Проект станции синхротронного излучения в диапазоне вакуумного ультрафиолета для диагностики пламени

Размещено на http://www.Allbest.ru/

СО РАН

Институт ядерной физики

Институт химической кинетики и горения

Проект станции синхротронного излучения в диапазоне вакуумного ультрафиолета для диагностики пламени

О.П. Коробейничев, А.Г. Шмаков

А.Д. Николенко, В.Ф. Пиндюрин,

С.А. Якимов, Д.А. Князьков

Новосибирск, Россия. - 2012 г.

Исследование структуры пламени, то есть пространственного распределения исходных, конечных и промежуточных продуктов горения, а также температуры, имеет решающее значение для понимания физики и химии процессов, происходящих в пламени. Молекулярно-пучковая зондовая масс-спектрометрия оказалась наиболее информативным методом изучения структуры газовых пламен, обычно при пониженных (около 0.1 атм.) давлениях [1].

Применение данного метода для изучения пламени при атмосферном и более высоком давлении сопряжено с рядом дополнительных экспериментальных сложностей. Тем не менее, такие работы ведутся достаточно успешно [2-4]. В лабораторных установках для ионизации изучаемых продуктов реакций обычно используется метод ионизации электронным ударом. Однако в последнее десятилетие все большее распространение получают установки, использующие для этой цели синхротронное излучение (СИ) ВУФ диапазона (5-20 эВ). Пучок СИ проходит через монохроматор со спектральным разрешением E/ДE = 500-2000 и взаимодействует с молекулярной струей, формируемой с помощью системы формирования молекулярного «замораживания» пробы в процессе ее отбора и доставки в зону ионизации.

Система формирования молекулярного пучка состоит из пробоотборника и набора коллимирующих сопел, оснащенных многоступенчатой дифференциальной откачкой. Такая конструкция позволяет регистрировать и измерять концентрации лабильных и короткоживущих соединений, в том числе атомов и свободных радикалов в пламенах, а так же и в других реагирующих средах. Подобного рода установки успешно функционируют на зарубежных источниках синхротронного излучения (ALS, США и NSRL, Китай) [5], [6]. Преимуществом применения фотонной ионизации по сравнению с ионизаций электронным ударом является:

1) возможность перестройки излучения в широкой области спектра;

2) интенсивный поток фотонов;

3) высокое разрешение по энергии;

4) преобладание однофотонных процессов, отсутствие фрагментации частиц.

Благодаря высокому разрешению фотонного пучка по энергии возможно детектирование частиц при энергиях ионизирующего излучения больших, чем потенциал ионизации интересующей частицы, но не превышающих потенциалы ионизации частиц с такой же, или близкой массой. Это позволяет разделять сигналы от изомерных соединений, что практически невозможно при других методах ионизации. Сечение ионизации в этом диапазоне энергий невелико, однако высокая интенсивность СИ позволяет добиться приемлемого соотношения сигнал/шум.

Рис. 1. Компоновка канала

спектрометрия синхротронный вакуумный ультрафиолет пламя

1 - магниторазрядные насосы, 2 - вакуумные шиберы, 3 - аварийный быстродействующий (10 мс) шибер аварийной защиты вакуума; 4 - радиационные затворы; 5 - блок вводимого фокусирующего зеркала, 6 - блок дифракционной решетки 7 - азотная ловушка, 8 - газовый фильтр, 9 - выходная щель. В нижней части рисунка показано расстояние до точки излучения в метрах.

Станция, описанная в настоящей работе, будет функционировать в рамках Сибирского центра синхротронного и терагерцового излучения (СЦСТИ) на территории Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН, г. Новосибирск) и использовать излучение из поворотного магнита электрон-позитронного накопителя ВЭПП-4М [7,8]. Предлагаемая станция оснащается решеточным монохроматором, обеспечивающим фокусировку пучка СИ и относительное спектральное разрешение (E/ДE) от 500 до 2000. Расчетный поток монохроматических фотонов составит порядка 10¹⁰ квантов в секунду в фокусе монохроматора.

Анализатор станции оснащается коническими кварцевыми (SiO₂) или корундовыми (Al₂O₃) пробоотборниками для отбора продуктов горения из пламени или из реактора термического разложения, плоскими водоохлаждаемыми горелками для стабилизации пламен газообразных горючих смесей, сканирующим механизмом для перемещения горелки относительно пробоотборника, реактором для изучения термического разложения соединений, времяпролетным масс-спектрометром, позволяющим измерять масс-спектр анализируемой пробы в диапазоне масс от 1 до 200 а.е.м.

