SU671582A1

SU671582A1 - Plasma mass-spectrometer

Info

Publication number: SU671582A1
Application number: SU762416114A
Authority: SU
Inventors: И.Ф. Спивак-Лавров
Original assignee: Институт Ядерной Физики Ан Казсср
Priority date: 1976-11-01
Filing date: 1976-11-01
Publication date: 1982-09-30

Description

Изобретение относится к области массспектрометрии, а более конкретно — к направлению призменной ионной оптики в масс-спектра льном приборостроении.The invention relates to the field of mass spectrometry, and more specifically to the direction of prismatic ion optics in the mass spectrum of flax instrumentation.

Известны призменные масс-спектрометры [1], в которых используются двумерные магнитные призмы и масс-спектрограф Матсуда Осака II с конусовидной магнитной призмой [2]. 10Known prism mass spectrometers [1], which use two-dimensional magnetic prisms and a mass spectrograph Matsud Osaka II with a cone-shaped magnetic prism [2]. 10

Кроме магнитной призмы для этих приборов характерно наличие отклоняющих электростатических систем, участвующих в ахроматизации анализаторов, а также коллиматорной и фокусирующей линз, в фо- 15 кальных плоскостях которых помещены щели источника и приемника ионов. В приборах с двумерной магнитной призмой для ахроматизации используются двумерные телескопические системы, в масс-спектро- 20 графе Матсуда — тороидальное электрическое поле. В первых оптика обеспечивает тройную фокусировку ионного пучка: по скоростям и по двум направлениям, а все виды геометрических аберраций второго 25 порядка, включая искривление спектральных линий, отсутствуют. В приборе Осака II осуществляется фокусировка ионного пучка по скоростям и в направлении дисперсии. Отсутствие вертикальной фокуси- 30 ровки и геометрические аберрации второго порядка приводят к тому, что получение рекордных разрешений в приборе Матсуда (более 1 миллиона на полувысоте пика при ширине щелей 4 мк) сопряжено со значительной потерей светосилы. Низкая чувствительность и искривление спектральных линий, обуславливают неперспективный фотографический метод регистрации спектров.In addition to the magnetic prism, these devices are characterized by the presence of deflecting electrostatic systems involved in the achromatization of analyzers, as well as collimator and focusing lenses, in the focal planes of which slots of the source and receiver of ions are placed. In devices with a two-dimensional magnetic prism, two-dimensional telescopic systems are used for achromatization, and a toroidal electric field is used in the mass spectrograph 20 of Matsud. In the first, optics provides triple focusing of the ion beam: in velocities and in two directions, and all types of second-order geometric aberrations of the 25th order, including the curvature of spectral lines, are absent. In the Osaka II device, the ion beam is focused on the velocities and in the direction of dispersion. The lack of vertical focusing and second-order geometric aberrations lead to the fact that obtaining record resolutions in the Matsud device (more than 1 million at half maximum height with a slit width of 4 microns) is associated with a significant loss of aperture ratio. Low sensitivity and distortion of spectral lines cause an unpromising photographic method of recording spectra.

Известей призменный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионов и расположенные между ними коллиматорную и фокусирующую линзы и отклоняющую диспергирующую систему [3]. Дополнительная телескопическая система участвует в ахроматизации, а также позволяет увеличить угловую дисперсию спектрометра по массе. Однако согласование параметров телескопических систем и магнитной призмы, необходимое для выполнения условия ахроматичное™, приводит к тому, что возможности дополнительной телескопической системы в увеличении разрешающей способности масс-спектрометра не могут быть реализованы полностью, а также не может быть значительно увеличена угловая дисперсия по массе магнитной призмы. Кроме того, прибор некомпактен — вытянут в одном направлении.Lime prism mass spectrometer containing an ion source and receiver and between them a collimator and focusing lens and a deflecting dispersing system [3]. An additional telescopic system is involved in achromatization, and also allows to increase the angular dispersion of the spectrometer by mass. However, the coordination of the parameters of the telescopic systems and the magnetic prism necessary to fulfill the achromatic ™ condition leads to the fact that the capabilities of the additional telescopic system in increasing the resolution of the mass spectrometer cannot be fully realized, and the angular dispersion of the magnetic mass cannot be significantly increased prisms. In addition, the device is not compact - it is elongated in one direction.

