Устройство для исследования молекулярных пучков Советский патент 1983 года по МПК H01J49/00 

179 Изобретение относится к масс-спектро метрии модулированных молекулярных пучков. Физико-химические исследования кине-г щки реакций и энергетических характеристик атомов и радикалов непосрецст- : венно в зоне реакции встречают большие трудности из-за высоких давлений, температур и малого времени жизни активны продуктов этих реакций. Многие из названных проблем полностью устраняются при использовании метода молекулярных пучков. Этот метод основан на истечении вещества из области высокого давления в вакуум с целью образования квазипараллельного однонаправленного потока не сталкивающихся между собой атомов или молекул. Метод позволяет вывести из реактора исследуемые продукты в виде молекулярного пучка и исследовать их масс-спектрометрически, либо осуществит элементарные реакции .непосредственно в области высокого вакуума путем пересече1гая исходных .молекулярных пучков и исследовать масс-спектрометрически первичные продукты взаимодействия пучксв. Возможности метода весьма широки и позволяют изучать взаимодействие пучков с поверхностью твердого тела, излучениями и т.п. Как правило, при работе с молекулярными пучками парциональные давления исследуемых продуктов в-области их детектирования настолько малы, что масс спектральный фон остаточных ионов даже в условиях сверхвысокого вакуума превышает уровень полезных сигналов. В связи с этим, для выделения полезных сигналов из превышающего фона широко использую модулирование молекулярных пучков с последующим синхронным детектированием выходных сигналов масс-спектрометра. Важнейшим требованием, к масс-спектрометру, как детектору молекулярного пучка, является сочетание малых размеров масс-анализатора и высоких массспектральных характеристик: большого диапазона регистрируемых масс, большой разрешающей способности, высокой чувствительности, быстродействия, а удобства стыковки с ЭВМ. Малые размеры анализатора необходимы, так как его устанавливают внутрь сложных высоковакуумных систем, в которых создаются и иссл€ дуются молекулярные пучки, в ряде экспериментов перемещают внутри этих сист€.м, охлаждают жидким азотом или гелием и т.п. В настоящее время единственным масс-спектрометром, отвечающим этим требованиям, является квадрупольный масс-спектрометр, который получил самое широкое применение в исследованиях с молекулярными пучками. Известны устройства для исследования молекулярных пучков, осуществляющие многоканальное накопление с реализацией синхронного детектирования Cl J. Недостатком устройства является программная реализация фазовых сдвигов, приводящая к непроизводительным потерям времени, и использование значительных объемов оперативной памяти. Известно также устройство для исследования молекулярных пучков, состоящее из формирователя пучка, прерывателя с приводом, квадрупольного масс-спектрометра, усилителя выходного сигнала, аналого-цифрового преобразователя, интерфейсного блока и ЭВМ с узлом прерывания и устройствами регистрации и генератора импульсов С2 J. , Исследуемое вещество в виде мопеку-i лярного пучка, модулированного преобразователем, поступает в квадрупольный массспектрометр, выходной .сигнал которого измеряется аналого-цифровым преобразователем с тактовой частотой, задаваемой генератором импульсов. Запуск генератора осуществляется по фронту опорного сигнала от прерывателя. В этот же момент времени формирователь одиночного импупьса вырабатывает сигнал, который устанавливает узпы интерфейсного блока в исходное состояние И осуществляет прерывание ЭВМ. В памяти ЭВМ имеется последовательный массив адресов, используемых для хранения накапливаемых выборок сигнала. При поступлении сигнала прерывания начинает работать цикл выборки значений сигнала, причем значения последовательных выборок Добавляются к содержимому соответствующих ячеек массива. Процесс накопле шя производится или в течение заданного числа периодов модуляции или до переполнения ячеек памяти. В некоторых случаях для достижения лучшего отношения сигнал/шум используют две ячейки памяти на каждый канал. Анализ переполнений и их учет в последнем случае при высоких скоростях измерения приводит к пропуску периодов модуляции. По окончании процесса производится деление содержимого каждого канала на число периодов накопления. Полученный 37 массив ячеек памяти ЭВМ содержит усред ненные значения выходного сигнела массспектрометра, причем примерно половина ячеек содержит сумму модулированной составляющей сигнала и фона, а другая половина - только фон. При этом каждая ячейка соответствует определенному моменту от начала периода (т.