Масс-спектрометр Советский патент 1990 года по МПК H01J49/32 

Изобретение относится к сепаратору заряженных частиц или масс-спек- тро «етру высокой яркости, предназначенному для одновременного детектирования и измерения нескольких элементов.

Целью изобретения является повышение разрешающей и пропускной

способности за счет уменьшения аберрации отверстий второго порядка.

На Фиг. 1 приведена схема спектрометра согласно данному изобретению, разрез в радиальной плоскости, на этом чертеже показаны два параллельных пучка, поступающих под разными углами падения на магнитый сектвР- и два пучка соответствующих

см

ным энергий ; + ft. на (Ьиг. 2 - вид устройства, похожий на фиг. 1 , но иплюстрирутаций отделение в одном и том же пучке частиц обладатоших . , двумя различными мacca в ; на Фиг.З - участок , иллюстрирумций в вертикальном сечении Форму пучка перед его входом в электростатический сектор; на Фиг. 4 - проекция устройст- ю Sa по 6иг.1; на фиг. 5 вертикапь- ное сечение, иллюстрирующее (Ьорму йучка в направлении, которое он имеет 1|1Ьсле выхода из магнитного сектораt .йа Фиг.6 и 7 - то же, что и на Фиг.2 J5 3 в увеличенном масштабе , на Фиг,.8 йана более точная иллюстрация част- ijioro примера, выполнения изобретенияi йа Фиг.9 для этого примера проиллюст- | ирована работа прибора с послеуско- |эением; на Фиг. 10 - то же, без по- Ьлеускорения.

В противоположность масс-спектро-- графам, в которых в качестве конечного детектора применяется фотографическая пластина, масс-спектромет- ры не нуждаются в-том,-чтобы их зона Детектирования, Фокальная поверх- |ность выхода магнитного сектора, была ;обязательно плоской.30

На входе спектрометра имеется блок 1 передающей оптики. Характер передачи зависит от характеристик пучка частиц, подаваемого на вход или от точечного источника 2 частиц. 35

20

25

Блок 1 передающей оптики заканчивается на уровне входной щели 3, которая и является входом спектрометра. Как известно, спектрометр после входной щели 3 имеет злектростатиче- 40 ский сектор 4, а затем магнитный сектор 5-, перед которым установлена щель отверстия 6. Весь этот комплекс средств предназначен для отклонения потока частиц в радиальной плоско- 45 сти, перпендикулярной большому разке- ру-входной щели 3. Этой радиальной плоскостью и является плоскость рисунков 1 и 2.

Известно, что основным элементом Q масс-спектрометра является его магнитный сектор 5, рассеивающее действие которого зависит одновременно . -и от массы части1ц.1, и от ее энергии. Это рассеивающее действие выражает- ся в том, что траектория частицы приобретает Форму дуги окружности, радиус которой зависит от массы и энергии частицы. Известно также со5

0

35

0

5

40 45 Q

четание магнитного сектора 5 с предшествующим электростатическим сектором 4, Электростатический сектор 4 также оказывает рассеиваюшее действие, но только в зависимости от энергии частиц. При одновременном действии, обоих этих секторов электростатический сектор компенсирует рассеивающее действие магнитного сектора, зависящее от энергии частиц. Таким образом, в принципе на выходе магнитного сектора остается только рассеивающее действие, зависящее от массы частиц.

Магнитный сектор 5 снабжен плоской стороной входа 7, размещенной под углом к оси пучка частиц, и выходной стороной 8, также плоской и лежащей в плоскости, проходящей че- рех пересечение 9 (Фиг.2) входной стороны 7 с осью пучка частиц. При таком расположении угол отклонения остается одним и тем же независимо от массы частиц. Этот угол вдвое больше угла между выходной стороной 8 и осью пучка частиц на входе магнитного сектора 6. Отсюда следует, что для пучка, параллельного на входе, Фокусирование частиц на выходе магнитного сектора происходит в плоскости 10, которая также проходит через пересечение 9.

Для получения спектрометра с многочисленным детектированием и большой яркостью, а также с большой разрешающей способностью необходимо компенсировать различные аберрации, вызываемые элементами спектрометра и рассматриваемые каждая в отдельности или в их сочетании.

