Время-пролетный масс-спектрометр Советский патент 1983 года по МПК H01J49/40 

(54) ВРЕМЯПРрЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Изобретение отнежктся к динамической масс-кщектрометрин и применяется для исследования процессов воздействия лазерного излзрения на молекутты газовой струи..

Наиболее интересными результатами воздействия лазерного излучения на молекулы являются многофотонное поглощение и диссоциация молекул. Они проявляются при максимальных плотностях электромагнитных полей, которые достигаются только в импульсном режиме работы лазера. В ряде случаев требуется предварительное охлаждение исследуемых молекул, осуществляемое в расширяющейся газовой струе. Импульсный характер процесса и необходимость подачи о.брааца в виде газовой струи чрезвычайно усложняют задачу масс-спектрометрического анализа продуктов взаимодействия.

Используемое для этих целей массспектрометры со стабильной траекторией движения ионов 11 обладают ограниченным диапазоном измеряемых масс и позволяют за один импульс лазерного воздействия проанализировать количество только одной массовой компоненты. Поэтому для получения нескольких тганий масс-спектра необходамо многократное повторение измерений, что ведет к росту погрешности из-за нестабильности работы лазера и газовой струи, значительному увеличению времени проведения Эно10перимента и увеличению рас:ьода обраэца.

Продукты, импульсно возникающие в неболыиом объеме взаимодействия лазерного излучения с молекулами струи,

JS удобно анализировать с помощью времяпролетного масс-спектрометра. Он поово ляет за один импульс лазерного Boaneftствия получить весь масс-спектр продуктов взаимодействия.

