КОНСТРУКЦИИ ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ ПОВЕРХНОСТНО-ИОНИЗАЦИОННЫХ ДРЕЙФ-СПЕКТРОМЕТРОВ

Газовая динамика источников ионов

Форма термоэмиттера ионов была выбрана нами в виде осесимметричного цилиндра с плоской торцевой поверхностью. Для выбора оптимальной конфигурации источников ионов нами совместно с Бобровым А.А. были проведены расчеты газодинамических характеристик газового потока за торцом эмиттера ионов с использованием методики [109]. При проведении расчетов принималось, что протекающие процессы стационарны, а течение газового потока осесимметричное и ламинарное. Последнее условие основано на том, что при всех рассмотренных значениях величин газового потока и геометрических размеров термоэмиттера ионов и ионной линзы число Рейнольдса газового потока не превышало 400, что заведомо меньше его критической величины при переходе к турбулентному потоку газа.

Газодинамические характеристики воздушных потоков рассчитывали с использованием стандартного уравнения газовой динамики, уравнения движения, уравнения непрерывности и уравнения состояния:

где T_ik - тензор вязких напряжений, R_r - газовая постоянная, V - вектор скорости газового потока, V - дифференциальный оператор, Ср - теплоемкость газа, X - его теплопроводность, р - плотность газа. Температурные зависимости теплоемкости, теплопроводности и плотности воздуха были взяты из работ [110-111]. В качестве граничных условий принимали, что температура внешней стенки вокруг термоэмиттера ионов постоянна и равна 450 К, температура торцевой и боковой поверхностей термоэмиттера равна 750 К. Систему уравнений (136) решали методом конечных разностей по методике [112]. Подробнее метод решения в переменных “вихрь - функция тока” приведен в работе [111]. На рис. 75 в качестве примера приведены результаты расчетов распределения температуры (на каждом рисунке слева) и газовых потоков (на каждом рисунке справа) для двух вариантов конфигураций источников ионов.

Рис. 75. Примеры расчетных конфигураций газовых потоков

Результаты расчетов показали, что могут быть реализованы два варианта построения источников ионов:

• • Источник ионов, в котором вблизи активного элемента термоэмиттера сформирована область завихрения газового потока;
• • Источник ионов, в котором имеет место ламинарный газовый поток в области активного элемента термоэмиттера.

Вариант 1 позволяет повысить степень ионизации органических молекул, содержащихся в потоке воздуха, но затрудняет определение таких идентификационных характеристик органических молекул, как энергия активации поверхностной ионизации и дрейфовая подвижность ионов в области малых значений напряженности электрического поля. Поэтому в дальнейших разработках мы остановились на организации газового потока по типу рис. 75, справа. На основе данного подхода нами были разработаны два типа источников ионов - источник ионов с газовым потоком от периферии термоэмиттера ионов к его центру (прямым газовым потоком) и источник ионов с противоположным газовым потоком (инверсным потоком) - от центра термоэмиттера к его периферии.