RU1780132C - Магнитный резонансный масс-спектрометр - Google Patents

Abstract

Использование: в масс-спектрометрии. в частности в магнитных резонансных масс- спектрометрах с лежащими в одной плоскости орбитами ионов. Сущность изобретени : предлагаемый магнитный резонансный масс-спектрометр имеет большую разрешающую способность и чувствительность и меньшие габаритные размеры и вес магнита за счет расположени  источника ионов вне камеры анализатора и установки перед его входной щелью цилиндрического конденсатора, электроды которого расположены пер- пендикул рно плоскости полюсных наконечников магнита и соединены с источником посто нного напр жени . Изобретение может примен тьс  дл  определени  элементного и изотопного состава веществ, а также при исследовани х, св занных с точным определением разности масс ионов. Зил,^

Description

Изобретение относитс  к масс-спектрометрии , в частности к группе магнитных резонансных масс-спектрометров с лежащими в одной плоскости орбитами ионов. Предлагаемый масс-спектрометр может примен тьс  при создании методик анализа элементного и изотопного состава веществ, а также при различных научных исследовани х, св занных с точными определени ми разности масс ионов.

Аналогом предлагаемого изобретени   вл етс  магнитный резонансный массспектрометр (МРМС) с лежащими в одной плоскости орбитами ионов, разработанный Смитом и Дамом. В этом масс-спектрометре ионы создает источник с электронным ударом , расположенный в камере, наход щейс  между полюсными наконечниками магнита . Ионы, двига сь в однородном магнитном поле по окружности, после прохождени  угла в 180° попадают в модул тор , который измен ет их энергию по синусоидальному закону в соответствии с приложенным к нему напр жением от высокочастотного генератора. После модул тора ионы, проходившие модул тор при такой фазе высокочастотного напр жени , когда их энерги  уменьшалась, пройд  еще 180° по круговой орбите меньше радиуса (по сравнению с радиусом орбиты источника), проход т щель дрейфа, котора  вырезает ионные пакеты очень малой длительности. Пройд  затем 180 по орбите щель-модул тор , ионы оп ть попадают в модул тор, и их

энерги  еще раз уменьшаетс  так, что при нужной фазе высокочастотного напр жени  (резонансной настройке) через выходную щель они попадают на детектор.

Во врем  движени  по круговой орбите от модул тора до модул тора ионы разных масс, вход щие в пакет, вырезаемый щелью дрейфа, раздел ютс  по времени пролета, и на детектор попадают только те ионы, у которых врем  движени  по круговой орбите модул тор-модул тор находитс  в резонансном соотношении с периодом высокочастотного напр жени  модул тора. Так как однородное магнитное поле позвол ет осуществить чрезвычайно жесткую фокусировку времени пролета по замкнутой орбите {независимо от энергии и угла вылета иона из источника), то зависимость массы ионов от частоты получаетс  очень резкой и, соответственно , достигаетс  высока  разрешающа  способность прибора. Пр ма  св зь массы резонансных ионов с частотой высокочастотного генератора позвол ет производить точные измерени  разности масс у мультиплетов масс.

В сравнении с МРМС со спиральной и винтовой траекторией ионов (как, например , в приборе Гоудсмита), в приборах с траектори ми, лежащими в одной плоскости , достигаютс  лучшие аналитические характеристики , т.к. в них требуетс  получение однородного магнитного пол  в меньших объемах.

Недостатками аналога предлагаемого изобретени   вл ютс  следующие:

а)расположение источника в зазоре магнита требуетувеличени  зазора, что при данном магнитном поле увеличивает его вес и габариты:

б)увеличенный зазор магнита и провода с током питани  катода источника уменьшают однородность магнитного пол , что приводит к уменьшению разрешающей способности;

в)расположение источника внутри зазора магнита ограничивает возможности применени  источников с более сильными ионными токами, что уменьшает чувствительность прибора;

г)невозможно примен ть источники с различными принципами образовани  ионов (лазерные, полевые и т.п.).

В качестве прототипа предлагаемого изобретени  вз т МРМС с лежащими в одной плоскости орбитами ионов, разработанный в ФТИ им.А.Ф.Иоффе дл  прецизионного измерени  дублетов масс. В этих приборах источник ионов размещен, как и в аналоге, внутри камеры анализатора.

наход щейс  в однородном магнитном поле .

Прибор работает так же, как и аналог, ПС принципу разделени  ионных пакетов в

зависимости от времени их пролета по замкнутой орбите от модул тора до модул тора , но в нем применен так называемый компенсационный режим, увеличивающий разрешающую способность и чувствительность. Кроме того (в отличие от аналога), ионы резонансной массы в модул торе не уменьшают, а увеличивают свою энергию (радиус орбиты) и, поэтому, их легко вывести из магнитного пол  и усиливать электронным умножителем, наход щимс  вне магнитного пол . Настройка на резонансную массу ионов производитс  также подбором частоты высокочастотного генератора, питающего модул тор.

