Призменный масс-спектрометр Советский патент 1982 года по МПК H01J49/00 G01N27/62 B01D59/44 

Цель изобретения - увеличение разрешающей способности и уменьшение габаритов прибора. Это достигается тем, что в качестве диспергирующей системы применена ахроматичная конусовидная призма со совмещенными электрическим и магнитными нолями, иоверхность полюсных наконечников, магнитных экранов и электродов которой представляет собой коническую поверхность, разрезанную полуплоскостями, проходящими через ось системы. Угол раствора конуса равен по крайней мере 85, а полуплоскости, ограничивающие полюсные наконечиики, образуют двугранный угол, равный по крайней мере 200°. Предлагаемый масс-спектрометр не сложен в исполнепии, его детали и узлы технологичны, схема компактна. Большая дисперсия прибора в сочетании с пебольшими аберрациями второго порядка и объемной фокусировкой ионного пучка определяют его высокую разрешающую способность при значительной светосиле. На фиг. 1 изображена схематическн конусовидная иризма; на фиг. 2 - ионо-оптическая схема предлагаемого масс-спектрометра в одном из паиболее компактных вариантов и ход ионных траекторий в проекции на среднюю плоскость системы, с которой совмещены средние плоскостн призмы ху и фокусирующих элементов прибора. Предлагаемый масс-спектрометр содержит полюсные наконечники 1 конусовидной призмы, которые являются одиовременно электродами с потенциалом CDi; 2, 3 - электроды 2 и 3 с потенциалами Oi и Фо соответственно, выполняющие также функции магнитных экранов призмы. Непосредственно к магнитным экранам иримыкают две трансаксиальные линзы - электроды 4-6, в фокальной плоскости которых расположены щели источника 7 и приемника 8 ионов, перпендикулярные средней плоскости. Выходящий из каждой точки щели источника расходящийся гомоцентричный пучок ионов формируется коллиматорной линзой в объемный параллельный пучок. Потенциал на среднем электроде 5 подобрап так, чтобы линза работала в режиме анаморфота. Электроды 6 и полюсные наконечники 1 заземлены. Потенциалы электродов 3 и 4 одинаковы. После прохождения призмы ахроматизированный объемный параллельиый пучок ионов с анализируемой массой фокусируется вторая линзой в щель приемника. Конусовидная призма с совмещенными электрическим и магнитным полями представляет собой гибкую электронно-оптическую системз, которая не только выполняет функции трех основных узлов прототипа, но позволяет зпачительно улучшить его наиболее важные характеристики. Геометрия призмы полностью задается углами X, YH, Ye. Поверхности полюсных наконечников и магнитных экранов - - электродов лежат на координатных поверхностях11 - . -I ) 212 а их границы совпадают с полуплоскостями- ± - к j - ± где Y чЭ, ф - сферическая система координат, связанная с изображенной на рисунке декартовой системой координат х, у, г соотношениями л; г sin О cos ф, г/ г sin & sinxji, 2 rcosi3. Плоскость xz является плоскостью симметрии призмы и всего прибора в целом. В конусовидной призме создаются совмещенные электрическое и магнитное поля, скалярпые потенциалы которых зависят только от угловых переменных тЭ- и г|). В таком поле все траектории ионов, движущихся в средней плоскости ху с одинаковыми энергиями и образующих на входе в призму параллельный пучок, будут подобны, что и обеспечивает их параллельность на выходе из призмы. При этом вовсе не обязательно прелТ,положение о круговой форме осевой траектории в межполюсном зазоре. Отказ от круговой формы осевой траектории позволяет полнее использовать иризматические свойства коиусовидных полей. Магнитное поле конусовидной призмы позволяет заворачивать пучок ионов на углы значительно превосходящие п и за счет этого обладает больщой угловой дисперсией по массе D. При этом призма в целом может отклонять пучок ионов на углы примерно равные п. Масс-спектрометр с такими углами отклонения заряженных частиц предельно компактен: его длина определяется в основном фокусным расстоянием трансаксиальных линз, а ширина равна линейным размерам призмы. (Такой прибор схематически изображен на фиг. 2). Фокусирующие свойства магнитного поля