Масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного поля Советский патент 1989 года по МПК H01J49/48 

Фие. Г

Изобретение относится к технике масс-спектрометрии и может быть использовано для проведения количественных и качественный анализов веществ, изучения механизма химических

реакций и в других случаях, когда необходимо прецизионное измерение масс атомов и молекул.

Целью изобретения является уве- личение разрешающей способности и чувствительности и упрощение конструции масс-спектрометра с многократным прохождением ионами магнитного поля.

На фиг.1 схематически изображен масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного поля.в проекции на среднюю плоскость; на фиг.2,-- то же, в проекции на плоскость, Перпендикулярную к средней.

Масс-спектрометр состоит из источника 1 и приемника 2 ионов, магнита 3 с круглыми полюсами и трех двухпластинных электродов 4-6, составленных из частей плоских колец Электродная система и магнитные полюса обладают вращательной симметрией относительно: общей о.си, проходящей через центр магнитных полюсов перпендикулярно к средней плос- кости, являющейся плоскостью симметрии магнитной и электростатической систем.

Предлагаемый масс-спектрометр работает следующим образом.

Исследуемое вещество, масс-спект- ральный cocTaiB которого требуется определить, преобразуется источником 1 ионов в ионный пучок, который поступает в магнитное поле магнита 3 с эффективным радиусом R под углом 5,, отклоняется, разлагается по массам и энергиям ионов и выходит из поля под тем же углом , Магнитное поле обеспечивает стигматическую фокусировку пучка. Его дисперсия по массе, равная дисперсии по энергии, Г) 2р R(2 + ctg) vsin6, где . Р - радиус траекторий ионов в магнитном поле. Затем пучок попадает в электростатическую систему, на электроды которой поданы потенциалы, тормозящие ионы при движении в направлении от центра системы,,В поле, образованном внутренним 4 и средним 5 электродами, ионы уменьшают свою энергию, но продолжают двигаться на- в поле, образованном средним 5 и внешним 6 электродами, ионы тор

мозятся, меняют свое направление движения и возвращаются в магнитное поле. При выполнении соотношения

Б-2

R

пучок снова входит

Q

5 0

5 о

г

Q

0

5

в магнитное поле под углом . Элек- рическое поле компенсирует дисперсию магнитного поля по энергии, но не влияет на его дисперсию по массе. При одном отражении в электрическом поле дисперсия по энергии равна D. После вторичного прохождения магнитного поля дисперсия по массе удваивается и при повторных прохождениях растет пропорционально их числу. Поле электростатической системы осуществляет фокусировку пучка в двутс взаимно ортогональных направлениях, что обеспечивает значительную величину светосилы прибора. Если услоf -cosf // , вне и - -7 ё Ь) выпол- К. 4

нено, то фокусы магнитной и электростатической системы оказываются совмещенными и в приборе достигается стигматическая, фокусировка пучка.

При выполнении соотношения -

R

;:1у(2 + ctg ;)isin5 для и проходов в магнитном поле и (п - 1) отражений в электрическом поле дисперсии по энергией этих полей становятся равными nD (п - 1)D и компенсируют друг друга, в масс-спектрометре достигается фокусировка по энергии. В приемное устройство 2 попадают ионы заданной массы, независимо от ,их -энергии. Изменяя напряженность магнитного поля, можно снять спектр ионов по массам. Общая дисперсия прибора по массе foEbi 2пр.

Приведенная совокупность признаков обеспечивает значительное упрощение конструкции электростатической системы, дает возможность изменения пространственного распределения электрического поля и подстройки прибора путем вариации потенциалов на электродах отражающей системы; обеспечивает свободу движения ионов по всему конно-оптическому тракту, на их пути не встречаются ни сетки, ни щели. Это сводит к минимуму рассеяние и выбивание вторичных частиц

10

15

20

а также потери анализируемых ионов. Повышается точность и надежность измерений, значительно облегчается изготовление прибора.

Выполнение электродов отражающей системы в виде нескольких пар идентичных плоских проводящих колец или частей колец с центрами на оси вращательной симметрии магнитных полюсов необходимо для упрощения кон,- струкции электростатической системы масс-спектрометра, а также для обеспечения свободы движения ионов в электрическом поле. Использование трех и более двухпластинных электродов позволяет осуществить точную электрическую подстройку прибора.

