Магнетронный масс-спектрометр Советский патент 1983 года по МПК H01J49/42 

Изобретение отност-ся к масс-спектро метрии, в частности к магнетронным мас спектрометрам, и может быть использовано для химического и изотопного анали за газов и паров, а также в качестве манометра для измерения парциальных давлений газов и паров в вакуумных системах. Известные масс-спектрометры магнет ронного типа, отличающиеся повышенной чувствительностью и простотой устройства, содержат цилиндрический анализатор, источник ионов, размещенный либо на оск либо снаружи анализатора, коллектор ио,нов, размещенный соответственно либо снаружи, либо на оси анализатора и мaг1нитную систему, создающук) продольное магнитное поле. Для разделения ионов в известных масс-спектрометрах используется. зависимость их радиуса траекторий в магнитНом поле от отношения заряда ионов к их массе. При определенных значениях магнитной индукции и ускоряющего напряжения на коллектор попадйют только ионы с массами, большими измеряемой. Ионный ток измеряемого компонента пропорционален содержанию этого компонента в анализируемой газовой смеси. Концентрации отдельньрс компонентов могут быть определены, например, как разности ионных токов в цепях полуцилиндрических коллекторов, расположенных на разны расстояниях от оси анализатора регистрацией переменной составляющей тока в цепи коллектора при модуляции энергии ионов путем пфиодического изме нения значения ускоряющего напряжения от специального источника переменного напряжения Зили регистрацией перемй Ной составляющей тока в цепи коллектора при двойной модуляции ускоряющего напряжения 13. Известны также магнетронные массспектрометры, в которых целью повышени чувствительности цилиндр и торцы ана- лизатора электрически изолированы друг от друга и подключены к клеммам соответственно отрицательной и положительной полярности дополнительного ксточ-, ника питания 4 . Известен масс-спектрометр в кото ром для увеличения разрешающей способности внутри анализатора установлена улкгга . Указанные масс-спектромётри потребляют большую Мощность. Наиболее близким к предлагаемому является магнетронный масс-спектромеггр содержащий источник ионов, цилиндрический анализатор, размещенный на его оси коллектор ионов и магнитную систему. Источник ионов выполнен в виде цилиндрического тороида, на одном из концов которого укреплен кольцевой эмиттер ионизирующих электронов. В продольном маг нитном поле в источнике формируется тонкий трубчатый электронный поток, который является областью зарождения анализируеMbns ионов . Недостатком известного масс-спектрометра является большая расходуемая мощность, потребляемая главным образом электронным эмиттером. Так, мощность прямонакального вольфрамового кольцевого эмиттера диаметром 50 мм при токе эмиссии Ю мА 35-40 Вт. Недостатком кольцевого прямонакапьного шэоволочного эмиттера является отсутствие необходимой жесткости. Значительное смапение гмиттера при нагреве снижает разрешающую способность масс-спектрометра, так как даже при разрешающей способности 50, диаметре эмиттера электронов . 5 О мм и диаметре коллектора 3 мм ширина области образования ионов в радиальном направлении не должна превышать О,1 мм. Кроме того, масс-спектрометры с прямонакальным эмиттером обладают малой надежностью в связи с небольшим сроком службы эмиттера. БОЛЬШОЙ расход мощности, в частности, является неприемлемым при использова- . НИИ магнетронных масс-спектрометров в качестве универсальных портативных газоанализаторов для экспресс-анализов газа в полевых - условиях. Кроме того, известный, масс-спектрометр характеризуется большой погрешностью измерений, связанной с диссоциа01ией молекул нейтрального газа под деист-, вием электронной бомбардировки и наложением пиков осколочных ионов в массспектре друг на друга и на пики молекулярных ионов. Цель изобретения - уменьшение расходуемой мощности, повышеине чувствительности. Поставленная цель достигается тем, что в магнетронном масс-спектрометре, содержащем источник ионов, цилиндрический анализатор, размещенный на его оси коллектор ионов и магнитную систему, источник ионов размещен на торце энализатора и вьшолнен в виде двух соосных цилиндров, установленных между плоскими электродами, в одном из которых выполнена кольцевая щель, а другой соеди31018ней с положительной клеммой источника раарядного напряжения, а магнитная систв ма вьшолнена в виде кольцевых магнитов установленных одноименными полюсами яруг к другу и разделенных шайбами из магнитомягкого материала, при этом шайбы размещены в плоскости источника ионов. При этом масс-спектрометр снабжен двумя источниками ионов, размещенными симметрично относительно средней, плоскости анализатора. Физической основой предлагаемого изобретения является замена способа получения анализируемых ионов за счет электронной бомбардировки их получением непосредственно в анализаторе за счет резонансной перезарядки и ионизации нейтральных молекул ионами анализируемого газа, которые вытягиваются из. разряда в скрещенных электрическом и магнш-ном полях. Эти процессы отличаются большим эффективным сечением для передачи заряда и ионизации при столкновениях малой вероятностью их диссоциации и малыми анергиями вновь образующихся ионов . Непосредственное использование ионов, получаемых .