RU2551119C1 - Time-of-flight ion spectrometer - Google Patents

Time-of-flight ion spectrometer Download PDF

Info

Publication number
RU2551119C1
RU2551119C1 RU2013152892/07A RU2013152892A RU2551119C1 RU 2551119 C1 RU2551119 C1 RU 2551119C1 RU 2013152892/07 A RU2013152892/07 A RU 2013152892/07A RU 2013152892 A RU2013152892 A RU 2013152892A RU 2551119 C1 RU2551119 C1 RU 2551119C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ions
electrode
plasma
output
drift
Prior art date
Application number
RU2013152892/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Ильич Рябчиков
Денис Олегович Сивин
Сергей Валентинович Дектярев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority to RU2013152892/07A priority Critical patent/RU2551119C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2551119C1 publication Critical patent/RU2551119C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: time-of-flight ion spectrometer contains a vacuum chamber (1) which has inside the series arranged a drift pipe (2) and an ion detector (7); at the inlet and outlet end faces of the drift pipe (2) electrodes (3, 4) are installed, which are transparent for ions and electrically connected with it, in front of the inlet electrode (3) the grounded electrode (5) is placed, the drift pipe (2) is electrically connected to an impulse source of the accelerating voltage (8). Between the output electrode (4) of the drift pipe (2) and the ion detector (7) the additional electrode (9), transparent for ions, electrically connected to a negative output of DC voltage source (10), the second output of which is connected to the vacuum chamber (1) is installed.
EFFECT: improvement of accuracy of measurement of charge and mass structure of plasma ions created by any plasma source at any distance from it.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения зарядового и массового состава ионов плазмы.The invention relates to the field of charged particle spectrometry and can be used to measure the charge and mass composition of plasma ions.

Известен времяпролетный спектрометр [S.P.Gorbunov, V.P.Krasov, I.A.Krinberg, V.L.Paperny. Source of metal ions with a variable velocity./6th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. 23-28 September 2002, Tomsk, Russia, p.67-70], состоящий из последовательно расположенных в вакуумной камере источника плазмы, ускоряющего промежутка, трубы дрейфа и коллектора ионов. Выходная диафрагма источника плазмы является узлом ввода плазменного потока в спектрометр. Ускоряющий промежуток образован между выходной диафрагмой источника плазмы и входом трубы дрейфа, для чего к выходной диафрагме источника плазмы подсоединен высоковольтный вывод импульсного источника ускоряющего напряжения положительной полярности. Труба дрейфа подключена к заземленному выводу источника напряжения. При подаче короткого по длительности импульса ускоряющего напряжения положительной полярности на выходную диафрагму источника плазмы из него извлекаются и ускоряются ионы. Сформированный ионный пучок, при своем движении в трубе дрейфа, разделяется на отдельные сгустки в соответствии с зарядовым, массовым и энергетическим составом ионов. По времени прихода на коллектор ионов определяется массовый и зарядовый состав пучка. Доля каждого вида ионов в общем пучке определяется по соотношению площадей пиков осциллограммы тока с коллектора.Known time-of-flight spectrometer [S.P. Gorbunov, V.P. Krasov, I.A. Krinberg, V.L. Paperny. Source of metal ions with a variable velocity ./6th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows. 23-28 September 2002, Tomsk, Russia, p.67-70], consisting of a plasma source, an accelerating gap, a drift tube and an ion collector located in series in a vacuum chamber. The output diaphragm of the plasma source is the node for introducing the plasma flow into the spectrometer. An accelerating gap is formed between the output diaphragm of the plasma source and the input of the drift pipe, for which a high-voltage output of a pulse source of accelerating voltage of positive polarity is connected to the output diaphragm of the plasma source. The drift pipe is connected to the grounded terminal of the voltage source. When a short pulse of accelerating voltage of positive polarity is applied to the output diaphragm of the plasma source, ions are extracted and accelerated from it. The formed ion beam, when it moves in the drift tube, is divided into separate bunches in accordance with the charge, mass and energy composition of the ions. The mass and charge composition of the beam is determined by the time of arrival of ions on the collector of ions. The fraction of each type of ion in the total beam is determined by the ratio of the peak areas of the current waveform from the collector.

