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

СО

со Предлагаемый масс-спектрометр относится к фотоэлектрическим, электронным и газоразрядным приборам для исследования излучения или потока элементарных частиц. Известен масс-спектрометр для анализа солнечного ветра по массе и энергии, содержащий масс-анализатор, состоящий из постоянного ма нита с плоскими полюсниками, разделенными зазором, электростатичес кого цилиндрического конденсатора, обкладки .которого совместно с полюсниками магнита образуют входное ь выходное окна, ограничивая из ра меры во взаимно перпендикулярных Исшравлениях; энергоанализатор, вы полненный в виде электростатическо го цилиндрического конденсатора, обкЛсщки которого имеют ось. симмет рии , направленную перпендикулярно поверхности полюсников магнита, и приемник с коллимационной щелью Cl Эффективность известного массспек:рромегра, которая определяется в основном величиной площади входного окна масс-спектрометра, предназначенного -для исследования пото ков заряженных частиц с угловым разбросом, не превышающим угловую апертуру прибора,, и его разрешаю- щая способность обеспечиваются использованием В- масс-анализаторе электростатического цилиндрического конденсатора, обкладки которого имеют ось симметрии, лежащую по направлению распространения исследуемого потока частиц, и расположением i масс-анализатора перед знергоанализатором. Площадь входного окна прибора, сбвпадающето со входным окном конденсатора масс-ан лизатора, составляет 0,3 см при разрешакнцей способности по скорост потока солнечного ветра 20-30 (соответствует разрешению по массе м/2/л( - 15 и не позволяет получить эффективность, достаточну для проведения анализа компонент малых концентраций в общем потоке частиц. Наиболее близким техническим ре шением к предлагаемому является масс-спектрометр для анализа межпланетной плазмы, содержащий энергО анализатор, выполненный в виде электростатического цилиндрического конденсатора, обкладки которого образуют входное и вьйкодное окна, масс-анализатор, состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками, paздeлeнны DI зазором, электростатического цилиндрическог конденсатора, обкладки которого совместно с полюсника1ии магнита образуют вводное и выходное окна, ограничивая их размеры во взгшмно перпендикулярных направлениях, и приемник с коллимационной целые Конденсаторы энергоанализатора и масс-анализатора установлены так, что оси симметрии их обкладок пер-. пеняикулярны поверхностям полюсников и расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через границу выходного окна конденсатора энергоанализатора, образованную одной из его обкладок, и через границу входного окна конденсатора масс-анализатора, образованную одной из его обкладок t2J. В этом масс-спектрометре величина площади его .входного окна, совпадающего со входным окном конденсатора энергоанализатора, равная 0,1 см, с одной стороны не обеспечивает требуемой эффективности прибора, а с другой приводит к низГ« л. AV ЯЛ (-) разрешающей способности , . .из-за значительных аберрациш . и ПЛОХИХ: дисперсионных свойств масс анализатора. В приведенных схемах масс-спектро-метров для получения требуемой разрешающей способности конденсаторы энерго-нл масс-анализаторов должны иметь малые размеры входного и выходного окон во взаимно перпендикулярных направлениях, так как один из размеров ограничен обкладками конденсаторов, а перпендикулярный ему - величиной зазора между полюскиками Магнита. Поэтому такие масс-спектрометры обладatoiнизкой эффективностью. Швышение эффективности за счет увеличения площади входного окна прибора при данной конструкции приводит к существенному увеличению,размеров и ееса масс-спектрометра, что недопустимо в условиях космического эксперимента, или к ухудшению его разрешающей способности. Целью изобретения I является повышение эффективности и увеличение разрешающей способности масс-спектрометра. Указанная цель достигается тем, что в масс-спектрометре, содержащем энергоанализатор, выполненный в виде эд ектростатического цилиндрического конденсатора, массанализатор, состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками, разделенными зазором, электростатического цилиндрического конденсатора, и приемник с коллимационной щелью, параллельные обкладкам конденсаторов оси симметрии выходного окна первого конденсатора и входного окна второго конденсатора лежат в плоскости, проходящей через середину зазора магнита. параллельную его полюсникам, и параллельны между собой, а обкладки/ конденсаторов выпуклостью направле в противоположные стороны, при это соотношение ширины коллимационной .целя В и радиусов кривизны обкладо Тсонденсатора Macc-aHajpisaTopa й и удовлетворяют неравенству 0,00 - 0,013 i: .,., - - а угол ot кривизны ббкладок конденсатора эне гоанализатора и угол кривизны обкладок конденсатора масс-анализатора определяются неравенствами . Установка электростатических конденсаторов и магнита указанным образом способствует тому, что обкладки конденсаторов и полюсники магнита ограничивают входное окно прибора, совпадающее со входным окном энергоанализатора, только в одном направлении. Размещение электростатических конденсаторов таким образом, что оси симметрии кривизны поверхносте их обкладок расположены по разные стороны от плоскосги, проходящей через одну из разделенных зазором поверхностей полюсников магнита, улучшает энергетическое пропускание прибора в пределах его энергетического окна. Форма полюсников магнита обеспе чивает одинаковые условия для частиц исследуемого потока, независиМО от места их влета в зазор по длине полюсников, и большую диспер сию. Выбранная величина угла о конденсатора энергоанализатора позволяет переводить параллельный поток |Исследуемых частиц во входном окне в параллельный поток в выходном окне, обеспечивая тем самым высоко пропускание масс-анализатора. При/; d, i25 и ot 7l29° поток частициз выходного окна энергоанализатора становится отличным от параллельного на столько (соответственно расходится или сходится), что су«цественно ухудшает пропускание масс-анализатора. Выбранная величина угла конденсатора масс-анализатора позволя ет осуществить фокусировку исследуемого потока частиц по углу конденсатором масс-анализатора на коллимационную щель. При зн чительно ухудшается энергетическое разрешение конденсатора, фокальная плоскость конденсатора смещается в область между его обкладками так, что исключается возможность коллимации потока частиц в непосредственной близости от фокальной плоскости. Это уменьша|ет разрешающую способность массанализатора. №рина коллимационной щели Ъ выбирается так, чтобы за сче:г ограничения рассеянных частиц исследуемого потока, попадающих на приемник, повысить разрешающую способность прибора, не уменьшая существенно общего числа заряженных частиц, достигающих приемника. Гри ,008 пропускание масс(.)/ спектрометра, а следовательно, и его эффективность становятся низ-. кими. При 0,013 становится малой разрешающая способность массспектрометра. Таким образом, описанные отличительные признаки в совокупности необходимы и достаточны для одновременного повышения эффективности и разрешающей способности массспектрометра. Гредлагаемое устройство представлено на чертеже. На фиг. 1 показана проекция масс-спектрометра на плоскость,. пер,пендикулярную оси симметрии кривизны поверхностей обкладок конденсатора энергоанализатора; на фиг. 2 - аксонометрическая проекция масс-спектрометра. Масс-спектрометр содержит электростатический конденсатор энергоачализатора, состоящий из обкладок 1 и.2, магнит с полюсниками 3 и 4г электростатический конденсатор масс-анализатора, состоящий из обкладок 5 и б, выходное окно которого перекрывается приемником 7 с крллимс1ционной щелью 8. В качестве чувствительного элемента приемника используются микроканальные пластины, которые служат для регистрации заряженных частиц потока солнечного ветра. Г едлагаемый масс-спектрометр работает следунэщим образом. Исследуемый поток заряженных частиц попадает во входное окно 3Hej гоанализатора между обкладками 1 и 2, где формируется величина энергетичёского и углового пропускания. Затем пучок заряженных частиц попадает в масс-анализатор, магнит которого (полюсники 3 и 4) отклоняет заряженные частицы потока на углы, зависящие от величины М/Z для каждой частицы. Конденсатор масс-анализатора, состоящий из обкладок 5 и 6, производит отбор частиц с различным значением М/Z по составляющей энергии нормальной к поверхности выходного бкна, и фокусирует

