Масс-спектрометр Советский патент 1983 года по МПК H01J49/32 

(54) МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Изобретение относится к приборестроению для космических исследований и может быть использовано при изучении ионного состава межпланетной плазмы с различными значениями отношений М/2 и Е/2 .

Известен масс-спектрометр для анализа солнечного ветра по массе и энергии, состоящий из двух ускоряющих пластин, масс-анализатора, включающего полюсники магнита и электростатический конденсатор,энергоанализа тора, выполненного в виде электростатического конденсатора с зазором, образованшлм участками концентрических .цилиндрических поверхностей его обкладок, имеющих ось симметрии, направленную перпендикулярно поверхностям полюсников магнита масс-анализатора, и приемника 1.

Чувствительность известного массспектрометра обеспечивается расположением масс-анализатора перед энергоанализатором и использованием впер- вом из них конденсатора с зазором, образованным участками концентрических цилиндрических поверхностей его обкладок с осью симметрии, лежащей по направлению распространения исследуемого потока частиц.

Однако соответствующая указанной эффективности величина геометрического фактора ( 4,5 см -ср-эВ при разрешающей способности по М/2 . 10-15 недостаточна для проведения анализа компонент малых концентраций в общем потоке частиц.

Наиболее близким к предлагаемому

10 является масс-спектрометр для анализа межпланетной плазмы, состоящий из ускоряющих пластин, энергоанализатора, выполненного в виде электрс статического конденсатора с зазором,

15 образованным участками концентрических цилиндрических поверхностей его обкладок с осью симметрии, перпендикулярной направлению распространения исследуемого пучка, масс-анализато20ра, состоящего из электростатическог конденсатора с зазором, образованным участками концентрических цилиндрических поверхностей его обкладок, ось симметрии которьлх параллельна

25 оси симметрии обкладок энергоанализатора и ограничивающих данный зазор в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии обкладок электростатического конденсатора, полюсни

30 ков магнита 2.

Однако в.известном масс-спектрометре эффективность и соответствующий ей геометрическиф фактор с 0,5 эВ при разрешающей (Способности по M/ZrlO обеспечиваются 5ольшой площадью входного окна, что 5 приводит к низкой разрешающей способности по М/2 из-за значительных аберраций и плохих дисперсионных свойств масс-анализатора. Это объясняется тем, что в традиционной масс- Q спектрометрии для получения требуемой разрешающей способности по М/2 энерго- и масс-анализаторы должны иметь малые размеры входного окна во взаимно-перпендикулярных направлениях, так как один из них ограничен расстоянием между обкладками энергоанализатора, а перпендикулярный ему величиной зазора между полюсниками магнита. Поэтому площадь входного окна здесь должна быть малой, 20

Повышение чувствительности, определяемое ростом геометрического фактора толька за счет увеличения площади входного окна, приводит к существенному увеличению размеров и ве-25

са масс-спектрометра , что недопустимо в условиях космического эксперимента, или к ухудшению его разрешающей способности.

. ;. 30

Цель изобретения - повышение чувствительности и увеличение разрешающей способности масс-спектрометра; предназначенного для космических исследований.. j5

Указанная цель достигается тем, что в масс-спектрометре, состоящем из последовательно расположенных .ускоряющих пластин, электростатического энергоанализатора, масс-анали- лп затора , содержащего- электростатический конденсатор и постоянный магнит, и приемника с выходной щелью, обкладки энергоанализатора выполнены в виде концентрических колец тороидаль- . ной форьи, полюсники магнита масс- анализатора выполнены в виде двух дисков, между которыми расположены параллельно им пластины электростатического конденсатора, а выходная щель выполнена кольцевой и парал-50 лельна обкладкам электростатического конденсатора, при этом 1,400+0,005 ГЗ/Р 1,147±0,005 ; DgTp 1,197±0,005; 55 TJ/PO 1,236±0,005; 1,012+0,005; 1,336+0,005 о 75 75°30 при Го7,4 см, где Гд - радиус полюсников магнита; 60 Г-, - расстояние от оси симмет- i рии прибора до центра кривизны обкладок; Гп ,Га - радиусы кривизны обкладок

энергоанализатора/ 5

DX, - расстояние от плоскости

входного окна энергоанализатора до щели приемника, ОдlOj- расстояние от плоскости вхного окна энергоанализатор до обкладок электростатического конденсатора. Применение такой конструкции позволяет увеличить площадь входного окна благодаря тому, что величины зазоров энерго- и масс-анализаторов накладывают ограничения только на один из размеров упомянутого окна, тогда как другой определяется габаритами прибора.