Первая аберрация известна под названием аберрации отверстия второго порядка магнитного сектора. Этот тип аберрации обусловлен тем, что две траектории, симметричные относитель- но центральной траектории на входе в магнитный сектор, после выхода из этого сектора пересекаются в точке, не находящейся на центральной траектории. Смещение этой точки относитеь- но центральной траектории пропорционально .квадрату углового отклонения а каждой секушей траектории относительно центральной траектории (откуда и появляется второй порядок а ).

Первый аспект изобретения состоит в корригировании этого типа аберрации отверстия второго порядка на уровне

самого г агнитного сектора. Обозначим через позицию 11 нормаль к оси пучка частиц в точке, где начинается изгиб траектории, получавшейся под воздействием магнитного сектора 5. Буквой & обозначим угол отклонения пучка частиц в магнитном секторе 5. Аберрация отверстия второго порядка, созданные магкйтных сектором, для траекторий, расположенных в радиальной плоскости, уничтожаются, если эти углы удовлетворяют следующему соотношению;

tge/2.tg(6 - 8) 2

Изобретение относится к масс-спектрометру очень высокой Яркости,иначе говоря к прибору, воспринкмаюшему пучок, геометрическая протяженность которого очень велика, и способному к одновременному детектированию, благодаря чему коррекция аберраций становится очень сложной.

Согласно изобретению рекомендуется, чтобы входная сторона магнитного сектора имела- соответствующий наклон, с тем,чтобы магнитный сектор был лишен аберраций отверстия второго по- ряцка для всезс масс (для всех траекторий пучка, располот-генных в радиальной плоскости) S, конечно, при условии, что предварительно уже были ликвидированы аберрации электростатического сектора.

Угол наклона входной стороны в зависимости от угла б отклонения магнитного сектора определяется по приведенному ,вы;ие уравнению

tg0/2.tg(e - 5) 2 .

3 магнитном получаем О

Так, для отклонения секторе SM, разном 90,

tgg 1/2, т.е. С 26,56

Это соотношение установлено исходя из коэ(М)ициентов аберраций, выявленных во время опытов с магнитными секторами различных гсонЛигураций. Комбинируя некоторые коэффициенты, можно установить приведенное выше - соотношение, при соблюдении которого оказываются скорректированными аберрации отверстий второго порядка магнитного, сектора. Именно это и является основный положением, которое позволило корригировать эти аберрации при любых геометрических размерах пучка, что совершенно необходи1600645

мо, так как ижобретение преследует ,я) охват возможно более широкого пучка частиц,

Суп:ествует вторичный эффект, ко- состоит в том, что наклон входной стороны, вводит плоскость (Ьой-усирования (0) магнитного поля магнита (это было известно и раньше). jQ Использование приведенного вьгше соотношения дает возможность корригирования аберраций отверстий магнита для траекторий, расположенных в радиальной плоскости, так5 что остают- 15 ся только аберрации, введенные электростатическим сектором, которые можно корригировать при помощи расположенного перед магнитным сектором шестиполюсника 12. Такая коррекция 0 аберраций отверстий второго порядка, связанных с магнитным сектором, сама по себе очень важна и, естественно,. может быть применена и в других видах спектрометров, отличающихся от де- 25 тальло описываемого здесь.

Пучок частиц, выходящий из электростатического сектора 4, имеет сужение в точке 13 (Фиг.2). Для того, чтобы получить оптимальный эффект от 30 первой коррекции, вслед за точкой 13 введены устройства, благодаря которым магнитный сектор получает пучок, пара.ллельный в радиапьной плоскости. Это достигается при помопги одного , ;i.nn нескольких четырех1 олюсников, таких как 14, установленных между электростатическим сектором 4 .и маг- сектором 5. Одним из способов ввеления одного четырехполюсника 14 0 является такая установка, л.и которой его передний главный dioKyc совпадает с точкой 13 сужения. Положение четырехполюсника 14 выбирается так, чтобы наклон каждого параллельного 5 пучка, соответствующего различным энерг иям, обеспечивал ахроматическое 4|уикционкропание на уровне черт, располож .нных в плоскости 10, одновременно для всех масс. Эта особен- 0 проиллк стрирована на dinr.l, где два параллельных пэтка, соответ- ствуюицгх энергиям V ± AV, сФокуси- рсвакы в одной и той же то-чке плоскости 0 (для большей ясности ордината 5 нисколько растянута). Как это будет видь о 3 дальнейшем, точка 3 является действительным изображением вход- но;: Lupj;n 3, создаваемым злектроста- тическг- .м сектором в радиальной плоскости. Точно также на йиг, 2 в рали- альной плоскости показш параллельный пучок на его выходе из четырел- полюсника 14.

