УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ИОННЫХ ТОКОВ МАСС-СПЕКТРОМЕТРОВ Российский патент 2002 года по МПК H01J49/02 G01N27/66 

Изобретение относится к приборостроению, а более конкретно к области изотопного анализа химических элементов масс-спектрометрическим методом.

Известно устройство для регистрации ионных токов, включающее приемник ионных токов, состоящий из коллектора, входной щели и системы электродов (см. "Руководство по эксплуатации ЦФЗ.394.018 РЭ. Масс-спектрометры МИ-1201").

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что в известном устройстве мала чувствительность, велико время измерения масс-спектров, обусловленное последовательным измерением ионных токов изотопов химических элементов при соответствующем изменении развертки магнитного поля электромагнита масс-спектрометра, что приводит к выгоранию исследуемого препарата в источнике ионов масс-спектрометра и к значительному усложнению обработки результатов измерений.

Известно устройство для регистрации ионных токов, включающее приемник ионных токов, состоящий из нескольких коллекторов, входных щелей и системы электродов (см. "Руководство по эксплуатации ЦФЗ.394.018 РЭ. Масс-спектрометры МИ-1201"). Это устройство обладает низкой чувствительностью, обладает сложной конструкцией, имеет конструктивные ограничения при анализе химических элементов в широком диапазоне атомных масс и имеет громоздкое аппаратурное оформление.

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату известен импульсный позиционно-чувствительный детектор ионов на основе микроканальных пластин (см. "Приборы и техника эксперимента", 1980, 3, с.170-173).

Детектор состоит из двух микроканальных пластин с приблизительно одинаковыми электрическими и оптико-механическими параметрами, собранными по схеме "шеврон" и коллекторной RC-линии, изготовленной из ситаловой пластинки с нанесенным на одну ее сторону резистивным слоем с размерами 23•5 мм², сопротивлением R= 70 кОм и нанесенным на другую сторону пластинки слоя золота для создания распределенной емкости С=16 пФ.

Детектор помещается на выходе аналитической камеры масс-спектрометра МИ-1201 вместо обычно применяемого электрометра так, чтобы его входная поверхность совпадала с плоскостью входной щели электрометра. Ионные пучки, падающие на поверхность наружной по отношению к ним микроканальной пластины, порождают лавины электронов, которые в свою очередь бомбардируют резистивный слой коллекторной RC-линии и вызывают в ее цепи импульсы тока. Форма этих импульсов зависит от места попадания лавины электронов на RC-линии.

Недостатком этого детектора является то, что для исключения одновременной регистрации ионов с разными массовыми числами требуется сравнительно низкий поток ионов, что приводит к увеличению времени измерения для получения небольшой статистической погрешности результатов измерения и требуется сложное и громоздкое аппаратурное оформление канала регистрации масс-спектрометра.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности, уменьшение нестабильности путем стабилизации температурного режима и уменьшение времени измерения масс-спектра.

Поставленная задача достигается тем, что в известном импульсном позиционно-чувствительном детекторе ионов низких энергий для регистрации масс-спектров, содержащем микроканальные пластины и коллекторную RC-линию, исключается коллекторная RC-линия и вводятся оптико-волоконный соединитель с нанесенным слоем люминофора на торец, обращенный к микроканальной пластине, и линейное многоэлементное фотоприемное устройство на основе приборов с зарядовой связью длиной, близкой к диаметру микроканальной пластины, которое помещается в термостат на основе твердотельного холодильника из элементов Пельтье и позволяет осуществлять одновременную регистрацию масс-спектров в пределах рабочего диапазона фокальной плоскости масс-спектрометра.

При исследовании отличительных признаков описываемого устройства измерения ионных токов масс-спектрометра не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся традиционной конструкции приемников ионов низких энергий при реализации процессов повышения чувствительности за счет применения фотоприемного усилительного устройства и стабилизации температурного режима путем установки термохолодильников в виде батареи элементов Пельтье, что в свою очередь позволяет повысить чувствительность.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах предлагаемого устройства, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существующим признакам предлагаемого устройства. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность, существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в предлагаемом устройстве, которые изложены в формуле изобретения.

Следовательно, предлагаемое устройство соответствует условию "новизна".

Заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками предлагаемого устройства. Результаты поиска показали, что предлагаемое устройство не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками предлагаемого устройства преобразований на достижение технического результата. Описываемое изобретение не основано на изменении количественных признаков, представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении их вида.

Следовательно, предлагаемое устройство соответствует условию "изобретательский уровень".

