ИСТОЧНИК ИОНОВ Советский патент 1994 года по МПК H01J49/10 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано в анализаторах атомных частиц, масс-спектрометрах, в частности в магнитных резонансных масс-спектрометрах.

Целью изобретения является повышение величины тока за счет фокусировки ионного пучка, выходящего из источника, находящегося в магнитном поле, не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости за счет модернизации системы формирования пучка.

На фиг. 1 приведено конструктивное выполнение источника; на фиг. 2 - вид на вытягивающий электрод в двух проекциях; на фиг. 3 - вид на одиночную скрещенную линзу; на фиг. 4 - отклоняющая система в двух проекциях.

Источник ионов для масс-спектрометра состоит из узла ионизации с ионизационной камерой 1, вытягивающего электрода 2, отклоняющего электрода 3, выходного электрода, на котором расположена выходная щель 4. Между вытягивающим и отклоняющим электродами расположена трехэлектродная скрещенная линза с электродами 5, 6, 7.

Источник работает следующим образом.

Молекулы и атомы анализируемого газа в ионизационной камере 1 узла ионизации под действием, например, электронного удара ионизируются и вытягиваются из камеры 1 по направлению к вытягивающему электроду 2. Он состоит из двух деталей. Первая выполнена в виде электрода с окном, а вторая - в виде Z-образного электрода, часть которого введена в окно (фиг. 2). Ионизационная камера 1 расположена под углом γ относительно оси источника для компенсации разворота траектории ионов, движущихся в магнитном поле (за ось источника условно принят перпендикуляр к выходному электроду, проходящий через центр выходной щели). Угол между образующими клинообразного вытягивающего электрода также равен γ . Так как щель 4 в этом электроде образована торцами двух электрически изолированных друг от друга частей, то, изменяя напряжения на них, можно задавать различные углы влета ионов в одиночную скрещенную линзу, а также изменять положение пучка на выходной щели. Предварительно сфокусированный в первой горизонтально фокусирующей системе, в которую входят узел ионизации, вытягивающий и первый электроды скрещенной линзы, пучок попадает в скрещенную линзу, состоящую из трех параллельных электродов 5, 6, 7, причем в первом 5 и третьем 7 электродах щель вытянута в вертикальном направлении, а во втором 6 - в горизонтальном (фиг. 3). После фокусировки по вертикали ионы попадают во вторую горизонтально фокусирующую систему, состоящую из третьего электрода 7 скрещенной линзы; отклоняющего и выходного электродов, которая осуществляет окончательную фокусировку пучка в горизонтальной плоскости. Отклоняющий электрод состоит из двух деталей, причем первая выполнена в виде электрода с окном, а вторая в виде Z-образного электрода (фиг. 4). Торцы этих деталей образуют щель отклоняющей системы. Изменяя напряжение на них, можно корректировать угол выхода пучка ионов из источника через узкую выходную щель, расположенную на выходном электроде.

Величину угла γ клинообразного вытягивающего электрода можно оценить из выражения
0,8 ^. К< γ < 1,2 ^. К, где
K= arcsin ( / R), где D - расстояние от ионизационной камеры до второго электрода скрещенной линзы, м;
L - общая длина ионно-оптической системы источника, м;
R - радиус траектории пучка ионов на выходе из источника ионов, м;
γ - угол между образующими поверхностями клина вытягивающего электрода.

Точное значение угла определяется при численном моделировании ионно-оптической системы.

