Призменный масс-спектрометр Советский патент 1985 года по МПК H01J49/30 

ч

Од

Изобретение относится к областиг аналитического приборостроения, а. более конкретно к устройству массспектрометров с большой разрешающей способностью и светосилой и может быть использовано во всех областях науки и техники, где требуется точное измерение масс атомов и молекул. Известны призменные масс-спектрометры, предназначенные для точного измерения масс атомов и молекул, состоящие из источника и приемника ионов, магнитной призмы с двумерным полем, двух ахроматизирующих электростатических телескопических систем, коллиматорной и фокусирующей электростатических линз Л .

Недостатком устройства является невысокая разрешающая способность и светосила,

Известен также призменный массспектрометр, содержащий ионный источник, коллиматорную и фокусиру1ощую линзы, магнитную призму и электростатические зеркала, отражающие ионный пучок, вследствие чего последний два раза проходит магнитную призму с двумерным магнитным полем, что приводит к двукратному повышению дисперсии прибора 2

Недостатком этого масс-спектрометра является невозможность дальнейшег повышения кратности прохождения ионным пучком магнитной призмы, так как система из двух ионных зеркал расположена с другой стороны магнитной призмы по отношению к коллиматорной и фокусирующей линзам, и отраженный зеркалами пучок возвращается в межполюсной зазор через ту же сторону, через которую вышел, проходя магнитное поле только дважды. Вследствие этого невозможно дальнейшее повьш1ение дисперсии масс-спектрометра без значительного увеличения длины его коллиматорной и фокусирующей частей, приводящего к снижению светосилы.

Целью изобретения является повышение разрешакицей способности и светосилы прибора без увеличения его габаритов путем осуществления многократного прохождения ионного пучка через магнитную призму.

Эта цель достигается тем, что в известном призменном масс-спектрометре, содержащем ионный источник} за которым установлена коллиматорная линза с телескопической системой, манитную призму, фокусиругацую линзу с телескопической системой, ноннЫе зеркала и приемник ионов, введены электростатические системы, состоящи из симметрично расположенных цилиндрических линз и цилиндрических зерк а магнитная призма выполнена в виде правильного многоугольника с четным числом боковых граней, вокруг которого установлены упомянутые электростатические системы, при этом оси симметрии электростатических систем являются биссектрисами соответствую щих углов магнитной призмл.

Так как при этом противоположные стороны многоугольника пар.аллельны между собой, то параллельный лучок, входящий в межполюсной зазор через одну сторону и выходящий через противоположную, остается параллельным, т,е, магнит с такими полюсами является многогранной магнитной призмой

Многократное прохождение ионного пучка через такую призму происходит потому, что в.округ нее, расположенные против углов многоугольника электростатические системы, возвращают ионный пучок, вышедший из межполюсного зазора через какую-либо сторону многоугольника,, обратно в межполюсной зазор через другую его сторону. Указанная конструкция магнитной призмы позволяет разместить вокруг нее значительное количество Электростатических систем и тем самым обеспечить многократное прохождение ионнрго пучка через межполюсной зазор,, практически не увеличивая размеров полюсных наконечников

На чертеже изображена ионно-оптическая схема предложенного массспектрометра с восьмиугольной призмой и осевая траектория пучка в .