На фиг.1 представлен предлагаемый масс-спектрометр, разрез; на фиг.2 энерго- и масс-анализаторы в проекции, перпендикулярной направлению оси- Z-Z симметрии прибора; на фиг.З - аксонометрическая проекция энерго- и масс-анализаторов, разрез. На фиг.2 и 3 указаны также равновесные траектории заряженных частиц. Масс-спектрометр состоит из двух сетчатых ускоряющих пластин 1 и 2, перекрывающих входное окно энергоанализатора, состоящего из двух обкладок 3 и 4.-Далее следуют три обкладки 5-7 электростатического конденсатора «прозрачные для потока заряженных частиц, причем обкладка б имеет конусообразный экран, устраняющий влияние обкладки 5 на область между выходом энергоанализатора и обкладкой 6, и полюсники 8 и 9 магнита , обращенные друг к другу поверхностями и совмещенные с обкладками 6 и 7 - электростатического конденсатора. Приемник 10 размещен перед обкладкой 5 и служит для регистрации заряженных частиц, выходящих из кольцевого зазора этой обкладки.

В рабочем режиме ось симметрии Z-Z прибора совпадает с направлением распространения исследуемого потока заряженных частиц, которые проходят сквозь ускоряющие пластины 1 и 2, обеспечивающие проведение анализа энергетического спектра этого потока в требуемом диапазонеэнергий, в кольцевое входное окно энергоанализатора, состоящего из обкладок 3 и 4 и формирующего величину энергетического и углового пропусканий. За энергоанализатором пучок заряженных частиц попадает в масс-анализатор, где на параболическую траекторию частиц г - r(Z) в промежутке между обкладками 6 и 7 и 6 и 5 накладывается круговое движение в области действии полюсников 8 и 9 магнита.

Фокусирующие свойства энергои масс-анализаторов и дисперсионные свойства масс-анализатора позволяют получить на обкладке 5 сфокусированный по углу и энергии спектр массг вых колец, одно из которых пропускается кольцевой щелью данной обкладки и регистрируется приемником 10. Предлагаемый масс-спектрометр {предназначен для иаучения ионного состава межпланетной плазмы в космических исследованиях. Применение указанной конструкции приводит к повышению эффективности прибора за счет увеличения геометрического фактора в 100 раз при разрешающей способное-ти по M/Z , превышающей разрешающую способность известного прибора в три раза. ПредлагаегФ1й масс-спектрометр дает возможность улучшить также эффективность измерений в 10 раз по сравнению с известным. Формула изобретения Масс-спектрометр, состоящий из последовательно расположенных ускоряющих пластин электростатического энергоанализатора, масс-анализатора, содержащего электростатический кон- денсатор и постоянный магнит, и приемника с выходной щелью, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и разрешающей способности, обкладки энергоанализатора выполнены в виде концентрических колец тороидальной формыj nojDocHHKH магнита масс-анализатора выполнены в виде двух дисков, между которыми расположены паргшлельно им ко не кам ра 5 to ot . 15 при 30 sac VG Tra nie 35 (пр пластины электростатического денсатора, а выходная щель выпола кольцевой и параллельна обкладэлектростатического конденсатопри этом (/Го 1,400±0,005 ; Гэ/Го 1,147±0,005; ЁП/ГО I,i97±0,005) 1,,005) l,012tO,005i l-,336tO,005; 7Er-75 30 при Го /4 см, где Г(, - радиус полюсников магр - расстояние от оси сим метрии прибора до цент ра кривизны обкладок; .Гз - радиусы кривизны обкла«1 док энергоанализатора/ D - расстояние от плоскости входного окна энергоднали. затора до щели приемника; Dq |0з - расстояний от плоскости входного окна энергоанализатора до обкладок электростатического конденсатора. Источники информации, нятые во внимание при экспертизе 1.Coplan M.A.et all. IEEE .Trantions on Qeoscience Electronics, -16, 3, 185, 1978. 2.bhetley.E.G. etall. IEEE nsact ions on Geoscience Electros , VGE -16. № 03, 266, 1978 ототип ).