Призменный масс-спектрометр с фокусировкой по энергии Советский патент 1984 года по МПК H01J49/32 

Изобретение относится к технике массспектрометрии и может быть использовано в тех отраслях народного хозяйства, где требуется анализ химического состава веществ.

Известны масс-спектрометры с фокусировкой по энергии, состоящие из источника и приемника ионов, коллиматорной и фокусирующей линз, магнитной призмы и ахроматизирующих электростатических элементов 1.

Однако известные масс-спектрометры обладают невысокой дисперсией.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является призменный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионов, магнитную призму и две расположенные по обе стороны от нее электростатические системы, каждая из которых состоит из линзы и ахроматизирующего элемента, представляющего собой преломляющую телескопическую систему. Каждый электрод электростатической системы состоит из пары идентичных параллельных пластин, расположенных симметрично относительно средней плоскости. Обращенные друг к другу края электродов линзы искривлены по дугам окружностей, края электродов ахроматизирующего элемента прямые. Угловая дисперсия магнитной призмы по массе в этом приборе увеличивается в результате прохождения пучка через второй ахроматизирующий элемент. Линейная дисперсия Рл определяется формулой

D.,

(1)

COSVj

где DV -угловая дисперсия магнитной призмы;

f -заднее фокусное расстояние фокусирующей линзы;

и -углы падения и преломления пучка для преломляющей системы, расположенной после магнитной призмы;

В случае двумерного магнитного поля D tgot, где rf - угол падения пучка на магнитную призму 2.

Однако в известном устройстве не полностью используется возможность увелиличения дисперсии за счет ахроматизирующего элемента, так как полученный выигрыш дисперсии частично теряется при последующем прохождении пучка через фокусирующую линзу. Это существенно снижает удельную дисперсию прибора, а следовательно, его разрещающую способность и чувствительность. Кроме того, увеличение дисперсии требует увеличения фокусного расстояния фокусирующей линзы, что приводит к возрастанию габаритов прибора.

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности и чувствительности и уменьшение габаритов призменного масс-спектрометра с фокусировкой по энергии.

Цель достигается тем, что в призменном масс-спектрометре с фокусировкой по энергии, содержащем источник и. приемник ионов, магнитную призму и две расположенные по обе стороны от нее электростатические системы, которые выполнены в виде плоских электродов, размещенных симметрично относительно средней плоскости массспектрометра, причем каждая электростатическая система состоит из линзы, обра0 зованной электродами, разделенными кольцевыми концентрическими щелями, и ахроматизирующего элемента, выполненного в виде преломляющей системы, состоящей из электродов, разделенных прямыми параллельными щелями, линзы электростатических систем расположены между магнитной призмой и ахроматизирующими элементами, каждый из которых содержит ионное зеркало, при этом эффективная плоскость отражения каждого зеркала параллель0 на щелям соответствующей преломляющей системы.

Дисперсия такого прибора по массе определяется формулой

D,Dv-f- -, (2) гдеЦ,иТ -имеют указаннь1е значения;

V HVi-углы между осевой траекторией пучка и перпендикуляром к щелям расположенного после магнита ахроматизирующего элемента на входе и соответственно на выходе этого элемента. Из сравнения формул (1) и (2) следует, что дисперсия в предлагаемом приборе при практически используемых углахЦ и V5 в два и более раз превыщает дисперсию известного устройства. Объясняется

это тем, что в предлагаемом устройстве выигрыщ в дисперсии достигается не только при прохождении ахроматизирующего элемента, но и при прохождении линзы. Увеличение дисперсии, связанное с увеличением фокусного расстояния линзы, в пре0 длагаемом приборе достигается без увеличения габаритов масс-спектрометра, так как фокус линзы может быть сделан мнимым предметом для ахроматизирующего элемента.

Угол отклонения ионного пучка в каждой электростатической системе принимает значения в интервале от 30 до 150°. Особенно компактным предлагаемый прибор становится при угле отклонения пучка, большем 90°.

0 На чертеже схематически изображён предлагаемый масс-спектрометр в проекции на среднюю плоскость.

