Омегатронный масс-спектрометр Советский патент 1981 года по МПК H01J49/38 

Изобретение относится к области научного приборостроения, к технике измерения масс ионов. Прецизионные измерения масс ионов позволяют полу чить информацию об эн.,ргии покоя стабильных и нестабильных возбужден ных долгоживущих ядер. Второе применение - измерение мо лекулярного веса однородных по А (А - масса ядра), пучков ионов тяжелых биологических молекул: А . Для прецизионного измерения масс резонансным методом ионов измеряют циклотронную частоту иона в магнитном поле Но. 6 и 51- I-HO, где ZQ - заряд иона; Ду - его масса; g - заряд электрона; УУ1 р - атомная единица массы. Измерению подлежит величина А атомный вес исследуемого ядра. Данн измерения производятся в масс-спект рометрах типа омегатрон 1. Электронный пучок с энергией око ло 70 эВ, ведомый магнитным полем, ионизирует газ. На образующиеся положительные ионы действуе-г поперечное высокочастотное электрическое поле. Если частота генератора равна. частоте циклотронного резонанса исследуемого иона 51д, то проис}4одит резонансное нарастание скорости ионов и радиуса орбиты, ионы попадают на коллектор. Индикация резонанса ведется по максимуму тока коллектора. Наиболее близким по решению данной технической задачи является омегатронный масс-спектрометр, включающий магнитную систему, внутри которой расположена цилиндрическая камера с двумя электродами, подключенными к радиочастотным генераторам, входы которых соединены с синтезатором частоты, источник ионов и.детектор ионов, соединенный с системой индикации 2 . Устройство обладает большой погрешностью измерений, связанной со следующими причинами: наличием временного дрейфа магнитного поля - измерения различных ионов (с разными А) производятся не одновременно, магнитное поле может измениться от измерения к измерению, пространственной неоднородностью магнитного поля, релятивистскими изменениями массы двикущихся ионов, наличием поля объемного заряда, сдвигающего резонансную частоту, наличием паразитных магнитных полей в рабочем объеме и искажекием полей различными элементами. В частности, источником конструкции, таких полей являлась нить накала катода.

Кроме указанных недостатков, описанных в литературе, следует указать на недостаточную точность индикации резонанса, наличие газа в камере. Ионизируют не только электроны, но и ионы, в результате чего место появления иона - неизвестно.

Целью изобретения является повышение точности относительных измерений А для двух ионов до .

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что в омегатронный масс-спектрометр, включающий магнитную систему, внутри которой расположена цилиндрическая камера с двумя электродами, подключенными к радиочастотным генераторам входы которых соединены с синтезатором частоты, источник ионов и детектор ионов, соединенный с системой индикации, введена система модуляции времени полета ионов в камере, содержащая двухчастотную систему генерации низкой частоты, а система индикадии имеет два фазовых детектора, входы которых соединены с детектором ионов и синтезатором частоты, а такж два синхронных детектора, каждый выход которых содержит индикатор резонанса, а входы соединены с фазовыми детекторами и выходами двухчастотной системы генерации низкой частоты

Выходы двухчастотной системы генерации низкой 11астоты соединены с электродами монохроматического источника ионов двух изотопов..

В устройство введены электрически yпpaвляe 1ыe аттенюаторы, включенные между синтезатором частоты и генераторами радиочастоты, соединенные с выходами двухчастотной системы генерации низкой частоты.

С целью устранения влияния объемного заряда нерегистрируемых ионов в камеру введена система сброса нерегистрируемых ионов, выполненная g виде полого стержня, расположенного по оси цилиндрической камеры.

На фиг. 1 и 2 показана схема устройства; на фиг. 3 показано распределение ионов по скоростям; на фиг. 4 - векторная диаграмма.

Предлагаемое устройство состоит из двух ионных источников 1, одновременно подающих в цилиндрическую металлическую рабочую камеру 2 ионы с .атомным весом А и AI, отношение масс которых надо измерить. Ионный пучок входит в камеру через центральное отверстие в ее торцовой стенке. . В камере помещены два электрода 3,

соединен «ле с двумя радиочастотными генераторами 4, которые соединены с синтезатором частоты 5. Эле троды формируют переменное электрическое поле, вектор напряженности которого перпендикулярен оси камеры. В торце камеры помещен также детектор ионов с системой усилительных динодов и анодным электродом 6.Камера помещена в постоянное магнитное поле, создаваемое магнитной системой 7. Направление вектора магнитного поля совпадает с осью камеры. Магнитная систем изображена в виде сверхпроводящего соленоида. В схеме имеется также двухчастотная система генерации низкой частоты 8, выходы которой соединены с управляющими электродами ионных источников.

