ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ГАЗОВ Российский патент 1994 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, в частности к технике масс-спектрометрии.

Известен масс-спектрометр, содержащий ионный источник, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, генератор выталкивающих импульсов, приемник ионов [1].

Недостатком масс-спектрометра является низкая разрешающая способность по массе при малых геометрических размерах конструкции анализатора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является масс-спектрометр газовых частиц, содержащий источник ионов, генератор тактовых импульсов, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, сетки ионно-оптической системы нелинейного фокусирующего зеркала, приемник ионов [2].

Недостатками масс-спектрометра являются низкая разрешающая способность по массе ввиду отсутствия компенсации времени вылета ионов из зоны ионизации и продольной координаты, а также высокие габаритно-массовые характеристики.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности по массе и уменьшение габаритно-массовых характеристик.

Цель достигается тем, что в времяпролетном масс-спектрометре газов, содержащем ионный источник с сетками, одна из которых подключена к генератору тактовых импульсов, а другая заземлена, пространство дрейфа, приемник ионов, рефлектор и источники напряжения, подключенные к третьей сетке ионного источника и к сеткам рефлектора, в качестве источников напряжения использованы генераторы разнополярных импульсных напряжений, при этом управляющий вход первого генератора разнополярных импульсных напряжений соединен через введенную линию задержки с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с второй сеткой ионного источника, управляющие входы второго, третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений соединены с выходом генератора тактовых импульсов, все генераторы разнополярных импульсных напряжений последовательно соединены между собой, выход второго генератора разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке ионно-оптической системы, а выходы третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений - к первой и второй сеткам рефлектора соответственно.

На фиг. 1 представлена блок-схема времяпролетного масс-спектрометра газов; на фиг.2 приведены временные диаграммы работы масс-спектрометра; на фиг. 3 - графики пролета ионов в областях масс-спектрометра l₀₁ и l₁₂; на фиг. 4 приведена зависимость плотности вероятности времени прихода ионов в плоскости приемника.

Масс-спектрометр газов содержит сетки 1,2,3 ионно-оптической системы, сетки 4,5 рефлектора, генератор 6 тактовых импульсов, ионный источник 7, подключенный к выходу генератора 6, линию 8 задержки, последовательно соединенные генераторы 9, 10, 11, 12 разнополярных импульсных напряжений, приемник 13 ионов.

Первая сетка 1 ионно-оптической системы заземлена, вторая сетка 2 подключена к выходу первого генератора 9 разнополярных импульсных напряжений, управляющий вход которого через линию 8 задержки подключен к выходу генератора 6 тактовых импульсов. Управляющие входы второго 10, третьего 11 и четвертого 12 генераторов разнополярных импульсных напряжений также соединены с выходом генератора 6 тактовых импульсов. Выход второго генератора 10 разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке 3 ионно-оптической системы, а выходы третьего 11 и четвертого 12 генераторов разнополярных импульсных напряжений - соответственно к первой 4 и второй 5 сеткам рефлектора.

Масс-спектрометр работает следующим образом.

