Времяпролетный масс-спектрометр Советский патент 1987 года по МПК H01J49/40 

1 1

Изобретение относится к области научного приборостроения, преимущественная область его использования - элементный анализ веществ.

Известно устройство, в котором ионизированные электронным ударом и ускоренные до определенной энергии , ионы газа после пролета первого дрейфового промежутка попадают в область тормозящего электрического поля (рефлектора) и после отражения и пролета второго дрейфового промежутка регистрируются датчиком .

Применение рефлектора вместо прямой бремяпролетной дрейфовой трубки существенно повышает разрешающую способность прибора и сокращает его длину. Однако используемый в приборе ионизатор пригоден только для газа и не может быть применен для анализа веществ в твердой фазе.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является времяпролетный масс-спектрометр, содержащий импульсный источник ионов, пространство дрейфа, после которого расположен рефлектор, и детектор, в котором вещество образца в твердой фазе испаряется и ионизируется с помощью импульсного лазерного излучения. В зависимости от диаметра пятна и удельной мощности лазерного излучения ионы или ускоряются дополнительно, или двигаются в режиме свободного разлета.

Однако при взаимодействии лазерного излучения с веществом основная ма са многозарядных ионов выбрасывается перпендикулярно поверхности мишени, что значительно снижает точность проводимых измерений, так как основную информацию дают однозарядные ионы. Это вызвано тем, что пики многозарядньгх ионов могут накладываться на массовые пики однозарядных ионов и привести к существенному искажению масс-спектров вещества. Все вышеуказанные трудности ведут к тому, что при работе в конфигурации на отражения разумные результаты получаются только в режиме свободного разлета. Работа в этом режиме приводит к уменьшению количества попавших на датчик ионов в раз по сравнению с режимом ускорения. Косое падение (обычно под 5 ) лазерного излучения на образец приводит к об292

разованию углубления на его поверх-ности. Если образец спрессован из порошка, достаточно нескольких импульсов для того, чтобы глубина превысила диаметр кратера. В этом случае образованная при воздействии излучения плазма практически не выходит наружу (зарывание).

Целью изобретения является увеличение чувствительности прибора и точности измерения.

Цель достигается тем, что в известном времяпролетном масс-спектрометре, содержащем импульсньй источник ионов, детектор и рефлектор, расположенный перед детектором после пространства дрейфа, рефлектор выполнен в виде тора, расположенного

коаксиально центральной оси массспектрометра, покоторой также расположен детектор ионов, при этом на входе рефлектора расположена электростатическая отклоняющая система тороидальной конфигурации, а пространство дрейфа между источником ионов и рефлектором ограничено двумя коническими металлическими конусами. На фиг. 1 показан предлагаемый

масс-спектрометр; на фиг. 2 - то же, поперечньй разрез.

Предлагаемое устройство содержит лазерный испаритель 1, детектор 2, тороидальньй рефлектор 3, электростатическую отклоняющую систему (ЭОС) 4, подложки 5 для исследуемого образца, внешний конус 6, внутренний конус 7. Точками отмечена область, на которой двигаиотся ионные пакеты, стрелками - направление их движения. Импульсное лазерное излучение с удельной плотностью энергии, превьшающей W 2-10 Вт/см, при воздействии на образец создает

ионов, которое расширяется в виде полусферы с центром в точке воздействия. G помощью внешнего и внутреннего конусов из этого потока на вход отклоняющей системы попадают ионы, которые двигались в телесном угле р -соо (см. фиг.1). Радиально направленное электрическое поле отклоняет ионы, и они входят в тороидальный рефлектор

под углом об . Длина рефлектора h, расстояние d между средней окружностью тороидального входа и центром выходного отверстия, а также угол oi подбираются таким образом, что 3 ионы попадают в детектор 2 при заданном напряжении V на рефлектор Прибор можно ориентировочно рассчи тать с использованием некоторых формул, применяемых для расчета дв мерных рефлекторных масс-анализато ров. Использовав эти формулы, можно рассчитать один из оптимальных при меров выполнения предлагаемого устройств.а. Для начала рассчитывается угол. оС , если d 7,5 см, В,, энергия ионизации Б; 150 эВ, 2Ь., , от . сюда о 5° . I Для того чтобы обеспечить вход ионов в тороидальный рефлектор под углом 5° при расположении образца на расстоянии oi,.60 см, вдоль оси симметрии от выходнрй щели рефлектора необходимо на ЭОС 4 подать напpяжeниeVgg , -аспис, равное, как показыва ют расчеты, 100-200 В. Если детектор располагать на удалении oi см от рефлектора во внутреннем конусе, то, воспользовав шись формулой разрешающей способности прибора „ oTpUi + Lil + cosoiE; h E;v;;(L,-2hco5o6 294 для вьппеуказанных входных параметров, получим величину 100-120. При диаметре пятна лазерного излучения 10 мкм и меньше прибор способен работать в режиме ускорения. В этом случае на расстоянии 1-3 см от поверхности мишени перпендикулярно линии, соединяющей область лазерного воздействия с средней окружностью тороидального входа, устанавливаются ускорительные сетки и между образцом и сеткой подается VOTP . Изобретение позволяет увеличить чувствительность прибора и повысить предел обнаружения им малых примесей в 20-40 раз; благодаря конфигу- рации отбора ионов существенно умейьшить в потоке количество многозарядных ионов, которые снижают точность получаемых результатов; значительно упростить процесс изготовления и наладки прибора посредством перехода на круговую конфигурацию и. сокращения трудоемких процессов при изготовлении прибора по части механической обработки и его наладки. Конфигурация прибора позволяет осуществить нормальное падание луча на образец и тем самым сводит к минимуму нежелательный эффект зарывания.

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий импульсный источник ионов, детектор ионов и рефлектор, расположенный перед детектором после пространства дрейфа, о т л ичающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и точ.ности измерения, рефлектор вьтолнен в виде тора, расположенного коаксиально центральной оси масс-спектрометра, по которой также расположен детектор ионов, при этом на входе рефлектора расположена электростатическая отклоняющая система тороидальной конфигурации, а пространство дрейфа между источником ионов и рефлектором ограничено двумя коническими металлическими конусами. (Л (Ри.в.1