Масс-спектрометр с тройной фокусировкой Советский патент 1983 года по МПК H01J49/32 

Изобретение относится к спектроме-ррам заряженных частиц, а именно к ста- тнческим масс-спектрометрам со скрещенными магнитными и электростатическ ми -полями. Известен статический масс-спектроме с однородным секторным бО магнитным полем, с которым пространственно совме щено 60 -ное радиальное электроста-Гическое поле цилиндрического конденсатора.В этом приборе обеспечивается двоинай фокусировка, а именно фокусировка П9 углу в плоскости дисперсии (горизонтальная плоскость) и фокусировка по энергии tl . Недостатками прибора явЛяютс р низкая дисперсия и разрешающая способност присущая масс-спектрометрам с однородным полем, и малая светосила из-оа отчсутствия фокусировки в вертикальной плоскости. Кроме того, большая величина зазора между полюсами электромагнита, необходимая для размещения пластин цилиндрического конденсатора с правильным соотношением их ширины к расстоянию между ними, ведет к сильному увеличению ширины полюсов, сечения магнитопровода и размеров питающих катушек. Наиболее близким техническим решением к изобретению является jviacc-спект- рометр с тройкой фокусировкой, содержащий ионный источник, масс-аиализатор в виде секторного 90 магнита с : двумя полюсами, многоэлектродную электростатическую фокусирующую Систему (Эфе), пространственно совмещенную с электромагнитом, и приемник заряженных частиц. Указанный масс-спектрометр обеспечивает наряду с фокусировкой по энергии и по углу в горизонтальной плоскости также и фокусировку в вертикальной плоскости t23. Недостатками прибора являются малая разрешающая способность вследствие применения для масс- нализа однородного магнитного поля, сравнительно малая светосила из-ва отсутствия фокусировки второго порядка по углу, а также сложность конструкции и юстировки Эфе, состоящей из 76 электродов, йзогщ-тых по дугам окружностей различных радиусов Целью изобретения является повышение разрешающей способности и светосилы Эта цель достигается тем, что в масс-спектрометре с тройной фокусировкой, содержащем источник ионов, массанализатор в виде электромагнита с двумя полюсами, электростатическую систеjey для обеспечения фокусировки по э ерГНИ в виде электродов пространственно совмещенных с электромагнитом, и приемник заряженных частиц, полюса электромагнита расположены вдоль продольной оси масс-спектрометра, а плоскости, проходящие через центры полюсов, находятся под углом. К/2 друг к другу симметрично относительно средней плоскости масс- нализатора, часть ярма электромагнита, соединяющая нолюса, вьшолнена плоской и расположена перпендикулярно к средней плоскости масс-анализатора, один из электродов электростатической системы размещен между полюсами электромагнита симметрично относительно средней плоскости электромагнитного анализатора, другой электрод выполнен в виде двугранного угла величиной /2, ребро которого лежит в средней плоскости электромагнитного анализатора;, а грани расположены симметрично относительно этой плоскости, при этом кратчайшие рассто5шия от ребра двугранного угла До полюсов электромагнита и до первого электрода электростатической системы равны между собой, а также равны расстоянию от первого электрода до плоской части ярма электромагнита. При указанном взаимном расположении Полюсрв и электродов создается совмещ енное в пространстве комбинированное электромагнитное неоднородное поле, изменяющееся п6 линейному закону, причем силовые линии электростатического поля перпендикулярны магнитным силовым линиям (скрещенные поля). Для малых углов наклона пучка заряженных частиц к продольной оси массспектрометра условия тройной фокусировки получены в простом аналитическом виде / (tiv „ -г/Ь, (2) (х ге . .а. Еформулах (1)-(3) введены следующие бозначения: р и j% - возбуждения агнитного и-электростатического полей, оответственно} V - разность потенциаов между электродами; V - значения калярного магнитного потенциала на олюсах, ф - ускоряющий потенциал, - расстояние от продольной оси спектометра (ребра двугранногоугла) до первого электрода и до середины полнх;ов; W) t е и V - масса, заряд и скорость частиц соответственно; С - скорость св та; &р- угол наклона центральной траек тории пучка на входе в анализатор, При выполнении условий (1) и (2) линейная дисперсия прибора по массе имеет вид Ф - dLL...m.1 - Ib K P-Mrj г , (4 . Эта величина в 2 -/2 раза превьшает линейную дисперсию масс-спектрометра только с магнитным полем. При больших углах условия тройной фокусиров1 :и выражаются в виде квадратур со сложными подинтегральными выражениями и здесь не приводятся. Следует отметить, что в предлагаемом масс-спектрометре может быть улучшена фокусировка по углу за счет осуществления фокусировки второго по- . рядка в плоскости дисперсии путем варьирования- расстояния от приемника до входа в поле. На 4мг. 1 дана схема предлагаемого масс-спектрометра в плоскости дисперси на фиг. 2 - поперечное, сечение анали- : затора масс-спектрометра. Предлагаемый масс-спектрометр состоит из ионного источника 1, электромагнитного анализатора, содержащего дв полюса 2, ярмо 3, и питакяцих катушек электростатической системы, содержащей электроды 5 и 6, и приемника 7 заряженных частиц. На .фиг. 1 изображены центральная траектория 8 пучка частиц, точка Э поворота траектории. Работа предлагаемого устройства состоит в следующем. i ,. Из ионного источника 1, ось которог расположена под углом © к границе поля, выходит пучок заряженных частиц с центральной траекторией 8, Этот пучок попадает в комбинированное электромагнитное поле, образованное магнитными полюсами 2 и ярмом 3, а также электродами 5 и 6, которое уменьшается по линейному закону от полюсов 2 и электрода 5 к продольной оси системы. Ход траектории пучка является зеркально 1 68 симметричным относительно плоскости, проходящей шерез точку 9 поворота траектории. В указа1шом поле происходит разделение пучка заряженных частиц по массам таким образом, что при данной напряженности магнитного поля и связанной с.пей определенным cooTHome. нием напряженности электростатического поля частицы с одинаковой массой при различных значениях энергии попадают в приемник 7, расположеиньШ симметрично ионному источнику 1. Имеются два различакщихся режима работы масс-спектрометра: I (при/&о/ 90°) и И (при/€ о/7 900). Для режима II характерна большая дисперсия и вместе с тем меньшие габариты прибора в направлении продольной оси за счет особенности хода траектории с тремя поворотами (фиг. 1). Кроме того, режим И более светосильный вследствие наличия фокусировки второго порядка по углу в плоскости дисперсии. Расчеты, проведенные по формулам (1) -(4) для режима I работы предлагаемого масс-спектрометра с тройной фокусировкой 1 показали, что линейная дисперсия на 10-20% превосходит линейную дисперсию известного устройства, а аберрации и, как следствие, светосила прибора находятся на одном уровне с известным устройством. Для режима II работы предлагаемого масс-спектррметра установлено, что оптимальными условиями, при которых осуществляется пространственная фокусировка и одновременно фокусировка второго ЯВЛ5ПОТпор5адка в плоскости дисперс ся 0о -122(РмГ 816;(рЕ) 1 -4,08; при этом2);„ 0,. Оря ширине входной и выходной щелей S 5,2 0.1 мм, радиусе апертуры анализатора Р 24О мм и угле раствора пучка в плоскости дисперсии 20 0,25 разрешающая способность R 780, а светосила Q. 0,7% от 47fc. Сравнение с известным устройством при одинаковых размерах щелей и одних и тех же габаритах анализатора показало, что предлагаемый масс- ;пектрометр с тройной фокусировкой имеет в 1,7 раза большую разрешающую способность и в 3 раза большую светосилу. хчхчху

