В. С. ПЕРШЕНКОВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
СТРУКТУРА ФОНОВОГО СИГНАЛА В РЕНТГЕНОВСКОМ СПЕКТРОМЕТРЕ ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ
Приведены экспериментально-расчетные методики определения природы фонового сигнала (реактант-пиков), наблюдаемого в спектрометре ионной подвижности при регистрации взрывчатых веществ на открытом воздухе с использованием для ионизации молекул пробы рентгеновского излучения.
Спектрометры ионной подвижности работают на открытом воздухе, поэтому выходной ионный спектр наряду с интересующим пиком регистрируемого вещества содержит пики, появляющиеся за счет ионизации молекул окружающего воздуха. Образующиеся при этом ионы создают не только фоновый сигнал, но и участвуют в формировании полезного сигнала за счет обмена зарядом с молекулами регистрируемого вещества, т. е. являются так называемыми реактант-ионами. Типовой выходной ионный спектр для случая однородного электрического поля в области ионизации и дрейфа приведен на рис.1. Имеется четыре основных пика: первые три относятся к фоновому сигналу, четвертый соответствует полезному сигналу ТНТ (самый правый узкий пик и следующий за ним небольшой отрицательный пик являются случайными выбросами). Около каждого пика указана величина (в кулонах) суммарного заряда соответствующих ионов. При ионизации воздуха образующиеся электроны захватываются молекулами кислорода. Затем за счет ионно-молекулярного взаимодействия происходит передача заряда молекулам, сродство к электрону у которых больше, чем у молекул кислорода. Как следует из рис.1 имеется три типа таких веществ. Для определения их природы и количественного состава можно использовать следующие три методики.
1. Модуляция электрического поля в области ионизации. Увеличение времени ионно-молекулярного взаимодействия приводит к перекачке заряда из первого пика в третий. Это означает, что молекулы третьего типа имеют большее сродство к электрону, чем молекулы второго типа и молекулы ТНТ. Возможным кандидатом в качестве такого вещества является водяной кластер двуокиси азота NO2(H2O)n с очень большой величиной сродства к электрону 3,91 эВ [1]. Сканирование по времени взаимодействия позволяет оценить постоянную времени перекачки заряда и первоначальную величину молекул типа 1 и 3.
Рис. 1. Типовой ионный спектр
2. Эксперименты с сухим воздухом. Уменьшение влажности ионизуемого воздуха до 2% приводит к исчезновению второго и третьего пиков. Это позволяет предположить, что второй, как и третий пик, связан с кластером воды, например, с водяным кислородным кластером О2(H2O)n. Возможным кандидатом в качестве молекул первого типа является кислородный кластер двуокиси углерода (СО2)О2.
3. Расчетно-экспериментальная методика. Для молекул ТНТ исходная концентрация может быть задана. Измерив концентрацию заряда этих ионов, можно рассчитать коэффициент ионизации при использовании рентгеновского излучения. Используя этот коэффициент ионизации, можно рассчитать концентрацию реактант-молекул различных типов.
Получены следующие результаты: первоначальная концентрация молекул (СО2)О2, О2(H2O)n и NO2(H2O)n составляет соответственно 2´1010 см-3, 1´1010 см-3 и 0,25´1010 см-3. Постоянная времени перекачки заряда при ионно-молекулярном взаимодействии имеет порядок 10 мс.
Список литературы
1. Tabrizchi M. Design and optimization of a corona discharge ionization source for ion mobility spectrometry, Review of Science Instruments, v.6, N.6, 2000, pp. .
