зоустойчивости. Коммуникационная подсистема обеспечивает взаимосвязь комплекса со многими видами современных периферийных устройств, включая интеллектуальные датчики, различную контрольно-измерительную аппаратуру, средства отображения, исполнительные устройства
Разработанный комплект встроенного программного обеспечения позволяет в режиме жесткого реального времени обеспечивать обмен данными между компонентами программно-технического комплекса АСУТП в соответствии со стандартными протоколами, реали-зовывать необходимые алгоритмы управления объектом, выполнять требуемые тестовые процедуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кишкин В. Л., Новиков А. А., Еремин Ю. А. и др. Применение Industrial Ethernet в системах управления технологическими процессами на АЭС // Автоматизация в промышленности. — 2005. — № 11.
2. Пат. № 2430400 РФ. Комплекс резервируемых программно-аппаратных средств автоматизации контроля и управления / В. Л. Кишкин, А. Д. Нариц, С. Б. Борисов и др. // Бюл. — 2010.
3. Пат. № 2239228 РФ. Способ распределения времени центрального процессора между задачами в автоматизированных системах управления технологическими процессами / Ю. А. Еремин, В. Л. Кишкин // Бюл. — 2001.
УДК 681.785.235.001.57
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАЕКТОРИИ ЧАСТИЦ В СПЕКТРОМЕТРЕ ИОННОЙ ПОДВИЖНОСТИ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
SIMULATION OF PARTICLE TRAJECTORIES IN THE ION MOBILITY SPECTROMETRY FOR THE DETECTION OF HAZARDOUS CHEMICAL SUBSTANCES
Васильев Валерий Константинович
канд. техн. наук, инженер E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Шалтаева Юлия Ринатовна
аспирант
E-mail: shaltaeva@yandex.ru
Беляков Владимир Васильевич
канд. техн. наук, доцент E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Головин Анатолий Владимирович
канд. техн. наук, научн. сотрудник E-mail: avgolovin@bk.ru
Иванов Игорь Александрович
аспирант
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Малкин Евгений Константинович
инженер
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Громов Евгений Анатольевич
инженер
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Vasilyev Valery. K.
Ph. D. (Technical), Engineer E-mail: vasilievvk@yandex.ru
Shaltaeva Yulia. R.
Graduate Student E-mail: shaltaeva@yandex.ru
Belyakov Vladimir. V.
Ph. D. (Technical), Associate Professor E-mail: vvbelyakov@yandex.ru
Golovin Anatoly. V.
Ph. D. (Technical), Researcher E-mail: avgolovin@bk.ru
Ivanov Igor. A.
Graduate Student
E-mail: ivanovnew@yandex.ru
Malkin Evgeniy. K.
Engineer
E-mail: malkin_evgeniy@mail.ru
Gromov Evgeniy. A.
Engineer
E-mail: gromov-ea@yandex.ru
Датчики и Системы • № 1.2015
33
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
Аннотация: Проведено моделирование электрического поля и траекторий движения ионов в области разрядных электродов источника ионизации. Результаты моделирования позволили провести оценку и минимизировать влияние неоднородности поля в области дрейфа на разрешающую способность спектрометра ионной подвижности. Предложены наилучшие конструктивные решения для изготовления дрейфовых трубок. Проведены эксперименты по детектированию аварийных химически опасных веществ.
Ключевые слова: аварийно химически опасные вещества, спектрометр ионной подвижности, дрейфовая труба, электрическое моделирование.
Pershenkov Viacheslav S.
D. Sc. (Technical), Professor, Head of Department E-mail: vspershenkov@mephi.ru
National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
Abstract: Simulation of the electric field and the trajectories of ions motion in the discharge electrode ionization source was performed. The results obtained allowed to estimate the effect of inhomogenity of the field in the drift region on the resolution of an ion mobility spectrometer. Modifications of the drift tube in order to minimize this effect were proposed. Based on the simulations were optimized design solutions for the manufacture of drift tubes. Experiments were carried on the drift tube on the detection of hazardous chemicals and toxic substances in mutual presence. Keywords: hazardous industrial chemicals; ion-mobility spectrometry method; drift tube; electric modeling.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка конструкции спектрометра ионной подвижности требует тщательного расчета конструкции камеры ионизации и дрейфовой области. Для обеспечения наименьшей потери ионного тока на пути от источника ионов к коллектору геометрические и электрические параметры дрейфовой трубки должны полностью соответствовать расчетной модели. Для полного сбора образовавшихся в источнике ионов требуется рассчитать область ионизации и задать точные геометрические и электрические параметры, поскольку распределение плотности ионов на коллекторном электроде зависит от плотности электронов в ионном источнике. Для расчета конструктивных решений требуется разработка математической и физической моделей движения ионов и моделирование процессов, происходящих в дрейфовой трубке спектрометра ионной подвижности.
