(54) МАСС-СПЕКТРОМЕТР(54) MASS SPECTROMETER
Изобретение относитс к масс-спек рометрии за:р женных частиц, а именно к основному узлу масс-спектрометра анализатору зар женных частиц по массе . Известные магнитные масс-спектрометры можно разделить на два основных класса: с однородными и неоднородными аналиаирующими магнитными пол ми . Известен статический масс-спектро метр с однородным анализирующим магнитным полем, представл ющий собой секторный магнит. Он образован двум плоскими полюсами с пр молинейными границами, направленными вдоль радиусов . Величина удельной дисперсии (отношение линейной дисперсии к произведению электронно-оптического уве личени прибора на длину пути ионов от источника до приемника)секторного магнита на 1% изменени массы 13 . Недостатком данного анализатора вл етс низка дисперси , увеличение которой ведет к возрастанию массы магнита пропорционально кубу радиуса средней траектории зар женных частиц . Известен призменный масс-спектрометр с анализатором, представл ющим собой магнит, полюса которого имеют форму пр моугольников, выт нутых в одном направлении. Величина удельной дисперсии призменного масс-спектрометра на 1% изменени массы 5-7мм/мГ23. Недостатком такого прибЬра вл етс сравнительно мала дисперси и большие габариты, вследствие сильной выт нутости полюсов призмы в одном направлении, необходимой дл обеспечени двумерности пол . Наиболее близким техническим решением вл етс статический масс-спектрометр с неоднородным анализирующим аксиально-симметричным магнитным по-лем , содержащий источник ионов, ана3 лизатор в виде магнита с полюсами, приемник ионов и схему питани . Ана лизатор известного спектрометра обра зован двум коническими полюсами, расположенными под углом друг к другу . Напр женность магнитного пол в них спадает от центра к периферии, а закон изменени пол определ етс углом наклона полюсов и распределением плотности витков питающих катушек . Величина удельной дисперсии масс-спектрометра с неоднородным полем на 1% изменени массы 6-7 мм/м З Недостатком известного масс-спект рометра вл етс сравнительно мала дисперси , Кроме того, необходимость создани намотки со строго заданньм законом распределени витков ведет к погрешности в создании магнитного пол нужной конфигурации, что дополнительно приводит к снижению дисперсии . Цель изобретени - повьшение дис (Персности масс-спектрометра зар женных частиц без увеличени его габаритов . Цель достигаетс тем, что в массспектрометре зар женных частиц, содержащем источник ионов, анализатор в виде электромагнита с полюсами, .приемник и схему питани , анализатор выполнен в виде электромагнита с двум парами полюсов, расположенных симметрично относительно двух взаимно перпендикул рных плоскостей, причем каждые два противолежащих полюса имеют одинаковую пол рность, а ось источника ионов на входе в ана лизатор находитс на рассто нии, сос тавл ющем 0,2-0,6 рассто ни от оси анализатора до его полюсов. Поле такого анализатора имеет две плоскости симметрии и две плоскости антисимметрии и линейно растет от центра к полюсам, т.е. вл етс неоднородным. При впуске пучка зар женных частиц в поле анализатора пре лагаемого масс-спектрометра на рассто нии , составл ющем 0,2-0,6 рассто ни от оси анализатора до его по люсов, под углом, мен ющимс в пределах 0-1,2 рад. дисперси ло массе увеличиваетс за счет увеличени отклон ющего действи линейного магнит ного пол . Получено выражение дл дисперсии по массе (Ь) в горизонтальной XOZ 7 ПЛОСКОСТИ предлагаемого масс-спектрометра 3)::,l-I),)ShjbU+G,p.l. 4IlSl- a)5hibui-G lbl.l, где X р и Хр - координата и тангенс угла наклона центральной траектории на входе в поле; j. - эффективна длина пол ; G - рассто ние от выхода из пол до приемника. дe m, е масса, зар д и скорость иона; скорость света; значение скал рного магнитного потенциала на полюсах;. рассто ние от оси анализатора до его полюсов . Из формул следует, что дисперси увеличиваетс с ростом, ,G, Х Угол входа центральной траектории может быть Х 0 (пр мой вход) и xL О или XQ ) О (наклонный вход). Наибольша величина дисперсии имеет место при XQ 0. Так при (Jt, 2,0 G 0,8L, ,23L, х|, -0,2рад. дисперси в горизонтальной гшоскости DX 2,0. На фиг. 1 приведена схема предпагаемого спектрометра в горизонтальной (XOZ) и вертикальной (YOZ) плоскост х; на фиг. 2 - анализатор предлагаемого масс-спектрометра, поперечное сечение. Предлагаемый масс-спектрометр зарЯ женных частиц (фиг. 1) состоит из источника 1 зар женных частиц, анализатора 2, фокусирующих астигматичных электростатических линз 3 и 4 (в качестве которых могут служить цилиндрические , квадрупольные, скрещен1ше линзы), приемника 5 и схемы питани (не изображена). Магнитный анализатор 2 состоит из четырех одинаковЬк полюсов 6 с. питающими обмотками 7 и рма 8 (фиг. 2). Работа предлагаемого устройства состоит в следующем. Пучок зар женных частиц выходит из источника I, ось которого расположена под углом к границе магнитного пол анализатора 2. Величина, этого угла лежит в пределах ,2 рад. При этом рассто ние от оси источника ионов на входе в анализатор 2 до его оси составл ет 0,2-0,6 рассто ни от оси анализатора до полюсов. Далее пучок попадает в магнитный анализатор 2, в котором происходит разделение пучка по массам таким образом , что при данной магнитного пол ионы одинаковой массы попадают в приегдаик 5, При этом электростатические линзы 3 и 4 осуществл ют фокусировку по углу одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскост х . При использовании в схеме спектрометра в качестве фокусирующих астигматичиых электростатических.линз 3 и А (фиг. 1) квадрупольных линз и при режиме работы анализатора (PL 2,0; G 0,8L , Х, 0,23Ц и Хд -0,2) увеличение прибора в плоскости дисперсии MX 0,44, а обща длина пути ионов от источника до приемника S 2,8 U . Тогда Д°| 2 мм/м на 1% изменени массы, где d - угол между осью приемника 5 и осью Z. Полученна величина удельной дисперсии на пор док превышает удельную дисперсию масс-спектро1 етров с однородным полем и почти в два раза больше удельной дисперсии призменного массспектрометра , а также масс-спектрометра с неоднородным аксиально-симметричным магнитным полем.This invention relates to mass spectrometry for: particulate particles, namely, the main node of the mass spectrometer to the analyzer of charged particles by mass. The known magnetic mass spectrometers can be divided into two main classes: with homogeneous and non-uniform analyzing magnetic fields. A static mass spectrometer with a uniform analyzing magnetic field is known, which is a sector magnet. It is formed by two flat poles with straight linear boundaries directed along the radii. The value of the specific dispersion (the ratio of the linear dispersion to the product of the electron-optical increase in the instrument by the length of the ion path from the source to the receiver) of the sector magnet by 1% of the mass change 13. The disadvantage of this analyzer is a low dispersion, the increase of which leads to an increase in the mass of the magnet in proportion to the cube of the radius of the average trajectory of the charged particles. A prism mass spectrometer is known with an analyzer, which is a magnet, the poles of which are rectangular in shape, elongated in one direction. The value of the specific dispersion of a prism mass spectrometer is a 1% change in mass of 5-7mm / mG23. The disadvantage of such a device is a relatively small dispersion and large dimensions, due to the strong elongation of the prism poles in one direction, which is necessary to ensure a two-dimensional field. The closest technical solution is a static mass spectrometer with a non-uniform analyzing axially symmetric magnetic field containing an ion source, an analyzer in the form of a magnet with poles, an ion receiver and a power supply circuit. The analyzer of the known spectrometer is formed by two conic poles located at an angle to each other. The intensity of the magnetic field in them falls from the center to the periphery, and the law of variation of the field is determined by the angle of inclination of the poles and the distribution of the density of turns of the supply coils. The magnitude of the specific dispersion of a mass spectrometer with a non-uniform field of 1% mass change of 6-7 mm / m 3 The disadvantage of the known mass spectrometer is a relatively small dispersion. In addition, the need to create a coil with a strictly defined distribution law of coils leads to an error in creating magnetic field of the desired configuration, which additionally leads to a decrease in dispersion. The purpose of the invention is to increase the dis (power of the mass spectrometer of charged particles without increasing its size. The goal is achieved by the fact that in the mass spectrometer of charged particles containing an ion source, an analyzer in the form of an electromagnet with poles, a receiver and a power supply circuit, the analyzer an electromagnet with two pairs of poles located symmetrically with respect to two mutually perpendicular planes, with each two opposite poles having the same polarity, and the axis of the ion source at the entrance to the analyzer