0Расположение источника ионов внутри

камеры анализатора (в зазоре магнита) приводит к следующим недостаткам прибора;

а)увеличиваетс  зазор магнита, а следовательно , при данном магнитном поле уве5 личиваютс  его вес и габариты;

б)провода с током дл  питани  катода источника, а также увеличенный зазор между полюсными наконечниками уменьшают однородность магнитного пол , что умеиь0 шает разрешающую способность и метрологические характеристики при измерении дублетов масс;

в)обща  вакуумна  камера анализатора и источника не позвол ет производить их

5 отдельную откачку и поэтому нельз  создать дл  повышени  чувствительности увеличенное давление анализируемого газа в источнике;

г)ограничено применение источников с 0 большими конструктивными размерами,

большими ионными токами и специальными принципами образовани  ионов.

Цель изобретени  - увеличение разрешающей способности, повышение чувствительности, уменьшение весогабарит1 ых характеристик прибора.

Это достигаетс  тем, что в известном магнитном резонансном масс-спектрометре , включающем источник ионов, камеру

0 анализатора, размещенную между полюсными наконечниками магнита, расположенные в ней модул тор, входную ш.ель анализатора и устройство, вывод щее ионы на детектор, согласно формуле изобретени , источник ионов расположен вне камеры анализатора и соединен с ней патрубком, а перед входной щелью анализатора установлен цилиндрический конденсатор , электроды которого распсложены

перпендикул рно плоскости ПОЛЮСНс Х Ни

конечников магнита и соединены с источником посто нного напр жени , при этом патрубок и цилиндрический конденсатор расположены один относительно другого из услови  сопр жени  центральной траектории ионов, выход щих из патрубка, со средней линией цилиндрического конденсатора, а центр окружности средней линии цилиндрического конденсатора расположен по линии , соедин ющей центр модул тора и центр входной щели анализатора, причем модул тор и центр этой окружности расположены по разные стороны относительна входной щели анализатора.

Расположение источника ионов вне камеры анализатора позвол ет использовать источники, создающие большие ионные токи и работающие с большим давлением анализируемого газа, чем в источниках, которые могут быть помещены внутри камеры , в узком зазоре магнита. Это позвол ет повысить разрешающую способность и чувствительность прибора, а также уменьшить размеры и вес магнита.

Введение ионов в анализатор через патрубок, соедин ющий камеру источника с камерой анализатора, позвол ет уменьшить зазор магнита и улучшить аналитические характеристики прибора.

Однако, введенные в однородное магнитное поле ионы будут двигатьс  по окружности , расположенной так, что ионы будут входить во входную щель анализатора не перпендикул рно плоскости щелей анализатора , а эта перпендикул рность необходима дл  правильной работы прибора.

Поэтому, дл  изменени  траектории ионов таким образом, чтобы они входили в анализатор перпендикул рно плоскости его щелей, перед этой щелью установлен цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены перпендикул рно плоскости полюсных наконечников магнита и соединены с источником посто нного напр жени . Расположение патрубка и цилиндрического конденсатора из услови  сопр жени  центральной траектории ионного пучка, выход щего из патрубка, и средней линии конденсатора необходимо дл  того, чтобы точка фокусировки ионного пуч ка совпала с плоскостью входной щели анализатора , перед которой стоит конденсатор. Расположение центра окружностисредней линии цилиндрического конденсатора на линии, соедин ющей центры модул тора и входной щели анализатора, обеспечивает возможность входа оси ионного пучка, выход щего из конденсатора перпендикул рно линии щелей прибора, с одновременной возможностью фокусировки пучка на щели. При этом 1,ентр окружности об зан быть по другую сторону от входной щели по сравнению с модул тором, т.к. в противном случае ионный пучок подойдет не под пр мым углом к линии щелей, как это необходимо дл  правильной работы магнитного резонансного прибора, а под острым, при этом на 180° от входной щели (где расположены щели модул тора) пучок ионов не будет сфокусирован.

Таким образом, каждый признак в предлагаемой конструкции необходим, а все вместе они достаточны дл  достижени  целей изобретени .

Автору неизвестна за вленна  совокупность существенных признаков. Взаимовли ние всех отличительных признаков приводит к по влению новых возможностей: уменьшению зазора магнита и использованию в приборе внешних источников ионов с повышенным давлением анализируемого газа и повышенным током эмиссии электронов в нем, что дает возможность уменьшить габаритные размеры и вес магнита , повысить разрешающую способность и чувствительность масс-спектрометра, т.е. достичь целей изобретени .