из разряда, в магнгггных масхз-спектрометрах невозможно из-оа большого разброса их по энергии, На изображен магнетронный масс-спектрометр. -Источники I и 2ионов размещены на торцах 3 и 4цилиндрического анализатора 5, симметрично относительно его средней плоскости. Источники вьшолнень в виде двух соосных цилиндров 6 и 7, установленных между плоскими электродами 8 и 9, В электроде 8 {он может совпадать с торцом 3 анализатора 5) выполнена кольцевая щель. Другой электрод 9 соединен с положительной клолмой источника IО разрядного нагфяжения, Снаружи анализатора размещена магнитная система Она вьшолнена в виде трех кольцевых магнитов 11-13, установленных одноимен ными- полюсами друг к другу и разделен ных щайбами 14 и 15 из магнитомягкого материала (например, Армко). Шайбы 14 и 15 размещены в плоскостях источников 1 и 2 ионов, к внешним полюсам магнитов 11 и 13 примыкают Тобразные подносные наконечники ,16 и17 из магнитомягкого материала. На оси анализатора 5 укреплен цилиндрический коллетор 18 ионов, соединенный с усилителем 19 тока. Торцы 3 и 4 анал затсра 5 заземлены, Цилиндр 20 анализатора 5 соединен с положительной клем6,4 мой- 1тсточника 21 ускоряющего напрянсения. Масс-спектрометр работает следугопсол образом. Магнитные потоки, создаваемые магнит пой системой, замыкаются через поЛюс-- ные наконечники и шайбы таким офазом, УГО в источниках и 2 ионов силовые f пинии магнитного поля (изображены на чертеже пунктирными линиясми) направлены в . источниках ионов по радиусам, а в анализаторе 5 -. вдоль оси. При подаче на электрод 9 высокого напряжения от источника Ю разрядного напряжения в источнике , ионов возникает разряд в анализируемом газе в скреяценных электрическом и магнитном полях. Офазовавшиеся ионы ускоряются от анода вдоль оси и .через кольцевую щель в электроде 8 поступают в анализатор b в ввде тонкого трубчатогопучка. При столкновениях этих исжов с нейтральными молекулами напол1сяюи1е го анализатора происходит перезарядка ионэв пучка и ионизация нейтральных Молекул. При этом вероятность перезарядки значительно больше вероятности всех других процессов. Передача заряда происходит в основном молекулам собственно газа, т. е. за счет резонансной перезарядки. Это приводит к тому, что хотя осколочные ионы и проходят в анагизатс, ро вследствие отсутствия таких нейтральных молекул в газе они неомогут передать свой заряд и под действием радиальной составляющей скорости уходят на торцы анализатора. Сохранявшие свой заряд первичные ионы могут многократно осциллиpOBf.Tb Между симметрично расположшшл источниками I и 2 ионов, увеличивая тем самым длину своего tipo6ora в анализаторе и повышая вероятность передачи заряда. Образовавшиеся при перезарядке вторичные ионы дрейфуют в радиальном . .направлении в поле цилиндрического конденсатора, образованного цишпдром 2О и коллектором 18 иойов. Траектории ионов касаются коллектора t8, если их, массы удовлетворяют соотношшию €& ,78Ur. Гх, t Ка - радиусы коллекто.„и,, -„ .ра 18 и наружного цилиндрического электрода 2О: е - заряд электрона U - ускоряюшеё напряжение; В - магнитная индукция вдоль оси. Все более тяжелые ионы приходят на коллектор и нейтраЖгауюгГ- ся на нем, все более легкие ионы не , s кс шеЁКтора и ,возфаща отся к месгу юбразования. Проиавс дная тока коллектора служит мерой концентрации

I. МАГНЕТРОННЫЙ МАСССПЕКТРОМЕТР, содержащий источник ионов, цилиндрический анализатор размещенный на его оси коллектора ионов и магнитную систему, отличаю - щ и и с я тем, что, с целью уменьшения расходуемой мощности, источник ионов размещен на торце анализатора и выполнен в виде двух соосных цилиндров, установленных менщу плоскими 9лектродш«1и, в одном №э которых выполнена кольцевая щель, а другой соединен с положительной клеммой источника разрядного напряжений, а магнитная система выполнена в виде i кольцевых магнитов, установленных одноименными полюсами друг к другу и разделенных шайбами из магнитомягкого материала, при этом шайбы расположены (Л в плоскости источника ионов. 2. Масс-спектрометр по п. I, о т Сличающийся тем, что, с 1 § повышения чувствительности, он снабжен источниками ионов, размешенными симметрично относительно средней гшоскос: ти анализатора.