Способ определения элементного и изотопного состава веществ Советский патент 1991 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к масс-спектро- метрическим способам исследования и может быть использовано для измерения состава редких компонент в геологических породах, метеоритах, полупроводниковых материалах, а также в отходах промышленного производства.

Целью изобретения является повышение чувствительности.

На чертеже представлено схематическое изображение масс-спектрометра для реализации способа.

Масс-спектрометр включает источник ионизирующего излучения 1, исследуемый образец 2, систему формирования и ускорения сгустка ионов 3, камеру дрейфа ионов 4, к которой приложено постоянное однородное магнитное поле, отражатель 5, приемник ионов 6,

Способ определения элементного и изотопного состава реализуется следующим образом. Исследуемый образец (горная порода, полупроводниковый материал, метеорит в виде пыли, крошек или целого куска) 2 подвергается воздействию испаряющего и ионизирующего излучения от источника излучения (например, лазера ЛТП ПЧ-6 и фок. объектива) 1. Образовавшиеся ионы обладают составляющими скорости как вдоль оси приемника, так и в перпендио чэ

ю о о

кулярном направлении. Далее на ионы воздействуют ускоряющим электрическим по- лэм, пчктор напряженности которого параллелен оси источника ионов - приемник ионов. При этом энергию заряженных частиц увеличивают на 1000 эВ. Одновременно с воздействием электрического поля на ионы начинают воздействовать магнитным полем, вектор напряженности которого параллелен оси источник ионов - приемник ионов. Воздействие на ионы магнитным полем продолжают на протяжении их дрейфа до области отражения. Расстояние между областями ускорения и отражения составляет 450 мм. Конструктивно область отражения выполнена так, чю со стороны дрейфа частиц образован промежуток торможения электрическим полем, состоящий из двух союк на расстоянии 5 мм. На первой сетке поюмциал равен по(енциалу дрейфового промежутка. На второй - 700 В. На расстоянии 33 мм от второй сетки расположена пластина под потенциалом И 160 В по отношению к дрейфовому промежутку Выбор указанных размеров и значений потенциалов при отражении обеспечивает фокуси- оовку ионов с исходным-.разбросом энергии 20 s 160 эВ После отражения на ионы воздейсшуют магнитным полем на про гяжении дрейфа до приемника. Расстояние между областями дрейфа и приемника составляет 550 мм В качестве приемника ионов компонент низкой распространенности используется шевронная сборка микроканальных пластин.

При анализе вариаций дейтерия в донных отложениях в качестве исследуемого образца используют пробы донных отложении Необходимая величина напряженности магнитного поля определялась по предлагаемой авторами зависимое)и, приведенной в формуле изобретения. При этом Л -- 2, Q - 1, а Т определялась по известной Формуле и составляло 5,74 . В результате И 228 О. Содержание дейтерия в образце определяется по величине ампли- уды sapeiисгрированного сигнала.

Приведенное в формуле изобретения соотношение объясняется следующим образом

Пусть в момент времени t 0 происходит выброс заряженных частиц из источника. Все частицы обладают составляющими скорости, направленными как вдоль, Vn, так и поперек Vj магнитного поля

За счет поперечной составляющей иопи движутся по парморовским радиусам R, ае мчины которых определяются из выражения

R ( см ) 143,92 тт-L У7 Cl Ju (Э) Ј

0)

0

H(3)Q&. где А -- (а.е.м) масса иона, Q - кратность ионизации ионов, е - заряд электрона, EL -MVi2/2 (эВ), Vi - поперечная составляющая скорости ионов Н напряженность магнитного поля (Э).

