Магнитный резонансный масс-спектрометр

Магнитный резонансный масс-спектрометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Мо 1 24564

Класс 21g, 35

421, Зов

СССР

ЕСНОЙ

Патент„а-т

1 lrliiu

, уу/", /

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 . Е. Пикус и В. Б. Фикс

МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Заявлено 19 июля 1956 г. за № 555032/26 в 1(омитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Опубликовано в «Бюллетене изобретений» № 23 за 1959 г.

Известны масс-спектрометры, в которых измерение масс-ионов производится по времени пролета их в постоянном магнитном поле. Время

Т; полного оборота ионов в постоянном магнитном поле не зависит от энергии и направления вылета ионов из источника и определяется только их массой M и величиной магнитного поля H

М, Т,- = 652 мк.сек.

Таким образом, измерение массы иона сводится и измерению периода его обращения. Постоянное магнитное поле, в котором движется ион, обеспечивает фокусировку по скоростям и направлениям.

Известны и резонансные масс-спектрометры, в которых измерение массы иона основано на том, что частоту обращения иона измеряют путем ср "âíåíèÿ с известной частотой генератора импульсов. Одним нз источников ошибок при анализе микропримесей в материалах известными масс-спектрометрами является фон попов, рассеянных на молекулах остаточного газа или в результате столкновения с диафрагмами. Этот фон приводит к частичному перекрытию ионных пучков и, таким образом, на приемник тока вместе с ионами микропримесей будут попадать попы пучка основной компоненты.

Предлагаемый масс-спектрометр устраняет этот недостатor., для чего перед коллектором масс-спектрометра установлен конденсатор, создающий электрическое поле, задерживающее рассеянные ноны, а положение коллектора и ускоряющее напряжение в модуляторе выбраны так, чтобы резонансные ионы достигали коллектора после нескольких оборотов, а нерезонапсные ионы могли проникнуть на коллектор лишь после многократного рассеяния. Для исключения необходимости i:rroãoêðàòíoão вращения нерезонансных ионов на модулятор подается постоянный пли задерживающий потенциал. № 124564

Принципиальная схема предлагаемого магнитного резонансного масс-спектрометра показана на фиг. 1.

Из источника 1 вылетают монокинетические ионы, которые заворачиваются в магнитном поле (направленном перпендикулярно чертежу) и попадают в модулятор 2, состоящий из трех сеток 8, 4 и 5. Сетки 3 и б заземлены, а на среднюю сетку 4 модулятора подан положительный потенциал V, от генератора б импульсов. Таким образом, между сетками 3 и 4 создается постоянное затормаживающее поле, Запирающий потенциал V, больше потенциала V, ускоряющего ионы в их источнике 1. В таком состоянии модулятор 2 заперт и ионы не проходят сквозь него. Знак импульсов, подаваемых на среднюю сетку модулятора от ген ер атор а б, отр ицател ьный.

Форма импульсов показана на фиг. 2. Длительность t этих импульсов больше, чем время пролета иона между сетками модулятора, а период следования их — T. Амплитудное значение импульсного напряжения — V „) V, — V, где V напряжение, ускоряющее ионы в источнике 1. Таким образом некоторое время т модулятор открыт и ионы, входящие в него в это,время, получают приращение Лк, проходят модулятор и огибают источник 1. Возникает ионный пакет, содержащий все ионы, находящиеся в источнике. Все ионы пакета возвращаются к модулятору и дальнейшая судьба их зависит от периода обращения Т, в магнитном поле.

Попасть на коллектор 7 ионы могут, лишь получив известное ускорение и определенное приращение энергии, соответствующее положению коллектора в магнитном поле. Из этого следует, что попасть на коллектор могут лишь ионы, период Т; обращения которых в постоянном магнитном поле И находится в определенном соотношении с периодом Т импульсного напряжения:

Т,=rT (r=1,2,3...) (1)

Ионы, для которых выполняется соотношение (1), можно именовать резонансными ионами. Такие ионы, пройдя модулятор однажды, будут проходить его, ускоряясь, до тех пор, пока не попадут на коллектор 7.

Разрешающая сила d спектрометра определяется минимальным числом и оборотов иона, необходимых для достижения коллектора 7, периодом обращения Т и длительностью т ускоряющего импульса:

2п Т, Р)

Перед коллектором находятся две сетки 8 и 9, образующие плоский конденсатор. Первая из сеток заземлена. Полный задерживающий потенциал на коллекторе V

В спектрометре должно быть соблюдено следующее неравенство:

W) eV,,- )eV„= W„ (3) где Ю вЂ” полная энергия ионов, приходящих на коллектор.

= ч+ (n+1)AW (4)

W — начальная кинетическая энергия ионов, приобретенная в источнике, е — заряд электрона.

Должно быть выполнено в спектрометре и неравенство

eV,) К + ЛГ (5)

При таком режиме работы масс-спектрометра на модулятор попадут лишь ионы, массы которых лежат в определенном интервале

ЛМ =М,— М .

Радиус R круговой траектории иона в постоянном магнитном поле определяется соотношением: № 124564 (М, 1Vq) -

144Н (6) Если ширина модулятора — l, то из равенства (5) следует (l

Р 2 Л4 или Л4 = — Р— (7)

Последнее равенство (7) определяет интервал масс-ионов, проходящих через модулятор при заданных значениях 1 и Н.