is It is located at a distance of 0.2-0.6 distances from the axis of the analyzer to its poles. The field of such an analyzer has two symmetry planes and two antisymmetry planes and grows linearly from center to poles, i.e. it is non-uniform When the beam of charged particles is injected into the field of the analyzer of the proposed mass spectrometer at a distance of 0.2-0.6 the distance from the axis of the analyzer to its pole, at an angle varying from 0 to 1.2 glad. the dispersion mass is increased by increasing the deflection effect of a linear magnetic field. An expression for the mass dispersion (b) in the horizontal XOZ 7 PLANE of the proposed mass spectrometer 3) ::, l-I),) ShjbU + G, p.l, is obtained. 4IlSl- a) 5hibui-G lbl.l, where X p and Xp is the coordinate and tangent of the angle of inclination of the central trajectory at the entrance to the field; j. - effective floor length; G is the distance from the exit from the floor to the receiver. m e, mass, charge and velocity of the ion; the speed of light; the value of the scalar magnetic potential at the poles; distance from the axis of the analyzer to its poles. It follows from the formulas that the dispersion increases with increasing,, G, X The angle of entry of the central path can be X 0 (direct input) and xL O or XQ) O (inclined entrance). The largest value of the dispersion takes place at XQ 0. So at (Jt, 2.0 G 0.8L, ..., 23L, x |, -0.2rad. Dispersion in the horizontal DX 2.0 layout. Figure 1 shows the diagram of the expected spectrometer in horizontal (XOZ) and vertical (YOZ) planes; in Fig. 2 —analyzer of the proposed mass spectrometer, cross section. The proposed mass spectrometer of charged particles (Fig. 1) consists of a source of charged particles, analyzer 2, focusing astigmatic electrostatic lenses 3 and 4 (which can be cylindrical, quadrupole, with better than the lens), receiver 5, and power supply circuit (not shown). Magnetic analyzer 2 consists of four equal poles of 6 sec. supply windings 7 and frame 8 (Fig. 2). The operation of the proposed device consists of the following. A beam of charged particles comes out of source I, whose axis is at an angle to the boundary of the magnetic field of the analyzer 2. The magnitude of this angle is within 2 radians. 6 distances from the analyzer axis to the poles. Next, the beam enters the magnetic analyzer 2, in which the beam is divided into masses in such a way that, with a given magnetic field, ions of the same mass fall into the primitive 5, while the electrostatic lenses 3 and 4 focus on the angle simultaneously in the horizontal and vertical planes . When used in the spectrometer scheme as focusing astigmatic electrostatic lenses 3 and A (Fig. 1) of quadrupole lenses and in the analyzer mode of operation (PL 2.0; G 0.8L, X, 0.23C and Xd −0.2) the increase in the instrument in the dispersion plane is MX 0.44, and the total path length of the ions from the source to the receiver is S 2.8 U. Then D ° | 2 mm / m for 1% mass change, where d is the angle between the axis of the receiver 5 and the axis Z. The resulting value of the specific dispersion is an order of magnitude larger than the specific dispersion of a mass spectrometer with a uniform field and almost twice the specific dispersion of a prism mass spectrometer, as well as a mass spectrometer with an inhomogeneous axially symmetric magnetic field.
Таким образом, предлагаемый массспектрометр зар женных частиц позвол ет увеличить дисперсию в 1,4-2,5 раза по сравнению с известными. При этом его удельна дисперси на пор док выше, чем у масс-спектрометров сThus, the proposed mass spectrometer of charged particles makes it possible to increase the dispersion by 1.4–2.5 times in comparison with the known ones. Moreover, its specific dispersion is an order of magnitude higher than that of mass spectrometers with
73307 673307 6
однородным полем, и в два раза больше , чем у масс-спектрометров с неоднородным полем. Кроме того, разрешающа способность предлагаемого масс5 спектрометра в шесть раз больше, а светосила (за счет пространственной фокусировки) на пор док выше, чем у масс-спектрометра с однородным полем при одинаковых габаритах аналиto заторов.homogeneous field, and two times larger than that of mass spectrometers with a non-uniform field. In addition, the resolution of the proposed mass5 spectrometer is six times greater, and the luminosity (due to spatial focusing) is an order of magnitude higher than that of a mass spectrometer with a uniform field with the same dimensions of the analyzers.