SU879677A1 - Омегатронный масс-спектрометр - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к области научного приборостроени , к технике измерени  масс ионов. Прецизионные измерени  масс ионов позвол ют полу чить информацию об эн.,ргии поко  стабильных и нестабильных возбужден ных долгоживущих  дер. Второе применение - измерение мо лекул рного веса однородных по А (А - масса  дра), пучков ионов т желых биологических молекул: А . Дл  прецизионного измерени  масс резонансным методом ионов измер ют циклотронную частоту иона в магнитном поле Но. 6 и 51- I-HO, где ZQ - зар д иона; Ду - его масса; g - зар д электрона; УУ1 р - атомна  единица массы. Измерению подлежит величина А атомный вес исследуемого  дра. Данн измерени  производ тс  в масс-спект рометрах типа омегатрон 1. Электронный пучок с энергией око ло 70 эВ, ведомый магнитным полем, ионизирует газ. На образующиес  положительные ионы действуе-г поперечное высокочастотное электрическое поле. Если частота генератора равна. частоте циклотронного резонанса исследуемого иона 51д, то проис}4одит резонансное нарастание скорости ионов и радиуса орбиты, ионы попадают на коллектор. Индикаци  резонанса ведетс  по максимуму тока коллектора. Наиболее близким по решению данной технической задачи  вл етс  омегатронный масс-спектрометр, включающий магнитную систему, внутри которой расположена цилиндрическа  камера с двум  электродами, подключенными к радиочастотным генераторам, входы которых соединены с синтезатором частоты, источник ионов и.детектор ионов, соединенный с системой индикации 2 . Устройство обладает большой погрешностью измерений, св занной со следующими причинами: наличием временного дрейфа магнитного пол  - измерени  различных ионов (с разными А) производ тс  не одновременно, магнитное поле может изменитьс  от измерени  к измерению, пространственной неоднородностью магнитного пол , рел тивистскими изменени ми массы двикущихс  ионов, наличием пол  объемного зар да, сдвигающего резонансную частоту, наличием паразитных магнитных полей в рабочем объеме и искажекием полей различными элементами. В частности, источником конструкции, таких полей  вл лась нить накала катода.

Кроме указанных недостатков, описанных в литературе, следует указать на недостаточную точность индикации резонанса, наличие газа в камере. Ионизируют не только электроны, но и ионы, в результате чего место по влени  иона - неизвестно.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности относительных измерений А дл  двух ионов до .

Отличительной особенностью предлагаемого устройства  вл етс  то, что в омегатронный масс-спектрометр, включающий магнитную систему, внутри которой расположена цилиндрическа  камера с двум  электродами, подключенными к радиочастотным генераторам входы которых соединены с синтезатором частоты, источник ионов и детектор ионов, соединенный с системой индикации, введена система модул ции времени полета ионов в камере, содержаща  двухчастотную систему генерации низкой частоты, а система индикадии имеет два фазовых детектора, входы которых соединены с детектором ионов и синтезатором частоты, а такж два синхронных детектора, каждый выход которых содержит индикатор резонанса , а входы соединены с фазовыми детекторами и выходами двухчастотной системы генерации низкой частоты

Выходы двухчастотной системы генерации низкой 11астоты соединены с электродами монохроматического источника ионов двух изотопов..

В устройство введены электрически yпpaвл e 1ыe аттенюаторы, включенные между синтезатором частоты и генераторами радиочастоты, соединенные с выходами двухчастотной системы генерации низкой частоты.

С целью устранени  вли ни  объемного зар да нерегистрируемых ионов в камеру введена система сброса нерегистрируемых ионов, выполненна  g виде полого стержн , расположенного по оси цилиндрической камеры.

На фиг. 1 и 2 показана схема устройства; на фиг. 3 показано распределение ионов по скорост м; на фиг. 4 - векторна  диаграмма.

