Времяпролетный масс-спектрометр Советский патент 1991 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к научному приборостроению и может быть использовано при исследовании массового состава нейтрального газа, потока низкоэнергетичных ионов и плазмы в условиях вакуума.

Цель изобретения - создание прибора осесимметричной конфигурации, способного анализировать нейтральный газ и приходящий извне поток ионов, при этом повысить чувствительность прибора и надежность полученных данных.

На чертеже представлена схема предлагаемого масс-спектрометра.

Исследуемые ионы дрейфуют в участке дрейфа 1. Входное окно прибора представляет собой сборку сеток 2, 3 и 4 коаксиальной конфигурации. Сетка 5 ограничивает участок дрейфа 1 со стороны входа. Цилиндрическая диафрагма 6 с щелью располагается перед накапьным проводом 7, а за областью, ограниченной сетками 3 и 4, располагается цилиндрический анод 0. Внутри дрейфового участка расположена отклоняющая система 9. Область между сетками 10, 11 и 12 представляет собой рефлектрон. За сеткой 12 расположен

О

сл

со

ND 1

собирающий электрод 13. Сетка 14 расположена перед детектором ионов 15.

Масс-спектрометр может работать в режиме нейтрального газа и в режиме регистрации ионов.

На сетки 3 и 4 в ждущем режиме подается напряжение U U. 30 В, провод 7, имитирующий электроны, находится под потенциалом U-j -150 В, а диафрагма 6 под U -155 В. Участок дрейфа и сетка 5 находятся под потенциалом U0 -200 В. Напряжение U-. на электродах отклоняющей системы |9 подбирается экспериментально. На |сетку 12 подается напряжение U а на электрод 13 напряже- На сетке 14 напря

..„ варьируется от 30 до

40 В,

ние U7 -100 В. жение Ug -200 В.

В режиме выталкивание на сетки 3 и 4 подается напряжение U +t5 и Uo - 15 В длительностью 10 ис - 1 мкс. Режим выталкивания повторяется с частотой от 10 до 10 Гц.

Прибор в режиме нейтрального газа функционирует следукшдем образом.

Нейтральный газ ионизируется в области, ограниченной сетками 3 и 4, и образованные ионы удерживаются электростатическим полем до включени выталкивания, после чего ионы с энергией /«30 эВ начинают двигаться в области ; ограниченной сетками 4 и получив дополнительно 200 эВ, далее, пройдя через область дрейфа и отклоншись в поле электродов, ионы отражаюся в поле рефлектрона и попадают на детектор.

Величина напряжения и§ выбирается экспериментально по максимуму сигнала и наилучшего разрешения.

В режиме регистрации ионов сеточная сборка 2, 3 и 4 используется в качестве электростатического затво ра. В этом режиме на прибор подаются те же напряжения, что и в режиме нейтрального газа за следующим исключением с провод 7 отключен, диафрагма 6 соединена с корпусом: в ждущем режим сетка 4 также соединена е корпусом В режиме выталкивания: на сетку 3 подается импульсное напряжение отри- цатепьной полярности величиной U 30 В длительностью 10-100 не. С целью улучшения характеристик ионн го пакета на сетку 4 можно также подать импульс положитепъной полярности амплитудой Ua 30-40 В длитель

0

5

0

5

, ,jo

5

0

костью 10-100 не с залержкой 10- 100 не относительно импульса на rei- ку 3.

Масс-спектрометр работает следу- юпим образом.

ТС ждуием режиме ионы с энергиями ,30 эВ отражаются в области между сетками 2 и 3. На время подачи на сетку 3 отрицательного импульса Uj ионы проходят через область между сетками 3 и 4 (последняя соединена с корпусом) и далее ускоряются в области между сетками 4 и 5. Однако при необходимости уменьшения протяженности ионного пакета на сетку 4 можно подать импульсное напряжение положительной полярности. В этом случае изменением времени задержки между подачей напряжения на сетки 3 и 4 ионный пакет можно сделать сколь угодно тонким.

Ион, попавший в участок дрейфа, повторяет тот же путь, что и в режиме нейтрального газа, и регистрируется датчиком.

В обоих случаях время пролета отсчитывается от момента подачи импульсного напряжения и на сетку 3 до регистрации частицы детектором. Зная энергию иона, с которой он вошел в участок дрейфа, и время его пролета в приборе, можно определить его массу.

Фокусировки ионов на детектор можно добиться также, если входную коаксиальную сеточную сборку и сетку 5 наклонить под малым углом к участку дрейфа таким образом, чтобы ионы, отразившись в поле спектрометра, попадали на детектор (без помощи отклоняющей системы 9).

Наклон под малыми г углами сеток 10 и 12 к участку дрейфа также заведет частицы на детектор.

Величина угла наклона в первом и втором случаях определяется из конкретных характерных размеров прибора.

Использование предлагаемого время- пролетного масс-спектрометра по сравнению с прототипом позволяет регистрировать массовые спектры составляющих нейтрального газа, а также потока ионов; повысить более чем в 10 раз чувствительность за счет увеличения площади сбора ионов и удале- ния сеточной сборки из области пролета, что, в свою очередь, существенно уменьшает шум на детекторе.

Ф о р м у л а изобретения

1. Времяпролетнын масс-спектрометр, содержащий соосно расположенные источник ионов, включающий сеточную сборку, трубку дрейфа, рефлектор, а также детектор ионов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, сеточная сборка источника ионов выполнена в виде кольца, внутренний диаметр которого больше или равен диаметру детектора, а в трубке дрейфа установлена коак76

спальная цилиндрическая фокусирухицая система, внутренний и внешний диаметр которой соответственно равен внутреннему и внешнему диаметру сеточной сборки источника ионов.

2. Масс-спектрометр по п. 1, о т- личающийс я тем, , с целью расширения функциональных воэмохностей, за счет обеспечения возможности анализа ионов, образованных вне масс-спектрометра,сеточная сборка выполнена в виде электростатического затвора.

Изобретение относится к научному приборостроению и может быть использовано при исследовании массового состава нейтрального газа, потока низ- коэнергетичньгх ионов и плазмы в условиях вакуума .Цель -повышение чувствительности масс-спектрометра . Пги анапияе нейтрального газа масс-спектрометром газ ионизируется в области, ограниченной сетками 3 и 4, и образованные ионы удерживаются электростатическим полем до момента подачи выталкивающего импульса, после чего ионы ускоряются в области между сетками 4 и 5. Пройдя через область дрейфа и отклонившись в поле электродов 10-13, ионы попадают на детектор 15. Дня снижения энергетического разброса детектируемых ионов используется сетка 14. Величина напряжения на системе 9 фокусировки ионов на детектор подбирается экспериментально по максимуму сигнала. В режиме регистрации внешних ионов сеточная сборка 2-4 используется в качестве электростатического затвора. 1 з.п.ф-лы, 1 ил. (Л

в

Ы13