20

Для &1строго анализа продуктов взаимодействия времяпролетным массспектрометром и для умеиыоення пЪтерь возбужденных молекул при транспорпгировке и егголкновениях необкодимо обложение газовой струи лазерным светом производить непосреяс твен1Ю в обва ги ионизации источника ионов Известен времяпропетный масс-спект , содержащий импутпзсный источник ионов, дрейфовое прострайсгво и при емник ионов, Источник ИОНОЙ такого при бора содержит несколько ускбряющих ионы электродов, расположенных параплельно, и алектронную пушку, помещаемую так, что электронный пучок проходи между этими электродами параллельно им .Г21 ... . Однако одновременный вывод газовой струи и лазерного излучения в этот источник ионов не осуществим, а значит с его помощью невозможно обеспечить исследование процессов взаимодействия лазерного излучения с молекуяами струи Наиболее близким к изобретению является времяпролетный масс-спектрометр содержащий импульсный источник ионов, дрейфовое пространство и детектор ионов Источник ионов включает два электрода, ограничивающих область ионизации,и электронную пушку с коллектором электр нов, расположенную так, чтобы: ленточный пучок электронов прозсодтш пар аллельно электродам t.) . Недостатком это1Х прибора является невозможность исследования с его помощью 1юздействия лазерного излучения на Молекулы ютруи. Это связано с тем, что область ионизации источника ионов ограничена с четыреж сторон двумя электродами, электронной -пушкой и коллектором электронов. Таким офазом, одновременное введение в этот объем пере секаквдихся газовой струи и лазерного излуч НКЯ нe&oз юж;нo. Целью изофетения является расширение функциональных возможностей за сче исследования процессов воздействия лазерногчэ излучения на молекулы газовой струи с помощью времяпролетного массспектрометра. Поставленная цель достигается тем, что в времяпролетном масс-спектрометре, включакщем импульсный источник ионов с электронной пушкой и двумя ограюгчкаакяцими область ионизации электродами, дрейфовое пространство и прием ник ионов, В источник ионов введен щелевой кюллима:Тор газовой струи, два квантовых генератора и две расположенные по разные стороны источника ионов диафрагмы для ввода излучения квантовых генераторов, выполненные с возможностью перемещения, при этом коллиматор расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, ограничивающих область ионизации, средняя плоскость распространения газовой струи лежит между указанными электродами, оптические оси квантовых генераторов, проходяпгае через центры диафрагм: совпадают и лежат в средней плоскости распространения газовой струи, электронная пушка расположена за первым электродом, ограничивающим область ионизации, выполненным со щелью для прохождения электронного пучка, а второй электрод выполнен со щелью для пропускания ионов из области ионизации, причем щели в обоих элек:гродах параллельны оси лазерных лучей. Щелевой коллиматор необходим для введения в область ионизации между электродами источника ионов газовой струи Так, чтобы она проходила не касаясь элементов конструкции источника. Две диафрагмы лазерных лучей служат для ввода в область ионизации между электродами источника ионов лазерного излучения тдким образом, чтобы лучи лазеров пересекали среднюю плоскость газовой струи и не касались этих электродов. Расположение электронной пушки так, чтобы пучок электронов проходил между ограничивакшшми область ионизации электродами параллельно им (как в прототипе и щзугих времяпролетньоЕ масоспектррметрах) теперь конструктивно невозможно. Поэтому она помещена за первым ограничивающим область ионизации электродом, а этот электрод выполнен со щелью для прохождения тронного пучка в область ионизации. Угол наклона плоскости эпектроннстго пучка к плоскости первого электрода может быть практически любым отличным от нуля. Предпочпггегааы углы, близкие к 45, так как увеличение угла наклона ведет к уширевию пакета ионов, вырезаемого (из всех иовизованных молекул) щелью второго Э|яе ггрода, что, в свою очередь, снижает разрешающую способность масс-спектрометра. Уменьшение этого уша приводит X консутруктивному увеличению расстоя6и9 до зоны ионизации и практически уменьщает плотшхлъ аиектроннрго тока в вей, что снижает чувствительно ггь прибора. Зоне взаимодействия молекуп газовой етруи в лазерным излучением тфеогставп ет некий цилиндрический объем, образованный пересечением лазерных пучей игазовойструи. дляобеспеч ниямиаксимальной чувстгвительности время пролегного масс-спектрометра необходимо обеспечить максимальное перекрытие этого пилиндрического объема ленточ- . ньш электронным пучком. Это достигается тем, что упомянутая щель в первом электроде параллельна оси лилиндрического объема, а электронная пушка расположена так, что ленточный электронный пучок проходит через эту щель и пере;секает ось цилиндрического объема. Для пропускания ионе облученных молекул в пространство дрейфа во втором ограничивающем область ионизации электроде прорезана щель, ось которой парал лельна оси лазерных лучей. При этом больВшнство ионов, полученных из молекул гЕзовой струи, не облучавшихся лазернь1м светом, не проходят в щель второго электрода. Для увеличения плотности электронНО1ХЭ Тока, что ведет к увеличению чувст вительности масс-спекррометра, в источнике ионов могут использоваться несколь ко электронных пушек, расположенных эа первым электродом так, что плоскости ленточйых электронных пучков пересекаю ся цо оси, параллельной оси лазерных лучей. В этом случае в первом электроде прорезается несколько шелей. На фиг. 1 изображена блок-схема вре мяпролетнрго масс-спектрометра; на фиг. 2 - конструкция источника ионов Предлагаемое устройство состоит . из импульсного источника 1 ионов, дрейфового пространства 2 и приемника 3 ио нов. Источник ионов вкгаочае т щелевой коллиматор 4, формирующий газовую струЮг две диафрагмы 5 и 6 лазерных лучей. Электронные пушки 7 и 8 располо жены за, первым огранйчивакшим область ионизации электродом 9, в котором прорезаны две щели 10 и 11 для прохождения ленточных электронных пучков. .