Цель изобретения — увеличение разрешающей способности и уменьшение габаритов прибора.The purpose of the invention is to increase the resolution and reduce the size of the device.

Это достигается тем, что в качестве диспергирующей системы применена ахрома- ⁵тичная конусовидная призма со совмещенными электрическим и магнитными полями, поверхность полюсных наконечников, магнитных экранов и электродов которой представляет собой коническую поверх- ^|()ность, разрезанную полуплоскостями, проходящими через ось системы. Угол раствора конуса равен по крайней мере 85°, а полуплоскости, ограничивающие полюсные наконечники, образуют двугранный угол, 15 равный по крайней мере 200°.This is achieved in that the dispersing system used ahroma- ⁵ ung conical prism aligned with the electric and magnetic fields, the surface of the pole pieces, magnetic shields and electrodes which is a conical surface ^{| ()} NOSTA, cut in half-planes passing through the axis of the system. The cone opening angle is at least 85 °, and the half-planes defining the pole pieces form a dihedral angle of 15 equal to at least 200 °.

Предлагаемый масс-спектрометр не сложен в исполнении, его детали и узлы технологичны, схема компактна. Большая дисперсия прибора в сочетании с небольшими 20 аберрациями второго порядка и объемной фокусировкой ионного пучка определяют его высокую разрешающую способность при значительной светосиле.The proposed mass spectrometer is not complicated in execution, its parts and components are technological, the scheme is compact. The large dispersion of the device in combination with small 20 second-order aberrations and volume focusing of the ion beam determine its high resolution with significant aperture ratio.

На фиг. 1 изображена схематически ко- 25 нусовидная призма; на фиг. 2 — ионо-оптическая схема предлагаемого масс-спектрометра в одном из наиболее компактных вариантов и ход ионных траекторий в проекции на среднюю плоскость системы, с ко- 30 торой совмещены средние плоскости призмы ху п фокусирующих элементов прибора.In FIG. 1 is a schematic illustration of a 25-shaped prism; in FIG. 2 - the ion-optical scheme of the proposed mass spectrometer in one of the most compact versions and the course of the ion paths in projection onto the middle plane of the system, with which the middle planes of the prism of the focusing elements of the device are combined.

Предлагаемый масс-спектрометр содержит полюсные наконечники 1 конусовидной призмы, которые являются одновре- 35 менно электродами с потенциалом Фр, 2, 3 — электроды 2 и 3 с потенциалами Φι и Фо соответственно, выполняющие также функции магнитных экранов призмы. Непосредственно к магнитным экранам при- 40 мыкают две трансаксиальные линзы — электроды 4—6, в фокальной плоскости которых расположены щели источника 7 и приемника 8 ионов, перпендикулярные средней плоскости. 45The proposed mass spectrometer contains pole tips 1 of a cone-shaped prism, which are simultaneously electrodes with potential Фр, 2, 3 - electrodes 2 and 3 with potentials Φι and Фо respectively, which also act as magnetic screens of the prism. Two transaxial lenses are connected directly to the magnetic screens — electrodes 4–6, in the focal plane of which there are slits of the ion source 7 and 8 receiver, perpendicular to the middle plane. 45

Выходящий из каждой точки щели источника расходящийся гомоцентричный пучок ионов формируется коллиматорной линзой' в объемный параллельный пучок. Потенциал на среднем электроде 5 подобран так, 50 чтобы линза работала в режиме анаморфота. Электроды 6 и полюсные наконечники 1 заземлены. Потенциалы электродов 3 и 4 одинаковы. После прохождения призмы ахроматизированный объемный параллель- 55 ный пучок ионов с анализируемой массой фокусируется вторая линзой в щель приемника.A diverging homocentric ion beam emerging from each point of the source gap is formed by a collimator lens into a bulk parallel beam. The potential on the middle electrode 5 is selected so that the lens works in anamorphic mode. The electrodes 6 and the pole lugs 1 are grounded. The potentials of the electrodes 3 and 4 are the same. After passing through the prism, the achromatized volumetric parallel 55 ion beam with the analyzed mass is focused by the second lens into the receiver slit.

