RU219839U1 - Диспергирующий магнит масс-спектрометра - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике. Технический результат заключается в повышении эффективности при установке диспергирующего магнита масс-спектрометра в высоковакуумной камере. Диспергирующий магнит масс-спектрометра включает С-образное ярмо из магнитомягкого материала, на концах которого навстречу друг другу закреплены последовательно магнитодвижущие устройства и разделенные зазором полюсные наконечники. Магнитодвижущие устройства выполнены в виде перфорированных пластин из немагнитного металла, в вертикальных цилиндрических каналах которых установлены цилиндрические магнитодвижущие элементы. На обращенных к магнитодвижущим устройствам поверхностях концов С-образного ярма выполнены параллельные канавки, выходящие за периметры перфорированных пластин и оканчивающиеся внутри периметров концов С-образного ярма. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к масс-спектрометрии, в частности к магнитным статическим масс-спектрометрам, и может найти применение при построении аналитических и лабораторных масс-спектрометров для медицины, ядерной физики, промышленного и экологического контроля.

Известен магнит масс-спектрометра (см. RU 2733073, МПК H01J 49/28, опубл. 29.09.2020), содержащий одно ярмо, два полюсных наконечника; причем указанные полюсные наконечники содержатся в вакуумной камере и отделены друг от друга зазором между полюсными наконечниками, определяющим проход для заряженных частиц. Ярмо соединяет два полюсных наконечника, образуя при этом магнитную цепь. Магнит содержит электрическую цепь для создания магнитного потока в указанной магнитной цепи. Полюсные наконечники электрически изолированы от электрической цепи и от ярма с помощью электроизоляционного элемента, являющегося общим и плоским и проходящего поперечно зазору между полюсными наконечниками, и электрически изолированы от вакуумной камеры. В известном магните в качестве магнитодвижущих устройств использованы электромагниты, расположенные вне вакуумной камеры, причем магнитное поле проходит через стенку вакуумной камеры для запитки полюсных наконечников.

Недостатками известного устройства является использование электромагнита, что требует размещения катушек вне высокого вакуума и существенно увеличивает объем всего прибора, а также существенные потери магнитного поля при прохождении через стенку вакуумной камеры, что требует увеличения тока намагничивания катушек и неоправданного роста энергопотребления и теплового рассеяния.

Известен диспергирующий магнит специализированного масс-спектрометра (см. Л.Н. Галль, Д.Н. Кузьмин, А.Б. Малеев, А.В. Сапрыгин. - Масс-спектрометрия, 2019, т. 29, №1, с. 5-10), предназначенного для работы на сублимационном производстве гексафторида урана. Диспергирующий магнит включает полюсные наконечники, разделенные зазором, магнитодвижущие устройства и ярмо из магнитомягкого материала, замыкающее магнитный поток. В качестве магнитодвижущих устройств использованы постоянные магниты из материала альнико, прижатые к полюсным наконечникам болтами.

Недостатком известного диспергирующего магнита является низкое магнитное поле в зазоре, не выше 1200 Э, что потребовало использования магнита с большими радиусами поворота ионов, и, как следствие, с большими габаритами магнита, порядка 1 метра. Такой магнит не может быть помещен в вакуумную камеру, что создает большие технологические трудности при изготовлении и юстировке прибора, так как элементы ионно-оптического тракта масс-спектрометра, такие как источник и приемник ионов, расположенные в высоковакуумной камере, должны быть прецизионно, с точностью порядка 100 мкм, совмещены по углу и по положению с полюсными наконечниками диспергирующего магнита, расположенного в области атмосферного давления вне вакуумной камеры.

Известна магнитная диспергирующая система масс-спектрометра (см. RU 118121, МПК H01J 49/40, опубл. 10.07.2012), содержащая С-образное ярмо, в котором размещен источник магнитного поля. В качестве источника магнитного поля использованы два магнитодвижущих устройства в виде постоянных магнитов из магнитотвердого материала, установленных разноименными полюсами навстречу друг другу с рабочим воздушным зазором между ними, снабженные плоскими полюсными накладками из магнитомягкого материала, размещенными на постоянных магнитах со стороны воздушного зазора, и выполненными таким образом, что обеспечивают требуемые величины однородности и напряженности магнитного поля на всей траектории движения анализируемых ионов. Постоянные магниты установлены на вкладышах для регулирования воздушного зазора, выполненных из магнитомягкого материала и размещенных на ярме.