Недостатком указанного спектрометра является то, что извлечение ионов происходит непосредственно из источника, который находится под ускоряющим потенциалом. Данный спектрометр не позволяет измерять зарядово-массовый состав ионов в свободной плазме или движущемся направленно потоке плазмы на любом расстоянии от источника.The disadvantage of this spectrometer is that the extraction of ions occurs directly from the source, which is under the accelerating potential. This spectrometer does not allow measuring the charge-mass composition of ions in a free plasma or in a directionally moving plasma stream at any distance from the source.

Известен также времяпролетный спектрометр ионов плазмы [RU патент №2266587, 10.06.2011], содержащий вакуумную камеру, в которой последовательно расположены труба дрейфа и детектор ионов, детектируемая плазма контактирует с входом трубы дрейфа. В состав спектрометра также входит импульсный источник ускоряющего напряжения, выполненный с отрицательной полярностью, его высоковольтный вывод электрически соединен с трубой дрейфа, другой вывод соединен с заземленным корпусом вакуумной камеры. На входном и выходном торцах трубы дрейфа установлены электроды, прозрачные для ионов и электрически связанные с трубой дрейфа. Перед входным торцом трубы дрейфа установлен дополнительный заземленный электрод.Also known is a time-of-flight plasma ion spectrometer [RU patent No. 2266587, 06/10/2011] containing a vacuum chamber in which a drift tube and an ion detector are arranged in series, the detected plasma is in contact with the entrance of the drift tube. The spectrometer also includes a pulse source of accelerating voltage, made with negative polarity, its high-voltage output is electrically connected to the drift pipe, the other output is connected to the grounded body of the vacuum chamber. At the input and output ends of the drift pipe, electrodes are installed that are transparent to ions and are electrically connected to the drift pipe. An additional grounded electrode is installed in front of the inlet end of the drift pipe.

Недостатком данного спектрометра является то, что при подаче отрицательного импульса ускоряющего напряжения на трубу дрейфа одновременно с ускорением ионов в зазоре между заземленным электродом и трубой дрейфа происходит ускорение электронов из плазмы между трубой дрейфа и детектором. Ускорение электронов в зазоре подчиняется законам формирования потоков частиц в плазмонаполненных системах. Это означает, что в энергетическом спектре электронов будут присутствовать электроны с энергией от тепловой до максимальной соответствующей ускоряющему напряжению на трубе дрейфа. Как видно из осциллограммы тока детектора на Фиг.2, наличие электронного тока приводит к смещению нулевой линии и вносит неопределенность в точность определения соотношения ионов с различным зарядовым состоянием в плазме.The disadvantage of this spectrometer is that when a negative pulse of accelerating voltage is applied to the drift tube, simultaneously with the acceleration of ions in the gap between the grounded electrode and the drift tube, the electrons from the plasma accelerate between the drift tube and the detector. The acceleration of electrons in the gap obeys the laws of formation of particle fluxes in plasma-filled systems. This means that in the energy spectrum of electrons there will be electrons with energies from thermal to maximum corresponding to the accelerating voltage on the drift tube. As can be seen from the oscillogram of the detector current in FIG. 2, the presence of an electronic current leads to a zero line shift and introduces uncertainty in the accuracy of determining the ratio of ions with different charge states in the plasma.

Задачей изобретения является создание времяпролетного спектрометра ионов с более высокой разрешающей способностью.The objective of the invention is to provide a time-of-flight spectrometer of ions with a higher resolution.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в возможности более точного измерения зарядово-массового состава ионов плазмы, создаваемой любым источником плазмы и на любом расстоянии от него.The technical result achieved by the invention lies in the possibility of more accurate measurement of the charge-mass composition of plasma ions generated by any plasma source and at any distance from it.