е. определенной фазе) опорного сигнала. Дальнейшая процедура обычно заключается в коррекции фазового сдвига, вычитании из массива среднего значения фона, определении статистических параметров сигнала, выдаче результатов на устройства регистрации и т.п. . . Недостатками известного устройства являются непроизводительные потери времени, связанные с регистрацией неинфор- мативных участков сигнала и программной реализацией фазовых сдвигов модули рованного сигнала, определением и учетом переполнения каналов накопления и ручным управлением устройством при опе рациях выбора периода и поддержания параметров квадрупольного мвсо-спектрометра; необходимость испопьзовани, удво енного (учетверенного при работе с удвоенной разрядностью) объема оперативной памяти, связанная с накоплением и хранением значен11й фона; недостаточная точность измерения сигнала, связанная с недостаточ1сыми возможностям увеличения отношения сигнал/шум при заданном числе каналов накопления, особенно при работе с одинарной разрядностью, ошибкой синхронизации, обусловленной одинаковым временным квантованием выходного сигнала на всем периоде измерениями ручньп управлением настройкой и поддержанием квадрупольного масс-спектрометра в заданной точке шкалы масс, например на вершине пика.. Для устранения непроизводительных по терь времени, сокращения оборудования И повышения точности измерения предпа гаемое устройство снабжено цифровым ге нератором напряжения и формирователем сигналов, содержащим переключатель каналов, формирователи стробов, узел сравнения, узел программного управления, узел коммутации и делитель частоты, при чем переключатель каналов подключен к прерывателю и генератору импульсов, связанному через делитель частоты и узлы коммутации с аналого-цифровым преобразователем, и соединен через фор мирователи стробов с уэпсил сравнения, который связан с узлом прерывания ЭВМ 74 и через узеп коммутации с цифровым генераторсзм напряжения и подключен к узпу программного управления, соециненному с депитепем частоты,уэпом коммутации и интерфейсным . бпоком ЭВМ, который подключен к масо-спектрометру через цифровой генератор напряжения. Аналого-цифровой преобразователь может содержать узел коммутации каналов и шкал, соединенный с детектором напряже ния развертки и выходным усилителем сигнала квадрупольного масс-спектрометра, а также интерфейсным бпоком ЭВМ. Ни фиг. 1 дана блок-cxeiyia предцагаеого устройства; на фиг. 2-4 даиы, граЬики работы устройства. Предлагаемое устройство содержит формирователь 1 пучка, прерыватель 2, привод 3 прерывателя, квадрупольный масс-сиектрометр 4; аналого-цифровой преобразователь 5, ЭВМ 6, узел 7 прерывания ЭВМ, процессор 8, интерфейсный блок .9, цифровой генератор. 1О напряжения, переключатель 11 каналов; генератор 12 импульсов; делитель 13 частоты, узел 14 коммутации, формирователь 15 стробов узел 16 сравнения, узел 17 программного управления, формирователь 18 сигналов и устройство 19 регистрации. И атом устройстве формирователь 1 пучка через прерыватель 2, связанный с приводом 3 и переключатепем Ц каналов формирователя 18 сигналов, подключен к квадрупольному масс-спектрометру 4, соединенному через аналого-цифровой преобразователь 5 с интерфейсным блоком 9 ЭВМ 6, который связан с процессором 8, узлом 17 программного управления, устройствами 19 регистрации и цифровым генератором 10 напряжения, подключенным к масс-спектрометру .4 и.узлу 14 коммутации, который соединен с аналогоцифровым преобразователем 5 и делителем 13 частоты, подключенным к генератору 12 импульсов, связанному с пе« реключателем 11 каналов, который соединен с формирователями 15 стробов, подключенными к узлу 16 сравнения, который связан с узлом 14 коммутации, узлом 17 программного управле1гая и узлом 7 прерывания, подключенным к процессору 8. Устройство работает следующим образом. Исследуемое вещество в виде молекулярного пучка, модулированного прерывателем 2, поступает в квадрупольный масс-спектрометр 4. Период и характер модупяцш зависи- от конструкции прерывателя и скорости его Ьращения. Устройство может работать в двух режимах. В первом .