ДИНАМИЧЕСКИЙ ПАНОРАМНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР Советский патент 1967 года по МПК H01J49/34 

Изобретение относится к измерительным устройствам, применяемым для анализа парциальны.х давлений в вакуумных системах.

Известен масс-спектрометр, содержащий масс-спектрометрический датчик, приемный и модулирующий тракты, детектор и осциллографический индикатор.

Оиисываемый масс-спектрометр обладает повышенной чувствительностью излгерительного тракта, увеличенными разрешающей способностью и помехоустойчивостью, позволяет исключить регистрацию ложных пиков и шумового фона ионов Несинхронных масс, а Также обеспечивает возможность количественного анализа тгарциальных давлений и непосредственную расшифровку спектра масс на экране Прибора с помощью калибровочного сигнала. Для этого приемный тракт содержит широкополосный и узкополосный усилители, между которыми расположен сигнальный смеситель. Узкополосный усилитель соединен через детектор с осцяллографическим блоком, модулирующий тракт содержит соединенные между собой кварцевый гетеродин и модулирующий смеситель, который через выходной усилитель связан с модулирующим электродом датчика. Частотно-модулированный гетеродин соединен с сигнальным и модулирующим смесителями, управляющий блок - с осциллографическим блоком и частотно-модулированным гетеродином, а генератор калибровочного сигнала € сигнальным смесителем.

На чертеже представлена блок-схема описываемого устройства.

Масс-спектрометрический датчик 1 состоит из катода 2, модулирующего электрода 3, сетчатого анода 4, набора электродов 5 пространства дрейфа ионов и сигнального электрода 6. Приемный тракт 7, генератор 8 калибровочного сигнала, детектор 9, осциллографический индикаторный блок 10, блок управления //, частотно-модулированный гетеродин 12 и модулирующий тракт 13 составляют электронно-измерительную схему масс-спектрометра.

Приемный тракт содержит широкополосный усилитель 14, сигнальный смеситель 15 и усилитель 16 промежуточной частоты. Модулирующий тракт 13 состоит из модулирующего смесителя 17, усилителя 18 выходного сигнала

и фиксированного гетеродина 19.

Электроны, эмитируемые катодом 2 датчика 1, проходят сквозь модулирующий электрод 3

и iB силу выбранного распределения потенциалов, колеблются около сетчатого анода 4 (анод 4 заземлен, катод 2 находится под напрял еиием 100 в по отношению к аноду 4, на модулирующий электрод 5 нодано напряжение

0,1 мги, модулирующее по интенсивности нонизирующий электронный ток).

Ноны, возникающие в результате иоиизации исследуемого газа сирава от анода 4, колеблются в электрическом поле, которое представляет собой потенциальную яму в пространстве дрейфа, образован юм системой электродов 5. Пакеты ионов, образующиеся при ионизации, в процессе колебаний распадаются на элементарные лакеты ионов одинаковых масс, ко.теблющихся с частотами, определяемыми удельными массами ионов. Каждый из колеблющихся пакетов индуцирует на сигнальном электроде 6 переменное нанряжение, частота которого равна частоте колебаний соответствующей массы. Частота сигнального напряжения однозначно определяет удельную массу колеблющихся ионов нри фиксированпом распределении электрического поля в пространстве дрейфа.

Анализ ионов по массам осуществляется узкополосным приемным трактом 7 с меняющейся резонансной частотой иутем измерения частот сигнальных «анряженнй, индуцированных колеблющимися иона-ми на сигнальном электроде 6. При совпадении резонансной частоты приемного тракта с частотой колебаний ионов определенной удельной массы происходит регистрация переменного сигнального нанряжения, соответствующего этой массе. Сигналы, индуцируемые при этом другими массами не регистрируются, так как их частоты в каждый фиксированный момент времени лежат вне полосы пропускания приемного тракта, настроенного в этот момент на частоту регистрируемой массы. При изменении резонансной частоты приемного тракта в диапазоне 1,7-0,1 мгц, охватывающем частоты колебаний масс регистрируемого диапазона, происходит последовательный анализ всех масс.

