ДАТЧИК ГИПЕРБОЛОИДНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ТИПА ТРЕХМЕРНОЙ ЛОВУШКИ Советский патент 1997 года по МПК H01J49/42 

Изобретение относится к масс спектрометрии, в частности, к устройствам датчиков гиперболоидных масс спектрометров типа трехмерной ловушки, и может быть использовано при создании гиперболоидных масс спектрометров высокой чувствительности.

Известны гиперболоидные масс спектрометры типа трехмерной ловушки с внутренней ионизацией, в которых ионы исследуемого газа образуются в рабочем объеме датчика за счет ионизации электронным потоком, вводимым извне через кольцевой или торцевой электроды /1/.

Электронный поток формируют с помощью электронного источника. При этом электронный источник должен обеспечивать ввод вовнутрь датчика электронного потока необходимой плотности, с заданными геометрическими размерами и электрическими параметрами для получения требуемой чувствительности. Кроме того, для обеспечения импульсного режима работы датчика гиперболоидного масс - спектрометра электронный источник должен позволять эффективно управлять электронным потоком и обладать минимальным фоновым током в закрытом состоянии. Эффективность работы электронного источника можно оценить коэффициентом токопрохождения, который определяется как отношение тока, вводимого вовнутрь датчика, к эмиссионному, т. е. полному току катода. Общим недостатком существующих устройств является недостаточная эффективность фокусировки электронного потока и малый коэффициент токопрохождения.

Наиболее близким техническим решением является известный датчик гиперболоидного масс спектрометра типа трехмерной ловушки, включающий в себя один кольцевой и два торцевых электрода, представляющих собой гиперболоиды вращения, и электронный источник, содержащий катод, управляющий и фокусирующий электроды, причем электронный источник выполнен по триодной схеме в виде отдельного самостоятельного элемента, имеющего оптимальную геометрию и режим питания электродов. Источником электродов служит катод, помещенный вовнутрь управляющего электрода. Между управляющим электродом источника и электродом датчика, через который электронный поток вводится в рабочий объем, помещен формирующий электрод источника, который вместе с управляющим электродом образует систему электростатических линз, служащих для фокусировки электронного потока на входное отверстие для ввода в датчик. На катод источника подается накал и постоянное смещение, управление моментом ввода электронного потока в датчик осуществляется подачей импульсного с постоянной составляющей напряжения на управляющий электрод. Ввод электронного потока осуществляется через малое отверстие в одном из электродов датчика гиперболоидного масс-спектрометра /2/.

Недостатком такого устройства является низкая чувствительность датчика за счет малого коэффициента токопрохождения всей системы, связанного:
1) с наличием переходной области между формирующим электродом электронного источника и электродом датчика, через который вводится электронный поток, что приводит к расфокусировке электронного потока и уменьшению вводимого электронного потока в датчик;
2) с потерями электронного тока на управляющем, формирующем электродах источника и отверстии для ввода электронного потока, выполненном в одном из электродов датчика, и имеющем ограничение (десятые доли мм) размеры, что связано с необходимостью уменьшения искажения поля внутри датчика;
3) с необходимостью в связи с этим более жесткой фокусировки электронного потока на выходе электронного источника.

Малый коэффициент токопрохождения приводит к тому, что при значительном эмиссионном токе вводимый электронный поток вовнутрь датчика оказывается недостаточным, что приводит к низкой чувствительности известного устройства.

Целью настоящего изобретения является устранение указанного недостатка и увеличение чувствительности датчика гиперболоидного масс спектрометра типа трехмерной ловушки.

Указанная цель достигается тем, что в известном датчике гиперболоидного масс спектрометра типа трехмерной ловушки, включающем один кольцевой и два торцевых электрода, представляющих собой гиперболоиды вращения и источник электронов, содержащий катод управляющий и формирующий электроды, катод источника электронов расположен между управляющим электродом и одним из электродов датчика, являющимся одновременно формирующим электродом источника. При этом переходная область между электронным источником и входным электродом датчика отсутствует, так как это пространство становится частью самого электронного источника, отпадает необходимость в специальном формирующем электроде, а за счет такого взаимного расположения катода и управляющего электрода увеличивается эффективность формирования и управления потоком, устраняются потери тока на управляющем и формирующем электродах. Все это позволяет резко увеличить коэффициент токопрохождения системы и значительно повысить чувствительность предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство датчика гиперболоидного масс спектрометра типа ионной ловушки и принцип его работы иллюстрируются рисунками и графиками, приведенными на фиг. 1 3. На фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство, содержащее кольцевой электрод 1, торцевые электроды 2 датчика гиперболоидного масс спектрометра, представляющие собой гиперболоиды вращения, управляющий электрод 3 электронного источника, катод 4, отверстие 5 для ввода электронного потока вовнутрь в одном из электродов датчика, в данном случае кольцевом, который выполняет роль формирующего электрода электронного источника.