режиме квадрупопьный массспектрометр настроен на определенное массовое число. Принцип работы устройст ва в первом режиме поясняется фиг. 2. Управление разверткой осуществляется от ЭВМ через интерфейсный блок 9 и цифро вой генератор 10 напряжения. Контроль развертки осуществляется по одному из каналов анешого-цифрового переобразователя 5, к которому подключен детектор напряжения развертки масс-спектрометра Переключение каналов осуществляется ЭВМ. Ко второму каналу АЦП подключен выходной усилитель масс-спектрометру п каналу интенсивности. Полезный сигнал, подлежащий измерению и выделению из щума, присутствует на входе АЦП в первую половину периода модуляции и части но кЛЭжет захватывать вторуюпоповину вспедствие напичия рассеяния и теплового распределения скоростей мо пеку п. Кроме того, имеет место запаздывание во време ни вспедствие конечности скорости частии Пучка и амппитудно-фазовых искажений в тракте сигнала. Таким образом, выходной сигнал масс-спектрометра содержит как участки I и II полезной инфо)эмалии о сигнапе,так и неинформативные участки Ш и 1 У. В эти интервалы времени ЭВМ может использоваться дпн управления разверткой определения статистических параметров сигнала в процессе накопления,отображени информации на устройствах регистрации в процессе накопления.С этой целью устройство содержит формирователи 15 ЙТрЬбов (см. фиг. 3), которые отсчитывают временные задержки от )онтов опорного (Л1гнала в оба прлупериода. Начало отсчета . определяется переключате лем 11 к 1налов, пропускающим импульсы генератора 12 на вход формирователей . 15стробов. Величина участков 1-1У задается ЭВМ в узел 17. программного управления, и узел 16 сравнения сравнивает их со значением формирователей стробов. При совпадении значений узел 16сравнения формирует в узел 7 прерывания ЭВМ следующие сигналы: Сигнал + фон (начало Н), Сигнал + фон (конец К), фон (начало Н,), Фон (конец К. Одновременно только в пре- делах участков I и 11 узел 14 коммутации по сигналам узла 16 сравнения пропускает тактовые сигналы опроса от делителя 13 частоты на аналого-ци |фОвой преобразователь 5. Таким образом, достигается автономность отсчета участков I и 1У с квантом генератора 12 импульса и опроса аналого-цифрового преобразователя с временным квантом, зависящим от числа каналов накопления и периода модуляции. Временный квант для опроса АЦП выбирается ЭВМ и устанавливается в делителе частоты узлом программного управления. ЭВМ, получив сигналы о начале участка А, принимает данные от АЦП, последовательно суммируя их с содержимым ячеек массива накопления. Эти операции производятся до получения сигнала о конце участка 1. По сигналу о начале участка 11 ЭВМ производит аналогичные операции, но вместо сложения выполняет вычитание принятых данных из массива накопления, т.е. для участков Сигнал + фон и Фон используется один и тот же массив оперативной памяти. Это позволяет сократить объем ОЗУ по сравнению с прототипом в два раза, а при удвоенной разрядности каналов накопления - в четыре . Поскольку при исследованиях молекулярных пучков соотношение сигнал/фон lO, чередование операций (сложение, вычитание) позволяет избежать переполнений ячеек каналов накопления, исключить их проверку и освободить время ЭВМ для определения параметров сигнала, общения с оператором, управления разверткой. Во втором режиме устройство производит регистрацию и обработку модулированной составляющей масс-спектрометра. В этом случае производится сканирование заданных участков шкалы масс с целью выделения модулированной составляющей спектра (см. фиг. 3 и 4-). . Перед началом накопления ЭВМ 6 выпшняет программу выбора оптимальной шкалы аналого-цифрового преобразователя 5 по каналу интенсивности. Затем ЭВМ через интерфейсный блок 9 устанавливает в регистре цифрового генератора 10 напряжения код, соответствующий началу первого участка шкалы масс, а в. узле 17 программного управления 17 - коды за-, держки и длительности стробов, а также период опроса АЦП. Измерение сигнала производится в пределах участков I и И по сигналам от узла сравнения. По сигналам узла 16 сравнения в пределах участков I и П производится из- , мерение сигнала с интегрированием. Разность интегралов, полученных на этих участках в течение одного периода|делится на число отсчетов и получаемое среднее значение модулированной составляющей сигнала пересыпается в массив one. ративной Памяти ЭВМ. Эти операции пронзводятся в течение участка 1У. В кон- це участка II узел 14 .коммутации пропускает сигнал К на счетный вход цифрового генератора 10 напряжения, при этом код иГН увеличивается на едишшу, смещая точку измерения на шкале масс на один дискрет. К началу измерения в следующем периоде переходный процесс в цепи раз- вертки масс-спектрометра. заканчивается.

