Призменный масс-спектрометр
Иллюстрации
Реферат
Союз Советскнк
Соцналистмческив
Реслублик
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ
522690 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)М. Кл.з (22) Заявлено 23. 01. 75 (21) 2091147/26-25 с присоединением заявки МоВ 01 0 59/44
G N 27/62 а осударственный комитет
СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет л
Опубликовано 231081. Бюллетень М 39 (53) УДН 621,384 ° .8.08(088.8) Дата опубликования описания 23. 10- 81 (72) Авторы изобретения
В. М. Кельман, Л. М. Назаренко и E.Ì. Якушев (71) Заявитель
Институт ядерной физики AH Казахской CCP (54) ПРИЗМЕННЫЙ ГИСС-CIIEKTPONETP
Изобретение относится к масс-спектральному приборостроению, в частности к призменной ионной оптике.
Характерными признаками призменных приборов является наличие двумерных магнитных призм, отклоняющихся телескопических систем (или электростатических призм) и двух линз — коллиматорной и фокусирующей, в фокальных плоскостях которых помещены щели источника и приемника ионов. Призменные приборы обладают большой удельной дисперсией (дисперсией, отнесенной к длине ионной траектории и к увеличению спектрометра), а их оптика обеспечивает тройную фокусировку ионного пучка: по скоростям и по двум направлениям. При этом все виды геометрических оберраций второго порядка, включая искривления спектральных линий, отсутствуют.Недостатком этих приборов является то, что электростатические телескопические системы не увеличивают создаваемую магнитной призмой дисперсию по массе.
Известный призменный масс-спектрометр содеркит ионный источник, коллиматорную линзу с примыкающей к ней телескопической системой, расположенными с одной стороны двумерной магнитной призмы, с другой стороны которой помещена фокусирующая линза со своей телескопической системой и приемник ионов. Дисперсия такого прибора, пропорциональная дисперсии магнитной призмы, возрастает вследствие углового увеличения второй телескопической системы (примыкающей к фокусирующей линзе), а его увеличение зависит также от углового увеличения первой телескопической системы. Согласоэав определенным образом параметры телескопических систем, линз и тз магнитной призмы, удается осуществить ахроматизацию масс-спектрометра и одновременно noBbIcHTb его удельную дисперсию в 2 раза. При этом линейная дисперсия масс-спектрометра равна:
0 2Г tg+, г где f - фокусное расстояние коллиматорной (или фокусирующей) линзы со стороны источника (или приемника) ионовз
oC — угол телескопичности магнитной призмы.
Однако в этом масс-спектрометре
З0 полный угол отклонения ионов в сис522690 теме невелик, вследствие чего прибор оказывается некомпактным — вытянутым . в одном направлении, а увеличение этого угла приводит к резкому уменьшению удельной дисперсии прибора и, следовательно, к уменьшению его разрешения и чувствительности. В ахроматизации спектрометра принимают участие две электростатические телескопические системы, причем одна из них активно участвует также и в увеличении угловой дисперсии приборапо массе. Однако условие ахроматичности приводит и таким угловым соотношениям для двух телескопических систем, что не могут быть в достаточной мере реализованы воэможности 15 второй системы в увеличении разрешающей способности масс-спектрометра.
Цель изобретения — увеличение разрешающей способности и чувстви- 20 тельности и уменьшение габаритов призменного масс-спектрометра. Обе электростатические телескопические системы, а также фокусирующая и коллиматорная линзы располагаются с одной стороны магнитной призмы так, что оси коллиматорной и фокусирующей линз параллельны между собой и перпендикулярны граням призмы, а с другой ее стороны помещается система двух ионных зеркал, направляющая ионный пучок, через магнитную призму и фокусирующую систему к приемнику ионов.
На чертеже изображены конно-оптическая схема предлагаемого масс- Ç5 спектрометра и ход траекторий в проекции на среднюю плоскость системы, с которой совмещены средние плоскости всех отклоняющих и фокусирующих элементов прибора. 40
Масс-спектрометр включает в себя двумерную магнитную призму 1 с углом
I телескопичности ф. ва и mm-параллельные между собой грани магнитной призмы. По одну сторону магнитной 4 призмы симметрично относительно плос,кости ОО (перпендикулярной средней плоскости системы и граням призмы) раСположены две идентичные телескопические отклоняющие системы, образованные электродами 2-4, две трансаксиальные линзы-электроды 5 и" б, источник 7 и приемник В ионов. Грани (эффективные плоскости предложения) tt и t t телескопических сис.тем образ лот углы Э с гранями маг- 55
I 1В (. нитной призмы.и углы х - — — с глав4 ными оптическими осями коллиматорной и фокусирующей линзы. Эти оси расположены в средней плоскости системы, я параллельно плоскости G0. В фокальной плоскости F коллиматорной и фокусирующей линз размещены щели источника и приемника ионов, перпендикулярно к средней плоскости. 65
С противоположной стороны магнитной призмы, также симметрично отиосительно плоскости ОО, установлена система плоских ионных зеркал (элек" троды 9 и 10) так,что угол между эффективными отражающими поверхностями этих зеркал оа и о о и гранями призмы равен
«ri. о
4 2
Выходящий из каждой точки щели источника расходящийся гомоцентральный пучок ионов после прохождения коллиматорной линзы формируется в объемный параллельный пучок. При этом потенциал на среднем электроде 5 линзы должен быть подобран так, чтобы она работала в режиме анаморфота.Электрод 6 заземлен. Электрод 4 является общим как для линзы, так и для отклоняющей телескопической системы.По« тенциал на него подается согласно условию ахроматичности масс-спектрометра.