Указанный технический результат достигается тем, что времяпролетный спектрометр ионов, как и прототип, содержит вакуумную камеру, в которой последовательно расположены труба дрейфа и детектор ионов, на входном и выходном торцах трубы дрейфа установлены электроды, прозрачные для ионов и электрически связанные с ней, перед входным электродом размещен заземленный электрод, труба дрейфа электрически соединена с импульсным источником ускоряющего напряжения, в отличие от прототипа, между выходным электродом трубы дрейфа и детектором ионов установлен дополнительный электрод, прозрачный для ионов, электрически подключенный к отрицательному выходу источника постоянного напряжения, второй выход которого подключен к вакуумной камере.The specified technical result is achieved in that the time-of-flight ion spectrometer, like the prototype, contains a vacuum chamber in which the drift tube and the ion detector are sequentially arranged; electrodes transparent to ions and electrically connected to it are installed at the input and output ends of the drift pipe in front of the input a grounded electrode is placed in the electrode, the drift tube is electrically connected to a pulse source of accelerating voltage, in contrast to the prototype, between the output electrode of the drift tube and the ion detector an additional electrode is installed, transparent for ions, electrically connected to the negative output of a constant voltage source, the second output of which is connected to a vacuum chamber.

Плазма, зарядовый и массовый состав которой требуется измерить данным спектрометром ионов, может быть создана любым способом, включая вакуумно-дуговой разряд, ВЧ и СВЧ разряды, различные газовые источники плазмы, лазерное излучение.Plasma, the charge and mass composition of which is required to be measured with this ion spectrometer, can be created by any method, including vacuum-arc discharge, RF and microwave discharges, various gas plasma sources, and laser radiation.

Изобретение поясняется иллюстрациями, на которых: фиг.1 - принципиальная схема времяпролетного спектрометра ионов, фиг.2 - осциллограмма спектра ионов титана для прототипа, фиг.3 - осциллограмма спектра ионов титана, полученная с дополнительным сеточным электродом.The invention is illustrated by illustrations, in which: FIG. 1 is a schematic diagram of a time-of-flight ion spectrometer, FIG. 2 is an oscillogram of a spectrum of titanium ions for a prototype, FIG. 3 is an oscillogram of a spectrum of titanium ions obtained with an additional grid electrode.

Времяпролетный спектрометр установлен в вакуумной камере 1 и состоит из трубы дрейфа 2, выполненной из металла, вход и выход которой закрыты электродами 3 и 4, прозрачным для ионов, например металлическими сетками, электрически связанными с трубой дрейфа 2. Перед входом в трубу дрейфа 2 вблизи входного электрода 3 установлен заземленный электрод 5, прозрачный для ионов, например металлическая сетка. Входной электрод 3, установленный на входе трубы дрейфа 2, и заземленный электрод 5 образуют ускоряющий промежуток и могут иметь форму плоскости или форму, выпуклую наружу от трубы дрейфа 2. Выпуклая форма обеспечивает фокусировку формируемого ионного пучка. Напротив выходного электрода 4, расположенного на выходе трубы дрейфа 2, с вакуумным зазором установлен детектор 7 заряженных частиц. Детектор 7 электрически связан с системой измерения тока заряженных частиц. Импульсный источник ускоряющего напряжения отрицательной полярности, являющийся генератором импульсных напряжений 8, подключен высоковольтным выводом к трубе дрейфа 2. Второй вывод генератора 8 заземлен на камеру 1 и электрически соединен с заземленным электродом 5. В зазоре между выходным электродом 4 и детектором 7 установлен дополнительный сеточный электрод 9, прозрачный для ионов. К сеточному электроду 9 подключен источник отрицательного постоянного напряжения 10, второй вывод которого подключен к вакуумной камере 1.A time-of-flight spectrometer is installed in a vacuum chamber 1 and consists of a drift pipe 2 made of metal, the input and output of which are closed by electrodes 3 and 4, transparent to ions, for example, metal grids electrically connected to the drift pipe 2. Before entering the drift pipe 2 near the input electrode 3 is installed a grounded electrode 5, transparent to ions, for example a metal grid. The input electrode 3 installed at the inlet of the drift pipe 2 and the grounded electrode 5 form an accelerating gap and may have the shape of a plane or a shape convex outward from the drift pipe 2. The convex shape provides focusing of the generated ion beam. Opposite the output electrode 4, located at the outlet of the drift pipe 2, with a vacuum gap, a charged particle detector 7 is installed. The detector 7 is electrically connected to a system for measuring the current of charged particles. The pulse source of the accelerating voltage of negative polarity, which is the generator of pulse voltages 8, is connected by a high-voltage output to the drift tube 2. The second output of the generator 8 is grounded to the camera 1 and electrically connected to the grounded electrode 5. An additional grid electrode is installed in the gap between the output electrode 4 and the detector 7 9, transparent to ions. A negative DC voltage source 10 is connected to the grid electrode 9, the second terminal of which is connected to the vacuum chamber 1.

