лунной пыли и в космической пыли, достигающей поверхности Земли, а также в образцах природных образований, приведшие к установлению новых закономерностей распределения этих изотопов.
7. Предложены модели, объясняющие обнаруженные изотопные вариации и закономерности распространённости изотопов инертных газов. В случаях существования альтернативных представлений проанализированы причины противоречий.
Автор выносит на защиту следующие научные положения;
• детальный теоретический анализ движения ионов в однородных магнитных полях при наличии слабых возмущающих сил (первое приближение) пригодный для МС любых типов, использующих для разделения ионов однородные магнитные поля, а также методики и результаты экспериментальных исследований неоднородностей магнитных полей в зазорах магнитов и магнитных свойств слабомагнитных материалов; обнаруженные при этом закономерности, без учёта которых невозможно получить хорошие фокусировки ионных пучков, обеспечивающие предельно высокое разрешение МС;
• результаты исследований времяпролётного принципа разделения ионов по массам при фокусировке ионных пакетов в однородном магнитном поле, позволившие вскрыть его резервы, предложить новые ионно-оптические схемы МРМС и разработать серию промышленных и лабораторных масс-спектрометров с рядом высоких аналитических характеристик;
• разработанные прецизионные масс-спектрометрические методики изотопных анализов инертных газов и, в частности, методику особо точного измерения изотопного состава атмосферного гелия, используемого в качестве эталона при масс-спектрометрических изотопных исследованиях гелия в природных или искусственно облучённых образцах;
• результаты изотопных исследований Не , Мс , ар в образцах лунного грунта и земных образований и сделанные на основе их выводы о изотопных и элементных составах инертных газов в современном и древнем солнечном излучении, о вариациях этих составов, связанных с различной активностью Солнца, а также о существовании механизма фракционирования в солнечных процессах, приводящего к изотопным вариациям в солнечном излучении;
• вывод о сохранности изотопов древнего солнечного излучения и космогенных изотопов в недрах Земли, а также полученную на основании этого информацию о характеристиках корпускулярного излучения Солнца на раннем этапе развития планет Солнечной системы, первое определение радиационного возраста экспозиции протопла-нетной пыли, а также характеристики некоторых физических параметров и радиационной обстановки в период аккреции Земли;
• первое обнаружение солнечных инертных газов в космической пыли, достигающей поверхности Земли, предложенный метод расчёта и саму величину скорости аккреции космической пыли Землёй на с временном интервале до 10 лет.
Апробация работы. Результаты работы докладывались автором и обсуждались на семинарах лабораторий физической электроники, масс-спектрометрии и астрофизическом семинаре теоретического отдела ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР, а также:
I. На 1-Ш Всесоюзных конференциях по масс-спектрометрии, Л., 1969, 1974, 1981 гг.;
2. На I Всесоюзной конференции по методам анализа неорганических газов, Л., 1983 г.;
3. На X, ХП Ленинградских семинарах по космофизике, Л., 1979, 1982 гг.;
На 7 Европейском симпозиуме по космическим лучам, Л.,
На У и У1 Всесоюзных симпозиумах по космохимии, Киев, 1978, 1980 гг.;
6. На 17 Метеоритной конференции, Черноголовка, 1977 г.;
7. На П-1Х Всесоюзных симпозиумах по стабильным изотопам в геохимии, которые состоялись в Москве в период с 1968 по 1983 год, и на других всесоюзных совещаниях.
ЧАСТЬ I