Использование скрещенной линзы для фокусировки ионного пучка в вертикальной плоскости значительно увеличивает длину ионно-оптической системы, и траектории ионов, движущихся в магнитном поле внутри источника, существенно искривляются. Это накладывает определенные ограничения на конструкцию источника. В частности, требование малого отклонения пучка внутри скрещенной линзы делает критичным выбор угла входа ионов в нее. Для компенсации отклонения низкоэнергетичных ионов в магнитном поле на начальном участке ускорения от узла ионизации вытягивающий электрод выполнен в виде клина, образующие поверхности которого параллельны противолежащим поверхностям соответственно узла ионизации и последующих электродов, причем угол между образующими поверхностями клина лежит в интервале 4^о ≅γ≅ 25^о. При угле γ , не входящем в заданный интервал, большая часть ионного пучка теряется на элементах конструкции источника, и, кроме того, не выполняются условия, необходимые для фокусировки в вертикальной плоскости.

Исполнение вытягивающего электрода в виде составленного из двух электрически независимых частей дает возможность корректировать угол входа ионного пучка в скрещенную линзу, а также задает положение пучка на выходной щели.

Учитывая, что скрещенная линза, фокусируя пучок в одной плоскости, расфокусирует его в другой, важным становится ее расположение внутри ионно-оптической системы. Установка скрещенной линзы после первой горизонтально фокусирующей системы дает возможность сформировать сходящийся пучок на входе линзы, а после прохождения второй горизонтально фокусирующей системы, установленной за скрещенной линзой, на выходной щели источника формируется пучок, сфокусированный в двух плоскостях, причем фокусировка в горизонтальной плоскости улучшается по сравнению с прототипом.

Учитывая, что радиусы траекторий ионов в существующих масс-спектрометрах лежат в интервале от 5 ^. 10^-2 м, до 2 ^. 10^-1 м, а типичная длина ионно-оптической системы источников ионов, работающих в магнитном поле, не превышает 3 ^. 10^-2 м, углы между образующими поверхностями клинообразного вытягивающего электрода γ лежат в пределах от 4^о до 25^о.

Согласно предложенной конструкции был рассчитан, промоделирован и изготовлен источник ионов для работы в магнитном поле с индукцией 0,12 Т. Электроды источника изготовлены из меди. Узел ионизации состоит из электронной пушки и коллектора электронов, смонтированных на ионизационной камере, которая развернута относительно оси источника на угол 11^о 20'. Угол между образующими клинообразного вытягивающего электрода равен также 11^о20'. Положительные ионы, например, гелия-3, ионизированные в результате электронного удара, проходят ускоряющую разность потенциалов 2000 В. Распределение потенциалов задано следующим: ионизационная камера + 2000 В, вытягивающий электрод +1900 В, первый и третий электроды скрещенной линзы 1250 В, второй - 1270 В, на отклоняющем электроде +630 В, выходной электрод - 0 В. Толщина вытягивающего электрода на середине щели - 1,6 мм, электродов скрещенной линзы - по 0,7 мм, толщина отклоняющего электрода 2,0 мм. Зазоры между электродами следующие: между ионизационной камерой и вытягивающим электродом 3,6 мм, между вытягивающим электродом и первым электродом скрещенной линзы, между первым и вторым, а также вторым и третьим электродами линзы по 3,0 мм, зазор между третьим электродом скрещенной линзы и отклоняющим электродом 2,3 мм, а между отклоняющим электродом и выходным электродом, на котором расположена выходная щель, 2,0 мм. Ширина щели ионизационной камеры 2,0 мм, отклоняющего электрода 2,5 мм, второго электрода скрещенной линзы 12,0 мм, а ширина выходной щели источника 28 мкм. Все остальные щели по 3,5 мм. Высота щели второго электрода скрещенной линзы 3 мм, выходной щели 4 мм, а высота всех остальных щелей 12 мм. Все щели смещены относительно оси источника с учетом кривизны траектории заряженных частиц, движущихся в магнитном поле. Центр щели отклоняющего электрода смещен на 1,5 мм, третьего электрода скрещенной линзы на 1,75 мм, второго на 1,75 мм, первого на 1,4 мм, вытягивающего электрода на 1,25 мм, а ионизационной камеры на 0,65 мм.