эти частицы по углу на коллимационную цель.

Фокусирующие свойства энергоаналиэатора и масс-анализатора и дисперсионные свойства масс-анализатора позволяют выделить частицы с определенным отношением W и E/Z из общего потока и зарегистриро,вать их приемным устройством.

В лабораторных условиях проведен расчет и моделирование масс-спектрометра. При этом выбраны следующие размеры:

Радиусы обкладок

конденсатора энерt 4,1см

гоан али з атор а

ru ± 4,3см

Радиусы обкладок конденсатора масс з 4,1см анали затора

( 4 ,3см

Длина окон конденсатора энергоанали,Ц 20 см затора

Длина окон конденсатора маес-аналиL2-25 см затора

Ширина полюсников

см

магнита

Угол конденсатора -(i:,127°

энергоан али з атора

Угол конденсатора

Л.64°

масс-анализатора

Ширина коллимаци.онной щелиВ.,05 см

Цэи этом величина площади вход5 ногоокна прибора ;см, средняя разрешанадая способность масс-спектрометра 20,

Цзедлагаемая конструкция позволяет повысить эффективность масс0 спектрометра в 40 раз за счет получения, большой площади входного окна прибора при увеличение его разрешающей способности в 2,5 раза по сравнени, с конс трукцией прототипа. 5 Шедлагаемая конструкция позволяет также проводить анализ потока солнечного ветра с направлением, измё няющимся в широком диапазоне углов

(±15°) относительно нормали к поQ верхности входного окна прибора, лежащих в плоскости, проходящей через длинную ось входного окна прибора.

Параметры предлагаемого масс5 спектрометра достаточны для получения надежных данных о Г ческой температуре и скоростиионов солнечного ветра тяжелее кислорода, а также для определения зарядового состояния в широком диапазону потоковых скоростей солнечного ветра.

МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержаНИИ энергоанализатор, выполненный в виде электростатического цилинд:рического конденсатора, масс-анализатор, состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками, раз деленными зазором, и электростатического цилиндрического конденсатора, приемник с коллимационной щелью, отличающи йс я тем, ЧТО, с целью повышения эффективности и увеличения разрешающей способности, параллельные обкладкам конденсаторов оси симметрии выходного окна первого конденсатора и входного окна второго конденсатОра лежат в плоскости, проходящей через середину зазора магнита, параллельную его полюсникам, и параллельны между собой, а обкладки конденсаторов выпуклостью направлены в противоположные стороны, при этом соотношение ширины i коллимационной щели Ь и радиусов кривизны обкладок конденсатора iмасс-анализатора г и г удовлетво:ряют неравенству О, 008 ТГТТГТТ ,013, а угол оС кривизны обкла,док конденсатора знергоанализатора и угол оСа кривизны обкладок конденсатора масс-анализатора ortpeделяются неравенствами 125 , 6 129°; ,. 05