Рассмотрим работу устройства на примере формирования металлической плазмы вакуумно-дуговым испарителем, работающим в непрерывном режиме. Металлическая плазма поступает из источника в вакуумную камеру 1, заполняя ее объем. Анализируемая плазма двигается вдоль оси трубы дрейфа 2 и контактирует с входом трубы дрейфа 2. От генератора импульсных напряжений 8 отрицательной полярности подают импульс напряжения амплитудой U и длительностью τ между трубой дрейфа 2 и вакуумной камерой 1.Consider the operation of the device on the example of the formation of metal plasma by a vacuum-arc evaporator operating in a continuous mode. The metal plasma enters from the source into the vacuum chamber 1, filling its volume. The analyzed plasma moves along the axis of the drift pipe 2 and is in contact with the input of the drift pipe 2. A voltage pulse of amplitude U and duration τ between the drift pipe 2 and the vacuum chamber 1 is supplied from the pulse voltage generator 8 of negative polarity.

При появлении потенциала смещения на трубе дрейфа 2 между плазмой 6 и входным электродом 3 возникает разность потенциалов. Появление разности потенциалов между входным электродом 3 и плазмой 6 приводит к разделению зарядов в плазме и ускорению ионов из плазмы к входному электроду 3, а электронов в обратном направлении. Ускоренные ионы проходят входной электрод 3 и попадают в эквипотенциальное пространство трубы дрейфа 2. В трубе дрейфа 2 заряд ионного пучка нейтрализуется электронами присутствующей в трубе плазмы. Ионы пучка дрейфуют в трубе дрейфа 2 со скоростями, определяемыми энергией ионов и их массой. Наличие дополнительного сеточного электрода 9 с постоянным отрицательным потенциалом между выходным электродом 4 и детектором 7 обеспечивает очистку зазора от плазменных электронов, что исключает влияние электронного тока в зазоре на измерения тока ионов различной зарядности.When the bias potential appears on the drift tube 2 between the plasma 6 and the input electrode 3, a potential difference occurs. The appearance of a potential difference between the input electrode 3 and plasma 6 leads to the separation of charges in the plasma and the acceleration of ions from the plasma to the input electrode 3, and electrons in the opposite direction. Accelerated ions pass through the input electrode 3 and fall into the equipotential space of the drift tube 2. In the drift tube 2, the ion beam charge is neutralized by the electrons present in the plasma tube. The beam ions drift in the drift tube 2 with velocities determined by the energy of the ions and their mass. The presence of an additional grid electrode 9 with a constant negative potential between the output electrode 4 and the detector 7 ensures that the gap is cleared of plasma electrons, which eliminates the influence of the electron current in the gap on the measurement of ion current of different charge.