Недостатками известной отклоняющей магнитной системы является то, что она не может быть помещена в высокий вакуум, так как в конструкции использованы невакуумные материалы. Кроме того, использованная конструкция не обеспечивает возможность откачки воздуха из полостей, возникающих при сочленении магнитодвижущих элементов и полюсных наконечников.

Известен магнит масс-спектрометра (см. CN 206076199, МПК H01J 49/20, G01M 3/20, опубл. 05.04.2017), содержащий С-образное ярмо, на концах которого с зазором 20-24 мм закреплены первый и второй магнитодвижущие устройства в виде постоянных магнитов с параллельными полюсными наконечниками. Магниты выполнены из сплава неодима, железа и бора, длиной 46 мм, шириной 30 мм и толщиной 4 мм. Магниты закреплены на С-образном ярме резьбовым соединением или сваркой, или штепсельным соединением. Напряженность магнитной индукции в параллельной области магнитного поля составляет 0,22-0,24 Т.

Недостатками известного магнита масс-спектрометра является то, что она не может быть использована внутри высоковакуумной камеры, так как в конструкции использованы невакуумные материалы, в частности изоляционные пластмассы. Кроме того, использованная конструкция не обеспечивает возможность откачки воздуха из полостей, возникающих при резьбовом или штепсельном соединении. При соединении магнитодвижущих элементов и полюсных наконечников сваркой неизбежно возникают значительная выпученность, также не позволяющая откачивать указанные сборки.

Известна быстросборная магнитная структура гелиевого масс-спектрометра (см. CN 214471580, МПК G01M 3/20, опубл. 22.10.2021), содержащая С-образное ярмо, выполненное из двух параллельных горизонтальных пластин, соединенных болтами с вертикальной пластиной, выполненных из магнитной стали. На концах С-образного ярма закреплены магнитодвижущие устройства в виде постоянных магнитов с параллельными полюсными наконечниками. Форма полюсных наконечников является любой из полукруглой формы платформы, формы плоской пластины, формы выпуклой поверхности и формы вогнутой поверхности.

Недостатками известного магнита масс-спектрометра является то, что он также не может быть помещен в высокий вакуум, так как в существенных элементах его конструкции использованы невакуумные материалы. Кроме того, конструкция не обеспечивает возможность откачки воздуха из полостей, возникающих при сочленении магнитодвижущих элементов и полюсных наконечников, плотно прижатых друг к другу.

Известен диспергирующий магнит масс-спектрометра (см. патент RU 113070, МПК H01J 49/26, опубл. 27.01.2012), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Диспергирующий магнит-прототип включает С-образное ярмо из магнитомягкого материала, на концах которого навстречу друг другу закреплены последовательно магнитодвижущие устройства в виде постоянных магнитов и разделенные зазором полюсные наконечники. Постоянные магниты в виде призм приклеены к полюсным наконечникам специальным клеем.

Недостатками известного диспергирующего магнита-прототипа является использование в качестве магнитодвижущих устройств дорогостоящих сплошных постоянных магнитов, а также применение клеевого состава для крепления магнитодвижущих устройств к полюсным наконечникам, что исключает возможность его помещения в высокий вакуум из-за потери клеем прочности при прогреве вакуумной камеры. Это заставляет располагать магнит в области атмосферного давления и создает большие технологические трудности при изготовлении и юстировке прибора, так как элементы ионно-оптического тракта масс-спектрометра, такие как источник и приемник ионов, расположенные в высоковакуумной камере, должны быть прецизионно, с точностью порядка 100 мкм, отъюстированы по углу и по положению с полюсными наконечниками диспергирующего магнита, расположенного в области атмосферного давления вне вакуумной камеры.

Задачей настоящего технического решения является разработка диспергирующего магнита масс-спектрометра, который бы мог быть установлен в высоковакуумной камере и при этом позволял снизить затраты на его изготовление и эксплуатацию.

Поставленная задача решается тем, что диспергирующий магнит масс-спектрометра включает С-образное ярмо из магнитомягкого материала, на концах которого навстречу друг другу закреплены последовательно магнитодвижущие устройства и разделенные зазором полюсные наконечники. Новым в диспергирующем магните является то, что магнитодвижущие устройства выполнены в виде перфорированных пластин из немагнитного металла, в вертикальных цилиндрических каналах которых установлены цилиндрические магнитодвижущие элементы, а на обращенной к магнитодвижущим устройствам поверхности концов С-образного ярма выполнены с шагом 1,0-1,5 мм параллельные канавки, выходящие за периметры перфорированных пластин и оканчивающиеся внутри периметров концов С-образного ярма.