Конусовидная призма с совмещенными электрическим и магнитным полями пред- 60 ставляет собой гибкую электронно-оптическую систему, которая не только выполняет функции трех основных узлов прототипа, но позволяет значительно улучшить его наиболее важные характеристики. озThe cone-shaped prism with combined electric and magnetic fields is a flexible electron-optical system that not only performs the functions of the three main nodes of the prototype, but can significantly improve its most important characteristics. oz

Геометрия призмы полностью задается углами χ, γ_Η, γ_β· Поверхности полюсных наконечников и магнитных экранов — электродов лежат на координатных поверхностях а их границы совпадают с полуплоскостямиThe geometry of the prism is completely determined by the angles χ, γ _Η , γ _β

7н7n

\)\)

где γ, ΰ', ψ — сферическая система координат, связанная с изображенной на рисунке декартовой системой координат х, у, ζ соотношениями х = г sin ft cos ·ψ, у = r sin -& sinф, z = rcosi3·. Плоскость xz является плоскостью симметрии призмы и всего прибора в целом.where γ, ΰ ', ψ is the spherical coordinate system associated with the Cartesian coordinate system x, y, ζ shown in the figure by the relations x = r sin ft cos · ψ, y = r sin - & sinph, z = rcosi3 ·. The xz plane is the plane of symmetry of the prism and the entire device.

В конусовидной призме создаются совмещенные электрическое и магнитное поля, скалярные потенциалы которых зависят только от угловых переменных # и ψ. В таком поле все траектории ионов, движущихся в средней плоскости ху с одинаковыми энергиями и образующих на входе в призму параллельный пучок, будут подобны, что и обеспечивает их параллельность на выходе из призмы. При этом вовсе не обязательно предположение о круговой форме осевой траектории в межполюсном зазоре. Отказ от круговой формы осевой траектории позволяет полнее использовать призматические свойства’ конусовидных полей.In a cone-shaped prism, combined electric and magnetic fields are created, the scalar potentials of which depend only on the angular variables # and ψ. In such a field, all the trajectories of ions moving in the middle plane xy with the same energies and forming a parallel beam at the entrance to the prism will be similar, which ensures their parallelism at the exit from the prism. Moreover, it is not necessary to assume the circular shape of the axial trajectory in the interpolar gap. The rejection of the circular shape of the axial trajectory allows more complete use of the prismatic properties of ’cone-shaped fields.

Магнитное поле конусовидной призмы позволяет заворачивать пучок ионов на углы значительно превосходящие π и за счет этого обладает большой угловой дисперсией по массе D_u. При этом призма в целом может отклонять пучок ионов на углы примерно равные π. Масс-спектрометр с такими углами отклонения заряженных частиц предельно компактен: его длина определяется в основном фокусным расстоянием трансаксиальных линз, а ширина равна линейным размерам призмы. (Такой прибор схематически изображен на фиг. 2).The magnetic field of the cone-shaped prism allows you to wrap the ion beam at angles significantly superior to π and due to this has a large angular dispersion in mass D _u . In this case, the prism as a whole can deflect the ion beam by angles approximately equal to π. A mass spectrometer with such deflection angles of charged particles is extremely compact: its length is determined mainly by the focal length of transaxial lenses, and the width is equal to the linear dimensions of the prism. (Such a device is schematically depicted in Fig. 2).

