ИСТОЧНИК ИОНОВ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ ИЗОТОПНОГО АНАЛИЗА Российский патент 2004 года по МПК H01J49/14 F25D3/10 F17C3/08 

Предлагаемое изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к масс-спектрометрии, и найдет применение при анализе молекулярного и изотопного состава веществ, ионизованных методом электронного удара, в аналитической химии, молекулярной и атомной физике, геологии и геохронологии, медицине, экологии и др. областях.

Известен источник ионов, предложенный и разработанный А.Ниром [1], состоящий из ионизационной камеры с отверстием для ввода в нее исследуемой пробы в виде газа (пара), двумя соосными отверстиями для ввода и вывода пучка ионизирующих электронов, фокусируемого постоянным магнитом, расположенным на оси пучка вне ионизационной камеры, и отверстием для вывода ионов, образовавшихся в камере в результате бомбардировки молекул пробы электронами. Вышеназванный электронный пучок формируется электронной пушкой, содержащей термокатод и электроды, ускоряющие и фокусирующие электроны, последним из которых является входная для электронов диафрагма - стенка ионизационной камеры. Ионы образуются в ионизационной камере источника при столкновениях (ударе) ионизирующих электронов с молекулами газа (пара) анализируемой пробы, введенной внутрь ионизационной камеры. Для извлечения ионов из камеры, их ускорения и формирования в сфокусированный пучок служит система электродов с отверстиями (диафрагм), расположенных последовательно по ходу ионного пучка над ионизационной камерой после отверстия для вывода ионов и соединенных с внешними источниками электрических потенциалов.

Недостатком известного источника ионов при анализе легко конденсирующихся веществ является то, что в нем молекулы анализируемой пробы, заполняющей объем ионизационной камеры, многократно сталкиваются с ее стенками, входя с ними в термодинамическое равновесие и приобретая температуру стенок. Если анализируемое вещество термически нестабильно, его существенная часть при этом разлагается, в результате чего источник ионов загрязняется и искажается получаемая масс-спектрометрическая информация.

Если анализируемое вещество - труднолетучее, оно конденсируется на стенках ионизационной камеры, что приводит к потере пробы и возникновению эффекта “памяти”.

В обоих случаях в результате взаимодействия со стенками ионизацоинной камеры возникают эффекты, приводящие к зашумлению масс-спектра и препятствующие получению высокой точности в изотопном анализе.

Известен масс-спектрометрический источник ионов с электронным ударом и испарителем пробы в виде высокотемпературного тигля, применяемый, например, в высокотемпературных исследованиях [2]. В указанном источнике ввод анализируемой пробы производится в виде молекулярного пучка, сформированного диафрагмами, температура которых существенно ниже температуры конденсации образца. В результате диафрагмы вырезают из первоначального пучка сформированный узкий пучок, проходящий через ионизационную камеру без соударений с ее стенками. После прохождения камеры неионизованная часть пучка попадает в ловушку, в которой конденсируется. В указанном источнике ионизация пробы происходит только в объеме, который занимает молекулярный пучок, что приводит к снижению в масс-спектре фона газов и паров, относящихся к остаточному вакууму в ионизационной камере.

Ближайшим из известных является источник ионов масс-спектрометра МАТ281 [3], предназначенный для изотопного анализа элементов, в исходном состоянии находящихся в жидком состоянии (например, гексафторид урана), температура кипения которых ниже температуры стенок ионизационной камеры источника ионов. Источник ионов масс-спектрометра МАТ281, выбранный в качестве прототипа, включает в себя ионизационную камеру с отверстиями для ввода и вывода электронного пучка, ввода пробы и вывода образовавшихся ионов, электронно-оптическую и ионно-оптическую системы и систему формирования пучка молекул пробы с устройством напуска (ввода) пробы.