Предлагаемое устройство состоит из двух ионных источников 1, одновременно подающих в цилиндрическую металлическую рабочую камеру 2 ионы с .атомным весом А и AI, отношение масс которых надо измерить. Ионный пучок входит в камеру через центральное отверстие в ее торцовой стенке. . В камере помещены два электрода 3,

соединен «ле с двум  радиочастотными генераторами 4, которые соединены с синтезатором частоты 5. Эле троды формируют переменное электрическое поле, вектор напр женности которого перпендикул рен оси камеры. В торце камеры помещен также детектор ионов с системой усилительных динодов и анодным электродом 6.Камера помещена в посто нное магнитное поле, создаваемое магнитной системой 7. Направление вектора магнитного пол  совпадает с осью камеры. Магнитна  систем изображена в виде сверхпровод щего соленоида. В схеме имеетс  также двухчастотна  система генерации низкой частоты 8, выходы которой соединены с управл ющими электродами ионных источников.

Двухчастотна  система генерации, низкой частоты содержит два генератора несоизмеримых частот (во избежание перекрестных помех), питаемых от общего задаю1цего генератора. Анодный электрод детектора ионов соединен с усилителем, к выходу которого подсоединены фазовые детекторы 9 , к выходу которых подключены синхронные детекторы 10. Синхронные детекторы подключены также к выходам двухчастотной системы генерации низкой частоты 8. К выходам синхронных детекторов подключен стрелочный прибор 11,  вл ющийс  регистратором резонанса.

Устройство работает следующим образом.

Ионы с атомным весом А и А 2, значени  которых нужно также измерить , подаютс  из ионных источников в рабочий объем через отверстие на оси цилиндра. Под действием электрического пол  двух частот О. и SiL. возбуждаемых электродами, соединенными с генераторами радиочастот, ионы двигаютс  по ларморавским орбитам увеличивающегос  радиуса. В пространстве орбиты образуют коническую поверхность. Далее резонансные ионы попадают на детектор ионов, который состоит из катодного электрода , пада  на который, ионы выбивают вторичные электроны. Далее электроны усиливаютс  динодной системой за счет вторичной эмиссии, как в фотоэлектронном умножителе, и усиленный ток попадает на анодный электрод Как показано ниже, при точном резонансе фаза ионного тока на детекторе не зависит от времени пролета ионов, а при уходе от резонанса знак фазы зависит от знака растройки . При подаче переменного напр жени  на ионный источник модулируетс  скорость иона и, следовательно, врем  пролета, причем, как это видно из схемы, частота модулирующего напр жени  - сво  дл  каждого из двух источников. Модул ци  времени пролета вызывает фазовую модул цию радиочастотных компонент тока детек тора ионов, котора  и по вл етс  на выходе фазовых детекторов 9 изатем она вьщел етс  синхронным детектором 10. Напр жение на выходе синхронного детектора по абсолютной величине и по знаку дает полную информацию о расстройке. Возможен вариант схемы , при котором напр жение фазового детектора, управл   синтезатором, сводит расстройку к нулю. При резонансе Я.йд, измер   отно шени  частот, наход т отношение масс Ад . Л, Дл  легких  дер в это соотношение нужно ввести множитель, учитывающий рел тивистские поправки. Поскольку объемный зар д отсутствует и все частицы двигаютс  по одинаковому кор пусу траекторий, эти поправки могут быть вычислены точно. Эти вычислени  и результат не вли ют на конструкцию устройства и поэтому не будут приводитьс  . Изложим кратко теорию прибора и приведем обоснование ожидаемой погрешности . Направим ось Z вдоль магнитного пол  и обозначим - X + Hv тогда нерел тивистские уравнени  движени  иона будут: V-|;r где ЕО составл юща  поперечного высокочастотного пол  круговой пол ризации , остальные компоненты не резонанс .ные и могут опущены. При этом необходимо отметить, что объемных зар дов практически нет и посто нных электрических полей в рабочем объеме прибора тоже нет. Так как, как уже отмечалось, посто н ных полей вдоль оси Z нет, то Z - z. const. В формуле 51 - циклотронна  частота, 51 - частота генератора . Из формулы (1) получаем точное соотношение: JE(.t)e- And, 1 оJ -начальна  поперечна  ско рость; -пролетное врем , координат частицы имеем: .Ч,. где о - координата центра ларморовс кой окружности. ( 1) В простейшем случае, когда переменное поле однородно по рабочему объему, формула (2) дает: - ТЕ/|@е е- ое й 51-$1д J где в - пролетна  фаза; 20 - ДТ . В общем случае, когда переменное поле неоднородно вдоль оси Z войдет эффективное пролетное врем  Т - Тдфф Потребуем, чтобы дл  ионов с заданным А выполн лось бы грубое условие резонанса: 0 , siki . Тогда: к TE. Второе слагаемое значительно меньше первого, мы его опустим и учтем только при анализе погрешности прибора. Дл  радиуса орбиты получаем: .1 --СТ Sl При переходе к другим ионам мен етс  А , причем различные ионы, как указывалось выше, желательно сравнивать одновременно в одном и том же магнитном поле Но При всех оценках ниже мы будем исходить из значени  магнитного пол  70 Кое, что требует сверхпровод щего соленоида . При этом дл  протонов 51 100 Мгц. Эксплоатачионно удобнее, чтобы и конструкци  прибора, и магнитное поле не мен лись при переходе к другим ионам. (I) есть рассто ние детектора ионов от оси, поэтому необходимо, чтобы, const --и где Т- пролетное врем , определ емое .ускор ющим напр жением ионного пучкам ЕО амплитуда высокочастотного .пол . Желательны большие Т , и следовательно, малые ускор ющие напр жени . Примем, исход  из технических ограничений, минимальное значение энергии ионов -0,1-1 эВ. При энергии протона 0,1 эВ и длине камеры 1 м врем  пробега-2 , следовательно, npoTOit делает 2-10 оборотов. Если использовать, как будет указано , только медленные протоны, то число оборотов возрастает примерно-на пор док. Больша  длина камеры уменьшает плотность объемного зар да и вызванную им погрешность . При заданной энергии ионов: T-YA Если пучок не  вл етс  монохроматическим по U-3r, то будет некое распределение по скорост м и, следовательно , по рс1диусу, показанное на фиг.З, Конечные размеры детектора ионов, как это видно из фиг. 3, привод т к тому, что регистрируетс  только часть пучка, более монохроматическа , чем весь пучок.

