ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР Российский патент 2004 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований.

Известен времяпролетный масс-спектрометр, содержащий мишень, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, электростатический линейный отражатель, приемник ионов (статья: Мамырин Б.А., Шмикк Д.В. Линейный масс-рефлектрон - ЖЭТФ, 1979, т.76, в.5, с.1500-1505). За счет использования линейно изменяющегося электрического поля в масс-рефлектроне достигается более высокое значение разрешающей способности по сравнению с классической схемой масс-спектрометра при тех же габаритах и потенциале ускоряющего промежутка.

Более совершенным является масс-спектрометр с нелинейным по продольной оси электрическим полем отражателя (статья: Глащенко В.П., Семкин Н.Д. "Пространственно-временная фокусировка ионов, выталкиваемых из протяженной области ионизации". ЖТФ, т.57, вып.6, 1987).

Недостатками аналога являются низкая чувствительность и низкая разрешающая способность в области тяжелых масс ионов, обусловленные значительным разбросом пакета анализируемых ионов по энергиям, за счет дискретного исполнения полезадающих колец отражателя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому масс-спектрометру является выбранный в качестве прототипа времяпролетный масс-спектрометр (патент: Н 01 J 49/40 №1651327, опубл. БИ №19, 23.05.91 г., Г.Г.Манагадзе). Времяпролетный масс-спектрометр, у которого сеточная сборка источника ионов с целью повышения чувствительности выполнена в виде кольца, внутренний диаметр которого больше или равен диаметру детектора, а в трубке установлена коаксиальная цилиндрическая система, внутренний и внешний диаметр которой соответственно равен внутреннему и внешнему диаметру сеточной сборки источника ионов.

Недостатком прототипа являются невозможность формирования нелинейных полей в масс-рефлектроне за счет использования кусочно-линейного принципа образования поля и вследствие этого недостаточно высокая разрешающая способность прибора при жестких массогабаритных ограничениях, большая дисперсия ионов, генерируемых источником по энергиям.

Цель изобретения - создание устройства для анализа нейтрального газа ионов с более высоким разрешением, высокой чувствительностью при минимизации массогабаритных характеристик.

Поставленная задача достигается тем, что в времяпролетном масс-спектрометре, содержащем источник ионов, расположенные коаксиально внутри приемника ионов отражатель и трубку дрейфа, отражатель выполнен в виде сплошной резистивной пленки с нелинейным осевым распределением потенциала электростатического поля, нанесенной на диэлектрическое основание.

Сущность устройства поясняется чертежами, где

на Фиг.1 изображена схема времяпролетного масс-спектрометра,

на Фиг.2 - сечение отражателя,

на Фиг.3 - зависимость потенциала электростатического поля от продольной щнаты в отражателе.

Времяпролетный масс-спектрометр содержит трубку дрейфа 1, источник ионов 2, установленный в центре мишени и содержащий управляющую сетку 3, ускоряющую сетку 4, выходную сетку 5, нагреватель 6, отражатель 7, источник тока нагревателя 8, источник тока и напряжения 9 отражателя, источник напряжения 10 управляющей сетки, источник изменяемого во времени импульсного напряжения 11, сетку 12, ограничивающую трубку дрейфа со стороны выхода, сетки 13, ограничивающие нелинейный отражатель 14, пленку с резистивным покрытием 15, наклеенную на внутреннюю поверхность отражателя, собирающий электрод 16, приемник ионов 17 в виде микроканальной пластины.

Управляющая сетка 3, ускоряющая сетка 4 источника ионов 2 соединены с источником напряжения 10 и изменяемым во времени импульсным источником 11, выходная сетка 5 соединена с выталкивающей сеткой 12, нагреватель 6 соединен с источником тока 8, нагреваемый отражатель электронов 7 соединен с источником напряжения тока 9.

Для повышения точности формирования нелинейного отражающего электростатического поля на внутреннюю поверхность отражателя нанесена сплошная резистивная пленка с нелинейным осевым распределением потенциала электростатического поля. Более точная структура и отсутствие дискретных участков в отражателе позволяет повысить чувствительность и разрешающую способность масс-спектрометра по сравнению с прототипом. Наличие плавного изменения электростатического поля отражателя уменьшает пространственные аберрации ионов, что повышает разрешающую способность масс-спектрометра. Зависимость потенциала поля, формируемого тонкопленочным отражателем, от продольной координаты для осевого случая можно записать следующим образом:

где а - скорость частицы после ускоряющего участка, стартовавшей с начала координат с нулевой начальной скоростью,

- безмерный потенциал

L₁ - длина пути в однородном поле;

ϕ ₁ - потенциал выталкивающего поля.