Двухчастотная система генерации, низкой частоты содержит два генератора несоизмеримых частот (во избежание перекрестных помех), питаемых от общего задаю1цего генератора. Анодный электрод детектора ионов соединен с усилителем, к выходу которого подсоединены фазовые детекторы 9 , к выходу которых подключены синхронные детекторы 10. Синхронные детекторы подключены также к выходам двухчастотной системы генерации низкой частоты 8. К выходам синхронных детекторов подключен стрелочный прибор 11, являющийся регистратором резонанса.

Устройство работает следующим образом.

Ионы с атомным весом А и А 2, значения которых нужно также измерить, подаются из ионных источников в рабочий объем через отверстие на оси цилиндра. Под действием электрического поля двух частот О. и SiL. возбуждаемых электродами, соединенными с генераторами радиочастот, ионы двигаются по ларморавским орбитам увеличивающегося радиуса. В пространстве орбиты образуют коническую поверхность. Далее резонансные ионы попадают на детектор ионов, который состоит из катодного электрода, падая на который, ионы выбивают вторичные электроны. Далее электроны усиливаются динодной системой за счет вторичной эмиссии, как в фотоэлектронном умножителе, и усиленный ток попадает на анодный электрод Как показано ниже, при точном резонансе фаза ионного тока на детекторе не зависит от времени пролета ионов, а при уходе от резонанса знак фазы зависит от знака растройки. При подаче переменного напряжения на ионный источник модулируется скорость иона и, следовательно, время пролета, причем, как это видно из схемы, частота модулирующего напряжения - своя для каждого из двух источников. Модуляция времени пролета вызывает фазовую модуляцию радиочастотных компонент тока детек тора ионов, которая и появляется на выходе фазовых детекторов 9 изатем она вьщеляется синхронным детектором 10. Напряжение на выходе синхронного детектора по абсолютной величине и по знаку дает полную информацию о расстройке. Возможен вариант схемы, при котором напряжение фазового детектора, управляя синтезатором, сводит расстройку к нулю. При резонансе Я.йд, измеряя отно шения частот, находят отношение масс Ад . Л, Для легких ядер в это соотношение нужно ввести множитель, учитывающий релятивистские поправки. Поскольку объемный заряд отсутствует и все частицы двигаются по одинаковому кор пусу траекторий, эти поправки могут быть вычислены точно. Эти вычисления и результат не влияют на конструкцию устройства и поэтому не будут приводиться . Изложим кратко теорию прибора и приведем обоснование ожидаемой погрешности. Направим ось Z вдоль магнитного поля и обозначим - X + Hv тогда нерелятивистские уравнения движения иона будут: V-|;r где ЕО составляющая поперечного высокочастотного поля круговой поляризации, остальные компоненты не резонанс.ные и могут опущены. При этом необходимо отметить, что объемных зарядов практически нет и постоянных электрических полей в рабочем объеме прибора тоже нет. Так как, как уже отмечалось, постоян ных полей вдоль оси Z нет, то Z - z. const. В формуле 51 - циклотронная частота, 51 - частота генератора. Из формулы (1) получаем точное соотношение: JE(.t)e- And, 1 оJ -начальная поперечная ско рость; -пролетное время, координат частицы имеем: .Ч,. где о - координата центра ларморовс кой окружности. (1) В простейшем случае, когда переменное поле однородно по рабочему объему, формула (2) дает: - ТЕ/|@е е- ое й 51-$1д J где в - пролетная фаза; 20 - ДТ . В общем случае, когда переменное поле неоднородно вдоль оси Z войдет эффективное пролетное время Т - Тдфф Потребуем, чтобы для ионов с заданным А выполнялось бы грубое условие резонанса: 0 , siki . Тогда: к TE. Второе слагаемое значительно меньше первого, мы его опустим и учтем только при анализе погрешности прибора. Для радиуса орбиты получаем:.1 --СТ Sl При переходе к другим ионам меняется А , причем различные ионы, как указывалось выше, желательно сравнивать одновременно в одном и том же магнитном поле Но При всех оценках ниже мы будем исходить из значения магнитного поля 70 Кое, что требует сверхпроводящего соленоида. При этом для протонов 51 100 Мгц. Эксплоатачионно удобнее, чтобы и конструкция прибора, и магнитное поле не менялись при переходе к другим ионам. (I) есть расстояние детектора ионов от оси, поэтому необходимо, чтобы, const --и где Т- пролетное время, определяемое .ускоряющим напряжением ионного пучкам ЕО амплитуда высокочастотного .поля. Желательны большие Т , и следовательно, малые ускоряющие напряжения. Примем, исходя из технических ограничений, минимальное значение энергии ионов -0,1-1 эВ. При энергии протона 0,1 эВ и длине камеры 1 м время пробега-2 , следовательно, npoTOit делает 2-10 оборотов. Если использовать, как будет указано , только медленные протоны, то число оборотов возрастает примерно-на порядок. Большая длина камеры уменьшает плотность объемного заряда и вызванную им погрешность. При заданной энергии ионов: T-YA Если пучок не является монохроматическим по U-3r, то будет некое распределение по скоростям и, следовательно, по рс1диусу, показанное на фиг.З, Конечные размеры детектора ионов, как это видно из фиг. 3, приводят к тому, что регистрируется только часть пучка, более монохроматическая, чем весь пучок.