Длительность импульса высоковольтного смещения с генератора импульсных напряжений 8 выбирают из следующих условий. Минимальная длительность импульса смещения определяется процессами формирования ускоряющего промежутка между электродами 3 и 5 или между входным электродом 3 и плазмой 6 (при отсутствии в конструкции заземленного электрода 5). Вначале, при подаче потенциала смещения от генератора импульсных напряжений 8 на трубу дрейфа 2, ускоряющий промежуток формируется за счет смещения электронов плазмы. Этот процесс по времени не превышает нескольких наносекунд. Концентрация ионов по всему сформированному промежутку будет одинаковой и будет соответствовать исходной концентрации плазмы. При этом ионы, находящиеся на различном расстоянии от входного электрода 3, ускоряясь в промежутке, получат разную энергию. По мере ускорения ионов будет происходить перераспределение концентрации ионов по ускоряющему промежутку. Стабилизация эмиссионной границы произойдет либо когда ширина ускоряющего промежутка станет равной величине, определяемой законом трех вторых, либо если эмиссионная граница плазмы подойдет к заземленному электроду 5. В зависимости от параметров плазмы и величины ускоряющего напряжения время стабилизации эмиссионной границы может достигать от нескольких десятков до нескольких сотен наносекунд. Длительность импульса генератора импульсных напряжений 8 целесообразно выбирать такой, чтобы она превышала время стабилизации эмиссионной границы τc. Принципиально важным условием для выбора длительности импульса ускоряющего напряжения является условие дрейфа всех ускоренных ионов анализируемой плазмы, включая самые быстрые, имеющие наибольшее соотношение Z/Mi, в течение действия ускоряющего напряжения, внутри трубы дрейфа. Это означает, что ускоренные ионы не попадут в тормозящее их электрическое поле между электродом 4, установленным на выходе трубы дрейфа 2, и детектором 7. Максимальная энергия ионов Е, входящих в трубу дрейфа, определяется их зарядом и ускоряющим напряжениемThe duration of the high voltage bias pulse from the pulse voltage generator 8 is selected from the following conditions. The minimum duration of the bias pulse is determined by the processes of formation of the accelerating gap between the electrodes 3 and 5 or between the input electrode 3 and the plasma 6 (in the absence of a grounded electrode 5 in the design). First, when applying the bias potential from the pulse voltage generator 8 to the drift tube 2, the accelerating gap is formed due to the displacement of the plasma electrons. This process does not exceed several nanoseconds in time. The ion concentration over the entire formed gap will be the same and will correspond to the initial plasma concentration. In this case, ions located at different distances from the input electrode 3, accelerating in the gap, will receive different energy. As the ions accelerate, a redistribution of the ion concentration over the accelerating gap will occur. The stabilization of the emission boundary will occur either when the width of the accelerating gap becomes equal to the value determined by the law of the second two, or if the emission boundary of the plasma approaches the grounded electrode 5. Depending on the plasma parameters and the magnitude of the accelerating voltage, the stabilization time of the emission boundary can reach from several tens to several hundreds nanoseconds. The pulse duration of the pulse voltage generator 8 is advisable to choose such that it exceeds the stabilization time of the emission boundary τ c . A fundamentally important condition for choosing the pulse width of the accelerating voltage is the condition for the drift of all accelerated ions of the analyzed plasma, including the fastest, having the highest Z / M i ratio, during the action of the accelerating voltage, inside the drift tube. This means that accelerated ions will not fall into the braking electric field between the electrode 4 installed at the output of the drift pipe 2 and the detector 7. The maximum energy of ions E entering the drift pipe is determined by their charge and accelerating voltage

E = Z e U

Figure 00000001
, (1) E = Z e U
Figure 00000001
, (one)

где Z - зарядность ионов;where Z is the charge of ions;

е - заряд электрона;e is the electron charge;

U - ускоряющее напряжение.U is the accelerating voltage.