Пусть ионы основной компоненты пучка имеют массу М, а масса ионов микропримеси — М; . При измерении тока микропримеси ускоряющий потенциал выбирается так, чтобы ионы микропримеси попадали на модулятор.

М, М, 2l

Если ), то ионы основной компоненты попадают ! на модулятор вместе с ионами микропримеси.

Пока модулятор закрыт, все ионы рассеиваются, но не проникают в коллектор в силу условия (3).

Когда модулятор открыт, через него проходит пакет ионов, состоящий из ионов основной компоненты и ионов микропримеси. Ионы микропримеси являются резонансными, делают и + 1 оборотов и попадают на коллектор.

Ионы основной компоненты приходят на модулятор во второй раз с энергией W — — Р + ЛК, а так как задерживающий потенциал

eV, ) W>, то ионы эти рассеиваются.

Таким образом, исключаются многократные вращения нерезонансных ионов, которые могут привести к проникновению их на коллектор.

Допустим, что на модуляторе нет постоянного задерживающего напряжения V, . Ионный пакет, который после первого ускорения прошел через модулятор, содержит как резонансные так и нерезонансные ионы.

Нерезонансные ионы возвращаются к модулятору, когда напряжение на сетках его равно нулю, и свободно проходят, не испытывая ускорения.

Такие свободные вращения будут происходить до тех пор, пока ионы не рассеются.

Пусть а — число вращений нерезонансных ионов, P — число импульсов ускоряющего напряжения на модуляторе.

Если аТ, = рТ, (8) где Т, — период вращения нерезонансных ионов, то после а-оборотов эти ионы попадут в модулятор, когда в нем будет существовать ускоряющее напряжение. Если иону необходимо и + 1 оборотов, чтобы попасть на коллектор, то он попадет на него после а г оборотов. Хотя путь таких ионов будет в а раз больше, чем резонансных, ток, обусловленный ими, может во много раз превышать ток микропримесей.

Запирающее напряжение V, делает невозможным свободное вращение нерезонансных ионов и, следовательно, проникновение их на коллектор.

Основное разделение ионов с массами М, и М, происходит на первом же обороте. Но часть ионов с массой М, испытывает рассеяние на молекулах остаточного газа. Малая доля рассеянных ионов испытывает такое угловое отклонение, меняющее время прибытия их к модулятору, что оказывается в нем вместе с резонансными ионами, то есть совершает второй оборот. Доля этих ионов равна коэффициенту К,, перекрытия ионных пучков, который много меньше полной вероятности рассеяния иона, но все же число таких ионов, случайно попавших в резонанс№ 124564 ные, может значительно превосходить число ионов микросмеси. Однако во время второго оборота ионов произойдет вторичное отделение нерезонансных ионов и т. д.

Таким образом, масс-спектрометр будет работать как каскад и сепараторов, где n — число оборотов ионов.

Пусть о (и) — вероятность проникновения на коллектор нерезонансного иона, получившего в результате и — кратного рассеяния — необходимое приращение энергии: (и) = (К )и

Если даже К,, = 10 — 10, то вероятность многократного рассеяния становится очень малой.

Если задать потенциал на коллекторе е1 "„= W + 3 — 4ЛР и

eV, % + 3 — 4ЛГ, то даже при концентрации примеси 10-" фон основной компоненты будет пренебрежимо мал.

Вместо постоянного задерживающего напряжения можно подать на модулятор от независимого генератора импульсное напряжение, запирающее модулятор (фиг. 3). Длительность t этих импульсов должна быгь больше, чем период обращения самых медленных из анализируемых ионов. Интервал между импульсами Т, выбирается из условия

Т, — < (3 — 4) а, где а — число оборотов, после которых нерезонансный ион попадает в модулятор, когда в нем существует ускоряющее напряжение, Величина запирающего импульса е1 должна быть большей, чсм

W + (3 — 4) ЛК.

Таким образом, за период между этими запирающими импульсами ни один нерсзонансный ион не сможет набрать энергию больше, чем

eV,, все они рассеются и не смогут попасть в коллектор, так как на него подается задерживающее напряжение eV,, = Ж + (3 — 4) ЛВ, препятствующее попаданию нерезонансных ионов.

В этом режиме спектрометр работает циклами между двумя запирающими импульсами, однако чувствительность его не снизится, так как

Т, может быть велико.

Для ускорения ионов могут быть применены прямоугольные импульсы с длительностью, меньшей длительности пролета ионов между сетками модулятора, что позволяет повысить разрешающую силу спектромстрВ при том же расстоянии между сетками модулятора.

Предмет изобретения

1. Магнитный резонансный масс-спектрометр, о т л и ч а о ll, и и с я тем, что, с целью исключения фона рассеяния ионов основного компонента исследуемого вещества, перед коллектором спектрометра установлен конденсатор, создающий электрическое поле, задерживающее рассеянные ионы, а положение коллектора и ускоряющее напряжение в модуляторе выбраны так, чтобы резонансные ионы достигали коллектора после нескольких оборотов, а нерезонансные ионы могли проникнуть на коллектор лишь после многократного рассеяния.

2. Магнитный резонансный масс-спектрометр по п. 1, от л и ч а ющи и ся тем, что, с целью исключения многократного вращения нерезонансных ионов, на модулятор подан постоянный или импульсный задерживающий потенциал.