Масс-спектрометр Советский патент 1985 года по МПК H01J49/30 

Изобретение относится к масс-спе трометрии, в частности к устройству магнитных резонансных масс-спектрометров с двумя ступенями разделения ионов, в которых первой ступенью является 180 градусный магнитный анализатор, а второй - магнитный резонансный. Основным назначением таких массспектрометров является изотопный ан ЛИЗ инертных и химических активных газов, особенно анализ микроколичеств газов и измерение больших (до 10 - 10) изотопных отношений в ст Т гческом режиме напуска пробы Поскольку анализируемые компонен ты входят в мультиплекты масс, для разрешения которых требуется существенно различная разрешающая с собность масс-спектрометра, производительность его зависит от времени, необходимого для переналадки прибора с целью изменения разреш щей способности в процессе анализа. Например, для разрешения мультиплата НЕ - НД - Hj нужна разрешающая способность 2000, а для разращения мультиплета Хе нужна разрешающая способность 70000 Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет получения возможности изменения дисперсии масс-спектрометра без разгерметизации масс-анализатор и смены модулятора, изменения разре шающей способности без изменения ши рины щелей и чувствительности путем изменения частоты модулирующего напряжения, упрощение конструкции генератора модулирующего напряжения путем сужения диапазона генерируемых частот, а также сопутствующее увеличение производительности массспектрометра и уменьшение его амортизации. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого масс-спектрометра, на фиг. 2 (а, б) - устройство полигармонического модулятора с одной и с двумя дополнительными камерами, расположенными с одной (фиг. 2 а) и симметрично с двух сторон (фиг. 2 б) основной камеры. Масс-спектрометр содержит камеру масс-анализатора 1, источник ионов 2, модулятор с постоянно присоедине ной к генератору бесполевой камерой 3 и дополнительными бесполевыми камерами Д, переключатель 5, через который дополнительные камеры модулятора избирательно присоединяются к одному из полюсов.генератора 6 и к постоянной камере 3 модулятора, апертурную диафрагму с окном 7, диафрагму со щелью выхода 8, выводной конденсатор 9, вторично электронный умножитель 10 и регистрирующее устройство 11. Направление индукции 6 магнитного поля показано крестиком внутри камеры масс-анализатора. Управление переключателем 5 может быть ручное или автоматическое (например программное управление от ЭВМ посредством электромагнитного привода). Переключатель 5 может быть либо расположен внутри камеры масс-анализатора. и переключаться посредством вакуумно-плотного привода от механизма перемещения, либо расположен мажду генератором и вакуумно-плотными вводами модулятора. В предлагаемый масс-спектрометр введены одна или насколько дополнительных бесполавых камер модулятора, изолированных друг от друга, и пераключатали, чераз которые допол нительныа камеры избирательно соединяются с одним из полюсов генератора и мажду собой. Постоянно присоадинанная к ганаратору басполавая камара и дополнитальные бесполавые камеры в совокупности образуют полигармонический модулятор с изменяемой длиной басполавого промежутка, а параключатали позволяют изманять эту длину в процесса перестройки масс-спектрометра с пика на пик масс-спектра баз вскрытия камары масс-анализатора. Парестройка масс-спактроматра с массы на массу производится изменением индукции магнитного поля и частоты модулирующего напряжения в соответствии с требуемой для выбранных масс разрешающей способностью. Оператор или автоматическое устройство устанавливает для данной массы такую частоту генератора, которая соответствует номеру гармоники i , наобходимому для получения нужной разрешающей способности, и одновременно переключает басполавые камары модулятора так, чтобы общая длина 1 камер (i 1,2,3...) определялась соотношением . Например, для разрешения мультиплетов гелия и водорода (2,..4 а. е.м) требуется небольшая разрешающая способность (до 2000), целесообразен выбор меньшего значения гармоники П а для разрешения дублета 01 (129 а.е.м) требуется разрешающая способность 70000, целесообразен выбор большего значения гармоники п При уменьшении гармоники с увеличением длины бесполевого промежут ка модулятора для легких масс, увеличении- гармоники с уменьшением длины бесполевого промежутка для тяжелых масс достигается сужение диапазона частот генератора без нарушения синфазности пролета ионов через модулятор. Создаются условия для упрощения конструкции генератора. В первой ступени масс-спектрометра ионы разделяются по радиусу траектории. Во второй ступени ионы разделяются по циклотронному период оборота, дважды пройдя модулятор и набрав в его высокочастотном поле энергию, соответствующую фазам модулирующего напряжения при втором вхождении ионов в модулятор. Различие энергии, набранной в модуляторе ионами разных масс, соответствует разности фаз, равной разности циклотронных периодов, и зависит от крутизны модулирующего напряжения, Различие диаметров выходных траекторий, т.е. дисперсия масс-спектрометра пропорциональна величине отношения частоты генератора модулирующего напряжения -f цикло тронной частоте оборота ионов , называемого номером гармоники Вс:21( , (2) где D - дисперсия на 100% изменени массы, rv - номер гармоники, соответст вующий формуле (1), di - разность диаметров траекто рий, проходящих через щели выхода и апертурной диафр мы, определяющая геометрические размеры масс-спектр метра. Модулятор масс-спектрометра-прот типа содержит два полевых промежутка и бесполевую камеру между ними. Ионы, получающие дополнительную энер,гию в модуляторе, должны пролетать %есполевую камеру фиксированной длины за половину периода модулирующего напряжения. Разрешающая способность массспектрометра равна « ;тЬ7- где к - разрешающая способность по основанию, пика, ширины выходной щели источника ионов и выходной щели масс-спектрометра соответственно, - сумма аберраций у выходной щели масс-спектрометра. Слагаемые аберрации растут с увеличением ширины щелей источника ионов и апертурной. Таким образом, в масс-спектрометре разрешающую способность можно изменять в широких пределах регулированием ширины щелей масс-анализатора. Часть щелей (выходная) регулируется механизмами перемещения, а часть источника (апертурная) - сменой диафрагм со щелями при вскрытии массанализатора. Разгерметизация (вскрытие) масс-анализатора, смена модулятора и щелей, откачка и получение вновь статического режима напуска проб, в котором преимущественно работают магнитные резонансные массспектрометры, приводят к значительному снижению производительности масс-спектрометра и ускорению его амортизации. Диапазон частот генератора модулирующего напряжения зависит от диапазона масс-спектрометра. Для диапазона масс, включающего все изотопы благородных газов и водород, на который рассчитан масс-спектрометрпрототип (2...140 а.е.м. ), коэффициент перекрытия генератора по частоте, равный отношению циклотронных частот Хе и Н, весьма велик - 8,25. Большой коэффициент перекрытия по частоте и необходимость плавного изменения частоты во всем диапазоне значительно усложняют конструкцию генератора . Сужение.диапазона частот модулирующего напряжения путем увеличения номера гармоники (частот генератора) для тяжелых масс и уменьшения номер гармоники (частот генератора) для л ких масс затруднего из-за нарушения синфазности пролета ионов через модулятор. В предлагаемом масс-спектрометре для получения меньшей величины дисперсии (для .настройки на Не, например) , переключатель 5 переклюпостояннаячается в положение и дополнительные бесполевые камеры соединяются друг с другом и с незаземПеиным полюсом генератора. Для получения большей величины дисперси (для настройки на Me, Аг, К и Хе) перек.пюпдтепь 5 переключается в по1, дополнительные бесЛОЛчРИ ;полевые камеры отсоединяются от постояпчой камеры и присоединяются заземленному полюсу генератора. В обоих случаях частота генератора . устанаШШвается такой, чт9бы выполнялись равенства (1), (2) и (3). Тем самым изменяется дисперсия и ра решающая способность без смены моулятора и щелей масс-анализатора и без изменения чувствительности асс-спектрометра. В таблице дано сравнение дисперсий и диапазонов частот генераторов (коэффициентов перекрытия по частоте) масс-спектрометра МИ9302 и предлагаемого масс-спектрометра с двзмя дополнительными бесполевыми камерами и одним переключателем. Из таблицы видно, что при одинаковых геометрических размерах радиусов траекторий и щелей и одинаковых неоднородностях магнитного поля разрешающая способность предлагаемого масс-спектрометра, пропорциональ ная дисперсии, втрое больше у предлагаемого масс-спектрометра. Кроме того, коэффициент перекрытия по частоте генератора в предлагаемом масс-спектрометре в 3 раза меньше, чем в известном, что сущест- ; венно упрощает конструкцию генератора.

1. МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий камеру масс-анализатора, в которой расположены источник ионов, модулятор с постоянной бесполевой камерой, подключенньйк генератору модулирующего напряжения, апертурная диафрагма с окном, диафрагма с выходной щелью, магнит и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что с -целью расширения функциональных возможностей за счет изменения дисперсии и разрешающей способности без смены модулятора и щелей и без изменения чувствительности путем изменения частоты модулирующего напряжения, упрощения конструкции генератора путем сужения диапазона частот, увеличения производительности и уменьшения амортизации масс-спектрометра. юдулятор содержит одну или несколько дополнительньгх бесполевых камер, изолированных друг от друга, и переключатели, подключенные к дополнительным бесполевым камерам с возможностью соединения с одним из полюсов генератора, между собой и постоянной бесполевой камерой. 2. Масс-спектрометр по п. 1, о тличающийся тем, что в направлении движения ионов общая длина соединенньк между собой и с незаземленным полюсом генератора модулирующего напряжения бесполевых камер соответствует выражению И г(Л П-, где Р-, - длина одной ( 1) или общая длина ( i 2, 3..., соединенных между собой бесполевых камер, р - радиус круговой траектории ионов, проходя00 1чЭ щей через апертурную диафрагму, . - номер гармоники, опрео: 1чЭ деляемый отношением час.-. О тоты модулирующего напряжения к цик- лотронной частоте иона массы 3. Масс-СП-ктрометр по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные бесполевые камеры модулятора расположены либо с одной стороны, либо с обеих сторон постоянной бесполевой камеры симметрично.

40 .

2-136

МИ9302

.. Предла30,1-3,7

8,2

30,01-11,0

2,7

Вкод uoHoS

м ;

Вход UOHOS tpu. I