Масс-спектрометр Советский патент 1984 года по МПК H01J43/30 

Изобретение относится к массспектрометрии высокого разрешения для анализа элементного состава вещества и измерения масс атомных яде и может быть использовано в научных исследованиях различных направлений и для контроля производственных процессов, требующих элементного анализа вещества. Известны масс-спектрометры высокого разрешения с фокусировкой ионо по скорости, содержащие источник ионов, магнитный и электростатический анализаторы, коллектор ионов ij Недостатком масс-спектрометров этого типа является сложность профилей полюсных наконечников дипольного магнита и электродов электростатического анализатора, вызванная требованиями обеспечения хорошего качества пространственной фокусиров ки пучка ионов и фокусировки по ско рости. Известен частный вариант массспектрометра с фокусировкой ионов по скорости, содержащий источник ионов, в качестве магнитного анализатора дипольный магнит с клиновиднь5м межполюсным зазором и в качестве электростатического анализатора цилиндрическое электрическое зеркало, более простые по профилю полюсов и электродов, диафрагму и коллектор ионов С2. Недостатком масс-спектрометра является неполное использование дис персных возможностей магнитного и электростатического анализаторов из-за невозможности многооборотного движения анализируемых ионов в масс спектрометре, обусловленного расположением оси электрического анализа тора и входной-выходной прямолинейной границы магнитного анализатора под углом 45° друг к другу. Цель изобретения - повышение разрешающей способности масс-спектрометра в результате усиления дисперсионного действия магнитного.ана лизатора масс-спектрометра путем осуществления многооборотного движения ионов. Поставленная цель достигается тем что в масс-спектрометре, содержащем источник ионов, за которым установлен дипольный магнитный анализатор с межполюсным 3a3opdM в форме клина усеченного двумя плоскостями, ортогональными к образующей и к плоскости симметрии клина, электростатический анализатор типа электростатическое зеркало, диафрагму и коллектор ионов, входная-выходная прямолинейная граница магнитного анализатора установлена параллельно оси симметрии электростатического анализатора и гребень клиновидного межпо/посного зазора магнитного анализатора совмещен с осью симметрии электростатического анализатора, диафрагма с проходньми отверстиями установлена вдоль оси симметрии, при этом расстояния от оси симметрии электростатического анализатора до входной-выходной прямолинейной границы магнитного анализатора f и до внутреннего электрода электростатического анализатора г удовлетворяют соотношению ,52N/(N-l) , где N - число пар проходных отверстий в диафрагме, расстояние между входным и выходным отверстиями в каждой паре проходных отверстий при входе в электростатический анализатор равно dE 5,40i- и каждое последующее входное отверстие смещено на расстояние d -olgr5,40f-g -5,8b г от пред1едущего входного отверстия, где 5, расстояние между входным и вькодным отверстиями в каждой паре проходных отверстий при входе в магнитный анализатор, ось эмиссионного отверстия ионного источника направлена под 45° к оси симметрии электростатического анализатора . Кроме того, в межполюсном зазоре магнитного анализатора установлены корректирующие секступольно-октупольные катушки. этом вблизи диафрагмы установлена короткофокусная электрическая 1или магнитная линза с фокусом, лежащем в плоскости первого входного отверстия диафрагмы. Теоретическое обоснование приведенных выше необходимых значений параметров масс-спектрометра дается ниже. На фиг. 1 и 2 представлена схема предлагаемого масс-спектрометра в двух взйимно перпендикулярных сечениях. Устройство содержит корректирующие секступольные-отупольные катушки 1, магнитный анализатор 2 с дипольным магнитом с межполюсным зазором в форме клина, усеченного двумя плоскостями, ортогональными к образующим и к плоскости симметрии клина, коллектор 3 ионов, установленный за диафрагмой 4 с рядом проходных отверстий и электростатическим анализс1тором 5 типа .