I .

На прсжессоре 8 производится вывод

полученной информации на устройства 19 регистрации. Процесс продолжается до

обнаружения ЭВМ конца заданного участка шкалы масс, после чего в регистр

ЦГН перерылается код, соответствующий началу следующего участка. Для увеличе ния отнсяиения сигнал-шум процесс сканирования заданных участков шкалы масс производится многократно с накоплением получаемьтх данных в массивепамятиГ Регистрация промежуточных результатов накоппения позволяет исследователю оперативно слешггь за процесссяи накопления и принимать решение. Разбиение шк.алы масс на участки позволяет устранить непроизводительные затраты времени на ckiaнирование неинформационных участков спектра и соответственно уменьшить объ&л памяти.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ПУЧКОВ, содержащее квадрупольный масс-спектро- . метр, формирователь пу,чка, прерыватель с приводом, генератф импульсов, аналогоцифровой преобразователь, интерфейсный блок и ЭВМ с узлом прерывания и устройствами регистрации, отличающ е е с я тем, что, с целью уменьшения непроизводительных потерь времени, повьпнения точности тизмеренкя модулированного сигнала и экономии оборудования, устройство снабжено цифровым генератором напряжения и формирователем сигнала, содержащим переключатель каналов, формирователи стробов, узел сравнения, узел программного управления, узел коммутации и делитель частоты, причем переключатель каналов подключен к прерывателю и генератору импульсов, связанному через делитель частоты и узел коммутации с аналого-цифровым преобразователем, и соединен через формирователи стробов узлом сравнения, который связан с узлом прерывания ЭВМ и через узел коммутации с цифровым генератором i напряжения и подключен к узлу программного управления, соединенному, с де(Л лителем частоты, узлом крммутации и интерфейсным блоком ЭВМ, который подключен к масс-спектрометру через циф ровой генератор напряжения. 2, Устройство по п. 1, отлич а , ю щ е е с я тем, что аналого-ци4чзовой QD преобразователь содержит узел коммутации каналов и шкал, соединенный с детектором напряжения развертки и выходным усилителем сигнала квадрупольного масс-спектрометра, а также интерфейсным блоком ЭВМ .

Фиг.2

Сдммарный спектр

Спектр фона

Модулиробанная

соста&пяющая

спектр

Фиг.З

TJnjlJn rLri ri .

tHtlHUt

Я. k% Ц

л « «rl

1 И 1 И {III Г и 11 11 I м

I

1|||{1||П1 Ш|р1||Ш| {1||1Щ

11

и м ч 1 и и и м 11 г I .И I И 1{ I г (til It и I И

впгрвцни ten

(