Масс-спектрометр включает в себя источник 1 ионов, приемник 2, магнитную (клиновидную) призму 3 и две расположенные

5 симметрично относительно нее идентичные электростатические системы, состоящие из электродов 4-8 и 9-13, каждый т которых представляет собой пару параллельных средней плоскости пластин. Электроды 4-6 образуют коллиматорную трансаксиальную линзу, электроды 6-8 - первый ахроматизирующий элемент, который включает в себя зеркало с электродами 6 и 7 и преломляющую систему с электродами 6 и 8. Электроды 9-11 образуют фокусирующую линзу, электроды 11-13 - второй ахроматизирующий элемент. Устройство работает следующим образом. Выходящий из источника 1 пучок ионов падает на преломляющую систему электродов 6 и 8 под углом и выходит из нее под углом ., затем попадает в поле зеркала электродов 6 и 7, отражается и создает мнимое изображение источника, служащее предметом для линзы. Центральная точка А этого изображения находится в переднем фокусе линзы из электродов 4-6, вследствие чего после прохождения поля линзы пучок становится параллельным. Далее он входит под углом of в магнитную призму 3, отклоняется, сохраняя параллельность, и разлагается в спектр по массам. Пучок ионов с массой т, после призмы движется параллельно оси фокусирующей линзы из электродов 9-11, поэтому на выходе из нее он сходится в точке В, которая расположена в заднем фокусе этой линзы и служит мнимым предметом для второго ахроматизирующего элемента из электродов 11 -13. Ионы с массой после призмы идут под углом к оси фокусирующей линзы и на выходе из нее направлены в точку, расположенную в задней фокальной плоскости на расстоянии ДЕ от точки В: После выходного ахроматизирующего элемента пучок ионов фокусируется на щель приемника 2. При этом ионы с массами Шо и Шу + йт фокусируются на расстоянии AL-AE- -D,4 (4) Для достижения фокусировки по энергии параметры электростатических систем и магнитной призмы должны быть подобраны таким образом, чтобы выполнялось условие Dri Dv-f где Di - дисперсия по энергии первого ахроматизирующего элемента. Изменяя потенциалы на электродах или напряженность магнитного поля можно получить спектр ионов по массам. , При исполнении клиновидной магнитной призмы с DV 1,4 при « 34° электростатических систем с расстоянием между пластинами, образующими электрод, равным 10 мм, при фокусном расстоянии линз f 129 MM,VI 20°, V 60° линейная дисперсия прибора по массе мм. Предполагается, что энергия ионов на входе и выходе каждой электростатической системы одинакова. Если это условие, удобное при практической реализации, выполняется и для известного устройства, то при том же магните, одинаковых фокусных расстояниях линз f и углах падения и преломления в телескопической системе V 60°, У 26,2 дисперсия его Ол.324 мм. Отнощение удельных дисперсий предлагаемого и известного устройств равно 2,3; поэтому при тех же габаритах и размерах щелей источника и приемника разрешающая способность возрастает во столько же раз. При меньщем выигрыше в разрешении достигается выигрыщ в чувствительности и габаритах. Таким образом, изобретение позволяет существенно увеличить разрешающую способность и чувствительность масс-спектрометра и уменьшить.его габариты.

ПРИЗМЕННЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР С ФОКУСИРОВКОЙ ПО ЭНЕРГИИ, содержащий источник и приемник ионов, магнитную призму и две расположенные по обе стороны от нее электростатические системы, которые выполнены .в виде плоских электродов, размещённых сим гетрично относительно средней плоскости массспектрометра, причем каждая электростатическая система состоит из линзы, образованной электродами, разделенными кольцевыми концентрическими щелями, и ахроматизирующего элемента, выполненного в виде преломляющей системы, состоящей из электродов, разделенных прямыми параллельными щелями, отличающийся тем, что, с цеЛью увеличения разрещающей способности и чувствительности масс-спектрометра и уменьшения его габаритов, линзы электростатических систем расположены между магнитной призмой и ахроматизирующими элементами, каждый из которых i содержит ионное зеркало, при этом эффективная плоскость отражения каждого зер(Л кала параллельна щелям соответствующей преломляющей системы.