Параллельные канавки могут быть выполнены шириной 1,0-1,5 мм.

Параллельные канавки могут быть выполнены глубиной 1,0-1,5 мм.

Магнитодвижущие элементы могут быть выполнены из сплава Nd-Fe-B.

Магнитодвижущие устройства могут быть заполнены наборами цилиндрических магнитодвижущих элементов диаметром 4-30 мм и высотой, равной толщине перфорированной пластины.

Перфорированные пластины могут быть выполнены из дюралюминия.

Собранный таким образом диспергирующий магнит обеспечивает все необходимые параметры для работы магнитного масс-анализатора масс-спектрометра и может быть установлен непосредственно в вакуумную камеру. Полюсные наконечники и С-образное ярмо изготавливают из магнитомягкого железа, которое хорошо совместимо с требованиями высокого вакуума, материал магнитодвижущего устройства также совместим с требованиями высокого вакуума. Постоянные магниты из Nd-Fe-B хорошо совместимы по своим свойствам с требованиями высокого вакуума: их современные марки допускают работу при температурах до 150°С, а некоторые, обозначаемые индексом АН, до температур 200-240°С. При этом сами диспергирующие магниты могут быть откачены до давлений порядка 5⋅10^-8 мбар.

Параллельные канавки на обращенной к магнитодвижущим устройствам поверхности концов С-образного ярма, выполненные с шагом 1,0-1,5 мм, позволяют увеличить скорости откачки и исключают создания «вакуумных карманов» в местах, где магнитодвижущие устройства прилегают к ярму. Такие канавки обеспечивают гарантированный отвод остаточных газов от области прилегания магнитодвижущих устройств.

Выполнение параллельных канавок с шагом 1,0-1,5 мм обусловлено тем, что изготовление канавок с шагом менее 1,0 мм технически сложно и нецелесообразно, так как это требует очень тонких резцов, и в этом случае на каждый магнитный элемент приходится, по меньшей мере, одна канавка, а при шаге канавок более 1,5 мм возникает опасность, что канавки не попадут в одну или несколько полостей для магнитных элементов и их вакуумная откачка будет резко затруднена.

Выполнение параллельных канавок глубиной и шириной 1,0-1,5 мм обусловлено тем, что при глубине и ширине параллельных канавок менее 1,0 мм сечение канавки, а значит и ее проводимость по газу оказывается мала для эффективной откачки, так как при прорезании канавки неизбежно возникает шероховатость ее боковых поверхностей, способная создать пограничный слой шириной в несколько сотен микрометров, а при глубине и ширине параллельных канавок более 1,5 мм возникает риск пересыщения ими верхней части магнитопровода, способный неконтролируемо уменьшить магнитное поле в зазоре.

Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где: на фиг. 1 показан вид сверху на диспергирующий магнит масс-спектрометра с частичным разрезом;

на фиг. 2 приведен поперечный разрез диспергирующего магнита масс-спектрометра по плоскости А-А, показанной на фиг. 1;

на фиг. 3 изображен вид сверху на настоящее магнитодвижущее устройство.

Диспергирующий магнит масс-спектрометра (фиг. 1-фиг. 2) включает С-образное ярмо 1 из листов 2 магнитомягкого материала с большой магнитной проницаемостью, например, из электротехнической стали, на концах 3 которого навстречу друг другу закреплены последовательно магнитодвижущие устройства 4 и разделенные зазором, обеспечиваемым втулками 5, полюсные наконечники 6, выполненные, например, из электротехнической стали. Магнитодвижущие устройства 4 (фиг. 2) выполнены в виде перфорированных пластин 7 из немагнитного металла, например из дюралюминия, в вертикальных цилиндрических каналах 8 которых установлены цилиндрические магнитодвижущие элементы 9. На обращенных к магнитодвижущим устройствам 4 поверхностях 10 С-образного ярма 1 выполнены с шагом 1,0-1,5 мм параллельные канавки 11 шириной и глубиной 1,0-1,5 мм, выходящие за периметры магнитодвижущих устройств 4 и оканчивающиеся внутри периметров концов 3 С-образного ярма 1. Для закрепления диспергирующего магнита в масс-спектрометре предусмотрены выступы 12 с отверстиями для крепежных болтов.

