Датчик гиперболоидного масс-спектрометра

Датчик гиперболоидного масс-спектрометра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(72) Авторы изобретения

Э. П. Шеретов и В. С. Гуров

Рязанский радиотехнический институт (71) Заявитель (54) ДАТЧИК ГИПЕРБОЛОИДНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

Однако данные устройства обладают сравнительно невысокой чувствительн0стью и разрешающей способностью и не позволяют одновременно производить энер . гоаналиэ частиц.

Наиболее близким к предлагаемому яв ляется устройство датчика гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной

Бель изобретения — повышение чувствитеиьности и разрешающей способноо ти гиперболоидных масс-спектрометров

20 типа трехмерной ловушки н расширение функциональных возможностей за счет ве» дения энергетического анализа исследу емого потока заряженных частиц.

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано при создании гиперболоидных масс-спектрометров с повышенной чувствительностью н разрешающей способностью, а так же для создания устройств, предназначенных для комплексного исследования по верхности твердых тел.

Известны устройства датчиком гиперболоидных масс-спектрометров типа трехмерной ловушки, в торцовых электродах которых для ввода анализируемых заряженных частиц выполнены приосевые отверстия 1), либо торцовые электроды выполнены в виде сетки 2), ловушки, в котором выходной торцовый электрод выполнен в виде тонкостенного гиперболоида вращения с сквозными ради. альными прорезями (3).

Недостатками известного устройства

5 являются большие искажения поля в рабочем объеме датчика, обусловленные. относительно большими размерами щелей в торцовом электроде (этот недостаток ограничивает разрешение и чувствительность прибора); невозможность проведения с йомошью такого датчика энергетического

- анализа вводимого в него потока заряженных частиц, что не позволяет проводить комплексный анализ потоков заряженных частил

3 9514

Указанная цель достигается тем, что в датчике гиперболоидного масс-спектрометра, содержащего один кольцевой и два торцовых электрода, представляющих собой гиперболоиды вращения и содержащие каналы для ввода и вывода заряженных частиц, каналы для ввода v. вывода частиц выполнены в виде соосных кольцевых щелей или их частей.

В таком устройстве заряженные части - п цы выводятся в измерительное устройство через узкую кольцевую щель в выходном торцовом электроде, вводятся анализируемыее заряженные частицы через узкую кольцевую щель во входном торцовом 1 электроде. Сортировка вводимых заряженных частиц по удельным зарядам в таком устройстве осуществляется при подаче на кольцевой электрод высокочастотного с по- стоянной составляющей напряжения, а энерго гоанализ — при наличии только постоянного смещения. Это позволяет вести и массанализ и энергетический анализ ионных потоков практически одновременно, используя циклический режим работы устройства.

На фиг. 1 показан режим ввода заряженных частиц извне в рабочий объем„ датчика; на фиг. 2 — режим ввода накопленных и отсортированных ионов из рабочего объема датчика масс-спектрометра; на фиг. 3 — режим энергоанализа, который осуществляется датчиком гиперболоидного масс-спектрометра при снятии высокочастотной составляющей сигнала; на фиг. 4 — зависимость времени нахождения

35 заряженных частиц в относительных единицах в рабочем объеме датчика Т ц от начальной координаты К х соответствующей входному торцовому электроду, и угла ввода частицс(о,рассчитанные ао для постоянной входной .энергии частиц

Uион = 1,5Uкэ где ()Кз напряжение на кольцевом электроде в момент ввода; на фиг. 5 приведена расчетная зависимость эффективности захвата заряженных частиц ус

К >< сортирующим ВЧ полем от начальной координаты kg для трех значений входной энергии частиц : кривая А — U

1 4 IJ», Б — 0цО1„= 1 3 О»э В

Q> и = 1,2Q», на фиг. 6 — зависимости коэффициента вывода отсортированных за50 ряженных частиц через выходной торцовый электрод для различных координат выходной щели; на фиг. 7 — возможность построения энерго-масс-анализатора на основе датчика гиперболоидного массспектрометра типа трехмерной ловушки.

Здесь кривая Г показывает зависимость выходной координаты Кщц от входной

77 4. координаты влета частиц R для режима энергоанализа, кривая Ц соответствует режиму вывода заряженных частиц при масс-анализе; на фиг, 8 приведены рассчетные кривые, характеризующие эффективность энергоанализа в предлагаемом устройстве. Здесь Q. — светосила, Кpg— разрешение по энергиям по уровню 0,5.