На-Фиг. 4 показано, что четьфехпо- люсник 14 в вертикальном сечении,

наоборот, оказывает рассеивающее действие. Это рассеиваюшее действие, в свого очередь, ко тенсируется электро- статической щелевой яинзой 15, Таким , на выходе этой линзы появляется паралл-ельньш пучок частиц, который точно проходит через меньший размер щели отверстия 16,

Если теперь снова вернуться к раю- смотрению иг,2, то молшо увидеть, что параллельньй пуп ок (изображенный для упрощения как единственный пучок обладающий средней энергией)S, выда- четырехполюсником 14 в радиальной плоскости, проходит без измене-- НИИ через щелевую линзу 15, чтобы, затем войти внутрь-щели большого размера отверстия . 16, Сравнение с (Ьиг.1. показывает, что большой размер отверстия 16 обеспеч ивдет проход парал- лельных пучков с различным хроматическим отклонением, поступающих от четырехполюсника 14, с учетом диспер- сии энергии, суптеств уюией между зле- ктростатичес м сектором 4 и магнитным сектором 5.,

В конце концов пучок частиц становится параллельным по двум его„ по- перечным направлениям после шелеврй линзы 15 и вплоть до входной стороны магнитного сектора 5,

Известно, что электростатический сектор 4 и магнитный сектор 5 обла- дают каждый своим центром хроматического вр.ащения (прилагательное хроматическое применено здесь щ связи с дисперсией энергии). Частицы, елеj

дуюшие по центральной траёкт.ории до их входа в электростатический сектор и обладающие энергией, слегка отличающейся от. номин;альной энергии пучка, будут выходить из электростатического сектора 4 по отклоненным тра.екториям. В зависимости от энергии частиц отклоненные траектории оказываются повернутыми.вокруг не-. которой точки, которая называется центром хроматического врашения.

Аналогично этому и магнитный сектор 5 обладает своим центром хроматического врашения, к которому должным сходиться под соответствующим

углом чacтии J, имекщие близкие одна другой энергии и одну и ту же массу, после з авершения их отклонения, т.е. в той же точке Локальной плоскости 17 и под тем же углом (по совпадающим траекториям), какова бы ни была энергия. в пол осе ±&V, Таким образом, достигается полная компенсация (первого порядка) э нергетической дисперсии магнитной призмы. Центров хроматического вращения имеется. столько же, сколько различных масс.

Однако,если отклонение траекторий на входе сектора 5 просто пропорционально разнице энергии с коэ4- Лициентом пропорцио нальности, одинаковым для всех м асс, и эти .траектории .все же сходятся в одной точке Фокальной плоскости 17 для данной массы, то траектории частиц с раз-., личной энергией будут иметь раалич- .ное отклонение, ,

Согласно другой характеристике изобретения предусматриваются средства для сопряжения двух центров хроматического врашения электростатического сектора 4 и магнитного сектора- 5. Это можно легко осуществить путем соответствующего увеличения при помощи четырехполюсника 14, чем дости- гае-рся полная коррекция хроматической или энергетической дисперсии пучка частиц одной массы, при, этом четырехполюсник размешен так, чтобы . вать частицам других масс другие траектории с соответствующими.отклонениями , .- Теперь рассмотрим коррекцию аберра ций отверстий второ. го порядка, кото- рые появляются на уровне электростатического сектора 4. Эта коррекция в основном осуществляется Т1ри помоши первого шестиполюсника 18, Однако первый шестиполюсник 1.8 работает в, тесном контакте с элементаьги спеКтрометра как такового, а также совместно с его блоком 1 передающей оптики

Чтобы составить представление об- оптической передаче и о входе спектрометра прежде всего обратимся- К (Ьиг. 1 2, 3, 6, 7,

Пучок заряженных частиц, приложен- ньй к входу в блок 1 передающей оп- тики, имеет сужение в точечном источнике 2. Этот пучок ионов состоит из частиц различной массы, обладающих, разными кинетическими энергиями, не намного отличающимися одна от другой

1600645

Среднее значение этой энергии, как и

10

раньше, обозначим буквой V, выраженной в электроновольтах, а ее дисперсию - через + ,

Этот пучок в принципе обладает симметрией вращения в точке,точечного источника 2 и может состоять из вторичкьш конов, испускаемых образцом, подвергнутым воздействию пучка первичных ионов, сосредоточенного на поверхности образца.

