Времяпролетный масс-спектрометр Советский патент 1984 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к эксперимен тальной физике и химии, а именно к устройствам, преднааначенным дли анализа твердых веществ, с целью определения их элементного состава. Известны времяпролетные лазерные масс-спектрометры, использующие время пролетные анализаторы совместно с энергетическими фильтрами ни базе эле тростатического анализатора 1, .. Масс-спектрометры этого типа, благодаря наличию энергетического фильтр и времяпролетного анализатора большей длины (L х- 3 м), обладают разрешением 100, но трансмиссия таких приборов не превышает ,Это не позволя- ет реализовать абсолюп ный предел обна-. ружения лучще, чем а относительный нижний предел обнаружения луч ше % ат . Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является массспектрометр для анализа ионов лазерной плазмы твердых веществ по отношению массы к заряду, содержащийвакуумирот ванную трубку, внутри которой соосно расположены источник ионов,ПроЬтранст во дрейфа и электростатическая отражаю щая система,состоящая из плоских электродов, а также детектор ионов, который вынесен в дополнительный патрубок С2 L Недостатками данного масс-спектрок метра являются низкий геометрический коэффициент трансмиссии ионов, сложность конструкций. Целью изобретении является снижение нижнего предела обнаружения путем повышения коэффициента трансмиссии при сохранении разрешающей способности по массам. Поставленная цель достигается тем что в времяпролетном масс-спектрометре, содержащем вакуумированную трубку, внутри которой .соосно расположены твердотельный источник ионов, пространство дрейфа и электростатическая отражающая система, состоящая из плоских электродов, а также детектор ионов, детектор ионов также расположен соосно с остальными элементами устройства, выполнен с центральным отверстием, коллимирующим пучок ионов, выхрдящий из источника ионов, при этом радиус коллимирующего отверстия г равен -IhclS-f , где Г -телесный угол, под которым детектор ионов виден из источника ионов, 1 - расстояние от детектора ионов до источника ионов.

На фиг, 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - геометрия устройства; на фиг, 3 - форма ионного пакета.

Времяпролетный масс-спектрометр включает в себя вакуумированную врегде S - рабочая площадь детектора; L - полное расстояние, которое ионы проходят от источника до детектора.

60 Для предлагаемой конструкции прибора и одинаковом угле Ы (фиг.2) телесный угол для детектора в виде кольца с радиусом R равен (2Е + -г).- г2 /L, где г - радиус отвер65 стия в детекторе. мяпролетную трубу 1, в которой соосно расположены твердотельный источник 2 ионов с источником 3 первичного пучка, коллимирующее отверстие 4, детектор 5 ионов, электростатическую отр жающую систему 6, фильтр 7 низких энергий, плоские электроды 8-13. Устройство работает следующим образом, Излучё ние лазера фокусируется на образец из источника 3 первичного пучка. Образованный под действием импульса излучения пакет ионов с энергиями до тысячи эВ распространяется в бесполевом пространстве дрейфа в направлении отражающей системы 6,. Ионы с энергией qU (U - потенциал электрода 8) отражаются в направлении- детектора и движутся в бесполевом пространстве до фильтра 7 низких энергий. На детектор проходят ионы qU (Uj - потенциал электрода 12) . Таким образом формируется . энергетический интервал ионов 4(U-r Uj), регистрируемых детектором из всего энергетического спектра ионов данного заряда. Коэффициент трансмиссии ионов (отношение числа зарегистрированных ионов к числу ионов, образованных в источнике) определяется телесным углом, в котором регистрируются ионы, и величиной энергетического интервала . Для равноверного разлета ионов в телесный угол 21, коэффициент трансмиссии определяется следующим выражением/Vlг| F(eue, K f где N,| - число ионов, попавших на де тектор; NQ - число ионов, образованных в источнике ионов; Si - телесный угол, под которым виден детектор из источника;F(61 - энергетическое распределение ионов. Телесный угол в случае точечного источника ионов, каковыми являются ассматриваемые здесь источники искровой или лазерный, определяется выажениемSI S/L ,

Для характерных размеров данного прибора (L 2 м и площади входного окна детектора 2,5 см) и при гпах -€,. 100 эВ коэффициент трансмиссии ионов достигает 10 ,

Разрешающая способность R определяется выражением

R Т/2ЛТ,

где Т - время движения ионов от источника до детектора йТ - ширина пакета ионов во време

ни в области детектора. Общее время движения ионов определяется выражением

1ч Ч (.

где m - масса иона, q - заряд иона;

L - длина бесполевого пространства ДЕ ейфа; Е,Е2 - напряженности полей между

электродами 8,9 и 9, 10 соотвенственно;qU - энергия иона; Ug потенциал электрода 9. Величина ДТ определяется несколькими факторами: первоначальной шириной пакета в области источника, глубиной входа детектора и неидеальностью пространственно-временной фокусировки ионов в области детектора.

обусловленной их энергетическим разбросом. Последняя величина дает наибольший вклад в йТ, Можно показать, что Т будет минимальной при выполнении пространственно-временной фокусировки для ионов с граничными энергиями в пакете

T(fmax) Т{е

min

10 которая достигаетяя подбором параметров Е., Е, U2.

В этом случае лт Vn - Т , - Т .„ т (С ) - TO ,

где значение энергии внутри интервала €гпо(т, Smiti и определяется усло-j 5 вием,

оМ

0 .

.0; -.

. «Afi

Ионный пакет имеет в этом случае форму, приведенную на фиг. 3, Расчеты

2Q показывают, что при („ эВ можно получить значение R в несколько сотен.

Названные особенности позволяют повысить коэффициент трансмиссии лри2Г| бора при данном максимальном угле отклонения ионов, максимально упростить юстировку элементов прибора, так как все они расположены на одной оси и перпендикулярны ей.

При необходимости создания малога30баритных приборов предлагаемая геометрия прибора позволяет при данном коэффициенте тренсмиссии уменьшить поперечные размеры прибора практически до размеров детектора (размер де35тектора - 0 135 мм) .

ВРЕМ Я ПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий вакуумированную трубку, внутри которой соосно расположены твердотельные источник ионов, пространство дрейфа и электростатическая отражающая система, состоящая из плоских электродов, а также детектор ионов, отличающийся тем, что, с целью.снижения нижнего предела обнаружения, детектор ионов также расположен соосно с остальными элементами устройства и выполнен с цент1ральннм отверстием, коллимирующим пучок ионов, выходящий из источника . ионов, при этом радиус коллимирующего отверстия г равен ..жг, I л где Si - телесный угол, под которым детектор ионов виден из источника ионов;S л расстояние от детектора ионов (Л до источника ионов.

Ав

«е. 2

тая

tnin