Полюсные наконечники 6 диспергирующего магнита за счет высокой магнитной проницаемости магнитомягкого материала обеспечивают равномерное распределение магнитных силовых линий внутри зазора на расстоянии порядка 10 мм от его границ. Изменяя количество используемых цилиндрических магнитодвижущих элементов 9 (при этом в каналы, в которых нет магнитодвижущих элементов помещают стрежни соответствующего диаметра из немагнитного металла), то есть изменяя относительную степень заполнения магнитодвижущих устройств 4, можно получать диспергирующий магнит с заранее рассчитанным магнитным полем в зазоре. При этом однородность поля по-прежнему остается высокой, соответствующей требованиям масс-спектрометрического анализа.

Пример. В лабораторных условиях изготовили два диспергирующих магнита габаритами (100x250x500) мм³. Каждый диспергирующий магнит состоял из С-образного ярма из магнитомягкого материала - электротехнической стали, двух заполненных магнитодвижущими элементами магнитодвижущих устройств и двух полюсных наконечников из электротехнической стали. С-образное ярмо и полюсные наконечники были изготовлены из магнитомягкого материала с большой магнитной проницаемостью, С-образное ярмо набирали из 10-миллиметровых пластин, толщина полюсных наконечников составляла 16 мм. Магнитодвижущие устройства, повторяющие форму полюсных наконечников, изготавливали из немагнитного дюралевого сплава Д-16Т, заполняли магнитодвижущими элементами из Nd-Fe-B (на каждый полюсный наконечник): (∅30x10) мм² - 29 шт., (∅25x10) мм² - 3 шт., (∅20x10) мм² - 1 шт., (∅15x10) мм² - 45 шт., (∅10x10) мм² - 18 шт., (∅6x10) мм² - 32 шт., (∅4x10) мм² - 65 шт., что позволило достичь 85% покрытия площади полюсного наконечника. Верхний и нижний магнитные полюса (S и N полюса соответственно) через немагнитные втулки размещали строго один над другим, формируя 8-миллиметровый межполюсный зазор. Кроме магнитных сил притяжения жесткость конструкции обеспечивалась пятью резьбовыми стяжками, три из которых использовали также для фиксации втулок. Стяжки располагали в областях, удаленных от траекторий движения ионов и не препятствовали движению ионов при их разделении. В одном диспергирующем магните на концах С-образного ярма были выполнены с шагом 1,3 мм 80 параллельных канавок шириной 1.5 мм и глубиной 1.2 мм, выходящих за периметры перфорированных пластин и оканчивающихся внутри периметров концов С-образного ярма. Оба диспергирующих магнита откачивали до давления 5⋅10^-8 мбар. Диспергирующий магнит с канавками на концах С-образного ярма был откачен до этого давления за 20 минут, в то время как диспергирующий магнит без канавок потребовал откачки до давления 5⋅10^-8 мбар примерно суток. При этом он создал значительную величину «памяти камеры», так как после каждого напуска пробы или технологического ухудшения вакуума приходилось проводить очень длительные откачки из-за поступления воздуха из зазоров («вакуумных карманов») между магнитодвижущими элементами и каналами перфорированных пластин. Более того, при использовании магнита без канавок в измеренном масс-спектре всегда присутствовали следы веществ из предшествующих напусков, что не имело места при использовании магнита с канавками.

Claims (6)

1. Диспергирующий магнит масс-спектрометра, включающий С-образное ярмо из магнитомягкого материала, на концах которого навстречу друг другу закреплены последовательно магнитодвижущие устройства и разделенные зазором полюсные наконечники, отличающийся тем, что магнитодвижущие устройства выполнены в виде перфорированных пластин из немагнитного металла, в вертикальных цилиндрических каналах которых установлены цилиндрические магнитодвижущие элементы, а на обращенных к магнитодвижущим устройствам поверхностях концов С-образного ярма выполнены с шагом 1,0-1,5 мм параллельные канавки, выходящие за периметры перфорированных пластин и оканчивающиеся внутри периметров концов С-образного ярма.

2. Магнит по п. 1, отличающийся тем, что параллельные канавки выполнены шириной 1,0-1,5 мм.

3. Магнит по п. 1, отличающийся тем, что параллельные канавки выполнены глубиной 1,0-1,5 мм.

4. Магнит по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические магнитодвижущие элементы выполнены из сплава Nd-Fe-B.

5. Магнит по п. 1, отличающийся тем, что магнитодвижущие устройства заполнены наборами цилиндрических магнитодвижущих элементов диаметром 4-30 мм и высотой, равной толщине перфорированной пластины.

6. Магнит по п. 1, отличающийся тем, что перфорированные пластины выполнены из дюралюминия.

Images