Призменный масс-спектрометр Советский патент 1981 года по МПК B01D59/44 G01N27/62 

Изобретение относится к масс-спек тральному приборостроению, в частнос ти к призменной ионной оптике. Характерными признаками призменных приборов является наличие двумер ных магнитных призм, отклоняющихся телескопических систем (или электростатических призм) и двух линз - кол лиматорной и фокусирующей, в фокальных плоскостях которых помещены щели источника и приемника ионов. Призменные приборы обладают большой удельной дисперсией (дисперсией, отнесенной к длине ионной траектории и к увеличению спектрометра), а их оптика обеспечивает тройную фокусировку ионного пучка: по скоростям и по двум направлениям. При этом все виды геометрических оберрацйй второго порядка, включая искривления спектральных линий, отсутствуют.Недостатком этих приборов является то, что электростатические телескопические системьа не увеличивают создаваемую магнитной призмой дисперсию по массе. Известный призменный масс-спектро метр содержит ионный источник,коллиматорную линзу с примьясающей к ией телескопической системой, расположен ными с одной стороны двумерной магнитной призмы, с другой стороны которой помещена фокусирующая линза со своей телескопической системой и приемник ионов. Дисперсия такого прибора, пропорциональная дисперсии магнитной призмы, возрастает вследствие углового увеличения второй телескопической системы (примыкающей к фокусирующей линзе), а его увеличение зависит также от углового увеличения первой телескопической системы. Согласовав определенным образом парс1метры телескопических систем, линз и магнитной призмы, удается осуществить ахроматизацию масс-спектрометра и одновременно повысить его удельную дисперсию в 2 раза. При эуом линейная дисперсия масс-спектрометра равна: О 2ftgoi., - фокусное расстояние коллиматорной (или фокусирующей) линзы со стороны источника (или приемника) ионов od - угол телескопичности магнитной призмы. Однако в этом масс-спектрометре полный угол отклонения ионов в сиетеме невелик, вследствие чего прибор оказывается некомпактным - вытянутьал в одном направлении, а увеличение этого угла приводит к резкому уменьшению удельной дисперсии прибора и, следовательно, к уменьшению его разрешения и чувствительности. В ахроматизации спектрометра принимают участие две электростатические телескопические системы, причем одна из них активно участвует также и в увеличении угловой дисперсии прибора по массе. Однако условие ахроматичности приводит к таким угловым соотношениям для двух телескопических систем, что не могут быть в достаточной мере реализованы возможност второй системы в увеличении разрешающей способности масс-спектрометра.

Цель изобретения - увеличение разрешаю-дей способности и чувствительности и уменьшение габаритов призменного масс-спектрометра.

Обе электростатические телескопические системы, а также фокусирующая и коллиматорная линзы располагаются с одной стороны магнитной призмы так, что оси коллиматорной и фокусирующей линз параллельны между собой и перпендикулярны граням призмы, а с другой ее стороны помещается система двух ионных зеркал, налравляаощая 7oнный пучок, через магнитную призму и фокусирующую систему к приемнику ионов.

На чертеже изображены ионно-оптическая схема предлагаемого массспектрометра и ход траекторий в проекции на среднюю плоскость системы, с которой совмещены средние плоскост всех отклоняющих и фокусирующих элементов прибора.

Масс-спектрометр включает в себя двумерную магнитную призму 1 с углом телескопичности /. mm и mm-параллельные между собой грани магнитной призмы. По одну сторону магнитной призмы симметрично относительно плос.кости ОО (перпендикулярной средней плоскости системы и граням призмы) расположены две идентичные телескопические отклоняющие системы, образованные электродами 2-4, две трансаксиальные линзы-электроды 5 иб, источник 7 и приемник 8 ионов. Грани (эффективные плоскости предложения) tt и tt телескопических систем образуют углы Ус гранями маг11 cfнитной призмы и углы -jTa - тг --г с глаными оптическими осяоли коллиматорной и фокусирующей линзы. Эти оси расположены в средней плоскости системы, параллельно плоскости ОО. В фокальной плоскости F коллиматорной и фокусирующей линз размещены щели источника и приемникЕ ионов, перпендикулярно к средней плоскости.

С противоположной стороны магнитной призмы, также симметрично относительно плоскости ОО, установлена система плоских ионных зеркал (электроды 9 и 10) так,что угол между эффективт отражающими поверхностями этих зеркал аа и а а и гранями

Т. -ч- i призмы ранен

Выходящий из каждой точки щели источника расходящийся гомоцентральный пучок ионов после прохождения коллиматорной линзы формируется в объемный параллельный пучок. При этом потенциал на среднем электроде 5 линзы должен быть подобран тал, чтобы

5 она работала в режиме анаморфота.Электрод 6 эазеш1ен. Электрод 4 является общим как для линзы, так и для отклоняющей телескопической системы.. Потенциал на него подаётся согласно условию ахроматичности масс-спектрометра.