конусовидиой призмы дают ей еще одно преимущество над двумерной магнитной призмой, приводя к новым дополнительным возможностям в связи с требованием вертикальной фокусировки ионного пучка. Конусовидное магнитное поле фокусирует заряженные частицы к средней плоскости во всем промежутке между полюсными наконечниками, а не только в области края магнита, поэтому обеспечить телескопичность нризмы можно ири наличии в системе одного, двух и даже трех иромежуточных линейных фокусов. Причем в двух и трехфокусном вариантах системы при одинаковых углах а угловая дисперсия конусовидной призмы только за счет магнитного поля .)„ значительно больше, чем в двумерной магнитной призме. Так, например, при 5(10°, и обычных для двумерных нризм значениях угла телескопичностн а 51-53° угловая днснерсия конусовидной магнитной призм :, в 5-6 раз больше. Электрическое поле в конусовидной призме выполняет функции двух телескопических систем прототипа: осуш,ествляет фокусировку иопов по скоростям и увеличивает угловую дисперсию прпзмы по массе, а кроме того, участвует в вертикальной фокусировке ионпого пучка. Увеличение угловой дисперсии призмы DI за счет электрического поля в конусовидной нризме имеет тот же характер, что и в прототипе, и при углах х 5-10° хорошо описывается приближенной формулой: D, D, где f и / - углы надения и преломления па эффективные грани призмы tt, причем sin у I / Ф, sin/ у Фо При одинаковом отиошеиип потенциалов - 1 увеличение угловой дисперсии тем больше, чем больше i, j. В иризмах с л 5-10° максимально возможные значения / 60-65°, что при значении , позволяет увеличить Di но сравнению с D,, в 2-2,5 раза. Подбирая определенным образом напряженность магнитного поля, отношение потенциалов - и геометрические параметФ(1 ры X, УН, Y-B. можно не только добиться выполнения условий ахроматичности и телескопнчпости при оптимальном выборе углов входа пучка ионов в призму, по и значительио уменьшить геометрические аберрации второго порядка, включая искривление спектральных линий, что в сочетании с большой угловой дисперсией по массе за счет магнитного ноля Д-i и максимальным использованием возможностей электрического поля дает неоспоримые преимущества предлагаемому масс-спектрометру по сравнению со всеми известными аиалогами. При использовании призмы с , , х 10°, 1/, .3 и фокусных Фо расстояниях линз около 2 м линейная дислерсия масс-спектрометра равна примерно 20000 мм, а геометрические аберрации второго порядка позволяют получить теоретическое разрешение 15-20 миллионов по полувысоте пика при микронных ширинах щелей источиика и приемника ионов. При одинаковых габаритах с прототипом дисперсия предлагаемого масс-спектрометра примерно в 8 раз больше. Это означает, что используя более широкие щели, можно в 8 раз ноднять чувствительность предлагаемого прибора при той же разрешающей способности или при одинаковых щелях в 8 раз поднять его разрешение. При одииаковых с прототипом разрешающей способности и чувствительности габариты нредлагаемого масс-спектрометра могут быть уменьшены более чем в 8 раз. Формула изобретения 1.Призменный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионов и расиоложенные между ними коллиматорную и фокусирующую линзы и отклоняющую диспергирующую систему, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и уменьщения габаритов прибора, в качестве дисиергирующей системы применена ахроматичная коиусовидная призма со совмещенными электрическими и магнитными полями, поверхность полюсных наконечников, магнитных экранов н электродов которой представляет собой коническую поверхность, разрезанную полуплоскостями, проходящимп через ось системы. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что угол раствора конуса равеи по крайней мере 85°, а полуплоскости, ограничивающие иолюсные наконечники, образуют двугранный угол, равный по крайней мере 200°. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Кельман В. М., Родникова И. В., Утеев М. Л. ДАН СССР, 184, 831, 1969. 2.Matsuda Н., Advan. Mass-Spectroscopy 5, 3, 1971. 3.Авторское свидетельство СССР № 353186, кл. G 01N 27/62, 1970.