Магнитный резонансный масс-спектрометр Советский патент 1959 года по МПК H01J49/26 G01N27/62 

Известны масс-спектрометры, в которых измерение масс-ионов производится по времени пролета их в постоянном магнитном поле. Время TI полного оборота ионов в постоянном магнитном поле не зависит от энергии и направления вылета ионов из источника и оиределяется только их массой М и величиной магнитного поля Н

МТ 652 мк.сек.

Таким образом, измерение массы иона сводится к измерению периода его обращения. Постоянное магнитное поле, в котором движется ион, обеспечивает фокусировку по скоростям и направлениям.

Известны и резонансные масс-спектрометры, в которых измерение массы иона основано на том, что частоту обращения иона измеряют путем сравнения с известной частотой генератора импульсов. Одним из источников ощибок при анализе микронримесей в материалах известными масс-спектрометрами является фон ионов, рассеянных па молекулах остаточного газа или в результате столкновения с диафрагмами. Этот фон приводит к частичному перекрытию ионных пучков и, таким образом, на приемник тока вместе с ионами микропримесей будут попадать ионы пучка основной компоненты.

Предлагаемый масс-спектрометр устраняет этот недостаток, для чего перед коллектором масс-спектрометра установлен конденсатор, создающий электрическое ноле, задерживающее рассеяниые ионы, а положение коллектора и ускоряющее напряжение в модуляторе выбраны так, чтобы резонансные ионы достигали коллектора после нескольких оборотов, а нерезонаысные ионы могли проникнуть на коллектор лишь после многократного рассеяния. Для исключения необходимости многократного вращения нерезонансных ионов на модулятор нодается постоянный или задерживающий потенциал.

№ 124564

Принципиальная схема предлагаемого магнитного резонансного масс-спектрометра показана на фиг. 1.

Из источника / вылетают монокинетические ионы, которые заворачиваются в магнитном поле (направленном перпендикулярно чертежу) и попадают в модулятор 2, состоящий из трех сеток 3, 4 и 5. Сетки 5 и 5 заземлены, а на среднюю сетку 4 модулятора подан положительный потенциал V 3 от генератора 6 импульсов. Таким образом, между сетками и 4 создается постоянное затормаживающее поле. Запирающий потенциал V, больше потенциала V , ускоряющего ионы в их источнике /. В таком состоянии модулятор 2 заперт и ионы не проходят сквозь него. Знак импульсов, подаваемых на среднюю сетку модулятора от генератора 6, отрицательный.

Форма импульсов показана на фиг. 2. Длительность t этих импульсов больше, чем время пролета иона между сетками модулятора, а период следования их - Т. Амплитудное значение импульсного напряжения - Ум V3 - (7 где V напряжение, ускоряющее ионы в источнике L Таким образом некоторое время т модулятор открыт и ионы, входящие IB него в это время, получают приращение Асо, проходят модулятор и огибают источник 1. Возникает ионный пакет, содержащий все ионы, находящиеся в источнике. Все ионы пакета возвращаются к модулятору и дальнейшая судьба их зависит от периода обращения Г,- в магнитном поле.

Попасть на коллектор 7 ионы могут, лишь получив известное ускорение и определенное приращение энергии, соответствующее положению коллектора в магнитном поле. Из этого следует, что попасть на коллектор могут лищь ионы, период Т обращения которых в постоянном магнитном поле Я находится в определенном соотношении с периодом Т импульсного напряжения:

Г; гГ (г 1,2, 3...)(1)

Ионы, для которых выполняется соотнощение (1), можно именовать резонансными ионами. Такие ионы, пройдя модулятор однажды, будут проходить его, ускоряясь, до тех пор, пока не попадут на коллектор 7.

Разрешающая сила d спектрометра определяется минимальным числом п оборотов иоыа, необходимых для достижения коллектора 7, периодом обращения Ti и длительностью т ускоряющего импульса;

2/г Т, - (2)

Перед коллектором находятся две сетки S и 9, образующие плоский конденсатор. Первая из сеток заземлена. Полный задерживающий потенциал на коллекторе У„ .

В спектрометре должно быть соблюдено следующее неравенство:

. el/, W,,,(3)

где W - полная энергия ионов, приходящих на коллектор.

W W,, ((4)

W - начальная кинетическая энергия ионов, приобретенная в источнике, е - заряд электрона.

быть выполнено в снектрометре и неравенство

eV,W + W(5)

При таком режиме работы масс-спектрометра на модулятор попадут лишь ионы, массы которых лежат в определенном интервале AM MI -Мг.

Радиус R круговой траектории иона в постоянном магнитном поле определяется соотнощением:

144Я

Если ширина модулятора - /, то из равенства (5) следует (/ « /)

/ 1 А.МД Ж 2 /,

()

Последнее равенство (7) онределяет интервал масс-ионов, проходящих через модулятор при заданных значениях V и Н.

Пусть ионы основной компоненты пучка имеют массу Mj. , а масса ионов микропримеси - М,- . При измерении тока микропримеси ускоряющий потенциал выбирается так, чтобы ионы микропримеси попадали на модулятор.