1 — S I A
4 Г+ БТloL где U4 — разность потенциалов между ионизационной камерой и электродом 4 °
После прохождения отклоняющей телескопической системы с гранями tt параллельный пучок остается параллельным только для ионов определенной энергии. Если имеется разброс ионов по энергии, то непосредственно после прохождения телескопической системй (перед поступлением в магнитную призму) в пучке возникает разброс траекторий по горизонтальным углам. Этот разброс впоследствии компенсируется после прохождения магнитной призмы (до поступления пучка в поле зеркала). Таким образом, эффект ахроматизации достигается комбинацией одной телескопической электростатической системы с магнитной призмой. Электрод
2 телескопической системы, являющейся одновременно магнитным экраном призмы, заземлен, а напряжение на электроде 3 подбирается так, чтобы увеличение телескопической системы в направлении, перпендикулярном к средней плоскости, было равно единице. Таким подбором достигается выпрямление спек:тральных линий.
I °
Поле магнитной призмы ионным пучком проходится дважды — в прямом и обратном направлении. После первого прохождения пучок разлагается по массам в соответствии с угловой дисперсией магнитной призмы:
0 „ tg +. далее пучок поступает в систему, состоящую иэ двух плоских зеркал (электроды 9 и 10). Электрод 9,являющийся также, как и электрод 2 экраном магнитной призмы, заземлен, 522690
2<1nd.
3-Ми д
I где à — фокусное расстояние коллиматорной (или фокусирующей) линзы со стороны источника (или приемника) ионов.
При обычных для магнитных призм значениях угла телескопичности (с(- 51- 53 ) линейная дисперсия предлагаемого масс-спектрометра, будет больше по сравнению с дисперсией известного (с такими же фокусны- 1 ми расстояниями линз) примерно в три раза в соответствии с равенствомг
Ъ (+51И )» 1-53н А
35 а его габарнты примеРно в два раза меньше. При одинаковых габаритах дисперсия предлагаемого масс-спектрометра примерно в шесть раз больше. 40
Это означает, что, используя более широкие .щели, можно в шесть раз поднять чувствительность предлагаемого прибора при той же разрешающей способности или при одинаковых щелях в 4 шесть раэ поднять его разрешение.При а на электроды 10 подан соответствующий запирающий потенциал. Роль этой системы состоит в том, чтобы направить пучок вторично в магнитную призму. Обратный ход центральной ионной траектории подобен ее прямому ходу. Объемный пучок ионов анализируемой массы после прохождения фокусирующей линзы фокусируется в точ; ке щели приемника ионов. Такнм образом, в приборе наряду с фокуси ровкой по энергии реализуется прост ранственная фокусировка пучка по двум направлениям, Увеличение прибора вследствие его симметрии равно единице.
Линейная дисперсия предлагаемого 15 ! масс-спектрометра равна одинаковых разрешающей способности и чувствительности габариты предлагае-. мого масс-спектрометра могут быть уменьшены примерно в шесть раз по сравнению с известньм.
Предлагаемый масс-спектрометр не сложен в исполнении, его детали и узлы технологичны, схема компактна.
В нем, как и во всех приэменных приборах, аберрации второго порядка, включая искривление линии изображения, полностью отсутствуют,что в сочетании с большой дисперсией и наличием объемной фокусировки определяет его высокую разрешающую способность при значительной светосиле.
Так, при фокусном расстоянии линз около 2 м, определяющем s основном габариты прибора, масс-спектрометр обладает дисперсией, равной 15000 мм, и разрешающей способностью 10-20 миллионов на полувысоте пика при микронных ширннах щелей источника и приемника ионов.
Формула изобретения
Призменный масс-спектрометр,содержащий ионный источник, коллиматорную линзу с телескопической системой, за которой расположена магнит-. ная призма, фокусирующую линзу с другой телескопической системой и приемник ионов, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, разрешающей способности и уменьшения габаритов устройства, фокусирующая линза со своей телескопической системой расположена с той же сто-. роны магнитной призмы, что и коллиматорная линза, причем оси коллиматорной и фокусирующей линз параллельны между собой, а с другой стороны магнитной призмы расположена система двух ионных зеркал, направляющая ионный пучок через магнитную призму и фокусирующую систему к приемнику ионов.
522б90
Редактор Л. Письман Техред A,ä÷ Корректор Г. Решетник
Заказ 9218/36 Тираж 709 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4