МАГНИТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР С ДВОЙНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ Российский патент 2001 года по МПК H01J49/32 

Предлагаемое устройство относится к области спектрометрии, а точнее к статическим масс-спектрометрам, и может быть использовано для изучения химического и изотопного состава газообразных жидких и твердых веществ.

Высокие аналитические характеристики масс-спектрометрической аппаратуры, универсальность проводимых с ее помощью измерений, высокая точность и чувствительность, возможность полной автоматизации процесса измерения дают большие преимущества по сравнению с другими устройствами при анализе химического и изотопного состава веществ.

Решение множества задач как в научных исследованиях, так и при контроле за технологическими процессами в промышленности связано с необходимостью определения состава тех или иных веществ в реальном масштабе времени и с возможностью проведения этого анализа в "полевых" условиях. Потребность в проведении прямого анализа объекта по месту его нахождения возникает в случаях, если перенос образца к стационарному масс-спектрометру невозможен или связан с разбавлением, загрязнением или протеканием химических реакций, а также если предметом исследования является сам процесс изменения во времени химического состава изучаемого объекта.

К областям, для которых такие измерения дают особенно очевидные преимущества, прежде всего относится космические исследования, направленные на изучение эволюции солнечной системы, атмосфер планет, межпланетной плазмы по прямым измерениям химического и изотопного состава вещества в спутниковых экспериментах, экологический контроль загрязнения окружающей среды по измерениям состава атмосферы и гидросферы Земли, а также контроль за ходом технологических процессов в промышленности, где необходимо знать количественный состав вовлеченных в производство компонентов, динамику изменения их состава в процессе производства, состав продуктов и отходов. Такие производства имеются в электронной промышленности (проблема примесей в вакуумном производстве), при добыче, переработке и транспортировке газа (состав и качество), в топливной промышленности (входной контроль качества, выбор оптимального режима работы и контроль загрязняющих атмосферу отходов) и др.

Для эффективного решения этих задач необходимо создание малогабаритных масс-спектрометров, которые должны отвечать не только основным аналитическим требованиям, но и ряду дополнительных требований. К ним относятся достоверность, экспрессность и точность проводимого анализа при малых размерах, весе и потребляемой мощности прибора. Этих качеств можно добиться с помощью прибора, позволяющего проводить одновременные измерения ряда компонентов в широком диапазоне масс.

Малая потребляемая мощность и высокая надежность всегда отличали конструкции магнитных масс-спектрометров благодаря применению в них в качестве масс-анализатора постоянного магнита. Размеры, вес и экспрессность прибора зависят от выбора ионно-оптической схемы в рамках данного типа анализаторов.

Известен масс-спектрометр с двойной фокусировкой [1] для автономного анализа химического и изотопного состава образцов вне лаборатории, содержащий цилиндрический конденсатор, секторный магнит с плоскими и перпендикулярными к главной оптической оси входным и выходными окнами, при этом для ионов разных измеряемых масс имеется ряд отдельных выходных окон. В этом приборе схема обеспечивает минимальный вес и размеры при заданной разрешающей способности. В ней возможно проводить одновременное измерение частиц 2-3 различных масс благодаря тому, что анализ частиц с разными массами проводится в одном и том же магните, но в пределах отличающихся друг от друга секторов, причем секторный угол магнита для наибольшей массы составляет 50^o. Проведение одновременного анализа большего количества частиц с разными массами (режим масс-спектрографа) затруднено из-за несовместимости выходных окон секторов магнита, используемого для их анализа.

Известен масс-спектрометр с двойной фокусировкой для автономного анализа химического и изотопного состава образцов вне лаборатории [2], построенный по схеме Маттауха - Герцога, содержащий цилиндрический конденсатор, 90-градусный секторный магнит с плоскими входным и выходным окнами, причем его выходное окно является единым для всего диапазона измеряемых масс и лежит в плоскости, проходящей через точку пересечения главной оптической оси прибора и входной границы магнита. Прибор позволяет проводить масс-анализ в режиме масс-спектрографа - одновременного измерения частиц всего диапазона масс. В данном приборе характеристики выбирались в пределах схемы Маттауха - Герцога, то есть с использованием 90-градусного секторного магнита. Такое ограничение при выборе схемы не позволяет обеспечить малые размеры и вес магнита при заданном диапазоне измеряемых масс.

