СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОННЫХ ТОКОВ МУЛЬТИПЛЕТОВ МАСС В МАГНИТНОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ Российский патент 1996 года по МПК H01J49/30 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, в частности к способам измерения ионных токов мультиплетов масс в магнитных масс-спектрометрах.

Известен способ измерения ионных токов мультиплетов масс, использованный в масс-спектрометре МИ1201В (I). Способ состоит в формировании ионного луча в источнике ионов, разделении его на мультиплетные пики в магнитном поле и измерении ионных токов соответствующих мультиплетным массам с помощью детекторов ионов. Недостатком данного способа является низкая точность измерения мультиплетных ионных токов, что связано с непостоянством положения ионных лучей относительно узких входных щелей детекторов ионов, нестабильностью работы ионных детекторов, производящих умножения слабого сигнала.

Изестен способ измерения ионных токов мультиплетов масс в магнитном резонансном масс-спектрометре (МРМС), описанный в (2), состоящий в формировании ионного луча, разделении его в магнитном поле и измерении ионных токов соответствующих мультиплетным массам. Принцип действия МРМС позволяет достичь высокого разрешения, однако используемая при этом энергетическая модуляция пучка приводит к резкому (почти в 100 раз) уменьшению ионного тока на входе детектора по сравнению с током источника ионов. По этой причине статистические флуктуации тока на входе детектора принципиально ограничивают точность измерения ионных токов, что и является недостатком данного способа.

Известен способ измерения ионных токов мультиплетов масс, в магнитном масс-спектрометре МИ3305, описанный в (3), взятый в качестве прототипа. Измерение ионных токов мультиплетов масс с помощью этого способа осуществляется путем формирования ионного луча в источнике ионов, разделения его на мультиплетные пики в магнитном поле и измерения ионных токов соответствующих, мультиплетным массам с помощью детектора ионов. Недостатком данного способа является недостаточно высокая точность измерения, связанная с флуктуациями ионного луча в магнитном поле, малой шириной щели детектора ионов при работе на максимальной разрешающей способности, а также с нестабильностью работы системы регистрации.

Задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении точности измерения мультиплетных ионных токов в магнитном масс-спектрометре. Данная задача решается тем, что в известном способе измерения ионных токов мультиплетов масс в магнитном масс-спектрометре путем формирования ионного луча, разделения его на мультиплетные пики в магнитном поле и измерения ионных токов, соответствующих мультиплетным массам, согласно формуле изобретения, перед разделением ионного луча измеряют постоянную на протяжении всего цикла измерении часть ионного тока I_c луча, а искомую величину I_j ионного тока, соответствующую j-ой компоненте мультиплета находят из соотношения:

где i_j ионный ток, соответствующий j-ой компоненте мультиплета, измеренный после полного разделения мультиплета масс, имеющего n компонент.

Сущность изобретения заключается в следующем. Рассмотрим измерение ионных токов мультиплета масс, имеющего две компоненты (n 2). Как известно, величины мультиплетных ионных токов после разделения остаются в таких же пропорциях, что и до разделения. По предлагаемому способу, измерив часть ионного тока I_c луча до разделения и мультиплетные токи i_j после разделения, ток от первой компоненты мультиплета определяют по формуле:

Абсолютная погрешность измерения величины I₁ определяется выражением:

где aбсолютные погрешности измерения величин i₁, i₂, I_c Ток I_c измеряют в условиях максимальной стабильности с помощью, например сеточного коллектора, установленного на пути ионного луча между источником ионов и разделяющим магнитом. Поэтому, вышеупомянутые источники погрешности известных способов измерения ионных токов не оказывают влияния на значение I_c и можно добиться уменьшения величины такого, что последнее под знаком радикала слагаемое в выражении (2) становится существенно меньшим суммы первых двух. В этом случае с учетом выражения (1) после несложных преобразований получаем:
где
, ,
относительные погрешности измерения токов I₁, i₁, i₂. Если основной составляющей погрешности измерения ионных токов после разделения лучей мультиплета являются статистические флуктуации величины тока, то, полагая,
приводим выражения (3) к виду:
из чего следует, что при любых i₁ и i₂. В тех случаях, когда основными источниками погрешности измерения ионных токов i₁ и i₂ являются флуктуации траектории ионного луча и нестабильность работы детектора ионов, можно положить при этом выражение (3) принимает вид:
из чего следует, что для i₁ ≳ 0,4i₂.

Приближенные выражения (3а) и (3б) позволяют лишь качественно оценить увеличение точности определения ионных токов, истинная же погрешность определения величины I₁ будет в соответствии с выражением (2) зависеть и от погрешности измерения тока сетки . По этой причине истинное значение всегда будет несколько больше оценок, даваемых выражениями (3а) и (3б).

