© Доктор физико-математических наук В.Г. ИСТОМИН,
сайт "Знания-сила".

продолжение, часть 2 из 3
часть 1 часть 3.

МАСС-СПЕКТРОМЕТР МХ-6411

Этот прибор, использовавшийся на станциях «Венера-11» — «Венера-14», был разработан в СКВ аналитического приборостроения АН СССР совместно с Институтом космических исследований АН СССР и Сумским заводом электронных микроскопов. Динамический радиочастотный масс-анализатор (именно таков МХ-6411) напоминает по конструкции радиолампу. Анализатор содержит 20 плоскопараллельных сеток, источник ионов и коллектор ионов на противоположных концах пакета сеток. Газ поступает в «источник ионов», где атомы и молекулы ионизируются «электронным ударом». Затем ионы попадают в область собственно масс-анализатора, где они, ускоренные вначале постоянным электрическим полем, получают в трехсеточных радиочастотных каскадах дополнительную энергию. Поскольку время, за которое ион пролетает радиочастотный каскад, соизмеримо с периодом изменения потенциала, ионы с массовым числом М_о ускоряются (при фиксированном значении частоты и ускоряющего потенциала), тогда как ионы любых других массовых чисел замедляются. Пропуская ускоренные ионы через последующие каскады, можно добиться, чтобы эти ионы были ускорены и здесь, поставив на пути ионов тормозные сетки и подбирая «тормозящий потенциал», можно выделить на коллекторе только максимально ускоренные ионы с массовым числом М_о, то есть произвести селекцию по массам.

В приборе МХ-6411 изменением частоты от 7,5 до 2,2 МГц достигается перекрытие диапазона массовых чисел от 12 до 140 атомных единиц массы (а.е.м.).

Масс-спектрометр МХ-6411 состоит из аналитической системы (объединяющей в себе радиочастотный анализатор, ионный источник и ионно-геттерный магниторазрядный насос); электрометра, закрепленного на цоколе анализатора; клапана напуска, соединенного с аналитической системой гибкой тонкой трубкой, и блока электроники. Поскольку масс-спектрометр устанавливался внутри одного из герметичных отсеков спускаемого аппарата, в его комплект входила система из двух трубопроводов, с помощью которых при снижении аппарата в атмосфере Венеры осуществлялась постоянная продувка атмосферного газа через клапан напуска. Входной раструб был расположен на аппарате в области «напора» (повышенного давления за счет движения аппарата), выходной конец трубопроводов размещался в области пониженного давления. Электроника прибора, воспринимая команды от бортовых систем станции, управляет его работой по определенной циклограмме. По сигналу бортовой управляющей системы прибор включается в режим «поиска». В этом режиме на клапан напуска каждые две секунды поступает управляющий электрический импульс, амплитуда которого последовательно возрастает. Прибор ускоренно регистрирует масс-спектры, развертывая весь диапазон за одну секунду. Ионно-геттерный насос включен и в промежутках между импульсами напуска откачивает газ, попадающий в прибор. С каждым последующим циклом в прибор поступает приблизительно вдвое большая порция газа (всего имеется 64 ступени «поиска» и соответственно 64 градации величины напуска). Когда одна из порций приведет к тому, что какой-то пик масс-спектра превысит предварительно установленный уровень дискриминатора, прибор переводится в «режим анализа химически активных компонент». Длительность развертки масс-спектров делается равной семи секундам. Для увеличения чувствительности перед вторым масс-спектром в прибор вводится порция газа, вдвое превышающая ту, которая привела к срабатыванию дискриминатора. Поскольку магниторазрядный насос прибора остается включенным, то одновременно с регистрацией спектров идет откачка.

По завершении цикла «химического анализа» прибор опять переводится в режим поиска (с повторением порций той же величины), и при повторном срабатывании дискриминатора магниторазрядный насос выключается. Прибор регистрирует два семисекундных измерительных спектра смеси, уже значительно обогащенной инертными компонентами, поскольку их откачка прекратилась, а напыленный титан магниторазрядного насоса сорбирует только химически активные СО₂ и N₂, входящие в состав атмосферы Венеры. Далее, в течение 32 секунд в прибор вводятся 16 таких же порций газа, затем снова регистрируются семисекундные измерительные спектры (до 16-18 спектров). В это время непрерывно идет поглощение СО₂ и N₂ и, следовательно, ещё большее обогащение смеси инертными газами. Так реализуется наивысшая чувствительность к благородным газам и их изотопам. Последовательность измерительных спектров обрывается следующим сигналом, получаемым от станции, после чего вся циклограмма возобновляется.

Несмотря на то, что у МХ-6411 чувствительность лучше, чем у многих его земных «собратьев» (он обнаруживает около 10^-8 объёмной доли изотопа инертного газа), прибор имеет массу всего около 9,5 кг и потребляет мощность около 17 Вт.

Характеристики масс-спектрометров подтверждаются масс-спектром калибровочной смеси, который получен в режиме анализа инертных газов во время наземных испытаний станции «Венера-13» и обработан на ЭВМ чтобы избавиться от разрывов записи при переключении шкал прибора. Чувствительность демонстрируется величиной масс-пика аргона-38, содержание которого в смеси составляло около 1,2*10^-7 (120 биллионных долей по объему). Из спектра калибровочной смеси, в частности, видно, что в ней присутствует аргон «нормального» (характерного для воздушного аргона) изотопного состава: отношение аргон-40/аргон-36 составляет около 300. Процедура получения и обработки калибровочных масс-спектров в точности повторяла принятую процедуру обработки полетных масс-спектров. Это было сделано для улучшения метрологических характеристик всего комплекса «прибор — система передачи данных — система обработки», что особенно важно для получения неискаженных данных об изотопном составе благородных газов.

На рисунке даны примеры регистрации необработанных телеметрических записей масс-спектров, полученных в режиме анализа инертных газов на станциях «Венера-13» и «Венера-14». Верхний спектр получен со станции «Венера-14», нижний — со станции «Венера-13». На спектрах хорошо видны пики изотопов неона-20 (вершина пиков — на второй шкале) и неона-22 (на первой шкале). Пики изотопов аргона-36, аргона-38 и аргона-40 регистрируются на второй и третьей шкалах. Хорошо видна «аномалия» изотопного состава аргона в атмосфере Венеры: пики аргона-36 и аргона-40 примерно равны. Видны также пики неразрешенной группы изотопов криптона (максимум принадлежит криптону-84). Наконец, на верхнем спектре («Венера-14»), рядом с большим пиком изотопа ксенона-136, введенного в прибор в технологических целях, заметен суммарный пик изотопов ксенона-131 и ксенона-132, принадлежащих атмосфере Венеры. Всего на аппаратах «Венера-13» и «Венера-14» получено около 250 масс-спектров.