Наиболее близким техническим решением - прототипом - является масс-спектрометр с двойной фокусировкой для внелабораторного анализа, содержащий цилиндрический конденсатор и магнит, секторный угол которого для наибольшей измеряемой массы может быть выбран ~ 50^o, с плоским и перпендикулярным к главной оптической оси входным окном и скошенной плоскостью выходных окон, индивидуально выбранной для каждого секторного угла с целью уменьшения размеров масс-спектрометра и обеспечения возможности независимой юстировки схемы [3] . Такая схема также допускает одновременное измерение частиц 2-3 различных масс при малых габаритах и весе прибора.

Приведенные схемы масс-спектрометров либо позволяют проводить одновременный анализ большого количества ионов различных масс (второй аналог), но имеют довольно тяжелую для малогабаритного прибора магнитную систему, либо имеют компактную, облегченную магнитную систему, но дают возможность одновременно измерять частицы лишь 2-3-х различных масс (первый аналог и прототип, причем у прототипа габариты существенно меньше).

Задачами изобретения являются повышение достоверности, экспрессности и точности анализа за счет создания масс-спектрометра, позволяющего проводить одновременную регистрацию частиц в широком диапазоне масс, число которых ограничено лишь его разрешающей способностью, при сохранении габаритов, веса и разрешающей способности прибора. Поставленные задачи решаются тем, что в известном магнитном масс-спектрометре с двойной фокусировкой, включающем источник ионов, цилиндрический конденсатор, секторный магнит, размеры которого соотносятся с диапазоном измеряемых масс, состоящий из двух полюсников, обращенных друг к другу параллельными плоскостями, образующими плоское и перпендикулярное к главной оптической оси входное окно, выходное окно, а также детектор, согласно формуле изобретения выходное окно секторного магнита выполнено в виде части круговой цилиндрической поверхности с радиусом r и осью, расположенной со стороны магнита перпендикулярно плоскостям полюсников, упомянутая цилиндрическая поверхность пересекает главную оптическую ось магнита, имеющую радиус R_m, соответствующий наибольшей измеряемой массе, на ее угловой длине γ_m, отсчитываемой от плоскости входного окна магнита, при этом величина отношения r к R_m удовлетворяет соотношению:
(R_m/R₀)tg(3γ_m/2) ≥ r/R_m≥ 1,
где: R₀ - средний радиус цилиндрического конденсатора,
π/3 ≥ γ_m ≥ π/4.
Сущность изобретения заключается в том, что выполнение выходного окна магнита в виде части единой для всех анализируемых частиц круговой цилиндрической поверхности с осью, расположенной со стороны магнита, и определенное соотношение между параметрами масс-спектрометра создает новое распределение электрических и магнитных полей в предлагаемой конструкции и позволяет обеспечить одновременную регистрацию ионов в широком диапазоне масс, число которых ограничено только разрешающей способностью, при сохранении габаритов, веса и разрешающей способности прибора.

Единая поверхность выходного окна магнита создает условия для одновременного измерения всего заданного диапазона масс, причем цилиндрическая форма поверхности позволяет проводить такие измерения при сохранении секторного угла γ_m, не ухудшая разрешающую способность масс-спектрометра и не изменяя его вес и габариты. При этом положение поверхности выходного окна магнита относительно главной оптической оси для ионов наибольшей массы из измеряемого диапазона и входного окна магнита создает конфигурацию полей, позволяющую обеспечить одновременное измерение ионов в широком диапазоне масс, не увеличивая вес и размеры прибора и не ухудшая его разрешающей способности. Авторами установлено, что при r/R_m < 1 существенно увеличивается площадь полюсников магнита, то есть вес всего прибора, и ухудшается разрешающая способность в средней области измеряемого диапазона масс. При r/R_m> (R_m/R₀)tg(3γ_m/2) ухудшается разрешающая способность для наибольших масс измеряемого диапазона. При γ_m< π/4, существенно уменьшается дисперсия магнитной системы, а следовательно и разрешающая способность прибора, при γ_m> π/3 существенно увеличивается вес магнита, а следовательно и прибора.

Предлагаемое устройство представлено на фиг. 1 и фиг. 2 схематически в двух проекциях, где:
1 - источник ионов, 2 - цилиндрический конденсатор, 3 - входное окно секторного магнита, 4 - секторный магнит, 5 - выходное окно секторного магнита, 6 - детектор.