Первая унипотенциальная электростатическая линза 19 дает изображение точки 2 в точке 20. Вокруг этой точки могут быть предусмотрены пластинки 21, позволяющие выполнять возможное рецентрирование пучка на оптической оси.

После первой линзы 19 и, если это требуется, после пластинок 21 центрирования устанавливается щелевая линза 22. На (Ьиг.2 и 6 показано, что щелевая линза не оказывает никакого влияния на траектории ионов, лежащих в радиальной плоскости. И наоборот, в вертикальном сечении (Фиг.З и.7) щелевая линза 22 сводит эти траектории в точку 23 сужения.

Вторая электростатическая линза 24 п установлена после шалевой линзы 22.

В радиальной плоскости (Фиг.2 и 6) инза 24 дает изображение точек 2 и 20 в точке 25, расположенной на уровне входной щели 3 и отцентрированной а ее оси.

В вертикальном сечении(Фиг.3 и 7) линза 26 размешена так, что ее Ьо- ус близок к точке 23. Следовательно, та линза выдает параллельные лучи ли траектории, развертываясь вдоль ходной щели 3 по ее большому размеу (Фиг.7).

20

25

в с к ни J5 по не то да эт ло

др ни та пу оп ще си ко ко на ре ио

ко ща чт ра гл ко же но то на

35

40

Таким образом, увеличение на уров- не входной щели 3 радиальной плоскости получается путем влияния на потенциал возбуждения электростатических линз 19 и 26.

Независимое регулирование траекторий, расположенных в вертикальной плоскости (Фиг. 3 и 7), достигается при помощи щелевой линзы 22.

На входе спектрометра перед входной щелыо 3 установлены с одной стороны собирательная электростатическая линза 27, которая делает возможным управляемое послеускорение, а после нее - первьй шестиполюсник 18.

10

10

п

20

25

50

дг

Линза 28 в вертикальном сечении пучка частиц служит для сужения потока частиц в точке, расположенной перед электростатическим сектором 4. Первый шестиполюсник 18 отцентрирован на уровне этого сужения.

Шестиполюсник 18 установлен для Компенсирования аберраций отверстий второго порядка, создаваемых электрЬ- статическим сектором 4 для траекторий, расположенных в радиальной плоскости. Прежде всего,он не оказывает никакого влияния на траектории, рас- J5 положенные в верти1 альном сечении, и не вносит в них никаких изменений, в том числе аберраций типа В -, благодаря тому Факту, что сужение пучка в этом сечении находится в центре шести- лолюсника.

Линза 28 Послеускорения играет другу«) роль, заключакяцуюся в изменении угла отверстия спектрометра как такового. Соответственно сужение пучка, производимое блоком передающей оптики, в точке 25 на уровне входной щели в радиальной плоскости, переносится в точку 27 линзой 28 послеус- корения. Это позволяет увеличить яркость спектрометра после устранения наиболее существенных аберраций. В результате послеускорейия энергия ионов V превращается в энергию Vp.

На.практике передняя главная плоскость линзы 28 Послеускорения размещается в плоскости входной щели 4 так, что спектрометр видит входную щель, расположенную в точке 29 в задней главной плоскости линзы 28. Лля такого спектрометра гауссовское изображение остается без изменений. Для данной разрещаюшей силы увеличивается только располагаемый угол отверстия на рходе.

Как указывалось раньще, спектро- метр устанавливают так, чтобы задний главный Фокус линзы 28 Послеускорения находился в центре щестиполюсни- ка 18, в точке 30.

Кроме того, послеускорение позволяет уменьщить энергетическую дисперсию соотнощения V/V до отнощения

35

40

5

V/VP, что, в свою очередь, приводит к уменьшению смешанных аберраций и аберраций в (ДУ/Ур). .

