МАСС-СПЕКТРОМЕТР Советский патент 1970 года по МПК B01D59/44 G01N27/62 

Изобретение относится к масс-спектрометрам, в частности, для анализа остаточного газа в устройствах, в которых используется явление резонанса при движении ионов в скрещенных Переменном электрическом и постоянйом магнитном полях.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности и чувствительности известных масс-спектрометров.

Отличительной особенностью 1предлагаемого масс-спектрометра является выполнение высокочастотных электродов в виде квадрантоВ с приосевым вырезом, внутри которых расположены сигнальные электроды. Приосевой вырез квадрантов имеет форму окружности. Количество высокочастотных электродов в несколько раз, например вдвое, превышает число сигнальных электродов.

Преимущество предлагаемого 1масс-спектрометра заключается в том, что определяемые ионы при ускорении в зазорах между квадрантами получают вертикальную фокусировку и поэтому более длительное время, чем в омегатроне, пребывают в пространстве дрейфа. Длительное время пребывания ионов в -резонансном приборе дает возможность повысить его разрешающую способность и чувствительность.

нала можно применять весьма чувствительные узкополосные приемники.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Устройство состоит из накаленного катода /, ускоряющей диафрагмы 2, высокочастотных электродов 3, сигнальных пластин 4, соединенных через повышающий трансформатор Тр со входом узкополосного резонянсного усилителя, и коллектора 5 электронов. На высокочастотные электроды 5 подается напряжение высокой частоты. Чтобы потенциал на оси устройства оставался постоянным, переменное напряжение на электроды 3 снимается с делителя, состоящего из равных сопротивлений R и .

Электроды 3 изготовляются в виде квадрантов. Внутри электроды 3 полые и соединены друг с другом попарно через один. Они расположены по окружности, так что каждый занимает 90, и отделены один от другого зазорами. Углы высокочастотных электродов, обращенные к оси устройства, срезаны по окружности.

При подаче высокочастотного напрял ения на систему электродов образуется вращающееся электрическое поле, частота вращения которого вдвое меньше частоты приложенного напряжения. Сигнальные пластины 4 расположены внутри высокочастотных электродов 3. По оси устройства направлено сильное однородное магнитное поле.

Устройство работает следующим образом. Электроны, эмиттированные катодом /, ускоряются диафрагмой 2, которая вырезает тонкий пучок электронов, фокусируемый магнитным полем. Электроны ионизируют газ .вблизи оси устройства и улавливаются коллектором 5. Образовавшиеся ионы попадают под воздействие вращающегося электрического поля. Если циклотронная частота этих ионов равна частоте вращающегося электрического лоля, то радиус их вращения увеличивается, как это следует из теории омегатрона.

В результате воздействия вращающегося поля ионы группируются по фазе, т. е. образуют пакет. По мере увеличения радиуса вращения резонансные ионы попадают внутрь высокочастотных электродов 5 и в дальнейшем ускоряющее действие высОКочастотного поля испытывают только в зазорах между электродами 3. Зазоры действуют как фокусирующие электрические линзы, препятствуя рассасыванию пакета ионов на стенке электродов.

Приближаясь к сигнальным пластинам 4, пакет резонансных ионов наводит на них переменный заряд. Таким образом, частоты выходного сигнала датчика равны частоте вращения ионов, т. е. циклотронной частоте, и однозначно определяют род создающих сигнал ионов, а величина сигнала определит количество ионов данного рода.

Ионы, циклотронная частота которых значительно отличается от частоты вращения поля (в том числе и ионы с кратными массами и зарядами), останутся в приосевой области и не по-падут внутрь высокочастотных электродов 3. Разделение масс, незначительно отличающихся по циклотронной частоте, производится выделением соответствующих частот .выходного сигнала. Ионизирующий пучок электронов несколько смещен с оси устройства, что предотвращает возникновение двух симметричных пакетов ионов, которые могли бы нейтрализовать сигналы друг другу на выходных нластинах.

Как видно из работы устройства, вращающееся электрическое поле использовано для развязки выходного сигнала .от сигнала генератора высокой частоты, поскольку частота высокочастотного напряжения равна в этом случае удвоенной циклотронной частоте резонансных ионов, и частота выходного сигнала равна циклотронной частоте ионов. Предлагаемое устройство позволит использовать узкополосные чувствительные приемники, что обеспечит ему более высокую чувствительность, а в ряде случаев и разрешающую способность по сравнению с устройствами аналогичного назначения, использующими на выходе усилители постоя-нного тока.

Энергия вращающегося в магнитном поле иона равна

где е - заряд иона.

Я - напряженность магнитного ноля, R - радиус вращения иона, М - масса иона.

То.гда максимальная мощность сигнала пакета ионов определится выражением:

е№т

Я

IM.

10/ - величина тока ионов.

npHj 2 см и э .приемники с чувствительностью Ю - вт .позволяют получить чувствительность всего устройства на 1-2 порядка выше, чем у омегатрона. Совре15 менные приемники имеют чувствительность до 10-18 8J..

Разрешающая способность устройства определится из соотношения:

±-П,

м

где сос - циклотронная частота ионов, равная частоте выходного сигнала.

т-дш I .. дм Лш

I огда - /7 и.

ам Л12Af а

Учитывая, что полоса частот приемника может достигать 2-3 кгц, для однозарядного иона при Н 5000 э может быть получено разрешение 70 и 71 ат. ед. массы. Ввиду того, что

зазоры между высокочастотными электродами 3 действуют как фокусирующие линзы на движущиеся заряды, уход ионов на стенки электродов будет относительно невелик даже ири малых продольных размерах датчика .предлагаемого устройства. Поэтому можно использовать значительно меньшие, по сравнению с омегатроном, магнитные зазоры, что позволит получить магнитные поля большей напряженности и большей однородности в радиальном

направлении.

В отличие от омегатрона его разрешающая способность в значительной степени не зависит от величины высокочастотного электрического поля. Следовательно, М1ожно использовать относительно большое электрическое поле и, таким образом, получить по сравнению с омегатроном большие ионные токи при равных токах ионизирующего пуч.ка электронов. В предлагаемом устройстве ионы не движутся вдоль оси вращения, .поэтому высокочастотные и сигнальные электроды совмещены в одной плоскости.

Предмет изобретения

I. Масс-спектрометр, основанный на явлении резонанса при движении ионов в скрещенном переменном электрическом и постоянном магнитном полях и содержащий источник ионов, высокочастотные электроды, соединенные попарно, и сигнальные электроды, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и чувствительности, высокочастотные электроды выполнены в виде квадные электроды расположены внутри квадрантов.

2. Масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что приасевой вырез квадрантов имеет форму окружности.

3. Масс-спектрометр по по. 1, 2, отличающийся тем, что количество высокочастотных электродов в несколько раз, например вдвое, превышает число сигнальных электродов.

5-S

Л

Tt

-0 ir-t+0