цилиндрическое зеркало, источник б ионов, за которым установлена линза 7. Ось 2 является одновременно 6сью симметрии электростатического анализатора и гребнем межполюсного клиновидного зазора. Масс-спектрометр работает следующим образом. С поксадью формирунмцей ускоряющей системы источника 6 и линзы 7 на оси симметрии 2 создается стигматический фокус пучка ионов. Возможно также размещений ионного источника вблизи диафрагмы с начальным фокусом пучка, лежащим на оси 2. Электр статический анализатор отклоняет пу чок ионов на угол , обеспечивая при этсян стигматическую фокусировку пучка на оси .2 и диспергирова ние ионов по энергии. Условие фокусировки по углу расходимости ионов в радиальной плоско ти (в плоскости фиг. 1) для источника и приемника, расположенных на оси Z, есть -г ф 4f -2-i-4rFf е егЩ} , .(f) радиальной составляедей электрического поля на поверхности внутреннего заземленного электрода зеркала; Pg - радиус кривизны внутрен него электрода зеркала; U- ускоряющий, потенциал ионного источника; 2 f -i er( е d-i - интеграл, сонпа дающий с известным табулированньиМ интегралом вероятности из теории случайных распределений. Из приведенного условия следует, что для обеспечения угловой фокусировки пучка частиц в радиальной плоскости при ФрсЭО необходимо, чтобы fcO,82 и ,74и. Фокусировка в азимутальном сечении пучка ионов обеспечивается в силу цилиндрической симметрии топографии электрического поля зеркала Расстояние между начальным и ко нечным фокусами пучка ионов вдоль оси 2 после отклонения на угол определяется по формуле Е Г ,1 i+iffef erf (ft ИЗ которой при ,825 и следует ,40.r. Коэффициент дисперсности ионов .по скорости вдоль нормали к оси пучка выражается формулой форм. i..,,(«fy..,(,,, I sin -ji . которая при указанных выше значениях, которая при указанных выше значениях, , и Ф дает Ое 7,бОг C w r4t . После электростатического анализатора пучок ионов отклоняется магнитнЕлм анализатором на угол Фдг270, являющийся дополнительным до полного оборота ионов на угол 360. При этом обеспечивается вновь стигматическое фокусирование пучка на оси 2 , диспергирование ионов по массе и обратное по отношению к действию электростатического анализатора диспергирование ионов по скорости. . Дополнительно к этому создается промежуточная перетяжка пучка по азимутальной координате при промежуточном угле отклонения 135. Параметры магнитного анализатора, производящего указанные преобразования пучка ионов, определяются из условия радиальной фокусировки в поле тороидального типа образуемгач дипольньам магнитом с зазором в виде плоского клина, В .. где В (Меридиональная составляющая индукция магнитного поля на расстоянии ; оси 2/ BO - значение этой составляю-, щей на расстоянии rg.j от оси 2 . Это сводится к требованию -Kcos-f co5Me dv. -s. где К В)/ВдГд , Bf - магнитная жесткость анализируемых ионов. Дополнительно к условию: радиальной фокусировки требуется выполнение условия азимутальной фокусировки с промежуточЮй перетяжкой при угле отклонения 135 ф Kcos-. Ч-f .е f ,,о Совместное рассмотрение этих двух условий лает Фд 270® при г1,02 В|. Расстояние вдоль оси 2 между входным и выходным фокусами магнитного анализатора задается формулой 6/2 ,.2., cosMe -.JV . В рассматриваемом случае .5,86hg Коэффициент дисперсии магнитного анализатора вдоль нормали к оси пучка выражается формулой ,-Kc. V ().. - ф 1 -Kcosy-r .| syKeosV +ке соз Ve dV J при U-const и при диспергировании по массе и в два раза большей величиной при диспергировании по скорости. Для рассматриваетлого магнитного анализатора эта формула дает Dj:7,30rg по массе и DB 14,60hg по скорости Описанное движение ионов повторяется N раз в электростатическом анализаторе uff-l раз в магнитном. На фиг. 1 представлено . Выбором параметров Гд и jg обес печивается полная взаимная компенсация диспергирования ионов по скорости электростатическим и магнитны анализатором в конечной точке движе ния ионов на коллекторе 3, т.