С целью упрощения описания заявителя выбрали отношение WVp порядка одной четверти, что потребовало для редакции отрицательных ионов энергии

11.

порядка J5 кВ и расчета всех проводов спектрометра з цепях, расположенных после линзы 28 послеускорения, на на- пряжение +15 кВ,v

Спектрометр имесгт второй шестипо- люсник 2, расположенный после электростатического сектора 4 и отцентрированный на действительном изображении входной щели 3, которое дает электростатический сектор А в радиальной плоскости. Это позволяет уменьшить смешанньш аберрации отверстия и ; хроматические аберрации для траёкто1600645

10

рий, расподоженных в радиальной плес- 55 тырехполюсника 14.

же, как и магнитный этого ставят на сво полюсник 31, с тем создать условия для наклона хроматическ получения параллель дящего в магнитный танавливают щелевую щую для корригиров четырехполюсника сечении .После этого отверстия 16, а та люсник 12, помещае

20

30

кости, при обеспечении точной компенсации для выбранной массы. Центрирование шестиполюсника J 2 в точке 13 позволяет обеспечить коррекцию сме- шанных аберраций, не регулируя для этого щестиполюсник 18, который корригирует аберрации отверстия (независимость регулировок)а

В описываемом здесь примере pea- . лизации изобретения фильтрование по энергии производится перед блоком передающей оптики.

В одном из вариантов оно выполняется на уровне второго щестиполюс- : ника 12. Таким образом, в этом варианте спектрометр имеет два щестн- полюсника, обрамляющих щель Фильтрования по энергии (не показана).

После второго шестиполюсника 12 нахо дятся четырехполюсник 31, входная линза 15, щель отверстия 6 и, наконец, магнитный сектор 5.

На Фиг. -1 , 2,4. показаны некоторые детали магнитного сектора. Этот сектор имеет магшуг (не показан), кото- рьй взаимодействует .с двумя полюсными наконечниками 32 и 33, Форма которых показана на видах устройства в радиальной плоскости.

Независимо от получения различных . коррекций, уже описанных вьше, изобретение позволяет значительно облегчить эти коррекции, осуществляя их при помощи регулировок, которые не требуют перемещения отдельных элементов спектрометра и которые сделащ, по возможности независимыми один от другого.

Для этого сборка и регулировка спектрометра производятся в следующем порядке:

Прежде всего ставят на место электростатический сектор 4, относящийся к секторам сферического типа, так

Перед электрост 4 устанавливают на тиц щестиполюсник ный в выбранной за фокусе, в вертикал 28 послеускорения вторую электростат щелевую линзу 22, рования и, наконец 25 циальную электрост Все эти элемент щены в заранее опр ниях, которые в да не будут.

После этого про ные регулировки, в ющем порядке: четы гулируется так, чт энергии траектория электростатическо давалось соответс

Линзу после уско тами регулируют т сужения была в Фо ника 14 и, следов шестиполюсника 12 обеспечивает пара ной плоскости пуч четырехполюсника д5 пенсировать возмо ния, занимаемого

Шелевую линзу регулируют так, ч ния находилась в ника 18.

40

50

55

Специалист пой таким образом, ок отрегулированным менения взаимного элементов.

Точно так же н ществлять сбор от выходе из магнитн

12

же, как и магнитный сектор 5 После этого ставят на свое место .четырехполюсник 31, с тем чтобы заведомо создать условия для соответствующего наклона хроматических траекторий и получения параллельности пучка, входящего в магнитный сектор. Затем устанавливают щелевую линзу 15, служащую для корригирования расхождения четырехполюсника 22 в вертикальном сечении .После этого устанавливают щель отверстия 16, а также второй щестипо- люсник 12, помещаемый в Фокусе четырехполюсника 14.

0

30

Перед электростатическим сектором 4 устанавливают навстречу пучку ча с- тиц щестиполюсник 18, отцентрированный в выбранной заранее точке, как в фокусе, в вертикальном сечении, линзу 28 послеускорения входную шель 3, , вторую электростатическую линзу 26, щелевую линзу 22, пластинки 21 центрирования и, наконец, первую унипотен- 5 циальную электростатическую линзу .19. Все эти элементы могут быть размещены в заранее определенных положе ниях, которые в дальнейщем измен яться не будут.