Наибольшая скорость дрейфа будет у ионов с наибольшим соотношением Z/Mi - наибольшее соотношение массы ионов к зарядности для ионов анализируемой плазмы. Время дрейфа этих ионов τдр определяется выражениемThe highest drift velocity will be for ions with the highest Z / M i ratio - the highest ratio of ion mass to charge for ions of the analyzed plasma. The drift time of these ions τ dr is determined by the expression

τ д р = Т . Д . M i 2 Z e U

Figure 00000002
, (2) τ d R = T . D . M i 2 Z e U
Figure 00000002
, (2)

где Т . Д .

Figure 00000003
- длина трубы дрейфа;Where T . D .
Figure 00000003
- the length of the drift pipe;

Mi - масса иона.M i is the mass of the ion.

Таким образом, длительность импульса ускоряющего напряжения τу выбирают из условия:Thus, the pulse width of the accelerating voltage τ y is chosen from the condition:

τyдр, (3)τ ydr , (3)

то есть, что ионы с наибольшим соотношением Z/Mi придут на детектор 7 после окончания импульса ускоряющего напряжения и будут зарегистрированы детектором 7.that is, that the ions with the highest Z / M i ratio will arrive at the detector 7 after the end of the accelerating voltage pulse and will be detected by the detector 7.

Амплитуда постоянного отрицательного напряжения на сеточном электроде 9 и расстояние между сеточными электродами 4, 9 и детектором 7 выбираются из условия полной очистки плазмы от электронов. Другими словами, ширина зазоров между электродами должна быть меньше или равна ширине слоя S разделения зарядов в плазме, определяемого из выражения:The amplitude of the constant negative voltage at the grid electrode 9 and the distance between the grid electrodes 4, 9 and the detector 7 are selected from the condition that the plasma is completely cleaned of electrons. In other words, the width of the gaps between the electrodes should be less than or equal to the width of the plasma charge separation layer S, determined from the expression:

S = 2 3 λ D e ( 2 V 0 T e ) 3 4

Figure 00000004
, (4) S = 2 3 λ D e ( 2 V 0 T e ) 3 four
Figure 00000004
, (four)

где λDe - Дебаевский радиус экранирования,where λ De is the Debye screening radius,

Te -температура электронов,T e is the electron temperature,

Vo - потенциал электрода, а Дебаевский радиус экранирования определяется из выражения:V o is the electrode potential, and the Debye screening radius is determined from the expression:

λ D e = ( ε 0 T e e n s ) 1 2

Figure 00000005
, (5) λ D e = ( ε 0 T e e n s ) one 2
Figure 00000005
, (5)

где εо - диэлектрическая проницаемость вакуума;where ε about - the dielectric constant of the vacuum;

Te - температура электронов;T e is the electron temperature;

е - заряд электрона;e is the electron charge;

ns - концентрация плазмы.n s is the plasma concentration.

Ионы на детектор 7 приходят в разное время, что фиксируется, например, осциллографом. В дальнейшем по осциллограмме определяют массовый и зарядовый состав ионов и процентное соотношение отдельных компонент ионов в плазме.Ions arrive at detector 7 at different times, which is recorded, for example, by an oscilloscope. Subsequently, the mass and charge composition of ions and the percentage ratio of individual ion components in the plasma are determined by the oscillogram.

Пример исполнения времяпролетного спектрометра. An example of a time-of-flight spectrometer.

