Магнетронный масс-спектрометр Советский патент 1981 года по МПК H01J49/30 B01D59/44 G01N27/62 

Изобретение относится к масс-спе ктрометрии, в частности, к магиетронным масс-спектрометрам и может быть использовано для анализа молекулярного и изотопного состава газо и паров, а также в качестве манометра для измерения парциальных давлений газов и паров в вакуумных системах. Известен магнетронный массспектрометр, содержащий источник , ионов/ размещенный на оси симметрии масс-спектрометра, и два полуцилинд рических коллектора ионов с различн ми радиусами l. Известен также магнетронный масс спектрометр, содержащий источник ионов, модулирующий электрод и коллектор ионов. Источник лонов расположен на оси анализатора масс, а мо дулирующий электрод между источнико и коллектором 2. Наиболее близким к предлагаемому является магнетронный масс-спектрометр, содержащий размещенный между полюсами магнита анализатор масс, состоящий из полого цилиндра, закрытого с торцов крышками с централ ными отверстиями, источник ускорягащего напряжения, стержневой коллектор ионов, укрепленный на оси анализатора, и источник ионов, расположенный снаружи анализатора, в масс-спектрометре энергия ионов, идущих от источника, размещенного снаружи анализатора масс, модулируется путем периодического изменения величины ускоряющего напряжения от специального источника питания 3. Недостатком этого масс-спектрометра является относительно малая чувствительность, ограничивающая применение прибора при анализе малых примесей в газах. Недостаток обусловлен наличием вертикальной расходимости сходящегося кольцевого потока ионов, так что значительная часть их, двигающихся по краям потока, уходит на торцовые крышки и не достигает коллектора. Вертикальная расходимость создается силами объемного заряда ионного потока, так что ионы приобретают составляющую скорости, направленную вдоль оси симметрии анализатора. Этот эффект является препятствием для дальнейшего увеличения чувствительности масс-спектрометра в связи с

тем, что потери ионов в анализаторе масс за счет ухода на крышк-и возрастают пропорционально величине ионного тока.

Цель изобретения - повьшение чувствительности магнетронного массспектрометра путем уменьшения потерь ионов в области анализатора масс.

Указанная цель достигается тем, что полый цилиндр и торцовые крышки ансшизатора масс электрически изолированы друг от друга и подключены к клеммам соответственно отрицательной и положительной полярности дополнительного источника питания. Это обеспечивает отталкивание ионов от торцовых крышек, сводя к минимуму потери заряженных частиц Для обеспечения высокой разрешающей способности анализатора масс торцовые крышки могут быть вьлполнены в виде усеченных конусов, вершины которых направлены к центру анализатора.

На чертеже изображен масс-спектрметр.

Устройство содержит размещенный между полюсами магнита 1 осесимметричный анализатор 2 масс, состоящий из полого цилиндра 3, закрытого с торцов крышками 4 и 5 с центральными отверстиями, укрепленный на ос анализатора 2 масс ст ержневой коллектор б ионов и размещенный снаружи анализатора источник 7 ионов. Полый цилиндр 3 и торцовые крышки 4 и 5 изолированы друг от друга, например, с помощью изолирующих прокладок 8 и 9 и соединены с клеммами соответственно отрицательной и положительной полярносзти источника 10 питания,

Масс-с;:ектрометр работает следующим Образом,

Под действием ускоряющего напряжения (источник которого на чертеже не показан), приложенного между анализатором 2 масс и источником 7 ионов, ионы двигаются в направлении коллектора б круговым сходящимся потоком по криволинейным траекто.риям, радиус кривизны которых зависит, от скорости и массы иона и величины магнитного поля, создаваемого магнитом 1, При модуляции ускоряющего напряжения (источник которого на чертеже не показан) траектории ионов изменяются таким образом, что ионы заданной массы то попадают, то не попадают на коллектор 6, создавая в его измерительной цеп переменный ток, пропорциональный количеству ионов данной массы в источнике ионов, а, следовательно, и концентрации анализируемого компонента газовой смеси.

Силы объемного заряда вызывают расплывание потока ионов в осевом

направлении, причем по мере приближения к оси анализатора за счет увеличения плотности заряда в потоке увеличиваются и расталкивающие силы Вертикальная фокусировка сходящегося ионного потока в масс-спектрометре осуществляется за счет электросттических сил, возникающих при подаче положительного потенциала на торцовые крышки анализатора относительно полого цилиндра. Напряжение источника 10 питания подбирается таким образом, чтобы достичь максималного значения тока коллектора, обеспечив минимальные потери ионов в ан лизаторе, что особенно важно при о ределении малых концентраций примесей.

Возрастание расталкивающих сил по мере движения от источника ионов к коллектору дополнительно может быть скомпенсировано выполнением торцовых крьошек в виде усеченны конусов, направленных вершинами к центру анализатора. Такая форма крышек обеспечивает увеличение фокусирующих электростатических сил при приближении к коллектору. Угол конуса подбирается таким образом, чтобы крайние ионы потока все время двигались в плоскости, перпендикулярной оси. Нулевые вертикальные скорости ионов позволяют при повышении величины пропускаемых токов добиться не только повышения чувствительности масс-спектрометра, но и сохранить его разрешающую способность.

Высокая технико-экономическая эффективность масс-спектрометра характеризуется сочетанием широкого диапазона измерений по массам и высокой чувствительности, что обеспечивает возможность регистрации большого числа компонентов анализируемой газовой смеси. Проведенные эксперименты подтверждают увеличение чувствительности до 30% в предлагаемом масс-спектрометре по сравнению с известным при токе коллектора 10 А, Техническое решение позволяет создать простые приборы для газового анализа с порогом чувствительности вплоть до 10 %,

Формула изобретения

1, Магнетронный масс-спектрометр, содержащий размещенный между полюсами магнита анализатор масс, выполненный в виде полого цилиндра, закрытого с торцов крышками с центральньоми отверстия1у1и, источник ускоряющего напряжения, стержневой коллектор ионов, укрепленный на оси анализатора, и источник ионов, расположенных снаружи анализатора, отличающийся тем, что.

с целью повышения чувствительности, цилиндр и крышки электрически изолированы друг от друга и подключены к клеммам соответственно отрицательной и положительной полярности дополнительного источника питания.

2. Магнетронный масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что торцовые крышки анализатора выполнены в виде усеченных

конусов, вершины которых направлены к центру анализатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США 3162760, кл. Н 01 1 39/40, 1965.

2.Авторское свидетельство СССР № 393661, кл. G 01 N 27/62, 1970.

3.Авторское свидетельство СССР по заявке 2450240/18-25,

кл. Н 01 3 39/34, 1977.

9м6 //7777&.