В известном источнике ионов масс-спектрометра МАТ281 в системе ввода пучка в виде потока молекул (“молекулярный пучок”) в источник ионов используются две криоловушки, охлаждаемые жидким азотом, на поверхности которых обеспечивается полная конденсация попадающих на них анализируемых проб. При этом одна криоловушка соединена с диафрагмами и криопанелями, формирующими молекулярный пучок анализируемого вещества, выходящего из системы напуска, а вторая криоловушка обеспечивает улавливание (конденсацию) неионизованного вещества пробы, прошедшего через ионизационную камеру источника ионов. Криоловушки выполнены в виде коаксиального двойного сосуда, во внутренний объем которого заливается жидкий азот, а между внутренними и наружными стенками имеется полость, соединенная с вакуумной камерой источника ионов. В результате в криоловушках при их достаточной емкости достаточно долго сохраняется жидкий азот, что позволяет проводить масс-спектрометрический анализ среднекипящих жидкостей в условиях формирования молекулярного пучка.

Недостатком указанной конструкции является большой объем сосуда для жидкого азота, необходимый для обеспечения непрерывной работы источника ионов в течение 1-2 суток, зависимость скорости испарения жидкого азота от уровня вакуума в криоловушках, а следовательно, и времени их непрерывной работы от условий откачки источника ионов, и, следовательно, масс-спектрометра в целом, а также возможность попадания анализируемого продукта в вакуумную полость криоловушки.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение срока непрерывной работы источника ионов, исключение его загрязнения анализируемым продуктом и повышение тем самым достоверности и точности масс-спектрометрического анализа, упрощение обслуживания и снижение трудоемкости обслуживания и работ, связанных с чисткой криоловушек, а также уменьшение стоимости анализа, связанной с затратами жидкого азота.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном источнике ионов, включающем ионизационную камеру с отверстиями для ввода и вывода электронного пучка, электронно-оптическую и ионно-оптическую системы и систему формирования пучка молекул пробы, состоящую из устройства напуска пробы, диафрагм, криопанелей и двух криоловушек, выполненных каждая в виде двух коаксиальных сосудов, внутренний объем одного из них предназначен для заполнения жидким азотом, а полость между сосудами - для вакуумирования, указанные криоловушки снабжены корзинами с сорбентом, соединенными каналами с вакуумируемой полостью, внутри которой установлены тепловые экраны, вакуумируемая полость криоловушек отделена от вакуумного объема источника ионов герметичной перегородкой, при этом на внутренние поверхности вакуумируемой полости криоловушек и тепловых экранов нанесено покрытие с низким коэффициентом “черноты” (высокой отражательной способностью) при температуре, близкой к температуре кипения жидкого азота.

Такая конструкция позволяет создать в вакуумируемой полости криоловушек собственный “охранный” вакуум, не зависящий от уровня вакуума в ионизационной камере, что дает возможность решить поставленные задачи.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 в схематическом виде представлен источник ионов масс-спектрометра для изотопного анализа пробы, например гексафторида урана, на фиг.2 представлена конструкция криоловушки в разрезе.

Источник ионов (фиг.1) состоит из ионизационной камеры 1 с отверстиями 2 для ввода пробы, отверстиями 3 и 4 для ввода и вывода электронного пучка и отверстием 5 для вывода образовавшихся в результатате ионизации ионов. Электронная пушка 6 с внешними постоянными магнитами 7 образует электронный пучок ионизирующих электронов. Отверстие для ввода пробы присоединяется к системе формирования молекулярного пучка с диафрагмами и криопанелью 8, соединенной с криоловушкой 9. На выходе пучка из ионизационной камеры также установлена аналогичная криоловушка 9.