Фокусирующие свойства магнитного поля конусовидной призмы дают ей еще одно преимущество над двумерной магнитной призмой, приводя к новым дополнительным возможностям в связи с требованием вертикальной фокусировки ионного пучка. Конусовидное магнитное поле фокусирует заряженные частицы к средней плоскости во всем промежутке между полюсными наконечниками, а не только в области края магнита, поэтому обеспечить телескопичность призмы можно при наличии в системе одного, двух и даже трех промежуточных линейных фокусов. Причем в двух и трехфокусном вариантах системы при одинаковых углах а угловая дисперсия конусовидной призмы только за счет магнитно ' 5 го поля D_H значительно больше, чем в двумерной магнитной призме. Так, например, при χ=10°, у_и=200° и обычных для двумерных призм значениях угла телескопичности а = 51—53° угловая дисперсия конусовидной магнитной призмы в 5—6 раз больше.The focusing properties of the magnetic field of the cone-shaped prism give it another advantage over the two-dimensional magnetic prism, leading to new additional possibilities in connection with the requirement of vertical focusing of the ion beam. A cone-shaped magnetic field focuses charged particles to the middle plane in the entire gap between the pole pieces, and not only in the region of the magnet edge, therefore, it is possible to ensure the telescope of the prism if there are one, two, or even three intermediate linear foci in the system. Moreover, in two and three-focal versions of the system at the same angles a, the angular dispersion of the cone-shaped prism only due to the magnetic '5th field D _{H is} much larger than in a two-dimensional magnetic prism. So, for example, at χ = 10 °, у _и = 200 °, and the values of the telescopic angle a = 51–53 °, which are usual for two-dimensional prisms, the angular dispersion of the conical magnetic prism is 5–6 times larger.

Электрическое поле в конусовидной призме выполняет функции двух телескопических систем прототипа: осуществляет фокусировку попов по скоростям и увеличивает угловую дисперсию призмы по массе, а кроме того, участвует в вертикальной фокусировке ионного пучка. Увеличение угловой дисперсии призмы Dt за счет электрического поля в конусовидной призме имеет тот же характер, что и в прототипе, и при углах х=5—10° хорошо описывается приближенной формулой:The electric field in the cone-shaped prism performs the functions of two telescopic prototype systems: it focuses the priests in terms of velocity and increases the angular dispersion of the prism in mass, and, in addition, participates in the vertical focusing of the ion beam. The increase in the angular dispersion of the prism Dt due to the electric field in the cone-shaped prism has the same character as in the prototype, and at angles x = 5-10 ° it is well described by the approximate formula:

где i и j — углы падения и преломления на эффективные грани призмы tt', причемwhere i and j are the angles of incidence and refraction at the effective faces of the prism tt ', and

При одинаковом отношении потенциалов ф.With the same potential ratio f.

— > 1 увеличение угловой дисперсии тем больше, чем больше i, j. В призмах с х= = 5—10° максимально возможные значения / = 60—65°, что при значении-> 1 the increase in angular dispersion is greater, the greater is i, j. In prisms with x = 5–10 °, the maximum possible values of / = 60–65 °, which at

позволяет увеличить Di по сравнению с D,, в 2—2,5 раза.allows you to increase Di compared with D ,, 2-2.5 times.

Подбирая определенным образом напряженность магнитного поля, отношение поФ₁ тенциалов — и геометрические параметры х, ун, у_Е, можно не только добиться выполнения условий ахроматичности и телескопичности при оптимальном выборе углов входа пучка ионов в призму, но и значительно уменьшить геометрические аберрации второго порядка, включая искривление спектральных линий, что в сочетании с большой угловой дисперсией по массе за счет магнитного поля ΰ_Η и максимальным использованием возможностей электрического поля дает неоспоримые преимущества предлагаемому масс-спектрометру 'по сравнению со всеми известными аналогами.By choosing in a certain way the magnetic field strength, the ratio Φ _{1 of the} potentials — and the geometrical parameters x, yn, y _E , it is possible not only to achieve the achromaticity and telescopic conditions with the optimal choice of the angles of entry of the ion beam into the prism, but also to significantly reduce the second-order geometric aberrations, including curvature of spectral lines, which in combination with a large angular dispersion by weight due to the magnetic field ΰ _Η and maximum utilization capacity of an electric field gives conclusive preim exists a proposed mass spectrometer ', compared with all the known analogues.