Подтверждением того, что предлагаемый источник обладает вертикальной фокусировкой, является следующий экспериментальный факт. При уменьшении высоты ионного пучка с помощью клиновидной щели, расположенной диаметрально противоположно источнику на орбите радиусом 93 мм, ионный ток падает медленнее, чем геометрическая высота щели.

В резонансных масс-спектрометрах существенными параметрами являются габаритные размеры источника ионов, так как ионный пучок совершает в магнитном поле два оборота с промежуточным ускорением. Приращение радиуса орбиты после первого ускорения в модуляторе желательно делать как можно меньше, однако, оно ограничивается условием обхода источника. В отличие от источника-прототипа, в котором применяется крепление электродов с двух сторон при помощи изолированных длинных шпилек, в предлагаемой конструкции источник ионов включает струбцину, зажимающую все электроды через сплошные изоляторы со стороны, противоположной траектории обхода. Такое крепление электродов дает возможность уменьшить приращение радиуса после первого ускорения ионов в анализаторе и повысить стабильность работы источника за счет увеличения электрической прочности конструкции.

Предлагаемая конструкция источника ионов обеспечивает выигрыш в токе на выходе анализатора магнитного резонансного масс-спектрометра, имеющего траекторию 1,3 м, более чем на порядок за счет вертикальной фокусировки ионного пучка.

(56) Галль Л. Н. Источники ионов с электронным ударом (обзор). - Приборы для научных исследований и автоматизации эксперимента. Л. : Наука, 1982, с. 10-20.

Сысоев А. А. , Чупахин М. С. Введение в масс-спектрометрию. - М. : Атомиздат, 1977, с. 183-185.

Масс-спектрометр МИ9303. Руководство по эксплуатации ТГЗ. 394.026 РЭ. - Ленинград: НТО АН СССР СКБ АП, 1982, раздел 6.1.1.1, с. 54-56.

Петров И. А. Исследование электронно-оптических свойств первого порядка одиночной скрещенной линзы. - ЖТФ, 1976, т. 46, вып. 5, с. 1085-1089.

Мамырин Б. А. , Аруев Н. Н. , Алексеенко С. А. Новое определение магнитного момента протона в ядерных магнетонах с погрешностью 4,3 10-5% , - ЖТФ, 1972, т. 63, вып. 7, с. 3-20.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано в анализаторах атомных частиц, масс-спектрометрах, в частности в магнитных резонансных масс-спектрометрах. Изобретение повышает величину тока путем фокусировки ионного пучка, выходящего из источника, расположенного в магнитном поле, не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости, что достигается за счет модернизации системы формированная пучка. Предложенное устройство состоит из узла ионизации с ионизационной камерой 1, вытягивающего электрода 2, отклоняющего электрода 3 и выходного электрода, на котором расположена выходная щель 4. Между электродами 2 и 3 расположена трехэлектродная скрещенная линза с электродами 5,6 и 7. Угол выхода пучка ионов из источника через узкую выходную щель, расположенную на выходном электроде, можно корректировать изменением напряжения на электродах. 4 ил.

ИСТОЧНИК ИОНОВ, содержащий узел ионизации и горизонтально фокусирующую систему, включающую последовательно установленные вдоль оптической оси вытягивающий, разрезной отклоняющий и выходной электроды, причем все указанные элементы установлены в межполюсном зазоре магнита, отличающийся тем, что, с целью повышения величины тока за счет фокусировки ионного пучка также и в вертикальной плоскости, вытягивающий электрод выполнен в виде составленного из двух гальванически изолированных частей клина, образующие поверхности которого параллельны противолежащим поверхностям соответственно узла ионизации и последующих электродов, угол между образующими поверхностями клина лежит в интервале 4^o ≅ ϕ ≅ 25^o а после вытягивающего электрода расположена трехэлектродная скрещенная одиночная электростатическая линза, причем большие стороны щелей первого и третьего электродов перпендикулярны медианной плоскости магнита.