На фиг. 1 также представлены необходимые для полного расчета устройства параметры схемы: d₁ - расстояние от ионного источника до цилиндрического конденсатора, R₀ - средний радиус цилиндрического конденсатора, Ф - секторный угол цилиндрического конденсатора, d₂ - расстояние от цилиндрического конденсатора до секторного магнита, γ_m- угловая длина участка главной оптической оси секторного магнита для ионов с наибольшей массой, γ- угловая длина главной оптической оси секторного магнита для ионов измеряемого диапазона масс, R_m - радиус кривизны главной оптической оси секторного магнита для ионов с наибольшей массой, R - радиус кривизны главной оптической оси секторного магнита для ионов измеряемого диапазона масс, r - радиус кривизны поверхности выходного окна магнита, f_m- расстояние от выходного окна магнита до области фокусировки ионов наибольшей массы измеряемого диапазона, f - расстояние от выходной окна магнита до области фокусировки ионов измеряемого диапазона масс, линия фокусов устройства.

В схеме применяется ионный источник, например с электронным ударом, 1, электростатический конденсатор, состоящий из 2-х обкладок цилиндрической формы 2, постоянный секторный магнит 4 с входным 3 и выходным 5 окнами и однородным полем, и детектор 6, состоящий из ВЭУ или шевронной сборки микроканальных пластин, входные окна которого располагаются на линии фокусов прибора.

Устройство работает следующим образом
В ионном источнике 1 проводится ионизация атомов исследуемого вещества, из которых формируется пучок с разбросом по энергии, углу и координате. После прохождения бесполевого участка d₁ он попадает во входное окно электростатического конденсатора 2, где под действием электрического поля, приложенного к его обкладкам, формируется распределение частиц в пучке на выходе конденсатора. Из выходного окна конденсатора частицы после прохождения бесполевого участка d₂ попадают во входное окно 3 магнита 4. Магнитное поле совместно с электрическим полем конденсатора обеспечивает двойную фокусировку ионов по углу и по энергии на линии фокусов одновременно во всем диапазоне измеряемых масс. За пределами выходного окна магнита 5 располагается детектор 6, регистрирующий анализируемые частицы. Относительная величина интенсивности регистрируемых на детекторе частиц несет информацию о составе исследуемого вещества.

Определение значений параметров, необходимых для создания масс-спектрометра, проводится в три этапа.

Первый этап включает проведение численного расчета масс-спектрометра в приближении схемы с плоским выходным окном магнита, перпендикулярным по отношению к главной оптической оси, соответствующей ионам наибольшей массы измеряемого диапазона, с одной стороны, отвечающего индивидуальным требованиям к габаритам или весу прибора при обеспечении необходимой разрешающей способности, а с другой стороны, учитывающего особенности эмиттанса (пространственного, углового и энергетического распределения частиц в пучке) ионного источника, используемого в приборе. Интервал по γ_m= π/4-π/3 выбран в соответствии формулой изобретения. Расчет допускает выбор параметров в широкой области значений: d₁/R_m = 0,0 - 1,0, d₂/R_m = 0,0 - 1,0, Ф = π/6-π/3, R₀/R_m = 0,3 - 2,0, и проводится в соответствии с методикой, описанной в аналоге [1] и прототипе [3]. Результатом расчета является набор значений d₁, R_m, d₂, Ф, R₀, γ_m, обеспечивающих наибольшую разрешающую способность при заданных параметрах используемого в схеме ионного источника и индивидуальных требованиях к габаритам или весу прибора.

На втором этапе происходит выбор формы поверхности выходного окна реального магнита в соответствии с соотношением (R_m/R₀)tg(3γ_m/2) ≥ r/R_m≥ 1, указанным в формуле изобретения, при сохранении величин остальных параметров масс-спектрометра, выбранных на 1-ом этапе расчета, что обеспечивает одновременность измерения ионов в широком диапазоне масс без ухудшения аналитических характеристик прибора и без увеличения его веса и габаритов.

На третьем этапе экспериментально определяются положения областей фокусировки для ряда дискретных значений М из общего диапазона измеряемых масс по наибольшей разрешающей способности прибора. Затем эти точки объединяются в линию (линия фокусов).

Пример конкретного исполнения.

Проведен расчет и моделирование масс-спектрометра в условиях лаборатории. В качестве ионного источника выбран ионный источник с электронным ударом, выходные параметры которого имели значительный разброс по углу ± 2^o и по энергии ± 2%, при ширине выходной щели 0,1 мм, что обеспечивает экономный режим энергопотребления источника ионов.