Существенным признаком способа является измерение постоянной на протяжении всего цикла измерении части ионного тока I_c луча до разделения его на мультиплетные пики. Такое измерение можно осуществить с помощью полупрозрачного сеточного коллектора, установленного между источником ионов и разделяющим магнитом. В этом случае измеряемая постоянная часть ионного тока I_c, будет определяться прозрачностью сеточного коллектора и не зависеть от влияния внешних факторов. Источниками погрешностей при измерении мультиплетных токов являются флуктуации ионного луча в магнитном поле, статистические флуктуации малых ионных токов мультиплетов масс и нестабильности работы детекторов малых ионных токов. Т.к. указанные источники погрешностей появляются при разделении ионного луча в магнитном поле и измерении разделенных мультиплетных токов, то они не влияют на значение тока I_c. Таким образом, ток I_с, измеряется в условиях максимальной стабильности и с пренебрежимо малой по сравнению с мультиплетными токами относительной погрешностью
Другим существенным признаком является определение значения тока, соответствующего j-ой компоненте мультиплета масс с помощью предложенного авторами соотношения (1). Мультиплетные токи в ионный ток луча входят в одних и тех же пропорциях до и после разделения луча. Однако из-за неизбежных потерь при разделении ионного луча и регистрации мултиплетных ионных токов значение последних уменьшается на один-три порядка. Поэтому, определив часть ионного тока I_c до разделения и пропорции между мультиплетными токами после разделения, с помощью соотношения (1) можно восстановить составляющие тока I_j, соответствующие разным компонентам мультиплета. Как видно из выражения (3а) и (3б) измeренные таким способом значения мультиплетных ионных токов оказываются точнее по сравнению с мультиплетными токами, измеренными после полного разделения ионного луча.

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего заявленный способ.

Устройство состоит из источника ионов 1, сеточного коллектора 2, разделяющего магнита 3 и системы регистрации ионного тока, представляющей собой вторично электронный умножитель 4.

Устройство работает следующим образом: в источнике ионов 1 формируется ионный луч путем ионизации остаточного газа электронным ударом. Сформированный ионный луч до разделения в поле магнита 3 проходит через сеточный коллектор 2, установленный между источником ионов и разделяющим магнитом. Сеточный коллектор задерживает определенную часть ионного тока в зависимости от прозрачности сетки. Оставшаяся часть ионного луча в поле разделяющего магнита 3 разделяется на мультиплетные ионные токи. С помощью системы регистрации 4 измеряются ионные токи каждой мультиплетной массы.

П р и м е р конкретной реализации способа
С помощью данного способа на масс-спектрометре МИ1201В проводились измерения ионных токов ³H⁺ из мультиплета с массой 3 а.е В источнике ионов 1 формировался ионный луч, полученный путем ионизации остаточного газа электронным ударом. Ионный луч имел прямоугольное сечение высотой 6 мм, шириной 0,1 мм и энергию 5 КэВ. Измерение постоянной части ионного тока луча I_c до разделения на мултиплетные токи осуществлялось с помощью сеточного коллектора 2. Сеточный коллектор размером 4х8 мм и ячейкой 20х20 мкм, имеющий прозрачность 70% в специальной металлической оправе размещался на пути ионного луча, на расстоянии 10 мм от выходной щели источника ионов. Значение тока I_c соответствии с прозрачностью сетки коллектора равнялась 30% от общего ионного тока луча. Ток сетки через экранированный провод подавался на вход электрометрического усилителя, где производилось его измерение. После прохождения через сеточный коллектор, оставшаяся часть луча (70%) проходила в секторное магнитное поле 3, где осуществлялось разделение его на мультиплетные токи. Полученные после разделения мультиплетные токи i₁ и i₂ соответствующие ³H⁺ и неразделенному дублету (HD⁺ -HHH⁺) поочередно измерялись с помощью вторично электронного умножителя ВЭУ-1А. Значения токов i₁ и i₂ и их соотношения регулировалось изменением количества и состава напускаемой в камеру газовой смеси. Для получения необходимой разрешающей способности, позволяющей разделить мултиплетные пики ³H⁺ и (HD⁺ -HHH⁺) входная щель детектора ионов была установлена в пределах 20 мкм, что привело к уменьшению ионного тока i₁ в 100 раз по сравнению с неразделенным током I₁ соответствующего мультиплета и увеличению погрешности измерения i₁.

Установлено, что при значениях токов i₁ и I₁ соответственно ≃ 10^-13A и ≃ 10^-10A и соотношении i₁/i₂ ≃ 100 точность измерения величины тока I₁ была в 15 раз выше точности измерения величины i₁, проведенного способом-прототипом.

Список литературы
1. Масс-спектрометр МИ1201В Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3.394.018 ТО 1989г.

2. Б. А. Мамырин, Б.Н.Шустров, Г.С.Ануфриев и др. Магнитный резонансный масс-спектрометр для изучения природного состава гелия. Приборы и техника эксперимента, 1972, N 6, с.148-150.

3. В.Т.Ненарокомова, А.И.Масленников и др. Специализированный масс-спектрометр для анализа легких газов ВАНТ, серия: Радиационная техника, выпуск 1(32), 1986, с. 39.

Назначение: масс-спектрометрия. Сущность изобретения: перед разделением ионного луча в магнитном поле масс-спектрометра измеряют постоянную на протяжении всего цикла измерении часть ионного тока I_с луча, а искомую величину I_j ионного тока, соответствующую j-ой компоненте мультиплета находят из соотношения:

где, i_j - ионный ток соответствующий j-ой компоненте мультиплета, измеренный после разделения мультиплета масс, имеющего n - компонент. Способ обеспечивает повышение точности. 1 ил.

Способ определения ионных токов мультиплетов масс в магнитном масс-спектрометре путем формирования ионного пучка, разделения пучка в магнитном поле на ионные лучи, соответствующие отдельным компонентам мультиплета, и последующего измерения ионных токов в данных лучах, отличающийся тем, что измеряют общий ионный ток I_с мультиплета до разделения ионного пучка в магнитном поле, определяют величину ионного тока I_j, соответствующего j-й компоненте мультиплета из соотношения

где i_j ионный ток, соответствующий j-й компоненте мультиплета, измеренный после разделения мультиплета масс, имеющего n компонент.