средней плоскости масс-спектрометра I

Масс-спектрометр состоит из ионного источника 1 и приеьшика 2 ионов коллиматорной и фокусирующей трансаксиальных лияэ, образс анных злектродами 3,. 4 и 5, телескопических систем с электродами 5, 6 и 7, вось миугольаой магнитной призмы 8, вокруг которой расположены семь электростатических систем. Каждаяэлектростатическая система состоит из электродов 9, 10 и 11, Электроды 9 и 10 образуют две симметрично расположенные цилиндрические линзы,электроды 10 и 11 - два также симметрично расположенные ионных зеркала. Линии ОН;, , ОНз и т.д. являются осями симметрии для электростатических сие- тем и-одновременно биссектрисами уг.лов полюсных наконечников магнитной призмы. Каждый электрод состоит из двух идентичных параллельных пластин, симметрично расположенных относительно средней плоскости прибора. В телескопических системах, ионных зеркалах и цилиндрических линзах зазоры между соседними электродами имеют форму прямых щелей -В трансакси альных линзах щели между электродами 3 и 4, и также 4 и 5 изогнуты по дугам окружностей. Обращенные друг к другу поверхности магнитных полюсов имеют форму правильных восьмиугольников, расположенных симметрично относительно средней плоскости. Электроды 7 и 9 одновременно являются маг нитными Экранами. Устройство работает следующим образом. Выходящий из рели источника ионов 1 расходящийся ионный пучок преобра.зуется коллиматорной линзой (элект роды 4 и 5), фокус которой совпадает со щелью источника, в параллельный и затем, отклонившись в телескопической системе (электроды 5, 6 и 7), попадает в анализирующее магнитное ,поле. После прохождения магнитного поля пучок, оставаясь параллельным, отклоняется цилиндрической линзой электроды 9 и 10) первой электростатической системы и, отразившись от зеркала (электроды 10 и 11), пере секает ось 01Ц в перпендикулярном к ней направлении. В телескопической системе и в цилиндрической линзе лучок отклоняется в направлении, проти воположном направлению отклонения в магнитной призме. Углы падения и преломления и потенциалы на электродах электростатической системы подобраны так, что в окрестности точек пересечения пучка с осью OHj компенсируется угловой разброс траекторий в пучке J вызываемый энергетиче скнм разбросом ионов, т.е. осуществляется фокусировка noi энергии. На следующем участке пути ионов до их пересечения с осью ОН пучок последовательно претерпевает отклоне ние во втором зеркале и цилиндрической линзе первой электростатической системы и, второй раз, пройдя магнит нее поле, преломляется в первой цилиндрической линзе второй электростатической системы и отражается от первого ее зеркала. На этом участке пути ионов отклонение в обеих цилиндрических линзах противоположно отклонению в магнитном поле, что приводит к фокусировке пучка по энергии. Аналогичная ситуация будет иметь место и на последующих отдельных участках пути ионов, а следовательно, и во всем приборе в противоположных по направлению угловых дисперсий по энергии в магнитном поле и электрических полях на каждом из указанных отдельных участков пути. Соотношения, при выполнении которых массспектрометр обладает фоф сировкой по энергии, имеют вид .(igoClg(.,+ 2fHg.V d 2лР %)tgi4g, СО5Л.П €r-fFF 7 . -iStdsinoCn c о и И2Чoo(,,(,-2 . Здесь 2 л - количество граней маг-, нитной призмы; V. - потенциал на электродах Ю, V - потенциал на элект родах 5; Vg - потенциал свободного от поля пространства на всех yiiacTKax пути ионов за пределами электростатических систем коллиматорной и фокусирующей частей масс-спектрометра. Все потенциалы измеряются по отношег ниш к тому месту пространства, где скорость ионовравна нулю, т,ё. W р где VV - энергия ионов; о К - ИХ заряд; j - угол падения на первую цилиндрическую линзу электростатической системы; i - угол прелокления в этой линзе; i - угол падения на телескопическую систему кОллиматарной линзы; - угол преломления в ней; , причем знак Ч берется, если| | |Уо1; а знак -, если|У 1 Уд, , где знак + берется, если }M |4Vo|, знак -, ecлиlv | Vol;ot угол входа пуска в магнитную призму; ч ot-- . Дисперсия масс-спектрометра по массе определяется по формуле D 2lcii-ttgo6, rflek cosj /cosi j .Щ - фокусное расстояние фокусиру щей линзы. Она в 1 раз больше, чем дисперсия по массе прототипа.

В.изображенном на чертеже массспектрометре с восьмиугольной магнитной призмой пучок восемь раз проходит через межполюсный зазор, против двух раз в прототипе. Таким образом при тех же фокусном расстоянии и трансаксиальных линз и углах ос , i и J его дисперсия будет в четыре раза больше и, соответственно, в четыре раза больше будет разрешающая способность,

Предпагаемый масс-спектрометр может быть построен и на основе многогранной магнитной призмы с еще бааьшим числом граней, например с 32-мя гранями, В последнем случае вь игрьШ1 в дисперсии по сравнению с прототипом будет достигать 16 раз.

76.6

При одинаковой с прототипом дисперсии фокусное расстояние.коллнматорной и фокусирующей линз может быть уменьшено в 16 раз, что приведет к увеличению светосил в 16 256 раз и значительному уменьшению габаритов прибора.

Таким образом, на предлагаемом масс-спектрометре может быть получена разрешающая способность и светосила , значительно превышающие разрешающую способность и светосилу, достижимую на других известных массспектрометрах,

Прибор компактен и его и.зготовлерие, несмотря на значительное число электростатических систем, не представляет большой сложности,Е|След ствие их идентичности,

11редлагае шй масс-спектрометр значительно расширит возможности масс-спектрометрии.

ПРИЗМЕННЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий ионный источник, за которым установлены коллиматорная линза с телескопической системой. ССШШт ДЦ П - - 1«1 Тг-..ч,н.Л.| .Sr: магнитная призма и фокусирующая линза с телескопической систеной,ионные зеркала и приемник ионов, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и светосилы прибора, в него дополнительно введены электростатические системы, состоящие из симметрично расположенных цилиндрических динз и цилиндрических зеркал, а магнитная призма выполнена в виде правильного многоугольника с четным числом боковых граней, вокруг которого установлены упомянутые электростатические . системы, при Э.ТОМ оси симметрии элект-; ростатических систем являются бис- сектрисами соответствукщих углов (Л .,магнитной призмы, .