На фиг.1 приведена схема предлагаемого масс-спектрометра. На фиг.1 приведены: 1 - источник ионов, расположенный вне границ полюсных наконечников магнита; 2 - патрубок, соедин ющий камеру источника с камерой анализатора: 3 - камера анализатора: 4 - ионный пучок при наличии разброса углов вылета из источника: 5 цилиндрический конденсатор, поворачивающий и фокусирующий ионный пучок на месте расположени  входной щели анализатора; 6 - входна  щель анализатора;

7- модул тор энергии (радиус орбит) ионов;

8- щель дрейфа, вырезающа  пакеты ионов; 9 - выходна  щель; 10 - вывод ща  система (конденсатор или отражающее зеркало ); 11 - вторично-электронный умножитель; ро и /9k- радиусы входной орбиты и средней Линии цилиндрического конденсатора; 12 - граница полюсных наконечников магнита.

Из источника 1 ионы по цатрубку 2 попадают в камеру анализатора 3. Граница однородного магнитного пол  12 (силовые линии его перпендикул рны к плоскости чертежа) примерно совпадает с границей плоской камеры анализатора. Магнитное поле поворачивает траекторию пучка ионов 4, и они двигаютс  под действием силы Лоренца по круговой орбите с радиусом 2 Uom где Н - напр женность магнитного пол ; Uo - разность потенциалов, ускоривша  ионы в источнике; m и q - масса и зар д иона. При подходе ко входной щели анализатора 6 ионы влетают в цилиндрический конденсатор 5 и начинают двигатьс  при одновременном действии силы Лоренца ( ° -скорость иона) и противоположно направленной силы взаимодействи  зар да иона с электрическим полем конденсатора ,(3) где Е -J-; Uk - разность потенциалов между электродами конденсатора; d - рассто ние его электродами, Так как силы FH и FE перпендикул рны вектору скорости иона (ион движетс  по оси конденсатора), то радиус траектории движени  иона в конденсаторе FH±FE (Это следует из того, что движение по окружности с радиусом pk происходит под действием эквивалентной центростремительной силы .- хГП V -, FH ± FE (-). . Из (1)-(4) получим, что Л , 1 Uk ро I-,. f 1 Т о 1 32 Uo d Uo -W Знак + или - зависит от направлени  силы Р . Приведенные выражени  строго справедливы дл  ионов, двигающихс  по оси конденсатора и при границе конденсатора, совпадающей с линией Oo-Oko (см.фиг. 1), соедин ющей центры траекторий иона вне и внутри конденсатора, а также при отсутствии краевого искажени  пол  Ё, При пучке ионов с некоторым разбросомуглов влета в конденсатор сила не строго перпендикул рна вектору скорости иона 7, однако, при угле расходимости пучк| ±2 отличие в величине проекции силы FE на FH по сравнению с полной величиной Е получаетс  пор дка при необычно большой расходимости ±5° пор дка 10. Следовательно, практически, погрешност ми, св занными с непараллельностью траекторий ионов и оси конденсатора , можно пренебречь. Также можно не учитывать и краевые эффекты, т.к. безусловно выбираетс  d«l, где 1-,цлинатраектории иона в конденсаторе. Следует иметь , что точность фокусировки пучка кон,ценсатором в данной схеме не имеет большого значени  и может вли ть только на чувствительность . Дл  правильной работы конденсатора. как фокусирующей системы, необходимо выбрать соотношение Uo, Uk, /съ и pk таким образом, чтобы точка фокуса траекторий совпала с выходной щелью 6 (см.фиг. 1). При заданных Uo и ро это достигаетс  путем подбора yOk и соответствующего изменени  Uk формулы (5) и (6). При увеличении , точка фокуса удал етс , приуменьшении - приближаетс  к выходу пучка из конденсатора. На фиг.2 приведено соответствующее построение траекторий ионов, идущих по оси конденсатора и под углом к ней, при котором точка фокусировки совпа,цает с выходной щелью. На фиг,2 приведены: 13 источник ионоз; 14 - идель дрейфа; 15 конденсатор; 16 - модул тор; р и/51 -- радиусы орбит ионов вне и внутри конденсатора; а, б, в - орбиты ионов, выход а|их из источника под разными углами; /S- угол поворота ионов в конденсаторе, При этом построении учтено, что части траектории любого иона вне и внутри конденсатора должны сопр гатьс  без излома, На соотношение ро и yOk , а также на угол поворота в конденсаторе уЗне накладывает жестких условий, и они выбираютс  из конструктивных соображений (диаметр полюсных наконечников магнита, вли ние краевого эффекта и направление патрубка источника при входе ионов в магнитное поле ). После прохождени  ионами входной щели 6 (фиг.1) ионы двигаютс  в соответствии о работой прототипа; пучок ионов попадает в модул тор 7, где энерги  ионов (и соответственно радиус орбит) измен етс  примерно по синусоидальному закону, далее щель дрейфа 8 вырезает пакеты ионов и они снова попадают в модул тор 7. При вторичном воздействии пол  модул тора на ионы, если частота питающего напр жени  модул тора настроена в резонанс с гармоникой циклотронной частоты вращени  ионов (т.е. согласована с отношением массы иона к зар ду и напр женностью магнитного пол ), ионы попадают в выходную щель 9.

