Основы методики идентификации элементного состава вещества с использованием лазерного ионизатора и время-пролетного динамического масс-анализатора

Как было показано, исследуемое вещество, как правило, представляет собой сложное соединение, содержащее большое количество химических элементов с различными термодинамическими и теплофизическими характеристиками. Преимуществом лазерной ионизации вещества является то, что при достаточно высокой плотности лазерного излучения вещество будет испаряться независимо от его физических свойств (ионная эмиссия или фотодесорбция). В этом случае поглощение светового фотона может привести к распаду молекулы на ноны, либо к ионизации атома или молекулы при пиковой мощности лазера 10⁸ – 10⁹ Вт\см². Источником ионов является высоко ионизированная плазма.

Для анализа элементного состава рассматривается классический метод масс-спектроскопии, в котором исследование ингредиентов и их концентраций осуществляют путем определения масс ионов или путем измерения отношений масс ионов к их зарядам. Индикаторным параметром является масс-спектр, несущий информацию о совокупности значений масс и их относительном содержании (рис. 2.7.1).

В методе масс-спектроскопии используется разделение в вакууме ионов разных масс под воздействием электрических и магнитных полей.

В геологии и в геохимии масс-спектральное определение изотопного состава ряда элементов (свинца, аргона и т.п.) лежит в основе методов определения возраста горных пород и рудных образований.

Масс-спектральный анализ элементного состава грунта планировался в экспедициях «Фобос-1» и «Фобос-2», а также в будущих экспедициях на Марс [34, 35].

Для разделения ионизированных частиц вещества по их массам, основанного на воздействии электрических и магнитных полей на пучки ионов, летящих в вакууме, используют масс-спектрометры. Функциональная схема масс-спектрометра приведена на рис.2.7.2. В качестве ионизатора вещества используется ИАГ:Nd³⁺-лазер с ламповой накачкой. Контролируемое вещество представляет собой грунт Земли, для регистрации и анализа ионов используется время-пролетный масс-анализатор. Ионный пакет впрыскивается через сетку 1 в анализатор 2, представляющий собой эквипотенциальное пространство.

Рис.2.7.1. Характерный вид масс-спектра: J – ионный ток, m и е – масса и заряд иона соответственно, δm1 и δm2 – ширина пика на уровнях 0,5 и 0,1 соответственно.

Рис.2.7.2. Функциональная схема масс-спектрометра: 1 - лазерный ионизатор вещества (ИАГ:Nd³⁺-лазер с ламповой накачкой); 2 - контролируемое вещество; 3 - время-пролетный динамический масс-анализатор; 4 - приемник ионов; 5 - усилитель тока; 6 - спектроанализатор; 7 - ЭВМ; 8 - система электрического питания (термо-электрогенератор на основе плутония — 238); 9 - вакуумные насосы. Пунктиром показана вакуумированная часть прибора