Время пролета отсчитывается от момента подачи импульсного напряжения U_кл на управляющую сетку до регистрации частицы детектором. Зная энергию иона, с которой он вошел в участок дрейфа, и время его пролета в приборе, можно определить его массу.

Масс-спектрометр работает следующим образом.

Ионы, образованные в источнике 2, с энергией ≈ 30 эВ дрейфуют в бесполевом пространстве трубки дрейфа 1, попадают под действие нелинейного поля в масс-рефлектроне, отражаются и, пройдя бесполевое пространство в обратном направлении, регистрируются в приемнике 17.

Обычное состояние ионного источника показано сплошной линией на диаграмме потенциалов (Фиг.1). Электроны, генерируемые нитью накала 6, запираются в объеме накала потенциалами отражателя и управляющей сетки 3 (Фиг.1). В этот момент на управляющей сетке 3 низкий потенциал, равный опорному напряжению источника 10, который препятствует генерации ионов. Активное состояние источника ионов показано пунктирной линией. При этом электроны выбрасываются к ускоряющей сетке 4, где попадают в тормозящее поле между ускоряющей и выходной 5 сетками, разворачиваются и возвращаются к накалу. Таких эволюций каждый электрон может сделать несколько. Участок возврата показан на графике жирной линией (ϕ ). Если ионы образовались на участке, показанном пунктирной линией, то поле ускоряет их в противоположном направлении. При подаче ускоряющего импульса Up от блока 10 на сетку 4 пакет ионов уходит в область тормозящего поля. На участке разворота электрона его энергия будет равна:

где U_ИП - напряжение источника питания ионной пушки;

U_УСК - ускоряющее напряжение;

Х - глубина проникновения электрона в ускоряющее поле;

L₁ - расстояние между ускоряющей сеткой 4 и выходной сеткой источника ионов 5.

Эффективное сечение ионизации электронным ударом:

где С - константа;

J - потенциал ионизации атома.

Координата, на которой вероятность ионизации становится равной нолю, получается из уравнения (1) при ε _е≈_J

Таким образом, полная ширина зоны ионизации равна Х_гр. Из (2) видно, что необходимую Х_гр легко получить подбором U_УСК, L₁ и U_ип. Это является одним из преимуществ данного источника ионов, тогда как местные источники традиционного типа для получения тонкого электронного листа должны быть изготовлены с прецизионной точностью, а также необходимо использование фокусирующих систем. Вторым преимуществом является совместимость ускоряющего промежутка с электронным пучком, что упрощает электронную схему источника и позволяет получить более высокое разрешение анализатора спектра. Возможно получение ионного пучка со строго заданным распределением по энергии. Кроме того, при этом принципе получения ионов попадание электронов в объем анализатора спектра затруднено, что значительно уменьшает уровень шумов на входе приемника (3-4 иона в секунду).

Теоретические и натурные исследования показали, что применение в конструкции масс-спектрометра источника ионов новой конструкции в сочетании с тонкопленочным нелинейным отражателем позволяет повысить чувствительность и увеличить разрешающую способность в области тяжелых масс ионов в 1,5 раза. При общих габаритах d=80× 240 мм и размерах источника ионов d=20× 30 мм практическое разрешение составило 550-570 (см. ст. Глащенко В.П., Семкин Н.Д. "Пространственно-временная фокусировка ионов, выталкиваемых из протяженной области ионизации". ЖТФ, т.57, вып.6, 1987).

Назначение: масс-спектрометрия преимущественно для космических исследований и для применения в других областях при условиях жестких ограничений массы и габаритов. Сущность изобретения: времяпролетный масс-спектрометр снабжен нелинейным масс-рефлектроном, с пленочным покрытием, задающим необходимую структуру отражающего поля, коаксиально расположенными приемником и источником ионов, позволяющим получать пакеты ионов с малой дисперсией по энергиям. 3 ил.

Времяпролетный масс-спектрометр, содержащий коаксиально расположенные источник ионов, приемник ионов, трубку дрейфа и отражатель ионов, отличающийся тем, что отражатель выполнен в виде сплошной резистивной пленки с нелинейным осевым распределением потенциала электростатического поля, нанесенной на диэлектрическое основание.