В течение времени τ (фиг.2) происходит ионизация газа электронным пучком в бесполевом пространстве d_s(U_s=0). Ширина электронного пучка Δ Х=1-5 мм. Ионы, попавшие в область d_a (фиг.2), за время ионизации τ ускоряются напряжениями U_уск, U_l01^', U_l12^'и не влияют на формирование массовых линий. В момент времени t₁ U_l01=0 и ионы из промежутков d_s и d_апопадают в бесполевое пространство l₀₁ (фиг.1). Если их скорости превышают V_макс, установленную для данного диапазона, то они также пролетают сквозь масс-спектрометр, попадая в ускоряющее поле U_l12^'. Для исключения влияния ионов, попавших в промежуток l₀₁ при t>t₁+t₀, производится отсечка ионов источника (из промежутка d_s) путем включения в момент t₂ запирающего напряжения U_s2 (фиг.2). Небольшое ускоряющее напряжение U_s1 ≈ 1 B ≅ U_уск, действующее в интервале t ∈ [ τ, t₂], может включаться для увеличения коэффициента сбора ионов. Импульсные разнополярные напряжения U_s, U_d, U_l01, U_l12 и их соответствующие времена переключений τ , t₁, t₁ + t₀, формируемые четырьмя генераторами 9, 10, 11, 12, создают условия фокусировки массовых линий (фиг.3). Время появления иона в промежутке d_a -> t_н. Процессы переключения, показанные на фиг.2, повторяются с частотой, задаваемой генератором 6 цикловых импульсов. Линия 8 задержки позволяет произвести запуск генератора 9 по окончании процесса ионизации, происходящего за время τ . Таким образом, в промежутке l₀₁ ионы одинаковых масс движутся вначале (t<t₀+t₁) в бесполевом пространстве с одинаковыми скоростями. Затем при t= t₀+t₁ включается тормозящее поле U= . В результате ионы, попавшие в l₀₁ с большим запаздыванием, затормаживаются сильнее и проходят меньший путь в l₁₂. В момент t=T все ионы одинаковых масс оказываются в плоскости первой сетки промежутка l₁₂ (плоскость приемника 13, фиг.1).

Таким образом, осуществляется одновременная компенсация начальных разбросов ионов по скоростям, координате и времени вылета путем создания управляющего, переменного во времени электрического поля на одном из участков пролета.

Для более подробного описания изобретения приводят обозначения участков ускорения, торможения в анализаторе и соответствующих им потенциалов. На участках d_s, d_a, l₀₁, l₁₂ действуют электрические поля, порождаемые соответствующими напряжениями, полученными с помощью генераторов 9, 10, 11, 12 (фиг.1) U_s, U_d, U_l01 (U_l01^', U_l01^''), U_l12 (U_l12^', U_l12^'').

Время t_н появления иона в промежутке d_a определяется как
t_н= t + ; V_o> 0. (1)
В промежутке d_а ион ускоряется напряжением U_s и приходит к первой сетке промежутка l₀₁ (3, фиг.1) в момент
t_ζ = t_н+ (2)
и со скоростью
V = . (3)
Напряжение U_уск должно обеспечивать V>>V_о, что означает приблизительное равенство скоростей ионов с одинаковыми массами. Промежутки d_s и d_а представляют собой источник, который поставляет на первую сетку управляющего промежутка l₀₁ ионы с начальными скоростями V, с запаздыванием t_ζ (из формулы 2) и начальными координатами Х=Х_е, также одинаковыми для всех ионов (Х_е - координата первой сетки промежутка l₀₁). Далее необходимо найти такой закон управления U_l01(t) в промежутке l₀₁, который компенсирует случайные времена t_ζ .

Пусть Х_е = 0 и t_ζмин=0, тогда уравнения движения иона в промежутке l₀₁ записываются следующим образом:
x = V(t - t_ζ) + a(τ)dτdt′;
V_x = V + a(τ)dτ,
(4) где а(t) - искомый закон изменения ускорения в промежутке
a(t) = ;
t₀ = - время существования бесполевого пространства;
V_макс - максимально допустимая скорость ионов самой легкой массы из заданного диапазона масс:
V_макс= ; (5)
V_oмакс= 3δ_v = 3 . (6)
Ион, вылетевший из управляющего промежутка l₀₁ в момент t₁, приобретаeт скорость V₁₂(t₁) и под действием тормозящего ускорения
a_т= (7)
возвращается в плоскость первой сетки промежутка l₁₂ с той же скоростью V₁₂(t₁). Общее время пролета промежутков l₀₁ и l₁₂ равно
T₁= t₁+ . (8)
Из условия временной фокусировки ионов одной и той же массы необходимо, чтобы выполнялось условие T=const, скорость V₁₂(t₁) находят из уравнения (8):
V₁₂= a_т. (9)
Для момента t=t₁ достижения ионов первой сетки промежутка l₁₂имеют из выражения (4)
l₀₁ = V(t - t_ζ) + a(τ)dτdt; (10)
V₁₂ = V + a(τ)dτ . (11)
Из выражения (11) путем дифференцирования по t₁ с учетом уравнения (9) находят закон уравнения а(t₁):
a(t₁) = = - ; t≥ t₀. (12)
Подставляя уравнение (12) в выражение (11) и приравнивая результат к уравнению (9), получают выражение для времени пролета Т:
a_т= V - (t₁-t₀)T = t+ , (13) при V_0макс≪ V имеют V = ; t_o= ;
T = t1 + _. (14)
Разрешающая способность определяется из условия
δ T ≅ Δ T, (15) где ΔТ - интервал времени между спектральными линиями, соответствующими массовым числам М и М + 1 при нулевых начальных скоростях V;
δТ - временной разброс (ширина массовой линии), определяемый максимальной начальной скоростью
V_0макс = , (16) где = - дисперсия начальных (тепловых) скоростей;
К - постоянная Больцмана;
Т^о - абсолютная температура;
m - масса иона.