После этого производят дополнительные регулировки, выполняемые в следующем порядке: четырехполюсник 31 регулируется так, чтобы дисперсным по энергии траекториям, выходящим из электростатического сектора 4, придавалось соответствующее отклонение.

Линзу после ускорения с ее элементами регулируют так, чтобы точка 13 . сужения была в Фокусе четырехполюсника 14 и, следовательноj в центре шестиполюсника 12. Эта регулировка обеспечивает параллельность в радиальной плоскости пучка, выходящего из четырехполюсника 14, и позволяет ском- д5 пенсировать возможные дефекты положения, занимаемого четырехполюсником 14.

Шелевую линзу 22 оптики передачи регулируют так, чтобы точка 30 -сужения находилась в центре щестиполюс- ника 18.

40

50

Специалист поймет, что прибор, таким образом, оказывается полностью отрегулированным без какого-либо изменения взаимного расположения его элементов.

Точно так же н.ет необходимости осуществлять сбор отклоненных частиц на выходе из магнитн.ого сектора 5. Час131600645

тицы, имеющие различные массы, приходят на одну и ту же плоскость 10.

Сепаратор частиц согласно изобретению позволит по образцу спектрографа применять ЛотограЛическую пластинку для сбора отклонения частиц и анализа распределения масс.

Согласно изобретению предпочтение отдается разкешению в Фокальной плос- кости 10 ряда отдельных коллекторов, например, таки:,,как электронные умножители, входная поверхность которых

электрод 28 послеускорения - ди толщиной 8 NM с отверстием, имеющим внутренний диаметр 14 мм, изолиров ный алюминиевым цилиндром. Этот дис имеет потенциал +10 кВ при работе в

чувствительна к ударам заряженных

частиц, выходящих из магнитного секто-)5 качестве послеускорителя, при этом

ра 5.. элементы, расположенные в передней

14

Масс-спектрометр 2:

входная щель- 3 - прямоугольное отверстие размером 0,024)0,8 ммд (с активным поелеускорением), имеющее разрешающую способность по массе М/ДМ 4000. Большая ось шели перпендикулярна радиальной плоскости. Размеры щели регулируются по осям X и Y)

электрод 28 послеускорения - диск толщиной 8 NM с отверстием, имеющим внутренний диаметр 14 мм, изолированный алюминиевым цилиндром. Этот диск имеет потенциал +10 кВ при работе в.

Изобретение касается масс-спект- рометрии высокой яркости. Целыо изобретения является повышение разрешающей и пропускной способности за счет уменьшения аберрации отверстий второго порядка. Масс-спектрометр содер жит источник ионов с выходной шелью и блоком передающей оптики, электростатический секторный и магнитнй анализаторы. Величины угла между тоской входной границей магнитного анализатора и нормалью к ионно- опти- ческой оси масс-спектрометра со стороны отклонения пучка и угла отклонения пучка в магнитном анализаторе удовлетворяют соотношению tg|-.tg(6-e) . 2 . Блок электрофокусирующей оптики содержит расположенные до выходной ше- ли источника две электростатические линзы с Фокусом в радиальной плоскости в области выходной шели и расположенную между ними щелевую линзу для создания параллельного в аксиальной плоскости пучка частиц в области выходной щели ионного источника. Блок электрофокусирующей оптики после выходной щели ионного источника содержит Фокусирующую линзу послеускоре- ния, в фокусе которой расположена шестиполюсная линза. Вторая шести- полюсная линза расположена после электростатического анализатора в точке его Фокуса. Линза для подачи к магнитному анализатору параллельного в радиальной плоскости пучка частиц выполнена в виде квадрата. 4 з.п, ф-лы, 10 ил. СЛ О5 а 4 СП

Теперь приступим к описанию частного примера реализации изобретения, воспользовавшись Фиг.8 и последующими

части, имеют опорное напряжение + 15 кВ,шестиполюгник 18 - щесть цилиндри- Входной пучок, отрицательные ионы 20 ческих стержней диаметром 8 и длиной средней энергии 5 кВ образуют пучок 36 мм. Их оси равномерно распределены по цилиндрической поверхности диаметром 24 MN. Разность потенциалов

вращения,, имеющий сужение в точке ионного источника 2. Подуугол при вершине имеет порядок 10 раддля разрешающей способности М/йМ порядка 4000. 25 попеременно. Центр шестиполюсника В блок передающей оптики входят: находится в 52 мм после электрода 28