Для -повыщения чувствительности прибора осуществляется ионизация исследуемого газа с частотой, синхронной с частотой колебаний регистрируемой массы. При этом нроисходит суммирование элементарных пакетов ионов синхронной массы и увеличение амплитуды сигнала, индуцируемого регистрируемой массой на сигнальном электроде 6. С этой целью частота .модулирующего напряжения, вырабатываемого трактом 13, меняется синхронно с резонансной частотой приемного тракта и в каждый момент времени остается равной этой частоте.

Сигнал, снимаемый с датчика Л усиливается щирокополосным усилителем 14 и подается на сигнальный смеситель 15. В смеситель 15, кроме сигнала с датчика / в диапазоне 1,7- 0,1 мги, подается отстоящее от чacтoтьLcигнaла на величину промежуточной частоты (5 мгц) синусоидальное напряжение с частотно-модулированного гетеродина 12, меняющееся в диапазоне частот 6,7-5,1 мгц. После смесителя 15 напряжение сигнала выделяется и усиливается на промежуточной частоте 5 мгц узкополосным усилителем 16. Затем сигнал

детектируется блоком 9 и огибающая сигнала поступает на вертикальный вход индикаторного блока 10, на экране которого 50 раз в секунду возникает изображение снектра масс. В смесителе 17 модулирующее напряжение, синхронное с регистрируемой частотой, получается нутем вычитания частоты (5 мгц) кварцевого фиксированного гетеродина 19 из частоты гетеродинного блока 12. Частота модулирующего нанряжения носле смесителя 17 выделяется фильтрами выходного усилителя 18, с выхода которого модулирующее нанряжение поступает на электрод масс-спектрометрического датчика /. Управление частотой гетеродинного блока 12 по снециальному закону, определяемому условиями равноправного накопления ионов различных масс, осуществляется управляющим блоком 11. Блок 11 управляет также горизонтальной разверткой осциллографического индикатора 10.

Для расщифровки спектра масс измеряются частоты регистрируемых сигналов путем сопоставления их с известной частотой генератора 8 калибровочного сигнала. Напряжение

генератора 8 с частотой, нодсграиваемой вручную в пределах 1,7-0,1 Л1гц, подается в смеситель 15, где смещивается с напряжением гетеродинного блока 12 и выделяется на промежуточной частоте усилителем 16. На экране

индикаторного блока 10 нри этом образуется калибровочный пик, передвигающийся по оси абсцисс при изменении частоты генератора 8. Если частота сигнала неизвестной массы равна известной частоте генератора 8, калибровочный пик совпадает с пиком этой массы.

Предмет изобретения

Динамический панорамный масс-спектрометр, состояидий из датчика, содержащего катод, модулирующий электрод, анод, электроды пространства дрейфа и сигнальный электрод, ириемного и модулирующего трактов, гетеродина, детектора и осциллографического блока, отличающийся тем, что, с целью новыщения чувствительности, разрещающей способности и помехоустойчивости, устранения регистрации ложных пиков и щумового фона ионов несинхронных масс, обеспечения условий количественного анализа и неносредствеиной

расншфровки спектра масс, приемный тракт содержит щирокополосный и узкополосный усилители, мелсду которыми расположен сигнальный смеситель; узкополосный усилитель соединен через детектор с осциллографическим блоком, модулирующий тракт содержит связанные между собой кварцевый гетеродин и модулирующий смеситель, который через выходной усилитель соединен с модулирующим электродом датчика; частотно-модулированный гетеродин соединен с сигнальным и модулирующим смесителями, управляющий блок-с осциллографическим блоком и частотно-модулированным гетеродином, а генератор калибровочного сигнала - с сигнальным сме