Период одного полного поворота частиц определяется из выражения

Т Г-у-, где Vi(cM/c)1,3851x

хЮ

1 ,

(2)

5

0

5

0

или с учетом подстановки R из выражения (1)

Tj.(CH,5288

A/Q

10

-4

,Дэу 1и (3)

Из выражения (3) следует, что частицы с одинаковой величиной A/Q, стартовавшие на оси, проходящей параллельно силовым линиям Mai нитного поля, независимо от их исходной энергии и направления движения, возвращаются к ней одновременно в момент времени t TI, т.е наблюдается эффект пространственно-временной фокусировки по двум составляющим скорости (в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля), тогда как ионы других масс в этот момент удалены от оси и распределены в пространстве в зависимости от составляющих скорости.

Одновременно с этим происходит движение частиц вдоль силовых линий Mai нитного поля за счет составляющей скорости V11

5 При выполнении определенных соотношений масс-рефлектрон обеспечивает прост ранет венно-временную фокусировку ионов вдоль поля. При этом фокусировка ионов то Vn происходит в момент времени t Т11

Для обеспечения одновременной пространственно-временной фокусировки по трем составляющим скорости ионов необходимо выполнение условия ,Тл Т

5 и, следовательно, учитывая выражение (31 будем иметь, что

Н(э)6,5288 .

Причем положительный эффект достигается и при использовании магнитного полз напряженность которого кратна приведенному в данном соотношении значению Увеличение чувствительности способа по сравнению с прототипом объясняется тем что устраняю гея принципиальные ограничения на величин чувствительности определения компонент низкой распространенности на фоне компонент высокой распространенности непосредственно в самом способе

0

0

5

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение чувствительности более чем в 100 раз, ч го позволяет селектировать ионы, мало отличающиеся по массе, но существенно от- личающиеся по распространенности. Такая возможность объясняется проведением пространственно-временной фокусировки ионов по трем составляющим скорости. Способ позволяет проводить экспресс-ана- лиз практических любых образцов с малыми количественными потерями.

Несмотря на то, что пример возможной конкретной реализации приведен только для дейтерия, общность свойств - наличие раздельной в пространстве пространственно-временной фокусировки ионов по трем составляющим скорости - позволяет считать, что предлагаемый способ применим для широкого спектра компонент низкой распространенности.

Формула изобретения

Способ определения элементного и изотопного состава веществ, включающий образование ионов, формирование сгустка ускоренных ионов ускоряющим электрическим полем, вектор напряженности которого

параллелен оси источник ионов - приемник ионов, воздействие на ионы отражающим электрическим полем, противоположным по направлению ускоряющему электрическому полю, после их дрейфа, и определение искомого состава после обратного дрейфа ионов, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет про- странственно-рездельной временной фокусировки по трем составляющим скорости, к области движения ионов прикладывают постоянное однородное магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен силовым линиям ускоряющего и отражающего электрических полей, а величину напряженности магнитного поля Н задают из соотношения

,5288-10 4Q Y ; № где А - атомный номер иона;

Q - кратность ионизации иона;

Т - время пролета ионов от источника до области пространственно-временной фоМ VZ

кусировки по энергии Јz -х- вдоль полей, параллельно Z (с).

Изобретение относится к масс-спектро- метрическим способам исследования и может быть использовано для измерения состава редких компонент в геологических породах, метеоритах, полупроводниковых материалах, а также в отходах промышленного производства. Цель изобретения - повышение чувствительности за счет про- странствен+m- раз дельной временной фокусировки ионов по трем составляющим скорости. Сущность способа определения элементного и изотопного состава веществ, включающего образование ионов, формирование сгустка ускоренных ионов ускоряющим электрическим полем, вектор напряженности которого параллелен оси источник ионов - приемник ионов, воздействие на ионы отражающим электрическим полем, противоположным по направлению ускоряющему электрическому полю после их дрейфа, и определение искомого состава после обратного дрейфа ионов состоит в том, что к области движения ионов прикладывают постоянное однородное магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен Силовым линиям ускоряющего и отражающего электрических полей, а величину напряженности магнитного поля задают в соответствии с соотношением, приведенным в описании изобретения. 1ил (Л С