Кривые Е, Ж, 3 рассчитаны для трех значений входных энергий частиц. Удаление точечного источника от,оси системы одинаково для всех приведенных зависимостей и равно Q = 4Д, где — наименьшее

1 ( расстояние от оси системы до торцового электрода. На величину d нормированы также и значения всех координат на фиг.18.

Устройство (фиг. 1-3 ) состоит из входного торцового эпектрода 1, кольцевого электрода 2, выходного торцового электрода 3„ точечного источника 4 час- тиц, кольцевой щели 5 во входном электроде, выходной щели 6. На фиг. 1-3 изображены траектории 7-10 частиц.

)бранное устройство работает следую- ° ,щим образом.

В режиме ввода заряженные частицы из точечного источника 4 через узкую кольцевую щель 5 во входном торцовом электроде 1 попадают в тормозящее нелинейное поле датчика масс-спектрометра и двигаются в поле по траекториям 7 (фиг. 1 ). Наличие статического нелинейного поля в датчике в момент ввода заряженных частиц приводит к тому, что в широком диапазоне входных энергий время нахождения заряженных частиц в рабочем объеме датчика T g с увеличением начальной координаты R g для углов ввода о(, отличных от нуля, увеличивается (фиг. 4), Так как коэффициент захвата анализируемых частиц сортирующим ВЧ полем при непрерывном вводе будет пропорционален числу введенных частиц и времени их пролета в рабочем объеме датчика, то с учетом увеличения количества частиц К при увеличении начальной координать1 и угла вводао как

N-an d ььо, то для коэффициента захвата можно получить рассчитанные для постоянной ширины входной щели дКg зависимости, приведенные на фиг. 5. Анализ результатов расчетов (фиг. 5) показывает, что эффективность ввода и захвата заряженных частиц полем резко возрастает с увеличением начального радиуса ввода AJ1H одной и

5 95 той же ширины входной щели и зависит от энергии вводимых частиц (фиг. 5, кривые А, Б, В). Распонагая на периферии входного торцового электрода узкую кольцевую щель шириной Вх ОЛ АеаКи Ь ф и средним радиусом

1477 вода достигает своего максимапьного значения именно в этой точке. Если теперь в выходном торцовом электроде прорезать узкую кольцевую шель А р, х (фиг. 7) шириной м,, =opg, R „=07 гдЕ К .„=)-б„ а, мы получим,что коэффициент захвата в

10 раз выше, чем для случая приосевого ввода ионного потока через кольцевую шель такой же ширины. ::5

Рассмотрим режим вывода отсортированных ионов иэ датчика при масс-анализе.

Эффективный вывод отсортированных заряженных частиц с определенным удель-2О йым зарядом из датчика гиперболоидного масс-спектрометра можно осуществить с помошью преобразования накопленных ионов во вторичные электроны на внутренней поверхности входного торцового электрода 1 с последуюшей фокусировкой эмиттированных вторичных эпектронов в нелинейном статическом поле и вывода их в регистрируюшее устройство через кольцевую шель 6 в вы зо ходном торцовом электроде (фиг. 2). При этом, в случае оптимального вывода, по. тенциал выходного торцового электрода равен нупю, а потенциалы на кольцевом электроде () э и на входном торцовом электроде относятся как )кэ ("ьх гэ -OP> —:1,0, при этом поле является одновременно ускоряюшим для ионов и фокусируюшим для вторичных электродов, Коэффициент вывода заряженных частиц из области датчика зависит от ширины и положения выходной шели на выход- ном торцовом электроде и может достигать нескольких десятков процентов, до

60% (фиг. 6). При этом зависимость выходной координаты К ы у (соответствует выходному торцовому эпектроду), от начальной координаты образования вторичного электрона на входном торцовом электроде КбХ имеет вид кривой с максимумом, (фиг. 7 кривая O) для которой в точке максимума выполняется условие — =О, 55

Э ", „" и имеет место фокусировка заряженных частиц первого порядка. Коэффициент выто в данную шель можно будет вывести вторичные электроны, начальные координа- . ты которых имеют значения от R>>=0,78 до Р, = 1,0, пук этом рассчитанный коэффициент вывода равен 58%. Площадь выходной шепи в этом случае составляет всего 3% от плошади выходного торцового электрода, а ее удаление на значительное расстояние от центра системы вносит сушественно меньшее искажение и распределение потенциала в рабочем объеме датчика, чем радиальные шепи в известных устройствах.