В таблице приведены примеры найденных с помощью ЭВМ значений параметров магнитного анализатора и электростатической отражающей сие- . темы, которые удовлетворяют приве- денным соотношениям в зависимости от числа прохождений ионами магнитного поля, создаваемого круглыми полюсами с,.R 50 мм.

. В тaблицed-расстояние междуполеза- дающими поверхностями электростатической системы, RI а-средние радиусы зо зазоров мезкду электродами (фиг.1). Внутренний электрод 4 отражающей системы заземлен, внешний электрод 6 находится под потенциалом Ч , ве личина отношения которого к ускоряющему потенциалу V источника ионов указана в таблице. На средний электрод 5 подается корректировочный потенциал, подпираемый экспериментэльg

25

35

но. Расчеты справедливы при ширине щелей между электродами 4 и 5, 5 и 6 с 0,25 d.

Приведенные результаты свидетель- ствуют, что при очень малых габаритах ионно-оптической системы . в заявляемом спектрометре удается обеспечить фокусировку по энергии, пространсTBeHHjTO фокусировку пучка и Получить большую ди сперсию по мас- се, а следовательно, и разрешающую способность. Увеличивая все линейные размеры магнитной и электростатической системы в одно и то же число раз, можно во стельке же раз уве- ичить и дисперсию по массе. В отли-, чие от прототипа, электроды предагаемого устройства имеют очень простую форму - они плоские, их егко изготовить с требуемой точ40

4

50

55

10

15

525774

ностью. Механическая сборка предла- гаемого масс-спектрометра значительно Проще, так как пучок входит в g электрическое поле свободно и не должен каждый раз точно попадать в узкую щель, как в прототипе. Неизбежные погрешности механической сборки легко ликвидируются электрической юстировкой. В предлагаемом приборе отсутствуют эффекты, связанные с многократным прохождением ионов через узкую щель, - рассеяние ионов и выбивание вторичных заряженных частиц, что обеспечивает высокое разрешение у основания спектральных линий.

20

о

5

5

0

Форму л а изобретения

Масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного поля

содержащий источник и приемник ио- нов, магнит с плоскими полюсами круглой формы, электростатическую отражающую систему с осевой симмет- рией, отлИ чающийся тем, что, с увеличения разре- щающей способности и чувствительности и упрощения конструкции, электростатическая отражающая система вы- долнена в виде трех или более электродов, каждый из которых состоит из двух идентичных плоских проводя- щих колец или частей колец с центрами на оси вращательной симметрии магнитных полюсов, а полезадающие поверхности электростатической системы совмещены с двумя параллель- :ными плоскостями, симметричными па- раллельной поверхности полюсов средней плоскости, общей для эле.ктроста- тической и магнитной систем, причем параметры этих систем связаны следующими соотношениями:

RJ2- R

sinS соЩ

f R

cos 4

- (4 + );

D

Vf

R

2 (2 + )sinS,

55

где Rgm радиус эффективной.поверх-I

ности отражения, м; R - эффективный радиус магнитного поля, м.

71525774

угол входа и выхода осевой траектории пучка из магнитного поля, рад; угол отклонения ионов в отражающей системе, рад; фокусное расстояние элек8

тростатической отражающей

системы, м; - линейная дисперсия по энергии

электростатической системы

при одном отражении, м; - число прохождений ионами

магнитного поля.

фиг. 2

Изобретение может быть использовано при проведении количественных и качественных анализов веществ, изучения механизма химических реакций. Цель изобретения - увеличение разрешающей способности и чувствительности и упрощение конструкции. Масс-спектрометр обеспечивает многократное прохождение ионами магнитного поля, что позволяет значительно увеличить дисперсию по массе. Выполнены условия пространственной фокусировки и фокусировки по энергии ионного пучка. Пучок ионов из источника 1 ионов поступает в магнитное поле 3. После отклонения пучок попадает в замедляющее поле электростатической отражающей системы, состоящей из электродов 4 - 6. Ионы тормозятся, меняют направление движения и снова возвращаются в магнитное поле. После многократного прохождения магнитного поля ионы заданной массы детектируются в приемнике 2. 2 ил., 1 табл.