двух соседних стержней равна +36 В

электростатическая линза 19 - три круглых электрода с центральными отверстиями диаметром 4 мм. Центральный электрод имеет потенциал 4670 В а два других электрода, установленны по одну и по другую сторону от центрального электрода, имеют потенциал массы;

пластины 21 центрирования - четыре пластинки из нержавеющей стали, имеющие активную поверхность разме- ром 18x2 мм, создаюиие канал квадратного сечения. Расстояние между противоположными пластинками равно 3 мм. Их центр расположен на уровне сужения пучка ионов,

щелевая линза 22 - три электрода с прямоугольными отверстиями, -большая ось которых лежит в радиальной плоскости. Центральный электрод имеет размеры , а два других электрода - мм. Центральный электрод, получающий напряжение - 5 кВ, установлен на расстоянии 66,5 мм от оси линзы 22.

Электростатическая линза 22 идентична линзе 19, разница между ними лишь в том, что ее центральный электрод имеет потенциал - 4310 В. Этот электрод размещен на расстоянии 36 мм от центра шелевой линзы 22 и на расстоянии 30 мм от входной линзы 3, расположенный вьше.

попеременно. Центр шестиполюсника находится в 52 мм после электрода 2

двух соседних стержней равна +36 В

и в 43 мм перед входной плоскостью электростатического сектрра;

электростатический сектор 4 - угол

отклонения 90 . Два концентрических учасугка сферы радиусами 94 и ,106 мм. Разность потенциалов, приложенных к внутренней и наружной сферам, составляет +4819,в В. На входе и выходе имеются защитные щели, служащие для ограничения утечки электрического поля ;

шестиполюсник 12 - такой же, как и шестиполюсник 18. Разница заключается только в том, что длина стержней равна 72 мм, а разность потенциалов равна +1702,5 В. Центр шестиполюс- ника находится в 77 мм после выходной CTOpoiibi электростатического сектоРЗ 4;

четырехполюсник 14 - четыре цилиндрических стержня диаметром 24 мм и длиной 100 MN. Оси этих стержней равномерно распределены по цилиндрической поверхности диаметром 46 мм. Разность потенциалов попеременно составляет +46,4 В. Стержни с отрицательным потенциалом должнъ лежать в радиальной плоскости;

щелевая линза 15 имеет такую же конструкцию, как и линза 22. Центральный электрод имеет отверстие размером i4f70 мм, электроды, расположенные по .краям, имеют отверстия

размером мм. Потенгщал центрального электрода соответствует Фокусному расстоянию 173 мм. Он отстоит на 119 мм после центра четьфехполюс- ника

щель отверстия 16 имеет размеры ,7 для разрешающей способности по массе М/бМ . Большая ось ше- ли расположена в радиальной плоскости;

магнитный сектор 5 - магнитная цепь из мягкой стали U-образного сечения. Междужелезное пространство магнита - 8 мм. Полезный радиус траектории - от 70 до 350 мм. Магнитная индукция может регулироваться с точность до 1 Тл.

Угол входной стороны 26 56 (tg ). . Угол отклонения а 90 . Угол выходной стороны Q/2 45 . Угол плоскости 10 Фокусирования 53 3.

Магнитная цепь имеет потенциал массы, но немагнитные электроды, размещенные внутри, HMefOT потенциал +15 кВ при работе в качестве ПОСЛЕ;- уско:рителя. Магнитный шунт, ограничивает утечку поля с входной стороны магнитнЪго сектора. На верхней части плоскости 10 Фокусировки находится узел .мультиколлектора, состоящего из ионно-элёктронных преобразоват(2ле послеэлектронных умножителей.

Оптические элементы (за исключением магнита) установлены на детали конструкции, изготовленной из нержавеющей стали, которая биксирует взаимное расположение различных устройств и служит вакуумной камерой. Группа криогенных насосов обеспечивает получение требуемого сверхвысокого вакуума. Магнит соединен с предшествующим устройством эластичной герметичной систб;мой, в которую входят элементы механического выравнивания оптических осей по одной линии. .

При последующем описании обращаться к Фиг.-9, 10, -которые иллюстрируют работу системы при наличии по- слеускорения и без него.