Фи.2 X

МАСС-СПЕКТРОМЕТР С .ТРОЙНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ, содержащий нонный источник, электромагнитный масс аналиэатор с двумя полюсами, электроста тическую систему для обеспечения фокусировки по энергии в видв электродов, пространственно совмещенных с электромагнитом, и приемник заряженных частиц отличающийся тем, что, с целью повьпиения разрешающей способности и светосилы, полюса электромагнита расположены вдоль продольной оси 0Uf.f О) 00 масс-спектрометра, а плоскости, проход щие через центры полюсов, находятся под углом 7Г/2 друг к другу сиг/мет , рично относительно средней плоскости масс-анализатора, часть ярма электромагнита, соединяющая полюса, выполне- на плоской и расположена перпендикулярно к средней плоскости масс-«нализато- ра, один из электродов электростатичес- . кой системы размещен между полюсами электромагнита симметрично относительно средней плоскости электромагнитного анализатора, другой электрод выполнен в виде двугранного угла величиной 1lf/2, ребро которого лежит в средней плоскости электромагнитного анализатора, а грани расположены симметрично относительно этой плоскости, при этом кратчайшие расстояния от ребра двугранного угла до полюсов электромагнита и до первого электрода электростатической системы равны между собой, а также равны, расстоянию от первого электрода до шюской части ярма электромагнита.