М М,- 21

, то ионы основной компоненты попадают

М, /

на модулятор вместе с ионами микропримеси.

Пока модулятор закрыт, все ионы рассеиваются, но не проникают в коллектор в силу условия (3).

Когда модулятор открыт, через него проходит пакет ионов, состоящий из ионов основной компоненты и ионов микропримеси. Ионы микропримеси являются резонансными, делают п + 1 оборотов и попадают на коллектор.

Ионы основной компоненты приходят на модулятор во второй раз с энергией Wi Wy +AW, а так как задерживающий потенциал el/,j Wj, то ионы эти рассеиваются.

Таким образом, исключаются многократные вращения нерезонансных ионов, которые могут привести к проникновению их на коллектор.

Допустим, что на модуляторе нет постоянного задерживающего напряжения V2 . Ионный пакет, который после первого ускорения прощел через модулятор, содержит как резонансные так и нерезонансные ионы. Нерезонансные ионы возвращаются к модулятору, когда напряжение на сетках его равно нулю, и свободно проходят, не испытывая ускорения. Такие свободные вращения будут происходить до тех пор, пока ионы не рассеются.

Пусть а - число вращений нерезонансных ионов, Р - число импульсов ускоряющего напряжения на модуляторе.

Еслиа7 рГ,(8)

где Г - период вращения нерезонансных ионов, то после а-оборотов эти ионы попадут в модулятор, когда в нем будет существовать ускоряющее напряжение. Если иону необходимо п + I оборотов, чтобы попасть на коллектор, то он попадет на него после an оборотов. Хотя путь таких ионов будет в а раз больше, чем резонансных, ток, обусловленный ими, может во много раз превышать ток микропрнмесей.

Запирающее напряжение V. делает невозможным свободное вращение нерезонансных ионов и, следовательно, проникновение их на коллектор.

Основное разделение ионов с массами УИ,- и М происходит на первом же обороте. Но часть ионов с массой М испытывает рассеяние на молекулах остаточного газа. Малая доля рассеянных ионов испытывает такое угловое отклонение, меняющее время прибытия их к модулятору, что оказывается в нем вместе с резонансными ионами, то есть совершает второй оборот. Доля этих ионов равна коэффициенту /С,-,, перекрытия ионных пучков, который много меньше полной вероятности рассеяния иона, но все же число таких ионов, случайно попавших в резонанс(yW,jr,)(6)

№ 124564- 4 -

ные, может значительно превосходить число ионов микросмеси. Однако во время второго оборота ионов произойдет вторичное отделение перезонансных ионов и т. д.

Таким образом, масс-опектрометр будет работать как каскад п сепараторов, где п - число оборотов ионов.

Пусть со (я) - вероятность проникновения па коллектор перезонансного иона, получившего в результате п - кратного рассеяния - необходимое приращение энергии: («) (/,,)«.

Если даже Kis 10 то вероятность многократного рассеяния становится очень малой.

Если задать потенциал на коллекторе eV (7 +3 -4AlF и еУ W +3 - 4АIF, то даже при концентрации примеси 10- фон основной компопепты будет пренебрежимо мал.

Вместо постоянного задерживающего напряжения можно подать на модулятор от независимого генератора импульспое напряжение, запирающее модулятор (фиг. 3). Длительность t этих импульсов должна быть больше, чем период обращения самых медленных из анализируемых конов. Интервал между импульсами Т., выбирается из условия

(3-4) а, где а - число оборотов, после которых нерезонансный

ион попадает в модулятор, когда в нем существует ускоряющее напряжение.

Величина запирающего импульса должна быть больщей, чем , +(3-4)AW.

Таким образом, за период между этими запирающими импульсами ни один перезонансный ион не сможет иабрать энергию больще, чем eV j , все они рассеются и не смогут попасть в коллектор, так как на пего подается задерживающее напряжение eV,; + (3 - 4)AW, препятствующее попаданию перезонапсиых ионов.

В этом режиме спектрометр работает циклами между двумя запирающими импульсами, однако чувствительпость его пе снизится, так как Гд может быть велико.

Для ускорения ионов могут быть применены прямоугольные импульсы с длительностью, меньшей длительности пролета ионов между сетками модулятора, что позволяет повысить разрешающую силу спектрометра при том же расстояпии между сетками модулятора.

Предмет изобретения

1.Магнитный резонансный масс-спектрометр, о т л и ч а io щ и и с я тем, что, с целью исключения фона рассеяния ионов основного компонента исследуемого вещества, неред коллектором спектрометра установлеп конденсатор, создающий электрическое поле, задерживающее рассеянные ионы, а положение коллектора и ускоряющее папряжение в модуляторе выбрапы так, чтобы резонансные ионы достигали коллектора носле нескольких оборотов, а нерезонансиые ионы могли проникнуть на коллектор лишь после многократного рассеяния.

2.Магнитный резонансный масс-спектрометр по п. 1, отличающи и ся тем, что, с целью исключепия многократного вращения нерезопансных ионов, па модулятор подан постояппый или импульспый задерживающий потенциал.

d

Усилите/ ь