Дл  кинетической энергии, приобретаемой ионом в высокочастотном поле, легко получить формулу:

Е,-Ь-(еЕсТ ,

(8)

toэнерги  поко  иона.

где

Заметим, что в силу (7) пространственные , траектории различных ионов совпадают и тем вли ние пространственной неоднородности магнитного пол  в значительной степени исключаетс .

Число оборотов N резонансного иона равно:

J

.

N С9) тГГ

Высокочастотное поле группирует ионы в сгустки, причем сдвиг фаз между скоростью иона и полем равен, согласно формуле (4):

.„ -

-XVJ ц, -

и поэтому в качестве услови  реЭонанса -О можно вз ть

ЭМ

(Ю)

-О ЭТ

Условие (10) устанавливаетс  методами микрофазометрии: подаетс  на электроды ионного источника небольшое переменное напр жение низкой частоты, тем самым модулируетс  скорость ионов и тем самым врем  пролета:

T-TQ И -f-cA COSD-b),

где cL - коэффициент модул ции

Л - частота модул ции. Дл  переменной компоненты фазы имеем:

--

При синхронном детектировании переманной компоненты фазы с низкочастотным напр жением, подаваемым на ионный источник, можно определить величину и знак расстройки и точно настроитьс  в резонанс, что и реализуетс  схемой, показанной на .

Микрофазомётрические измерени  полностью исключают временные нестабильности и позвол ют одновременно работать с несколькими сортами ионов на электроды можно одновременно подавать несколько высокочастотных напр жений, допускаетс  также Параллельна  работа нескольких детекторов . При этом измерение массы свелось к измерению частоты, эталон частоты в насто щее врем  один из наиболее точных. При одновременных измерени х двух типов ионов нестабильность магнитного пол  не важна, важно только качество - ширина линии используемого синтезатора частоты.