Вакуумно-дуговой испаритель работает с катодом из титана. Концентрация плазмы 6 вблизи входного электрода 3 составляла (1·109-1010) ион/см3. Труба дрейфа 2 диаметром 100 мм имела длину 600 мм. Зазор между выходным электродом 4 и дополнительным сеточным электродом 9, а также зазор между электродом 9 и детектором 7 был выбран равным 5 мм. Постоянное отрицательное напряжение от источника напряжения 10 на сеточном электроде 9 амплитудой 450 В обеспечило полную очистку зазоров от электронов при концентрации плазмы 1010 ион/см3. В случае, когда концентрация плазмы уменьшается по мере удаления времяпролетного спектрометра от источника плазмы, концентрация плазмы в зазоре между выходным электродом 4 и детектором 7 существенно меньше, чем концентрация плазмы между электродами 3 и 5. В этих условиях амплитуда постоянного напряжения на дополнительном электроде 9 может быть снижена до уровня, определяемого из формул (4) и (5). Ионы титана с зарядностью i+, i+2 и i+3 хорошо разделяются при длительности импульса 500 нс и ускоряющем отрицательном потенциале с генератора импульсных напряжений 8 амплитудой 1000 В. Осциллограмма тока с детектора, полученная с дополнительным сеточным электродом 9, представлена на фиг. 3. Сравнение осциллограмм фиг. 2. и фиг. 3. показывает существенное улучшение разрешающей способности спектрометра.The vacuum arc evaporator works with a cathode made of titanium. The concentration of plasma 6 near the input electrode 3 was (1 · 10 9 -10 10 ) ion / cm 3 . The drift tube 2 with a diameter of 100 mm had a length of 600 mm. The gap between the output electrode 4 and the additional grid electrode 9, as well as the gap between the electrode 9 and the detector 7, was chosen equal to 5 mm. A constant negative voltage from a voltage source 10 on a grid electrode 9 with an amplitude of 450 V ensured the complete clearing of the gaps from electrons at a plasma concentration of 10 10 ion / cm 3 . In the case when the plasma concentration decreases as the time-of-flight spectrometer moves away from the plasma source, the plasma concentration in the gap between the output electrode 4 and the detector 7 is significantly lower than the plasma concentration between the electrodes 3 and 5. Under these conditions, the DC voltage amplitude at the additional electrode 9 can be reduced to a level determined from formulas (4) and (5). Titanium ions with a charge of i + , i +2 and i +3 are well separated at a pulse duration of 500 ns and an accelerating negative potential from a pulse voltage generator 8 with an amplitude of 1000 V. The waveform of the current from the detector obtained with an additional grid electrode 9 is shown in FIG. 3. Comparison of the waveforms of FIG. 2. and FIG. 3. shows a significant improvement in the resolution of the spectrometer.

Claims (1)

Времяпролетный спектрометр ионов плазмы, содержащий вакуумную камеру, в которой последовательно расположены труба дрейфа и детектор ионов, на входном и выходном торцах трубы дрейфа установлены электроды, прозрачные для ионов и электрически связанные с ней, перед входным электродом размещен заземленный электрод, труба дрейфа электрически соединена с импульсным источником ускоряющего напряжения, отличающийся тем, что между выходным электродом трубы дрейфа и детектором ионов установлен дополнительный электрод, прозрачный для ионов, электрически подключенный к отрицательному выходу источника постоянного напряжения, второй выход которого подключен к вакуумной камере. A time-of-flight plasma ion spectrometer containing a vacuum chamber in which a drift tube and an ion detector are arranged in series, electrodes transparent to ions and electrically connected to it are installed at the input and output ends of the drift tube, a grounded electrode is placed in front of the input electrode, and the drift tube is electrically connected to pulse source of accelerating voltage, characterized in that between the output electrode of the drift tube and the ion detector an additional electrode is installed, transparent for ions, electric ktricheski connected to the negative output of a DC voltage source, a second output of which is connected to the vacuum chamber.
RU2013152892/07A 2013-11-29 2013-11-29 Time-of-flight ion spectrometer RU2551119C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013152892/07A RU2551119C1 (en) 2013-11-29 2013-11-29 Time-of-flight ion spectrometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013152892/07A RU2551119C1 (en) 2013-11-29 2013-11-29 Time-of-flight ion spectrometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2551119C1 true RU2551119C1 (en) 2015-05-20