Для кинетической энергии, приобретаемой ионом в высокочастотном поле, легко получить формулу:

Е,-Ь-(еЕсТ ,

(8)

toэнергия покоя иона.

где

Заметим, что в силу (7) пространственные, траектории различных ионов совпадают и тем влияние пространственной неоднородности магнитного поля в значительной степени исключается.

Число оборотов N резонансного иона равно:

J

.

N С9) тГГ

Высокочастотное поле группирует ионы в сгустки, причем сдвиг фаз между скоростью иона и полем равен, согласно формуле (4):

.„ -

-XVJ ц, -

и поэтому в качестве условия реЭонанса -О можно взять

ЭМ

(Ю)

-О ЭТ

Условие (10) устанавливается методами микрофазометрии: подается на электроды ионного источника небольшое переменное напряжение низкой частоты, тем самым модулируется скорость ионов и тем самым время пролета:

T-TQ И -f-cA COSD-b),

где cL - коэффициент модуляции

Л - частота модуляции. Для переменной компоненты фазы имеем:

--

При синхронном детектировании переманной компоненты фазы с низкочастотным напряжением, подаваемым на ионный источник, можно определить величину и знак расстройки и точно настроиться в резонанс, что и реализуется схемой, показанной на .

Микрофазомётрические измерения полностью исключают временные нестабильности и позволяют одновременно работать с несколькими сортами ионов на электроды можно одновременно подавать несколько высокочастотных напряжений, допускается также Параллельная работа нескольких детекторов. При этом измерение массы свелось к измерению частоты, эталон частоты в настоящее время один из наиболее точных. При одновременных измерениях двух типов ионов нестабильность магнитного поля не важна, важно только качество - ширина линии используемого синтезатора частоты.

Если минимально измеримая аппаратурная фаза есть О Ч, то для погрешности имеем

cS( ,

ИЗ)

что для относительной погрешности измерений массы дает:

-

л

(14)

А тем

Порог чувствительности микрофазометрических методов измерения определяется флуктуациями. Эти пороги практически достигнуты в целом ряде устройств, расхождение между теоретическим и экспериментальным значением не превышает 10.

Рассмотрим теперь величину (f(f . Принципиально возможное разрешение по фазе определяется двумя факторами разбросом фаз ионов в сгустке, связанным с начальными скоростями, и о временным разрешением системы индикации .

Рассмотрим оба фактора.

1. Как видно из векторной диаграммы фиг, 4, средний разброс фаз для единичного иона равен 5

. 1

с - Awip f 1C о7

К

)

f

А

Пр

где 2 - средняя начальная энергия поперечного движения иона с рабочей поляризацией, на входе в прибор;

к - энергия поперечного движения ионов на входе, около детектора Для работы детектора необходимо f

1 кэВ, поэтому для протонов (с100 кэв. УИр

Примем 0,1 эВ. Тогда для иона с А 1: „

Cff 0,001

В силу сказанного выше . При измерении на многих ионах погрешность благодаря статистическому усрнению уменьшается в /й раз, где величина И равна:

(W

М« где D - регистрируемый ионный ток; С - время усреднения. При оценках вбзьмем ток 1,6 нА, и время усреднения порядка 100 с. При N 10 и о(. 0,1 это дает -2.0-. и, следовательно, для тяжелых ядер имеем разрешение 2 , Для тяжелых молекул при А 10 относительное разрешение тг-2 -10 и абсолютное разрешение /v 1, что доста точно для любых биохимических приложений, 2. Временное разрешение системы индикации ( определяется как дли тельно,сть растянутого импульса на выходе системы, в который превращается идеально короткий импульс на ее входе. При ударе единичного иона cTtTo получается усреднением по многим ионам. Для лучших динодных систем, использующих- вторичную электронную эмиссию, (f tT - 10 9 -10 Динодная система, используемая для индикации, должна работать в сильном магнитном поле. Сильное ма нитное поле может быть использовано для улучшения временного разреш ния . Погрешность по фазе для единичного иона равна: (fif-ad o Для большого количества ионов прои ходит статистическое усреднение: л. Для тех же условий, что и ранее, -при А 1,51 (. Так KaK5l iTO{ft;j,. Для отно сительной погрешности измерения ма сы имеем: .4- (20 А Т/А Заметим, что фаза соответствует временному интервалу ,1,6. 10- с. Устройство, в-котором монохрома зация пучка производится в процесс работы, показано на фиг. 2. Модуляция времени пролета осуще вляется с помощью модуляции высоко частотного напряжения -Ео« Для это между синтезатором частоты 5 и генераторами 4 включен управляемый Аттенюатор 12, соединенный с двухЧастотной системой генерации низкой . частоты 8, а на ионные источники никаких напряжений от двухчастотной системы генерации низкой частоты 8 не подается. При подаче напряжения, .низкой частоты на аттенюаторы 12 меняется их затухание, в результате чего возникает амплитудная модуляция выходного напряжения генераторов радиочастот. В силу соотношения (6) при этом возникает модуляция времени пролета. Далее устройство работает также, как и- описано выше. Такая возможность имеется, как этовидно из формулы (6) и фиг. 2. Для повышени.я точности измерения нужно иметь большие N . Для этого выделяют методом, разобранным выше, медленные ионы из пучка. При этом медленных ионов в пучке значительно меньше, чем быстрых. Для получения достаточного тока регистрируемых медленных ионов необходимо .иметь существенно больший ток пучка, что связано с возникновением объемного .заряда и появлением соответствующей погрешности. Для устране 1ия объемного заряда коллектор быстрых ионов должен быть расположен вблизи отверстия ионного источника, тем самым в остальном объеме быстрые и нерезонансные ионы отсутствуют, а ток медленных ионов « 1-10 нА достаточно мал и, следовательно, объемный заряд тоже мал. Для этого на оси камеры расположен стержень, выполняющий роль коллектора ионов, укрепленный на- торце, противоположном отверстию источника ионов. При этом торец упомянутого стержня отстоит от отверстия в торцовой стенке камеры на расстоянии 1,, определ яемом соотношением где N1. - продольная скорость регистрируемых протонов; . Т - радиус стержня; С - скорость света; HO напряженность магнитного поля; Е - напряжение электрического поля при измерениях протонов. Предложенное, техническое решение позволяет повысить точность измерений масс ионов при Д менее 100-200 на 2-3 порядка. Изобретение может быть использовано при проведении прецизионных измерений масс нуклидов и тяжелых молекулярных ионов в физических и биохимических исследованиях. Формула изобретения 1. Омегатронный масс-спектрометр, включающий магнитную систему, внутри,

которой расположена цилиндрическая камера с двумя электродами,подключенными к радиочастотным генераторам, входы которых соединены с синтезатором частоты,чсточник ионов и детекто частоты, источник ионов и детектор ионов, соединенный с системой индикации, отличающийся тем, НТО, с целью повьлления точности измерений, в устройство введены система модуляции времени пролета ионов в камере, содержащая двухчастотную систему генерации низкой частоты, а система индикации имеет два фазовых детектора, входы которых соединены с детектором ионов и синтезатором частоты, а также два синхронных детектора, каждый выход которого содержит регистратор резонанса, а входы соединены с фазовыми детекторами и выходами двухчастотной систег-лл генерации низкой частоты.

2. Устройство по п. 1, о т л ичающеес я тем, что выходы двухчастотной системы генерации низкой частоты соединены с электродами

монохроматического источника ионов двух изотопов.

3. Устройство по п. 1, о т л ичающеес я тем, что в устройство введены электрически управляеfvttje аттенюаторы, включенные между cинтeзaтopo : частоты и генератором радиочастоты, соединенные с выходам двухчастотной системы генерации низкой частоты.

4.Устройство по пп.1,3, о т л и чающеес я тем, что, с целью уменьшения влияния объемного заряда нерегистрируемых ионов, в камеру введена система сбора нерегистрируемых ионов, выполненная в виде полог стержня, расположенного по оси цилиндрической камеры.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент США f 2.868.986, кл. 250-41.9, опублик. 1954.

2.Н. Sommer, Н.А. Thomas, I.A.Hр е The measurement of e/m by Cyc&otron Resonance. PhysicaC Review 1.82, 1951, p. 697 (прототип