Криоловушка 9 (фиг.2) содержит корпус 10, сосуд 11 для жидкого азота, изогнутый патрубок 12, сообщающийся с сосудом 11. Патрубок 12 заканчивается криопанелью - “конденсатором” 13 рассеянного анализируемого продукта. Между наружной поверхностью сосуда 11 и внутренней поверхностью корпуса 10 расположены плавающие тепловые экраны 14 и 15. В объеме между сосудом 11 и корпусом 10 поддерживается вакуум с давлением не выше 1·10^-5 Па с помощью корзины 16 с сорбентом 17 (активированный уголь), охлаждаемой жидким азотом и перекрытой пластиной из пористой меди 18. Откачивающая полость с сорбентом сообщается с указанной вакуумной полостью с помощью каналов 19. Таким образом, после предварительной откачки на форвакуум и заливки жидкого азота в сосуд 11 в полости криоловушки между корпусом 10 и сосудом 11 создается собственный “охранный вакуум”, не зависящий от уровня вакуума в камере источника ионов. Криоловушка содержит фланец 20, установленный на изогнутый патрубок 21, тонкостенную герметичную перегородку 22 и патрубки 23 и 24 для заливки жидкого азота и выхода его паров соответственно. Наружный патрубок 21, внутренний патрубок 12 и тонкостенная перегородка 22 образуют внутреннюю герметичную камеру криоловушки(ек), отделенную от вакуумного объема источника ионов (объем “охранного вакуума”). На поверхности, обращенные в сторону “охранного вакуума”, а именно на внутреннюю поверхность корпуса 10, наружную поверхность сосуда 11 и поверхности плавающих экранов 14 и 15 нанесены покрытия, имеющие малую степень черноты, что позволяет уменьшить теплоприток к сосуду с жидким азотом и увеличить время его “жизни” в сосуде.

Предлагаемый источник ионов с криоловушками работает следующим образом. Производится предварительная откачка объема охранного вакуума между корпусом 10 и стенкой сосуда 11 последовательно одной, затем другой криоловушки с помощью внешнего механического насоса (не показан) до остаточного давления не выше 30-40 Па. Во внутренний объем сосуда 11 криоловушек 9 через патрубки 23 заливается жидкий азот, при этом охлаждается корзина 16 с сорбентом 17, давление в камере охранного вакуума вследствие сорбции на активированном угле понижается до уровня 10^-4-10^-5 Па и ниже и это давление сохраняется длительное время (несколько лет), если в сосуде 11 имеется жидкий азот. Анализируемый продукт направляется через систему формирования молекулярного пучка в ионизационную камеру 1, где взаимодействует с электронным пучком, результатом чего являются ионы исследуемого вещества, которые формируются в пучок ионов и направляются в масс-анализатор. Рассеянная в ионизационной камере часть анализируемого продукта, создающая вредный для анализа фон, вымораживается на криопанелях 8 (фиг.1) и 13 (фиг.2), установленных на отростках внутренних патрубков криоловушек. Часть продукта, прошедшего через ионизационную камеру 1, оставшаяся неионизованной, также нейтрализуется путем вымораживания на криопанели 13 второй криоловушки 9, что дает возможность уменьшить эффект “памяти” и увеличить точность анализа.

Предлагаемое конструктивное решение, позволяющее создать после заливки жидкого азота в сосуд 11, связанный с корзиной 16 с сорбентом в вакуумном зазоре криоловушки собственный “охранный вакуум”, не зависящий от уровня вакуума в камере источника ионов и ионизационной камере, оказывается эффективным при необходимости чистки источника ионов и узлов системы ввода пробы и элементов улавливания рассеянного анализируемого продукта. При отсоединении криоловушки от камеры источника ионов по фланцу 20 необходимо резко уменьшить скорость испарения жидкого азота из внутреннего сосуда ловушки и тем самым поддерживать “конденсатор” достаточно длительное время при температуре, близкой к температуре жидкого азота, а рассеянный продукт - в замороженном конденсированном состоянии. При отсоединении криоловушки по фланцу 20 атмосферный воздух попадает в небольшое пространство между патрубком 21, герметичной вакуумной перегородкой 22 и наружной поверхностью патрубка 12, образующее замкнутый объем. Это дает возможность сохранять неизменными свойства теплообменных поверхностей, обращенных в сторону “охранного вакуума”, на которые нанесены покрытия, имеющие малую степень “черноты”, что позволяет уменьшить теплоприток к сосуду с жидким азотом и увеличить время его “жизни” в сосуде. Эти поверхности, а именно все поверхности экранов 14 и 15, а также внутренняя поверхность корпуса 10 и наружная поверхность сосуда 11 имеют покрытия со степенью черноты при комнатной и азотной температурах соответственно Е₃₀₀=0,02 и Е₇₈=0,015, что дает возможность снизить испаряемость жидкого азота более чем в 5 раз.