Рассмотрим режим энергоаналиэа потоков заряженных частиц в предлагаемом ус гройстве.

Уравнения движения заряженных частиц в статическом линейном попе датчика гиперболоидного масс-спектрометра для случая, когда знак анализируемых частиц совпадает со знаком потенциала кольцевого эпектрода. имеют вид

„,= К „сОьт+ фГ pggH4$187 ц)(= „С1 Ю РС0ЬАЗЬ ЕТ где г = Ч ц - - коэффициент, характериэуюший энергию влетаюшей под угпом g частицы с начальными координатами Rpy,.7 соответствуюшими входному торцовому э пектроду. .0ля источника заряженных частиц, выне» сенного из поля датчика на расстояние (фиг. 3), траектории движения заряженных частиц таковы, что координаты пересечения частицы с выходным торновым электродом R в зависимости от начальной координаты влета Кбх через входной торцовый эпектрод имеют вид кривой с максимумом (фиг. 7, кривая Г), в котором имеет место фокусировка первого порядка 3R )(=О м,„

Изменяя параметры движения заряженных частиц, можно добиться того, что условие фокусировки 1 порядка будет выпоцняться для тех же значений выходной коoplHHBTbI, что и усповие оптимальной фокусировки на поверхность выходного торцового электрода вторичных электронов, 77

7 9514 т.е. вывод заряженных частиц после их селекции по энергии осуществляется через ту же щель S,R>giX что H IIpH MBcc» анализе (фиг. 7, кривые Г, )1). При этом, опять же подбором соответствующих начальных условий можно добиться, что диапазон значений входных координатЬЯ Х соответствующих вводу частиц в датчик.будет лежать вне области, соответствующей максимальному преобразованию на- щ копленных ионов во вторичные электроны на входном торцовом электроде (фиг. 7).

Здесь кривая A рассчитана для работы датчика масс-спектрометра в режиме энергоанализа при удалении источника на расстояние метра позволяет ушественно увеличить разрешение и чувствительность массспектрометра за счет уменьшения искажений поля, вносимых входными и выходными каналами, увеличения времени ввода и коэффициента вывода частиц из анализатора; расширить возможности проведения комплексного анализа исследуемых потоков заряженных частиц за счет энергоанализа их с высокой разрешающей способностью (до 250) и чувствительностью (до 1,5%).

Формула изобретения и энергии влета Р = 1,4. Д,ля тех же значений параметров выходной mem5 8blX = щ

= 0,02 частицы вводятся через кольцевую щель с входными координатами Rb =

= 0,55-0,78. При этом, датчик гиперболоидного масс, спектрометра анализирует поток заряженных частиц по энергиям с разрешением по нулевому уровню, равным

250 при светосиле 1,5%. Эффективность использования датчика гиперболоидного масс»спектрометра для проведения энергоанализа наряду с масс-анализом потоков заряженных частиц иллюстрирует фиг. 8, где приведены рассчетные зави симости разрешающей способности и светосилы такой системы. Видно (фиг. 8), что по своим параметрам энергоанализ с помощью предлагаемого устройства можно вести.так же эффективно, как и с помощью наиболее широко используемых в физике исследований поверхности энергоанализаторов типа "цилиндрическое зерИ кало, Таким образом предлагаемое устройство датчика гиперболоидного масс»спектро,датчик гипербопоидного масс-спектрометра, .содержаший один кольцевой и два торцовых электрода, представляющих собой гиперболоиды вращения и содержащие каналы для ввода и вывода заряженных частиц, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, разрешающей способности и расшире ния функциональных возможности за счет.. обеспечения анализа по энергиям, каналы для ввода и вывода частиц выполнены в виде соосных кольцевых щелей или их частей=.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Шеретов Э. П. и Колотилин Б. И.

Новый трехмерный квадрупольный массспектрометр с непосредственным вводом ионов, — Письма в ЖТФ, т. 1; вып. 3, 1975, с, 149-152.

2. Шеретов Э. П. и др. Трехмерный квадрупольный масс-спектрометр с эллиптическими электродами, - ПТЭ, М 6, 1 97 8, с. 1 1 5-1 17.

3. Авторское свидетельство СССР

М 288400, кл. Н 01 J 49/36, 1969.

951477 дод

10 REg

08 èå 7

Ф,б г2

0,8

ВНИИПИ Заказ 5961/64 Тираж 761 Подписное

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Л,%

2,4

4ОО 800 фгОО ИОО "О Я шиМ