Результат первого этапа расчета: d₁ = 18 мм, R₀ = 125 мм, ϕ = 42^°, d₂ = 21 мм, γ_m= 52^°, R_m = 90 мм. На втором этапе в соответствии с формулой изобретения выбрано значение r = 90 мм. На третьем этапе определено положение линии фокусов. Точки этой линии представлены в таблице.

С помощью прибора проведен анализ органических веществ: хлорбензола, хлороформа, бензола, пентана, п-бутана, i-бутана, пропана, этана, метана, спектры которых расположены в диапазоне от 12 до 114 а.е.м.

Разрешающая способность прибора для наибольшей массы измеряемого диапазона по результатам численного расчета составляет 145 по основанию, по результатам эксперимента - 134 на уровне 3%. Для измерения более тяжелых ионов разрешающая способность прибора может быть увеличена в несколько раз за счет незначительного уменьшения эмиттанса ионного источника.

Практически при тех же габаритных и аналитических характеристиках, как у прототипа [3], устройство позволяет:
обеспечить достоверность результатов измерений широкого спектра веществ, концентрации которых быстро изменяются во времени,
увеличить экспрессность анализа (скорость определения состава измеряемых веществ) в 10-100 раз в зависимости от количества одновременно измеряемых компонентов,
увеличить точность результатов анализа за счет равных условий эксплуатации при одновременных измерениях.

ЛИТЕРАТУРА
1. V.T.Kogan, A.K.Pavlov, Yu.V.Chichagov et al.// Field Analytical Chemistry and Technology, v.1, 1997, N.6, р. 331-342.

2. A. O. Nier, International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, v.66, 1985, p.55-73.

3. В.Т.Коган, А.К.Павлов, М.И.Савченко и О.Е.Добычин, ПТЭ, N 4, 1999, с. 141-145.

Изобретение относится к области спектрометрии, а точнее к статистическим масс-спектрометрам, и может быть использовано при создании портативных приборов для изучения химического и изотопного состава газообразных жидких и твердых веществ. Техническим результатом является увеличение достоверности, экспрессивности и точности масс-спектрометрических измерений за счет создания прибора, позволяющего проводить одновременную регистрацию частиц в широком диапазоне масс, число которых ограничено лишь его разрешающей способностью, при сохранении габаритов, веса и разрешающей способности прибора. Малогабаритный магнитный масс-спектрометр содержит источник ионов, цилиндрический конденсатор, секторный магнит, размеры которого соотносятся с диапазоном измеряемых масс, состоящий из двух полюсников, обращенных друг к другу параллельными плоскостями, образующими плоское и перпендикулярное к главной оптической оси входное окно, выходное окно, а также детектор. Выходное окно секторного магнита выполнено в виде части круговой цилиндрической поверхности с радиусом r и осью, расположенной со стороны магнита, перпендикулярно плоскостям полюсников, упомянутая цилиндрическая поверхность пересекает главную оптическую ось магнита, имеющую радиус R_m, соответствующий наибольшей измеряемой массе, на ее угловой длине γ_m, отсчитываемой от плоскости входного окна магнита. Величина отношения r к R_m удовлетворяет соотношению (R_m/R₀)tg(3γ_m/2) ≥ r/R_m≥ 1, где R₀ - средний радиус цилиндрического конденсатора, π/3 ≥ γ_m≥ π/4. 2 ил., 1 табл.

Магнитный масс-спектрометр с двойной фокусировкой, включающий расположенные последовательно вдоль главной оптической оси устройства источник ионов, цилиндрический конденсатор, секторный магнит, состоящий из двух полюсников, обращенных друг к другу параллельными плоскостями, образующими плоское и перпендикулярное к главной оптической оси входное окно, выходное окно, а также детектор, отличающийся тем, что выходное окно секторного магнита выполнено в виде части круговой цилиндрической поверхности с радиусом r и осью, расположенной со стороны магнита перпендикулярно плоскостям полюсников, упомянутая цилиндрическая поверхность пересекает главную оптическую ось магнита, имеющую радиус R_m, соответствующий наибольшей измеряемой массе m, на ее угловой длине γ_m, отсчитываемой от плоскости входного окна магнита, при этом величина отношения r к R_m удовлетворяет соотношению
1 ≤ r/R_m≤ (R_m/R₀)tg(3γ_m/2)
где R₀ - средний радиус цилиндрического конденсатора;
π/4 ≤ γ_m≤ π/3.