В результате, при отсоединении криоловушки от камеры источника ионов анализируемый продукт находится в замороженном конденсированном состоянии и не оказывает вредного влияния на окружающую среду и обслуживающий персонал.

По результатам испытаний опытного образца источника ионов, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, было получено снижение скорости испарения жидкого азота более чем в 5 раз по сравнению с прототипом, что дало возможность работать без дозаправки в течение не менее 3 суток. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что предложенная конструкция позволяет значительно упростить работу с масс-спектрометром при анализе среднекипящих агрессивных жидкостей, снизить степень загрязнения вакуумной полости камеры источника ионов и криоловушек и тем самым повысить точность анализа и снизить стоимость единичного анализа.

Источники информации

1. А.А.Сысоев. Изотопная масс-спектрометрия. Энергоатом, 1993, с.23-25.

2. Масс-спектрометр для исследования процессов испарения труднолетучих веществ МС1301. Каталог разработанных приборов. Л.: Наука, 1977, с.22.

3. Масс-спектрометр для изотопного анализа МАТ281, проспект фирмы Finnigan MAT, 1986 (прототип).

Использование: в области аналитического приборостроения, в частности в масс-спектрометрии, и при анализе молекулярного и изотопного состава веществ, ионизованных методом электронного удара, в аналитической химии, молекулярной и атомной физике, геологии и геохронологии, медицине, экологии и других областях хозяйственной деятельности. Устройство содержит ионизационную камеру с отверстиями для ввода и вывода электронного пучка, электронно-оптическую и ионно-оптическую системы и систему формирования пучка молекул пробы, состоящую из устройства ввода пробы и двух криоловушек, выполненных каждая в виде двух коаксиальных сосудов, внутренний из которых предназначен для заполнения жидким азотом, а полость между сосудами – для вакуумирования. Указанные ловушки снабжены корзинами с сорбентом, соединенными каналами с вакуумируемой полостью, внутри которой установлены тепловые экраны. Вакуумируемая полость криоловушек отделена от вакуумного объема источника ионов герметичной перегородкой, при этом на внутренние поверхности вакуумируемой полости криоловушек и экранов нанесены покрытия с низким коэффициентом "черноты" (высокой отражательной способностью) при температуре, близкой к температуре жидкого азота. Технический результат: увеличение продолжительности непрерывной работы источника ионов, предотвращение его загрязнения анализируемым продуктом и тем самым повышение достоверности и точности масс-спектрометрического анализа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Источник ионов масс-спектрометра для изотопного анализа с ионизацией молекул анализируемой пробы методом электронного удара, содержащий ионизационную камеру с отверстиями для ввода и вывода электронного пучка, электронно-оптическую и ионно-оптическую системы и систему формирования пучка молекул пробы, включающую две криоловушки, выполненные в виде коаксиальных сосудов, из которых внутренний предназначен для заполнения азотом, а полость между сосудами - для вакуумирования, и соединенные с криопанелями, отличающийся тем, что криоловушки снабжены корзинами с сорбентом, соединенными каналами с вакуумируемой полостью, внутри которой установлены тепловые экраны, а вакуумируемая полость криоловушек отделена от вакуумного объема источника ионов герметичной перегородкой.2. Источник ионов по п.1, отличающийся тем, что на внутренние поверхности вакуумируемой полости криоловушек и тепловых экранов нанесены покрытия, имеющие низкий коэффициент сорбции молекул воздуха и обладающие высокой отражающей способностью теплового излучения.