Family

ID=53294272

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013152892/07A RU2551119C1 (en) 2013-11-29 2013-11-29 Time-of-flight ion spectrometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2551119C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2658293C1 (en) * 2017-03-07 2018-06-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Time-of-flight plasma ion spectrometer
RU205310U1 (en) * 2021-04-30 2021-07-08 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» DEVICE FOR EXTRACTION AND TRANSPORTATION OF IONS FROM MEDIUM VACUUM PLASMA

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1651327A1 (en) * 1987-12-28 1991-05-23 Институт космических исследований АН СССР Transit time mass spectrometer
EP1301196B1 (en) * 2000-07-19 2003-11-26 The Board of Regents, The University of Texas System Stimulation of bone growth with thrombin peptide derivatives
RU2266587C1 (en) * 2004-07-23 2005-12-20 Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете министерства образования Российской Федерации" Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer
RU2314594C1 (en) * 2006-08-07 2008-01-10 Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики" Transit-time method for metering charge and mass composition of plasma ions
RU124434U1 (en) * 2012-06-22 2013-01-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" MASS SPECTROMETER

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1651327A1 (en) * 1987-12-28 1991-05-23 Институт космических исследований АН СССР Transit time mass spectrometer
EP1301196B1 (en) * 2000-07-19 2003-11-26 The Board of Regents, The University of Texas System Stimulation of bone growth with thrombin peptide derivatives
RU2266587C1 (en) * 2004-07-23 2005-12-20 Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете министерства образования Российской Федерации" Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer
RU2314594C1 (en) * 2006-08-07 2008-01-10 Федеральное государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики" Transit-time method for metering charge and mass composition of plasma ions
RU124434U1 (en) * 2012-06-22 2013-01-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" MASS SPECTROMETER

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2658293C1 (en) * 2017-03-07 2018-06-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Time-of-flight plasma ion spectrometer
RU205310U1 (en) * 2021-04-30 2021-07-08 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» DEVICE FOR EXTRACTION AND TRANSPORTATION OF IONS FROM MEDIUM VACUUM PLASMA

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2450465C (en) Mass spectrometers and methods of ion separation and detection
AU2002302791A1 (en) Mass spectrometers and methods of ion separation and detection
IL45710A (en) Mass spectrometer
US4912327A (en) Pulsed microfocused ion beams
US5665966A (en) Current measuring system
JP2007509356A (en) Time-of-flight mass spectrometer with improved mass resolution and method of operation thereof
RU2551119C1 (en) Time-of-flight ion spectrometer
RU2658293C1 (en) Time-of-flight plasma ion spectrometer
Bouneau et al. Heavy gold cluster beams production and identification
RU124434U1 (en) MASS SPECTROMETER
US7385188B2 (en) Linear electric field time-of-flight ion mass spectrometer
CN103531432B (en) A kind of method of pulsed ion source, mass spectrometer and generation ion
Nandi et al. Absolute cross sections for dissociative electron attachment to NF3
US7388193B2 (en) Time-of-flight spectrometer with orthogonal pulsed ion detection
Petro et al. Investigation of electrospray plume composition during voltage transients
RU2266587C1 (en) Ion spectrum measurement process and transit-time ion spectrometer
JPH04229543A (en) Ion storage device
Tabrizchi et al. Design, construction and calibration of a laser ionization time-of-flight mass spectrometer
Geno et al. 252Cf Plasma desorption mass spectrometry at low acceleration voltages using the electrostatic particle guide
US10580636B2 (en) Ultrahigh resolution mass spectrometry using an electrostatic ion bottle with coupling to a quadrupole ion trap
RU2314594C1 (en) Transit-time method for metering charge and mass composition of plasma ions
Morozov et al. Simultaneous energy distribution and ion fraction measurements using a linear time-of-flight analyzer with a floatable drift tube
US6806467B1 (en) Continuous time-of-flight ion mass spectrometer
CN203481184U (en) Pulse type ion source and mass spectrometer
RU2239910C2 (en) Transit-time mass-spectrometer

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171130