е. обеспечивается фокусировка по скорости. Условием этого является выпо нение равенства ND {N-f|6g 0, из которого следует условие BiEi 0 2N /(N-1). Дисперсия ионов по массам, обусловленная действием только магнитного анализатора, суммируется после каждого отклонения пучка в магнитно поле. Предлагаемый масс-спектрометр допускает дополнительные улучшения его характеристик..Поскольку пучок ионов имеет азимутальную перетяжку в местах наибольшей радиальной шири ны пучка в магнитном поле анализато ра, возможно эффективное применение в этих местах корректирующих сексту польных-октупольных катушек 1 для и ключения аберраций второго и третьего порядков и улучшения таким обра зом разрешающей способности массспектрометра. На рисунках представлены секступольные катушки с указанной полярностью для исключения имеющейся в зтом случае отрицательной квадратической угловой аберрации. , Для улучшения аксептанса массспектрометра и более удобного расположения источника ионов вне узкого зазора между анализаторами вблизи диафрагмы установлена короткофокусная электрическая или магнитная линза с действительным или мнимым фокусеж в плоскости первого входного отверстия диафрагюл. На фиг. 2 представлен вариант расположения линзы с действительным фокусом. Таким образом, многократное использование магнитного и электростатического анализатора в предлагаемой конструкции масс-спектрометра позволяет существенно увеличить дисперсию прибора, обеспечивая при этом фокусировку ионов по скорости. Это дает возможность создать более компактный масс-спектрометр с высоким разрешением. Как показывают расчеты, масс-спектрометр этого типа с магнитным анализатором с максимальным радиусом кривизны траектории 15 см и соответствуквдим электростатическим анализатором при пяти отклонениях пучка ионов в магнитном поле обеспечивает дисперсию 21 мм на один npotteaT изменения массы ионов, эквивалентную дисперсии масс-спектрометра с однократньви отклонением пучка ионов с радиусом кривизны л/200 см. Достижимая разрешающая способность такого прибора может составить несколько сот тькзяч.

1. МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий источник ионов, за которым установлен дипольный магнитный анализатор с межполюсным зазором в форме клина, усеченного двумя плоскостями, ортогональными к образующим и к плоскости симметрии клина, электростатический анализатор типа электрическое зеркало, диафрагму и коллектор ионов, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, входная-выходная прямолинейная граница магнитного анализатора установлена параллельно оси симметрии электростатического анализатора и гребень клиновидного межполюсного зазора магнитного анализатора совмещен с осью симметрии электростатического анализатора, диафрагма с проходными отверстиями установлена вдоль оси симметрии, при этом расстояния от оси симметрии электростатического анализатора до входной-выходной прямолинейной границы магнитного анализатора г и до внутреннего электрода электростатического анализатора г удовлетворяют соотношению e./ E-T 052N/(S-l), где N - число пар проходных отверстий в диафрагме,расстояние между входным и выходным отверстиями в каждой паре проходных отверстий/ равно при входе в электростатический анализатор е1-г5, каждое последукицее входное отверстие смещено на расстояние dg , 40 5,86 г от предыдущего входного отверстия, где СО 5,86 Гд - расстояние между входным и выходным отверстиями в каждой паре проходных отверстий при входе в магнитный анализатор, а ось отверстия источника ионов направлена под углом 45 к оси симметрии электростатического анализатора. 2. Масс-спектрометр поп. 1, отличающийся тем, что в межполюсном зазоре магнитного анализаvj тора установлены кОрректирукяцие секда со ступольные-октупольные катушки. ; 3. Масс-спектрометр по п. 1, о тличающийся тем, что, с це00 лью повышения аксептанса и упрощения конструкции, вблизи диафрагмы устасо новлена короткофокусная электрическая или магнитная линза с фокусом, лежащим в плоскости первого входного отверстия диафрагмы.