При использовании призмы с у_н—200^й, у_я~300°, χ~10°, 3 и фокусных расстояниях линз около 2 м линейная дисперсия масс-спектрометра равна примерно 20000 мм, а геометрические аберрации второго порядка позволяют получить теоретическое разрешение 15—20 миллионов по полувысоте пика при микронных ширинах щелей источника и приемника ионов. При одинаковых габаритах с прототипом дисперсия предлагаемого масс-спектрометра примерно в 8 раз больше. Это означает, что используя более широкие щели, можно в ^а 8 раз поднять чувствительность предлагаемого прибора при той же разрешающей способности или при одинаковых щелях в 8 раз поднять его разрешение. При одинаковых с прототипом разрешающей способности и чувствительности габариты предлагаемого масс-спектрометра могут быть уменьшены более чем в 8 раз.When using a prism with at -200 _n ^th, y _I ~ 300 °, χ ~ 10 °, 3 and the focal length of the lens is about 2 m linear dispersion mass spectrometer is approximately 20000 mm, and the second order geometric aberration possible to obtain theoretical resolution 15- 20 million half maximum peak at micron slit widths of the source and receiver of ions. With the same dimensions as the prototype, the dispersion of the proposed mass spectrometer is approximately 8 times greater. This means that using a wider slit can be ^as 8 times to raise the sensitivity of the proposed instrument at the same resolution, or with the same slits 8 times to raise his permission. With the same resolution and sensitivity as the prototype, the dimensions of the proposed mass spectrometer can be reduced by more than 8 times.