В отличие от зарубежных установок, которые позволяют проводить исследования процессов горения и термического разложения веществ лишь при низких давлениях - 20-40 торр, в предлагаемой установке процессы горения могут быть изучены при давлениях на 2 порядка больше (1-10 атм.), что близко к условиям, при которых происходит горение на практике.

Предлагаемая станция (рабочее название - станция "Пламя") использует излучение из поворотного магнита накопителя ВЭПП-4М. Предполагаемое место установки станции - фронтенд ныне действующей станции "Космос" [9]. Как ожидается, обе станции будут действовать в режиме разделения времени. Станция "Пламя" использует инфраструктуру фронтенда, обеспечивающую предварительную коллимацию пучка СИ, его оперативное перекрывание радиационными затворами, систему дифференциальной откачки и систему быстродействующей вакуумной защиты канала СИ на случай аварийного прорыва атмосферы со стороны станции (рис. 1).

В случае работы станции "Пламя" в пучок вводится фокусирующее зеркало, которое расположено в районе отметки 13 метров от точки излучения. Белый пучок СИ претерпевает отражение от зеркала и отклоняется под прямым углом вертикально вверх, проходит через потолок защищенного помещения накопителя, одновременно являющегося частью биозащиты бункера СИ. Далее отраженный пучок попадает в систему монохроматизации станции, где он претерпевает повторное отражение под углом 90є, восстанавливая свое горизонтальное положение. Таким образом, новая станция будет расположена на один уровень выше, чем все остальные станции бункера СИ ВЭПП-4М, работающие в рентгеновском диапазоне. Предложенная компоновка станции позволяет территориально разделить новую ВУФ станцию с существующими рентгеновскими станциями бункера СИ ВЭПП-4М. Расположение станции также позволит существенно снизить требования к ее радиационной защите и упростит технические меры по обеспечению взрыво-, пожаробезопасности.

Вакуум в канале обеспечивается магниторазрядными насосами и азотными ловушками, устраняющими из остаточного газа водяные пары и органические соединения. Вакуумные шибера позволяют расчленять канал на отдельные вакуумно-изолированные сегменты для настройки или замены оптических элементов.

Слабо расходящийся пучок СИ попадает на первое сферическое зеркало с радиусом кривизны 12 м. Угол падения пучка на зеркало - 45є, поперечный размер пучка, захватываемого зеркалом, составляет 30х40 мм. Отраженный пучок является слабо сходящимся и направлен вертикально вверх, перпендикулярно медианной плоскости накопителя. На высоте 1.7 м от медианной плоскости накопителя пучок проходит через потолочное перекрытие защищенного зала ВЭПП-4М, а на высоте 3.2 м попадает на плоскую дифракционную решетку (1500 штрихов на мм). Угол между падающим и дифрагированным пучком составляет 90є, в результате чего пучок вновь переходит в горизонтальную плоскость (рис. 2).

Дисперсия пучка по энергии фотонов происходит в вертикальной плоскости. При сканировании по спектру решетка вращается по часовой стрелке на угол , изменяя одновременно угол падения = (45+) и угол дифракции ( = 45-). Зависимость рабочей длины волны следует прямо из основного уравнения решетки [10]:

m() = d(sin(45 - ) - sin(45+)) ,

где _ длина волны излучения,

d - период штрихов решетки,

m = 0, ±1, ±2,… _ порядок отражения..

На расстоянии 4.8 м от решетки находится вертикальный фокус сферического зеркала. В этой точке установлена выходная щель с вертикальным размером 0.5 мм. Щель определяет спектральное разрешение монохроматора, составляющее около 1. Для устранения паразитных бликов вдоль канала установлено несколько коллимирующих щелей. При сканировании решеткой в пределах 4є-16.5є энергия фотонов изменяется в диапазоне 6-25 эВ (2000-500), при этом относительное спектральное разрешение (/Д) изменяется от 2000 до 500, соответственно. С целью увеличения потока фотонов также предусмотрена возможность плавного увеличения вертикального размера выходной щели монохроматора от 0.5 (для энергии 20 эВ) до 2 мм (для энергии 5 эВ).

Список литературы

О.П. Коробейничев. Динамическая зондовая масс-спектрометрия пламени процессов разложения конденсированных систем // ФГВ _ 1987. _ №5. _ С.64-76.

О.П. Коробейничев, Л.В. Куйбида, В.Ж. Мадирбаев. Исследование химической структуры пламени октогена // ФГВ _ 1984, _ №3.

Размещено на Allbest.ru