Масс-спектрометр Советский патент 1981 года по МПК H01J49/30 B01D59/44 

(54) МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Изобретение относится к масс-спек рометрии за:ряженных частиц, а именно к основному узлу масс-спектрометра анализатору заряженных частиц по массе. Известные магнитные масс-спектрометры можно разделить на два основных класса: с однородными и неоднородными аналиаирующими магнитными полями . Известен статический масс-спектро метр с однородным анализирующим магнитным полем, представляющий собой секторный магнит. Он образован двумя плоскими полюсами с прямолинейными границами, направленными вдоль радиусов. Величина удельной дисперсии (отношение линейной дисперсии к произведению электронно-оптического уве личения прибора на длину пути ионов от источника до приемника)секторного магнита на 1% изменения массы 13 . Недостатком данного анализатора является низкая дисперсия, увеличение которой ведет к возрастанию массы магнита пропорционально кубу радиуса средней траектории заряженных частиц. Известен призменный масс-спектрометр с анализатором, представляющим собой магнит, полюса которого имеют форму прямоугольников, вытянутых в одном направлении. Величина удельной дисперсии призменного масс-спектрометра на 1% изменения массы 5-7мм/мГ23. Недостатком такого прибЬра является сравнительно малая дисперсия и большие габариты, вследствие сильной вытянутости полюсов призмы в одном направлении, необходимой для обеспечения двумерности поля. Наиболее близким техническим решением является статический масс-спектрометр с неоднородным анализирующим аксиально-симметричным магнитным по-лем, содержащий источник ионов, ана3лизатор в виде магнита с полюсами, приемник ионов и схему питания. Ана лизатор известного спектрометра обра зован двумя коническими полюсами, расположенными под углом друг к другу. Напряженность магнитного поля в них спадает от центра к периферии, а закон изменения поля определяется углом наклона полюсов и распределением плотности витков питающих катушек . Величина удельной дисперсии масс-спектрометра с неоднородным полем на 1% изменения массы 6-7 мм/м З Недостатком известного масс-спект рометра является сравнительно малая дисперсия, Кроме того, необходимость создания намотки со строго заданньм законом распределения витков ведет к погрешности в создании магнитного поля нужной конфигурации, что дополнительно приводит к снижению дисперсии. Цель изобретения - повьшение дис(Персности масс-спектрометра заряженных частиц без увеличения его габаритов. Цель достигается тем, что в массспектрометре заряженных частиц, содержащем источник ионов, анализатор в виде электромагнита с полюсами, .приемник и схему питания, анализатор выполнен в виде электромагнита с двумя парами полюсов, расположенных симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, причем каждые два противолежащих полюса имеют одинаковую полярность, а ось источника ионов на входе в ана лизатор находится на расстоянии, сос тавляющем 0,2-0,6 расстояния от оси анализатора до его полюсов. Поле такого анализатора имеет две плоскости симметрии и две плоскости антисимметрии и линейно растет от центра к полюсам, т.е. является неоднородным. При впуске пучка заряженных частиц в поле анализатора пре лагаемого масс-спектрометра на расстоянии, составляющем 0,2-0,6 расстояния от оси анализатора до его по люсов, под углом, меняющимся в пределах 0-1,2 рад. дисперсия ло массе увеличивается за счет увеличения отклоняющего действия линейного магнит ного поля. Получено выражение для дисперсии по массе (Ь) в горизонтальной XOZ 7 ПЛОСКОСТИ предлагаемого масс-спектрометра3)::,l-I),)ShjbU+G,p.l. 4IlSl- a)5hibui-G lbl.l, где X р и Хр - координата и тангенс угла наклона центральной траектории на входе в поле; j. - эффективная длина поля;G - расстояние от выхода из поля до приемника. дe m, е масса, заряд и скорость иона; скорость света; значение скалярного магнитного потенциала на полюсах;. расстояние от оси анализатора до его полюсов . Из формул следует, что дисперсия увеличивается с ростом, ,G, Х Угол входа центральной траектории может быть Х 0 (прямой вход) и xL О или XQ ) О (наклонный вход). Наибольшая величина дисперсии имеет место при XQ 0. Так при (Jt, 2,0 G 0,8L, ,23L, х|, -0,2рад. дисперсия в горизонтальной гшоскости DX 2,0. На фиг. 1 приведена схема предпагаемого спектрометра в горизонтальной (XOZ) и вертикальной (YOZ) плоскостях; на фиг. 2 - анализатор предлагаемого масс-спектрометра, поперечное сечение. Предлагаемый масс-спектрометр зарЯ женных частиц (фиг. 1) состоит из источника 1 заряженных частиц, анализатора 2, фокусирующих астигматичных электростатических линз 3 и 4 (в качестве которых могут служить цилиндрические, квадрупольные, скрещен1ше линзы), приемника 5 и схемы питания (не изображена). Магнитный анализатор 2 состоит из четырех одинаковЬк полюсов 6 с. питающими обмотками 7 и ярма 8 (фиг. 2). Работа предлагаемого устройства состоит в следующем. Пучок заряженных частиц выходит из источника I, ось которого расположена под углом к границе магнитного поля анализатора 2. Величина, этого угла лежит в пределах ,2 рад. При этом расстояние от оси источника ионов на входе в анализатор 2 до его оси составляет 0,2-0,6 расстояния от оси анализатора до полюсов. Далее пучок попадает в магнитный анализатор 2, в котором происходит разделение пучка по массам таким образом, что при данной магнитного поля ионы одинаковой массы попадают в приегдаик 5, При этом электростатические линзы 3 и 4 осуществляют фокусировку по углу одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При использовании в схеме спектрометра в качестве фокусирующих астигматичиых электростатических.линз 3 и А (фиг. 1) квадрупольных линз и при режиме работы анализатора (PL 2,0; G 0,8L , Х, 0,23Ц и Хд -0,2) увеличение прибора в плоскости дисперсии MX 0,44, а общая длина пути ионов от источника до приемника S 2,8 U . Тогда Д°| 2 мм/м на 1% изменения массы, где d - угол между осью приемника 5 и осью Z. Полученная величина удельной дисперсии на порядок превышает удельную дисперсию масс-спектро1 етров с однородным полем и почти в два раза больше удельной дисперсии призменного массспектрометра, а также масс-спектрометра с неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем.

Таким образом, предлагаемый массспектрометр заряженных частиц позволяет увеличить дисперсию в 1,4-2,5 раза по сравнению с известными. При этом его удельная дисперсия на порядок выше, чем у масс-спектрометров с

73307 6

однородным полем, и в два раза больше, чем у масс-спектрометров с неоднородным полем. Кроме того, разрешающая способность предлагаемого масс5 спектрометра в шесть раз больше, а светосила (за счет пространственной фокусировки) на порядок выше, чем у масс-спектрометра с однородным полем при одинаковых габаритах аналиto заторов.

Формула изобретения

Масс-спектрометр, содержащий анализатор в виде электромагнита с -по,-, люсами, приемник ионов и схему питания, отличающийся тем, что, с цепью повьш1ения разрешакхцей

способности, анализатор выполнен в виде электромагнита с двумя парами полюсов, расположенных симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, дричем

каждые два противолежащих ползЬса имеют одинаковую полярность, а ось источника ионов на входе в анализатор находится на-расстоянии, составляющем 0,2-0,6 расстояния от оси анализатора до его полюсов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3. Шеховцов Н.А. Магнитные массспектрометры. М., Атомиздат, 1971, с. 33-52 (прототип).