Claims

The purpose of the invention is to increase the resolution and reduce the size of the device. This is achieved by using an achromatic cone-shaped prism with combined electric and magnetic fields as a dispersing system, and the surface of pole pieces, magnetic screens and electrodes which is a conical surface cut by half-planes passing through the axis of the system. The angle of the cone solution is at least 85, and the half-planes bounding the pole tips form a dihedral angle of at least 200 °. The proposed mass spectrometer is not complicated to perform, its parts and components are technologically advanced, the circuit is compact. The large dispersion of the instrument in combination with the second small order aberrations and the volume focusing of the ion beam determine its high resolution at considerable luminosity. FIG. 1 shows a schematic cone-shaped iris; in fig. 2 - ion-optical scheme of the proposed mass spectrometer in one of the most compact options and the course of the ion trajectories in the projection onto the middle plane of the system, with which the middle plane prisms of the xy and the focusing elements of the device are combined. The proposed mass spectrometer contains pole tips 1 of a cone-shaped prism, which are simultaneously electrodes with a potential CDi; 2, 3 are electrodes 2 and 3 with potentials Oi and Fo, respectively, which also function as magnetic prism screens. Directly to the magnetic screens, two transaxial lenses irimlock — electrodes 4-6, in the focal plane of which there are slots of the source 7 and the receiver 8 ions, perpendicular to the middle plane. A diverging homocentric ion beam emerging from each point of the source slit is formed by a collimator lens into a volumetric parallel beam. The potential on the middle electrode is 5 sub-so that the lens works in the anamorphic mode. Electrodes 6 and pole pieces 1 are grounded. The potentials of the electrodes 3 and 4 are the same. After passing through the prism, the achromatized volume parallel ion beam with the analyzed mass is focused by the second lens into the receiver slit. A cone-shaped prism with combined electric and magnetic fields is a flexible electron-optical system, which not only performs the functions of the three main components of the prototype, but also allows for significant improvement of its most important characteristics. The prism geometry is fully specified by the angles X, YH, Ye. The surfaces of the pole tips and magnetic screens of the - electrodes lie on the coordinate surfaces 11 -. -I) 212 and their boundaries coincide with the half-planes - ± - to j - ± where Y pE, f - spherical coordinate system associated with the Cartesian coordinate system x, y, g shown in the figure and the relations l; g sin o cos f g / g sin & sinxji, 2 rcosi3. The xz plane is the plane of symmetry of the prism and the instrument as a whole. In a cone-shaped prism, a combined electric and magnetic field is created, the scalar potentials of which depend only on the angular variables TE- and r |). In such a field, all trajectories of ions moving in the middle plane xy with the same energy and forming a parallel beam at the entrance to the prism will be similar, which ensures their parallelism at the exit from the prism. In this case, it is not at all necessary to pre-T, the position about the circular shape of the axial trajectory in the interpolar gap. The rejection of the circular shape of the axial trajectory allows for a fuller utilization of the isismatic properties of co-shaped fields. The magnetic field of the cone-shaped prism allows the ion beam to be wound at angles much higher than n and thus has a large angular dispersion in mass D. At the same time, the prism as a whole can deflect the ion beam at angles approximately equal to n. Mass spectrometer with such deflection angles The charged particles are extremely compact: its length is determined mainly by the focal length of the transaxial lenses, and the width is equal to the linear dimensions of the prism. (Such a device is shown schematically in Fig. 2). The focusing properties of the magnetic field of a cone-shaped prism give it another advantage over a two-dimensional magnetic prism, leading to new additional opportunities in connection with the requirement of vertical focusing of the ion beam. The cone-shaped magnetic field focuses the charged particles to the mid-plane throughout the gap between the pole tips, and not just in the region of the edge of the magnet, therefore, one can ensure the telescopic nature of the prism by having one, two or even three intermediate linear foci. Moreover, in the two and three-focus versions of the system with the same angles a, the angular dispersion of the cone-shaped prism is only due to the magnetic field.) “Is much larger than in the two-dimensional magnetic prism. So, for example, at 5 (10 °, and the usual for two-dimensional imams values of the angle of the telescopic 51-53 ° angle of the cone-shaped magnetic magnetic prism: 5-6 times more. The electric field in the conical prism performs the functions of two telescopic systems of the prototype : It dries out focusing of speeds and increases the angular dispersion of the mass presses, and also participates in the vertical focusing of the ion beam. The increase in the angular dispersion of the prism DI due to the electric field in the conical nrizme has the same character as in and at angles x 5–10 ° is well described by an approximate formula: D, D, where f and / are the angles of wear and refraction of the effective facets of the prism tt, and sin at I / F, sin / at Fo With the same potential potential — 1, the increase in the angular dispersion is the greater, the greater i, j. In irisses with l 5-10 °, the maximum possible value is / 60-65 °, which, if it is, allows an increase in Di but compared to D, in 2-2.5 Selection in a certain way of the magnetic field strength, the ratio of the potentials - and the geometric parametrs (1, X, UN, YB. It is possible not only to achieve the achromaticity and telescoping conditions with an optimal choice of the angles of entry of the ion beam into the prism, but also to significantly reduce second-order geometric aberrations, including curvature of spectral lines, which, in combination with a large angular dispersion in mass due to magnetic zero D-i and the maximum utilization of the possibilities of the electric field gives indisputable advantages to the proposed mass spectrometer in comparison with all known aialogues. When using a prism with,, x 10 °, 1 /, .3 and focal lengths of about 2 m in the focal length lens, the linear dyslers of the mass spectrometer is approximately 20,000 mm, and second-order geometrical aberrations produce a theoretical resolution of 15–20 million over the half-height of the peak with micron widths of the slots of the source and the ion receiver. With the same dimensions with the prototype, the dispersion of the proposed mass spectrometer is about 8 times larger. This means that using wider slots, it is possible to increase the sensitivity of the proposed device by 8 times with the same resolution or with the same slit by 8 times to increase its resolution. At odiakovyh with a prototype resolution and sensitivity dimensions of the proposed mass spectrometer can be reduced by more than 8 times. Claim 1. A prism mass spectrometer containing a source and a receiver of ions and collimator and focusing lenses arranged between them and a deflecting dispersing system, characterized in that, in order to increase the resolution and reduce the size of the device, the achromatic coi-like is used as the disserving system a prism with combined electric and magnetic fields, the surface of the pole pieces, the magnetic screens n of electrodes which is a conical surface, cut half-plane, passage shimp through the axis of the system. 2. The device according to claim 1, characterized in that the solution angle of the cone of the cone is at least 85 °, and the half-planes bounding the polar tips form a dihedral angle equal to at least 200 °. Sources of information taken into account during the examination 1. Kelman V. M., Rodnikova I. V., Uteev M. L. DAN USSR, 184, 831, 1969.

2. Matsuda N., Advan. Mass-Spectroscopy 5, 3, 1971.

3. USSR author's certificate number 353186, cl. G 01N 27/62, 1970.