Коэффициент α в выражении (16) находится из условия разрешения соседних масс с числами М и М + 1 с вероятностью не менее заданной. Так, если вероятность разрешения Р=1, то α ≥ 9 (закон 3 α при нормальном распределении тепловых скоростей). Выражения для δТ и Δ Т:
δT = T_максM - T0M

= A - 1; (17)
ΔT = T0M₊₁- T0M = - , (18) где Т_М^о - время пролета иона с массовым числом М при V_о=0;
A = l M . (19)
Подставляя выражения (17), (18) в условие (15), получают неравенство, характеризующее разрешающую способность масс-спектрометра:
M ≅ . (20)
Таким образом, максимальное массовое число, разрешаемое с заданной вероятностью Р, пропорционально ускоряющему напряжению U_уск в промежутке d_а и обратно пропорционально температуре плазмы и параметру α .

Параметр α находят из следующего выражения по заданной вероятности разрешения Р:
Φ( ) = ; (21)
Φ (x) = e dx - интеграл вероятностей.

Уравнение (21) получено в предположении, что V_о - начальная тепловая скорость ионов, распределенная по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и дисперсией σ_Vo² . На фиг.4 изображена плотность вероятностей W_T(T) времен прихода ионов в плоскость приемника (определяет форму импульса тока на выходе ВЭУ):
W_т(t) = e ; t - t₀ ≥ A , где
σ2x

= .

Результаты расчета разрешающей способности М_макс сведены в таблицу (U_уск=200В, Т^о = 300К)
Теоретическое и экспериментальное исследования заявляемого масс-спектрометра показали, что по сравнению с известными масс-спектрометрами (прототипом) он обеспечивает значительно более высокое разрешение по массе (порядка 500-1000 и более практически) при малых габаритно-массовых характеристиках (l = 270 мм, ⊘ 80 мм и m = 0,7 кг). Для сравнения: разрешение по массе известных масс-спектрометров при тех же габаритно-массовых характеристиках составляет практически ≈ 150-200.

Использование: в приборостроении, средствах автоматизации и системах управления, в частности в технике масс-спектрометрии. Сущность изобретения: масс-спектрометр газов содержит три сетки 1 - 3 ионно-оптической системы, две сетки 4, 5 рефлектора, генератор 6 цикловых импульсов, ионный источник 7, четыре генератора 9 - 12 разнополярных импульсных напряжений, приемник 13 ионов. 1 табл, 4 ил.

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ГАЗОВ, содержащий ионный источник с сетками, одна из которых подключена к генератору тактовых импульсов, а другая заземлена, пространство дрейфа, приемник ионов, рефлектор и источник напряжения, подключенные к третьей сетке ионного источника и к сеткам рефлектора, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности по массе и уменьшения массогабаритных характеристик, в качестве источников напряжения использованы генераторы разнополярных импульсных напряжений, при этом управляющий вход первого генератора разнополярных импульсных напряжений соединен через дополнительно введенную линию задержки с выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с второй сеткой ионного источника, управляющие входы второго, третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений соединены с выходом генератора тактовых импульсов, все генераторы разнополярных импульсных напряжений последовательно соединены между собой, выход второго генератора разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке ионно-оптической системы, а выходы третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений подключены к первой и второй сеткам рефлектора соответственно.