На фиг. 2 и 3 приведены результаты экспериментального обследования предлагаемого устройства для случая, когда роль формирующего электрода выполняет кольцевой электрод датчика. Здесь K_прох. коэффициент токопрохождения устройства, определяемый как отношение тока, проходящего в рабочий объем датчика, к эмиссионному току катода; U_упр напряжение на управляющем электроде; I_эмис эмиссионный ток катода.

Работает предлагаемое устройство датчика гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки следующим образом.

Катод 4 электронного источника располагается между управляющим электродом 3 и формирующим электродом, функции которого выполняет один из электродов датчика гиперболоидного масс спектрометра, например, кольцевой электрод 1. Геометрию отражателя и взаимное расположение элементов электронного источника и величины постоянных смещений, поданных на них, рассчитывают и подбирают в зависимости от вида электрода, через который осуществляется ввод, и геометрии входного отверстия 5. На катод 4 электронного источника подается накал и постоянное смещение U_кат, при этом управляющий электрод 3 имеет более отрицательный потенциал, чем потенциал катода, а потенциал электрода датчика, т.е. формирующего электрода, более положительный, чем у катода. При этом электроды, эмиттированные катодом, фокусируются в сходящийся поток и выводятся в рабочий объем датчика. Отсутствие на пути электронного потока управляющего электрода 3 и устранение специального формирующего электрода уменьшает потери на них электронного потока, позволяет резко повысить коэффициент токопрохождения и увеличить чувствительность датчика гиперболоидного масс - спектрометра. Расположение катода между управляющим и формирующим электродом, кроме увеличения чувствительности устройства, позволяет более эффективно управлять электронным потоком при импульсном режиме работы датчика гиперболоидного масс спектрометра. Кроме того, отсутствие специального формирующего электрода электронного источника существенно упрощает его конструкцию, сборку, юстировку, обеспечивает свободный доступ при замене перегоревшего катода.

Предложенное устройство датчика было реализовано на конкретной конструкции датчика гиперболоидного масс спектрометра типа трехмерной ловушки. Ввод электронного потока осуществлялся через щелевое отверстие в кольцевом электроде, катод выполнялся в виде нити. Отражатель имел вогнутую поверхность, обращенную к катоду. Результаты экспериментального обследования одного из вариантов предлагаемого устройства представлены на фиг. 2 и 3. На фиг. 2 показана зависимость коэффициента токопрохождения K_прох. от величины напряжения U_упр на управляющем электроде источника, при этом каждому напряжению U_упр соответствовало оптимальное напряжение U_кат на катоде, соответствующее режиму максимального токопрохождения для данной пары напряжений U_упр и U_кат. Напряжение на формирующем электроде, т.е. на датчике масс спектрометра было неизменным. Из зависимости фиг. 2 видно, что коэффициент токопрохождения достаточно велик, достигает 67% и остается практически неизменным в широком диапазоне питающих электроды источнике напряжений. На фиг. 3 приведена зависимость коэффициента токопрохождения от величины эмиссионного тока катода, из которой видно, что коэффициент токопрохождения в предложенном устройстве постоянен и не зависит от величины эмиссионного тока катода до нескольких сот мкА, что упрощает работу с датчиком и позволяет обойтись без дополнительной калибровки. Из анализа полученных экспериментальных результатов видно, что предложенное устройство достаточно эффективно. Для сравнения можно привести коэффициент токопрохождения для данной системы с той же геометрией входного отверстия, но для электронного источника, выполненного в виде самостоятельного узла. Он составляет всего 3 6% т.е. на порядок меньше, чем в предлагаемом устройстве.

Таким образом, предлагаемое устройство датчика гиперболоидного масс - спектрометра типа трехмерной ловушки по сравнению с существующим образцом гиперболоидным масс спектрометром типа трехмерной ловушки, позволяет значительно увеличить чувствительность за счет:
1. Устранения переходной области между формирующим электродом электронного источника и входным электродом датчика, при этом роль формирующего электрода выполняет электрод датчика, через который осуществляется ввод электронного потока;
2. взаимного расположения электродов электронного источника, причем катод помещается между управляющим и формирующим электродом.

Датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки, включающий один кольцевой и два торцевых электрода, представляющий собой гиперболоиды вращения, источник электронов, содержащий катод, управляющий и формирующий электроды, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности, катод источника электронов расположен между управляющим электродом и одним из электродов датчика, являющимся формирующим электродом источника.

Датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки, включающий один кольцевой и два торцевых электрода, представляющий собой гиперболоиды вращения, источник электронов, содержащий катод, управляющий и формирующий электроды, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности, катод источника электронов расположен между управляющим электродом и одним из электродов датчика, являющимся формирующим электродом источника.