СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ФОНА В ИОННОМ ИСТОЧНИКЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА Российский патент 2006 года по МПК H01J27/02 

Изобретение относится к области аналитической химии, к анализу чистых веществ, и может быть использовано в масс-спектрометрии тлеющего разряда при элементном анализе твердых веществ, газов и жидкостей с высокой чувствительностью.

В ионном источнике тлеющего разряда происходит трансформация анализируемого вещества в ионы. Основной недостаток такого источника - очень высокий уровень фона газов и углеводородов. Этот фон ограничивает чувствительность элементного анализа.

Для снижения уровня фона применяется длительное распыление анализируемого образца в разрядной камере при ее непрерывной откачке и охлаждение источника до температуры жидкого азота (Inorganic Mass Spectrometry. Ed. by: F.Adams, R.Gijbels, R. van Grieken. Chemical Analysis v.95. J.Wiley & Sons, 1988. стр.85). Этот метод позволяет уменьшить уровень фона приблизительно на порядок, но резко снижает производительность анализа.

Известен способ уменьшения уровня фона за счет уменьшения интенсивности десорбции загрязнений с поверхности деталей разрядной камеры путем снижения плотности плазмы в разрядной камере уменьшением давления плазмообразующего газа. Это уменьшение достигается сужением вершины полого катода, для чего было предложено на вершину полого катода устанавливать колпачок с отверстием. (РФ патент 2211502, МПК 7 H 01 J 27/02, опуб. 27.08.2003, бюлл.24.). При этом в полом катоде вблизи отверстия образуется плазменная «пробка», которая обеспечивает перепад давлений плазмообразующего газа между разрядной камерой и полым катодом. В результате разряд сосредотачивается в катодной полости, его интенсивность вне катода уменьшается.

Плазменная «пробка» позволяет уменьшить уровень фона воды, газовых примесей и углеводородов приблизительно на порядок, но для элементного анализа веществ с высокой чувствительностью этого недостаточно.

Высокий уровень фона источника обусловлен адсорбцией газов, воды и углеводородов на поверхности деталей при подготовке источника и образца к анализу.

При возникновении тлеющего разряда низкотемпературная плазма «лижет» внутренние поверхности разрядной камеры и десорбирует слабо связанные с поверхностью адсорбированные загрязнения.

Изобретение решает задачу уменьшения фона ионного источника тлеющего разряда, техническим результатом которой является увеличение производительности и чувствительности анализа.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе уменьшения уровня фона ионного источника тлеющего разряда, содержащего полый катод, включающем уменьшение интенсивности десорбции загрязнений с поверхности деталей разрядной камеры путем снижения плотности плазмы в разрядной камере при уменьшении давления плазмообразующего газа, новым является то, что в качестве полого катода используют катод, изготовленный из геттерного материала, и распыляют его в разрядной камере непосредственно перед анализом образца.

При распылении геттерного металла его атомы осаждаются на внутренних поверхностях разрядной камеры и связываются с атомами и молекулами газовых примесей, воды и углеводородов. При этом образуются химические соединения: нитриды, оксиды, карбиды с большой энергией связи. Энергия, которую получают ионы в низкотемпературной плазме тлеющего разряда, недостаточно, чтобы разорвать эту связь. В результате резко уменьшается скорость поступления в плазму загрязнений, адсорбированных на внутренних поверхностях разрядной камеры.

Совместное использование эффекта плазменной «пробки» и распыления геттерного металла в разрядной камере позволяет уменьшить уровень фона воды, газовых примесей и углеводородов на четыре порядка. При этом нет необходимости в охлаждении разрядной камеры источника жидким азотом. Это позволяет значительно увеличить производительность анализа.

С точки зрения масс-спектрометрии наиболее целесообразно использовать в качестве геттерного металла тугоплавкие металлы с минимальным числом изотопов - Та, Nb, Co.

Изобретение иллюстрируется, но не исчерпывается следующим примером:

Пример 1. Измерение фона проводилось в ионном источнике тлеющего разряда, содержащего полый катод, с внутренним диаметром 15 мм, изготовленный из ниобия. На вершине полого катода имеется колпачок с отверстием 12 мм, благодаря которому вблизи отверстия возникает плазменная «пробка».

На фиг.1 приводится масс-спектр стандартного источника тлеющего разряда при низкой чувствительности системы регистрации. Наблюдаются интенсивные линии газовых примесей и углеводородов с характерной для них периодичностью. Линия с м/е=19 (Н₃O) по интенсивности близка к линии плазмообразующего газа - аргона. Также велика интенсивность линии с м/е=29 (N₂Н). С увеличением чувствительности системы регистрации линии углеводородов той или иной интенсивности появляются на каждой масс-спектральной линии даже в области тяжелых масс. При этом образуются мультиплеты. Для их разделения необходимо увеличивать разрешающую способность масс-анализатора, что всегда связано с потерей чувствительности.

Пример 2. Измерение фона проводилось в ионном источнике тлеющего разряда, содержащего полый катод, с внутренним диаметром 15 мм, изготовленный из тантала. На вершине полого катода имеется колпачок с отверстием 12 мм, благодаря которому вблизи отверстия возникает плазменная «пробка».

Перед получением масс-спектра в полом катоде зажигался тлеющий разряд при токе разряда 100 мА. Разряд продолжался в течение 10 мин. Затем был сделан масс-спектр, приведенный на фиг.2. Чувствительность системы регистрации при получении обоих масс-спектров была одинаковой. Интенсивность линий газовых примесей и углеводородов резко уменьшилась.

Проведенные измерения показали, что уровень фона воды, газовых примесей и углеводородов упал на четыре порядка. Подавляющее число линий в масс-спектре относится к аргону и его изотопам (линии с м/е=36-42 - это аргон и гидрид аргона, м/е=20 - двухзарядный аргон, м/е=80 - молекулярный аргон, линия с м/е=27 - алюминий, м/е=63, 65 - медь - материалы, из которых сделаны детали источника и образец).

Использование предлагаемого изобретения открывает возможность стыковать ионный источник тлеющего разряда с времяпролетными и квадрупольными анализаторами низкого разрешения, что позволяет существенно уменьшить стоимость аналитических приборов. Источник позволяет также автоматизировать анализ веществ и увеличить производительность анализа.

Использование: в масс-спектрометрии при элементном анализе твердых веществ, газов и жидкостей с высокой чувствительностью. Техническим результатом изобретения является увеличение производительности и чувствительности анализа. Сущность изобретения: в способе уменьшения уровня фона ионного источника тлеющего разряда, содержащего полый катод, включающем уменьшение интенсивности десорбции загрязнений с поверхности деталей разрядной камеры путем снижения плотности плазмы в разрядной камере при уменьшении давления плазмообразующего газа. Новым является то, что в качестве полого катода используют катод, изготовленный из геттерного материала, и распыляют его в разрядной камере непосредственно перед анализом образца. В качестве геттерного материала могут быть использованы тугоплавкие металлы с минимальным числом изотопов, например Та, Nb, Со. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ уменьшения уровня фона ионного источника тлеющего разряда, содержащего полый катод, включающий уменьшение интенсивности десорбции загрязнений с поверхности деталей разрядной камеры путем снижения плотности плазмы в разрядной камере уменьшением давления плазмообразующего газа, отличающийся тем, что в качестве полого катода используют катод, изготовленный из геттерного материала, и распыляют его в разрядной камере непосредственно перед анализом образца.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве геттерного металла используют тугоплавкие металлы с минимальным числом изотопов, например Та, Nb, Co.