На фиг.З показана конструкци  прибора , подобна  конструкции приборов, разработанных в лаборатории ФТИ им.А.Ф.Иоффе АН СССР. На фиг.З обозначены: 17-источник ионов: 18-анализатор; 19 - вторично-электронный умножитель; 20 - полюсные наконечники магнита; 21 - катушки; 22 -  рмо магнита.

Дл  получени  разрешающей способности-500 000 необходимы следующие параметры: диаметр полюсных наконечников магнита -300 мм; зазор между полюсными наконечниками2-25 мм; радиус орбиты источника мм; радиус орбиты в конденсаторе /7k-65 мм; радиус орбиты щели дрейфа д-115 мм; радиус орбиты выходной мм; напр женность магнитного пол  и энергии ионов выбираютс  з соответствии с формулой (1): частота высокочастотного напр жени  генератора модул тора определ етс  номером гармоники (отношение циклотронного периода ионов в магнитном поле к периоду высокочастотного напр жени ), напр женностью магнитного пол  и массой иона.

Преимущества предлагаемой конструкции МРМС с лежащими в одной плоскости орбитами ионов по сравнению с прототипом следующие.

1.Размеры и конструкци  источника не св заны с величиной зазора магнита, что позвол ет уменьшить зазор и, тем самым, уменьшить объем и вес магнита. При зазоре в прототипе мм в-предлагаемом варианте прибора зазор может быть уменьшен до 25 мм. Таким образом, объем и вес магнита уменьшитс  примерно в 8 раз (ориентировочно с 1600 кг до 200 кг).

2.Внешнее положение источника без ограничени  его размеров позвол ет увеличить ионный ток за счет увеличени  тока эмиссии электронов и, следовательно, увеличить чувствительность примерно в 5 раз. Увеличение давлени  анализируемого газа

в источнике с отдельной откачкой также увеличит ионный ток по крайней мера в 10 раз. следовательно, общее увеличение чувствительности будет в 50 раз.

3. Зона однородного пол  в зазоре магнита начинаетс  на рассто нии от кра  полюсных наконечников примерно в 1,5 зазора, В прототипе зазор мм, а в предлагаемом варианте прибора он может

быть вз т 25 мм. При диаметре полюсных наконечников D 300 мм в прототипе зона однородного пол  определ етс  диаметром DoAHop D-3d: 150 мм, а в предлагаемом приборе 13однор 225 мм, что вместе с устранением проводов с током катода приведет к повышению разрешающей способности минимум в 1,5 раза.

Claims (1)

1. 4. Внешнее положение источника позвол ет примен ть различные методы образовани  ионов, что расшир ет возможности использовани  прибора при научных исследовани х (источники с испарением образцов , лазерна  ионизаци  и др.). Формула изобретени 

   Магнитный резонансный масс-спектрометр , включающий источник ионов, камеру анализатора, размещенную между полюсными наконечниками магнита, расположенные в ней модул тор, входную щель

   анализатора и устройство, вывод щее ионы на детектор, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  разрешающей способности и чувствительности, а также снижени  массогабаритных характеристик прибора,

   источник ионов расположен вне камеры анализатора и соединен с ней патрубком, а перед входной щелью анализатора установлен цилиндрический конденсатор, электродыкоторогорасположены

   перпендикул рно плоскости полюсных наконечников магнита и соединены с источником посто нного напр жени , при этом патрубок и цилиндрический конденсатор расположены один относительно другого из

   услови  сопр жени  центральной траектории ионов, выход щих из патрубка, со средней линией цилиндрического конденсатора, а центр окружности средней линии цилиндрического конденсатора расположен на лиНИИ , соедин ющей центр модул тора и центр входной щели анализатора, причем модул тор и центр этой окружности расположены по разные стороны относительно входной щели анализатора.

   Риг.г «(4г ::;1йШвйй ; : i.,;,:,,,,

   иг.5 .