Во втором электроде 12 выполнена щель 13 для пропускания ионов из обпаста вонизашш Устройство работает следующим офазом. В область ионизации между электродами д и 12 через щелевой коплнматор 4 попадает ленточная струя, исследуемого газа. В рпределенный момент времени некоторый участок этой струи (определяв мый положением диафрагм лазерных лучей 5 и 6) облучается импульсом лазерного света. Затем этот же участок газовой струи лблучаеггся электронными пучками от пушек 7 и 8. Офаэовавшиеся ионы выталкиваюггся из обпекггв ион ации импульсным напряжением, приложенным к электродам 9 и 12, в щюйфовое . пространство 2. Ионы могут офазовыватЕся из остаточного газа и рассеянных молекул газовой струи на всем jtporaжении ленточных электронных пучков, во через щель 12 во втором ограничивак щем область ионизации электроде 12 преимущественно прсясодят ионы, находившиеся в облученной лазерным светом зоне газовой струи. Прошедшие в /фейфовоё пространство 2 ионы разделяются по массам и последовательно поступ.аклг . на приемник 3 ионов. П р и м е р. Ёллп создан времяпролетный масс- спектрометр для исследования процессов воздействия лазе{рого излучения на молекутгы газовой струи. В ис.точнике ионов этого прибора применены три ускоряющих ионы электрода (fjfe nof въоиения разрешающей способности. массспектрометра), два из которых ограничивают облаЬть ионизации. Размеры этих электродов 6О ЗО v2 мм. Расстояние между электродеми, ограничивающими область ионизагши, 5 мм для беспрешч ственного прохождения лазерных лучей и газовой струи. Щелевой коллиматор имеет размерял щели 1 Х1О формирует газовую струю, средняя плоскость ко-торой параллельна ускоряющим ионы элекродам. Диафрагмь лязернъпс лучей имеют oTBej стие диаметром 1 мм и установлены так, что лучи пересекают газовую струю под углом ЭО и лежат в ее средней плосюсти. I. В источнике ионов ; ставовлены две электронные пушки с электростатической фокусировкой, что позволило создать вобласти ионизации плотность апекгронного тока около 2О мА/см . Сечение каждого электронного пучка имеет раэмеры 1 12 мм Плоскости электронных пучков расположены под угааьл 45 к плоскости ограничивающего обпвсть ионизации электрода, в котором ва рао-. стояшга 5 мм прут огг прорезаны наклонные щели размером 1x12 мм для прохождения электроввых пучков. Во втором, ограничиваюшем область HotinaaiiOTi, электроде ньшолнена щель ра мером 1 ). 10 мм для вьщеления ионов из облученной лазерным светом зоны. Щель эта смещена по направлению движения газовой сгруп на 0,3 мм от прое ции оси лазерных лучей (на такое расст яние смещаются молекулы за время от начала ионизации до выхода ионов из области ионизашга). Для компенсашга скорости ионов, связанной со скоростью движения газовой струи, на выхо де источника ионов поставлены отклоняю щие пластины, расстояние между которы ми 4 мм., Для увеличения разрещаклпёй способности в масс-спектрометре применена Дополнительная электростатическая фокусировка ионных пакетов по принципу масс-рефлектрона. Для этого в массспектрометре поставлен отражатель ионов, а траектория движения ионов в камере прибора выбрана Y-образной. Отражатель ионов состоит из двух электро дов, Создающих . отражающее поле, глубина коТорого 12О Mt.i. В качестве приемника ионов применены две микроканальные пластины диамет ром 46 мм. Дпйна трубы камеры анализатора750 мм. При этих габаритах разрешающая способность масс-спектрометра равна 6ОО по (х;нованию массовых пиков. Чувствиг тельносТЬ его такова, что при плотности исследуемого газа в струе 10 молекул/см на приемник ионов приходит ОДИН ион за каждый цикл выталкивания ионов из источника. При плотности газа Л4 В струе 10 молекул/см колебание амплитуды основных массовых пиков спект ра (за счет статистического разброса чи ла ионов в пакете, приходящем на прием ник) составляет 5%. Этого достаточно для обнаружения и исследования бояьйган ства интересующих нас эффектов. Так, например, при воздействии мощного ИК-лазерного излучения на молекулы згенсафторида серы (SFf,), oxлaждeI ные в расишряющейся газовой струе, изменение амплитуды пиков SF и 5F достигает 50%. Таким образом, после единичнотх) импульса лазера можно получить, с достатонной достоверностью информацию об эффекте воздействия ИК-иэлучения на молекулы 5Fj. При излучении воздей::твия лазерного излучения на разли шые по изотопному составу молекулы гексафторида серы Vracc-спектрометр позволил определить селективное изменение масс-спектрьв молекул 5 f, и при одновремев.ном их возбуждении. Новый BpeMsmpoлетный масс-спектрометр также позволяет измерять плотности различных компонентов газа в струе, групповые скорости молекул в ней, снимать масс-спектры возбужденных лазерным светом молекул, наблюдать процессы дезактивации молекул, а при болытсс плотностях газа в струе наблюдать пики кластеров. Предлагаемое изобретение дает возможность изучать детали сложного процесса взаимодействия лазерного излучения с молекулами газовой струи, что актуально для лазерного разделения изотопов. изобретения о р м у л а Времяпролетеый масс-спектрометр, содержащий импульсный источник ионов с электронной .пущкой и двумя ограничивающими область ионизации электродами, дрейфовое пространство и приемник ионов, отличающийся тем, что с целью расширения функциональных возможностей, в источник ионов введен щелевой коллиматор газовой струи, два квантовых генератора и две расположенные по разные стороны источника ионов диафрагмы для ввода излучения квантовых генераторов, вьтолненные с возможностью перемещения, при этом коллиматор расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, ограннчивакяцих область ионизации, средняя плоскость распространения газовой струи лежит между указанными электродами, оптические оси квантовых генераторов, проходящие через центры , совпадают и лежат в средней плоскости распространения газовой струи, электронная пушка расположена за первьп«1 электродом, ограничивающим область ионизашга, выполненным со щелью для прохождения электронного пучка, а второй элекгрод выполнен со щелью для пропускания ионов °из области иоквзашга, причем щели в обоих электродах параллельны оси лазерных лучей. Источники ин1юрк ашги, принятые во внимание при экспертизе iCossioto hNO,5chuEi Р.Д ,beeX.T.,sV)en4.R. AotecutQr ъеоуп Иий) о€ lAuElipliodor ттociolioM о S)T6-..1{eN -e-i ,,17,19179loossie10

Масо-спектрометр с итульсным источ- № 198О34, НО1 J 49/4О, 09.06.67. Никочионов.ЖТФ 23, №11,2101, 1953. (прототип).

Фи1.1