Статья посвящена моделированию электрических полей и траекторий движения заряженных частиц в областях ионизации и дрейфа спектрометра ионной подвижности.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Принцип расчета состоит в представлении участка дрейфовой области в виде резистивной структуры, образующей однородную область, и задании начальных значений потенциалов в соответствии с геометрическими размерами (рис. 1, а). Вычисляются значения потенциалов для всех узлов и строятся эквипотенциальные поверхности (рис. 1, б).
Вдоль оси дрейфовой трубки с продольно расположенными электродами формируется однородное электрическое поле с линейно изменяющимся потенциалом.
Равномерность поля зависит от линейных размеров и взаимного расположения электродов. Неравномерность поля приводит к зависимости времени пролета иона от расстояния до центральной оси трубки. Из-за неравномерности поля ионы одного вещества прилетают на коллектор в разное время, т. е. ухудшается разрешающая способность спектрометра ионной подвижности. Поэтому становится актуальной задача расчета стационарных полей и траекторий движения заряженных частиц в дрейфовой трубке.
Электроды дрейфовой трубки выполняются из алюминия или нержавеющей стали в виде колец, формирующих цилиндрический канал транспортирования ионов, диаметр которого составляет от 8 до 24 мм. Определяющими в данной конструкции являются ширина электродов и толщина диэлектрических прокладок
Откачка газа Ионный источник
Направление
Дрейфовые и°нного тока Усилитель Коллектор
Забор пробы
Изолятор
циклическо продувки 'Ионный\ области затвор \ дрейфа
Исследуемый Насос
объект а)
сетка Очищенный воздух
Датчик влажности Молекулярные сита
б)
Рис. 1. Структурная схема спектрометра ионной подвижности (а) и визуальная модель движения ионов в камере ионизации (б)
34
Sensors & Systems • № 1.2015
между электродами, применяемых для формирования замкнутого герметичного объема. С целью минимизации возможности неконтролируемого накопления заряда на диэлектрических поверхностях и повышения однородности поля требуется минимизировать толщи-
ну прокладок, однако их уменьшение ограничено механической и электрической прочностью материала.
Для различных конфигураций ячейки определены времена пролета ионов при движении вдоль силовых линий электрического поля (рис. 2). Определены также относительные превышения времени пролета для траекторий, не совпадающих с осью трубки. Полученные результаты позволили оценить влияние неоднородности поля в области дрейфа на разрешающую способность спектрометра ионной подвижности и внести изменения в параметры трубки с целью минимизации этого влияния.
На рис. 3 показано, что на расстоянии от стенки кольцевого электрода большем, чем ширина электрода, неоднородность поля не превышает 1 %. Определено соотношение геометрических параметров электродов для существующей трубки, позволившее добиться неоднородности поля менее 1 % в центральной области диаметром 8 мм. Это привело к улучшению разрешающей способности спектрометра в сравнении с применявшейся ранее конструкцией и позволило разделять ионы со значениями подвижности, отличающимися менее, чем на 1 %.
Траектории движения ионов в горизонтально расположенных дрейфовых областях с различной толщиной фторопластовых диэлектрических прокладок представлены на рис. 4.
Анализ рисунков показывает, что с увеличением шага е дрейфовых электродов возрастают коэффициент потерянных ионов к, т. е. ионов, не прошедших дрейфовую область до конца, и коэффициент т, характеризующий величину отклонения траекторий движения ионов. С увеличением коэффициента т возрастает путь, проделанный ионами, что увеличивает время их
Г !! - ^ 1
1
8 мм
24 мм
а)
16 мм
б) в)
Рис. 3. Зависимость однородности поля в дрейфовой области от соотношения геометрических параметров электродов _ Датчики и Системы • № 1.2015 _
рода, равной диаметру ионного сгустка, и диаметром, превосходящим ширину в три раза. Такая конструкция сводит к минимуму количество погибших ионов, обеспечивает наиболее прямолинейную траекторию их движения, что позволяет добиться высоких параметров чувствительности и селективности спектрометра ионной подвижности.
к, т, %
60 50 40 30 20 10 0
т
к \ .
4 е, мм
Рис. 5. Зависимость коэффициента погибших ионов к и коэффициента т, характеризующего величину отклонения траекторий движения ионов, от шага е дрейфовых электродов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В ходе проведенных исследований была произведена оценка возможности обнаружения различных аварийных химически опасных веществ (АХОВ) и отравляющих веществ (ОВ), в том числе и совместно. По каждому
Рис. 4. Траектории движения ионов в зависимости от шага е дрейфовых электродов
пролета и уменьшает разрешающую способность спектрометра ионной подвижности (рис. 5).
Из расчетов установлено, что ширина дрейфовых электродов не влияет на траектории движения ионов при шаге, равном 1 мм, однако, существует необходимость применения дрейфовых электродов с шириной, равной 8
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.