До щелевой линзы 22 траектории остаются такими же, как и раньше, и находятся в радиальной плоскости и . вертикальном сечении.

На Фиг. 9 показано, что в радиал .иой плоскости тр аектории без ускоре

5

0

5

ния проходят через щелевую линзу 22, чтобы сходиться к второй электростатической линзе 26 и Фокусироваться в точке 25. Однако линза - электрод 28 послеускорения, имеющая потенциал до 10 кВ, создает мнимую Фокусировку в точке 29 по ходу лучей в спектрометре. Таким образом, из этой точки, находят траектории, поступаюдае в ще- стиполюсник 18. Для конкретных числовых значений величин, описанных ранее, расстояние между точками 29 и 25 равняется 11 мм.

В вертикальном сечении (Фиг . 9) эти траектории деформированы щелевой линзой 22. При этом остаются параллельными до плоскости 33 (Фиг,8), после которой они слегка сходятся, с тем чтобы пройти через щ елевое отверстие 3 в плоскости 34 (Фиг.9) и, таким образом, получить окончательное направление, идущее к точке 30 сужения, в которой отцентрирован шестиполюсник 8.

Фокусные расстояния этих линз равняются, мм:

11

0

для линзы 19 f для линзы 22 f 13 для линзы 24 f 14. для линзы 28 f 21

15 9,44 19,88 97

5

0

При работе без послеускорения (Фиг.10) имеет место только один эффект собирательной линзы, создаваемый линзой 28. Следовательно, точка 25 остается связанной с точкой 30, из которой как бы исходят траектории, которые находятся после линзы 28 в радиальной плоскости.

Б вертикальном сечении 10 регулировка оптической передачи изменена так, чтобы траектории начинали сходиться тотчас же после выхода из второй электростатической линзы 26. 5 Они проходят через входную щель. 3, несколько раньше сходясь до уровня линзы 28 и окончательно сходясь в той же точке 29 сужения, что и в предыдущем случае.

Величины Фокусных расстояний при этом:

f 11 и f 14 остаются такими же;

для линзы 22 f 13 8,30 мм; для линзы 28 f 21 139,09 мм.

Если при работе с послеускорениём увеличение на уровне входного отверстия равняется единице, то при работе без послеускорения между изображениями, расположенными в точке 29 и

0

5

17

изображением в точке 30 имеется увеличение в 1,32 раза.

Отсюда следует, что послеуско- рение, сопровождаемое 3d5die rTOM сходимости, вызванным дополнительным электродом, соответствует особенностям незавксимбй.регулировки,, которыми обладает устройство согласно изоб- ретеншо, - изменяется только величи- чина электрических напряжений.

Некоторые из элементов описанного выше спектрометра могут быть заменены эквивалентными элементами. Так, единственный четырехполюсник J4 может быть заменен двумя четырех- полюсниками. Возможно использование и других элементов, эквивалентных четырехполюснику, а также шестипо- люсникам, электростатическим линзам н шелёвым jjHH3aM. -. . . .

16

Ф

ормул. а изобретения

-

600645

18

10

20

, нормалью sr ионно-оптической оси масс- спектрометра со стороны отклонения пучка и угла 0 отклонения пучка в магнитном индикаторе удовлетворяют соотношению

tgS/2. tg(e- 6) 2 .

5 в области выходной щели ионного источника и расположенную между ними щелевую линзу для создания параллельного в аксиальной плоскости пучка частиц в области выходной шели ионного HCTO-iHHKa.

3,Масс-спектрометр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что блок электрофокусируюшей оптики после выходной щели ионного источника

25 содержит Локусирутщу линзу после ускорения, в Фокусе которой расположена шестиполюсная линза,

30 содержит вторую шестиполюсную линзу, расположенную после электростатического секторного анализатора в точке его djoKyca,

4Q с Фокусом электростатического секторного анализатора в радиальной плоскости, причем после квадруполя установлены средства для компенсации расхождения пучка в аксиальной плоскости.

45 I

35

фиг.Ъ

31 75 и

Фиг /

115

/

3k

t/3,Z J

35

35

.гв

21

NH

22

,

25

©

t .

ffus.e

,20 .f1

/

22

-23

26

/

w

H)j

фиг.7

18

19

V

фиг 9

19

19

IШ

L.

Фиг. г О