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что с помощью многоэлементного фотоприемного устройства происходит независимая одновременная регистрация всех ионных пучков, находящихся в апертуре устройства измерения ионных токов. Это позволяет минимизировать время для измерения масс-спектров, что в свою очередь не отразится на выгорании исследуемого препарата в источнике ионов масс-спектрометра.

Общий вид устройства приведен на фиг.1.

Устройство измерения ионных токов состоит из соосно расположенных микроканальной пластины 1, волоконно-оптической линии связи 2 с нанесенным на торец, обращенным к микроканальной пластине, слоем люминофора 3, линейным многоэлементным фотоприемным устройством 4, длина которого близка к диаметру микроканальной пластины, а размеры единичного элемента совпадают с диаметром капилляра микроканальной пластины, и твердотельного микрохолодильника 5 на основе батареи элементов Пельтье. Холодная часть микрохолодильника и фотоприемное устройство помещено в корпус 6 из материала с низким коэффициентом теплопроводности, а его горячая часть установлена на теплоотводящем радиаторе 7.

Устройство работает следующим образом.

При взаимодействии пучков низкоэнергетических ионов с разными атомными массами, испускаемых источником ионов масс-спектрометра 9, с поверхностью микроканальной пластины 1 в каждом ее канале выбиваются электроны, которые под действием приложенной разности потенциалов к каналам лавинообразно размножаются. Получившиеся лавины электронов бомбардируют слой люминофора 3, вызывая в нем световые вспышки, которые по волоконно-оптической линии связи 2 параллельно переносятся к многоэлементному фотоприемному устройству 4. В фотоприемном устройстве происходит регистрация и усиление световых фотонов. Снимаемые с многоэлементного фотоприемного устройства электрические сигналы поступают в электронную схему для последующей обработки. Для уменьшения уровня собственных шумов многоэлементного фотоприемного устройства оно охлаждается электронным термохолодильником 5 и термостатируется в корпусе 6. Это приводит к повышению чувствительности приемника ионов и улучшает стабильность работы.

Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет повысить чувствительность масс-спектрометра по урану в 10-20 раз.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предлагаемого устройства следующей совокупности условий.

Средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области изотопного анализа химических элементов, и может быть использовано в каналах регистрации масс-спектрометров для измерения масс-спектров.

Преимущество изобретения состоит в том, что независимая регистрация ионных пучков позволяет снизить время измерения масс-спектров и снизить эффект выгорания препарата в источнике ионов. Кроме того, снижение уровня собственных шумов приемника ионов позволяет более чем на порядок повысить чувствительность масс-спектрометра.

Следовательно, предлагаемое устройство соответствует условию "промышленная применимость".

На фиг. 2 приведен масс-спектр урана, полученный при нанесении на испаритель трехленточного термоионного источника раствора окиси урана массовой концентрацией 40 мкг/л объемом 0,002 мкл, что соответствует массе урана ниже 50•10^-12 г.

На фиг.3 приведен масс-спектр ртути, демонстрирующий принципиальную возможность одновременной многоканальной регистрации устройством.

Использование: атомная промышленность в области определения изотопного состава химических элементов. Техническим результатом является повышение чувствительности, уменьшение нестабильности путем стабилизации температурного режима, уменьшение эффектов выгорания исследуемых препаратов в источнике ионов масс-спектрометра. Позиционно-чувствительный детектор ионов низких энергий содержит микроканальные пластины и оптиковолоконный соединитель с нанесенным слоем люминофора на торец обращенный к микроканальной пластине и линейное многоэлементное фотоприемное устройство на основе приборов с зарядовой связью длиной, близкой к диаметру микроканальной пластины, которое помещается в термостат на основе твердотельного холодильника из элементов Пельтье. 3 ил.

Устройство измерения ионных токов для регистрации масс-спектров, содержащее позиционно-чувствительный детектор на основе микроканальной пластины, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расположенные соосно с микроканальной пластиной волоконно-оптическую линию связи, экран из люминофора, нанесенный на торец волоконно-оптической линии связи, обращенный к микроканальной пластине, и фотоприемное устройство на основе приборов с зарядовой связью в виде линейки из чувствительных элементов, длиной, близкой к диаметру микроканальной пластины, причем размеры единичного элемента совпадают с диаметром капилляра микроканальной пластины, которое расположено в термостате на основе твердотельного холодильника из элементов Пельтье и позволяет осуществлять одновременную многоканальную регистрацию масс-спектров в пределах рабочего диапазона фокальной плоскости прибора.