1 - 5 i ПОС

и.

1 + S i noL

где и4 - разность потенциалов между ионизационной камерой и электродом 4. После прохождения отклоняющей телескопической системы с гранями tt параллельный пучок остается параллельным только для ионов определенной энергии. Если имеется разброс ионов по энергии, то непосредственно после f прохождения телескопической системЙ (перед поступлением в магнитную призму) в пучке возникает разброс траекторий по горизонтальным углам. Этот разброс впоследствии компенсируется после прохождения магнитной призмы (до поступления пучка в поле зеркала). Таким образом, эффект ахроматизации достигается комбинацией одной телескопической электростатической системы с магнитной призмой. Электрод 2 телескопической системы, являющейся

f одновременно магнитньии экраном призмы, заземлен, а напряжение на электроде 3 подбирается так, чтобы увеличение телескопической системы в направлении, перпендикулярном к средней плоскости, было равно единице. Таким подбором достигается выпрямление спектральных линий.

i 5

Поле магнитной призмы ионньпи пучком проходится дважды - в прямом и 5 обратном направлении. После первого прохождения пучок разлагается по массам в соответствии с угловой дисперсией магнитной призмы:

О «

далее пучок поступает в систему, состоящую из двух плоских зеркал (электроды 9 и 10). Электрод 9, яв- . ляююийся также, как и электрод 2 5 экраном магнитной призмы, заземлен,

а на электроды 10 подан соответствующий запирающий потенциал. Роль этой системы состоит в том, чтобы направить пучок вторично в магнитную призму. Обратный ход центральной ионной траектории подобен ее прямому ходу. Объемный пучсзк ионов анализируемой массы после прохождения фокусирующей линзы фокусируется в точ; ке щели приемника ионов. Таким образом, в приборе наряду с фокусировкой по энергии реализуется пространственная фокусировка пучка по двум направлениям. Увеличение прибора вследствие его симметрии равно единице.

Линейная дисперсия предлагаемого масс-спектрометра равна

IfsinoL -

где f - фокусное расстояние коллиматорной (или фокусирующей) линзы со стороны источника (или приемника ионов.

При обычных для магнитных призм значениях угла телескопичности ( ct 51- 53) линейная дисперсия предлагаемого масс-спектрометра, будет больше по сравнению с дисперсией известного (с такими же фокусными расстояниями линз) примерно в тр« раза в соответствии с равенством:

15

t-SW (

x-t,

sin л

a его габариты примерно в два раза меньше. При одинаковых габаритах дисперсия предлагаемого масс-спектрометра примерно в шесть раз больше. Это означает, что, используя более широкие щели, можно в шесть раз поднять чувствительность предлагаемого прибора при той же разрешающей способности или при одинаковых щелях в шесть раз поднять его разрешение.При

одинаковых разрешающей способности и чувствительности габариты предлагае-. мого масс-спектрометра могут быть уменьшены примерно в шесть раз по сравнению с и-звестньм. 5 Предлагаемый масс-спектрюметр не в исполнении, его детали и узлы технологичны, схема компактна. В нем, как и во всех призменных приборах, аберрации второго порядка,

Q включая искривление линии изображения, полностью отсутствуют,что в сочетании с большой дисперсией и наличием объемной фокусировки определяет его высокую разрешающую способность при значительной светосиле.

5 Так, при фокусном расстоянии линз около 2 м, определяющем в основном габариты прибора, масс-спектрометр обладает дисперсией, равной 15000 мм, и разрешающей способностью 10-20 миллионов на полувысоте пика при микронных ширинах щелей источника и приемника ионов.

Формула изобретения

25

Призменный масс-спектрометр,содержащий ионный источник, коллиматорную линзу с телескопической системой, закоторой расположена магнит-, ная призма, фокусирующую линзу с другой телескопической системой и приемник ионов, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, разрешающей способности и уменьшения габаритов устройства, фокусирующая линза со своей телескопической системой расположена с той же стороны магнитной призмы, что и коллиматорная линза, причем оси коллиматорной и фокусирующей линз параллельны между собой, а с другой стороны магнитной призмы расположена система двух ионных зеркал, направляющая ионный пучок через магнитную призму и

фокусирующую систему к приемнику ионов.

m

10

w