Если минимально измерима  аппаратурна  фаза есть О Ч, то дл  погрешности имеем

cS( ,

ИЗ)

что дл  относительной погрешности измерений массы дает:

-

л

(14)

А тем

Порог чувствительности микрофазометрических методов измерени  определ етс  флуктуаци ми. Эти пороги практически достигнуты в целом р де устройств, расхождение между теоретическим и экспериментальным значением не превышает 10.

Рассмотрим теперь величину (f(f . Принципиально возможное разрешение по фазе определ етс  двум  факторами разбросом фаз ионов в сгустке, св занным с начальными скорост ми, и о временным разрешением системы индикации .

Рассмотрим оба фактора.

1. Как видно из векторной диаграммы фиг, 4, средний разброс фаз дл  единичного иона равен 5

. 1

с - Awip f 1C о7

К

)

f

А

Пр

где 2 - средн   начальна  энерги  поперечного движени  иона с рабочей пол ризацией, на входе в прибор;

к - энерги  поперечного движени  ионов на входе, около детектора Дл  работы детектора необходимо f

1 кэВ, поэтому дл  протонов (с100 кэв. УИр

Примем 0,1 эВ. Тогда дл  иона с А 1: „

Cff 0,001

В силу сказанного выше . При измерении на многих ионах погрешность благодар  статистическому усрнению уменьшаетс  в /й раз, где величина И равна:

(W

Claims (4)

1. М« где D - регистрируемый ионный ток; С - врем  усреднени . При оценках вбзьмем ток 1,6 нА, и врем  усреднени  пор дка 100 с. При N 10 и о(. 0,1 это дает -2.0-. и, следовательно, дл  т желых  дер имеем разрешение 2 , Дл  т желых молекул при А 10 относительное разрешение тг-2 -10 и абсолютное разрешение /v 1, что доста точно дл  любых биохимических приложений , 2. Временное разрешение системы индикации ( определ етс  как дли тельно,сть раст нутого импульса на выходе системы, в который превращаетс  идеально короткий импульс на ее входе. При ударе единичного иона cTtTo получаетс  усреднением по многим ионам. Дл  лучших динодных систем, использующих- вторичную электронную эмиссию, (f tT - 10 9 -10 Динодна  система, используема  дл  индикации, должна работать в сильном магнитном поле. Сильное ма нитное поле может быть использовано дл  улучшени  временного разреш ни  . Погрешность по фазе дл  единичного иона равна: ( fif-ad o Дл  большого количества ионов прои ходит статистическое усреднение: л. Дл  тех же условий, что и ранее, -при А 1,51 ( . Так KaK5l iTO{ft;j,. Дл  отно сительной погрешности измерени  ма сы имеем: .4- (20 А Т/А Заметим, что фаза соответствует временному интервалу ,1,6. 10- с. Устройство, в-котором монохрома заци  пучка производитс  в процесс работы, показано на фиг. 2. Модул ци  времени пролета осуще вл етс  с помощью модул ции высоко частотного напр жени  -Ео« Дл  это между синтезатором частоты 5 и генераторами 4 включен управл емый Аттенюатор 12, соединенный с двухЧастотной системой генерации низкой . частоты 8, а на ионные источники никаких напр жений от двухчастотной системы генерации низкой частоты 8 не подаетс . При подаче напр жени , .низкой частоты на аттенюаторы 12 мен етс  их затухание, в результате чего возникает амплитудна  модул ци  выходного напр жени  генераторов радиочастот . В силу соотношени  (6) при этом возникает модул ци  времени пролета. Далее устройство работает также, как и- описано выше. Така  возможность имеетс , как этовидно из формулы (6) и фиг. 2. Дл  повышени.  точности измерени  нужно иметь большие N . Дл  этого выдел ют методом, разобранным выше, медленные ионы из пучка. При этом медленных ионов в пучке значительно меньше, чем быстрых. Дл  получени  достаточного тока регистрируемых медленных ионов необходимо .иметь существенно больший ток пучка, что св зано с возникновением объемного .зар да и по влением соответствующей погрешности. Дл  устране 1и  объемного зар да коллектор быстрых ионов должен быть расположен вблизи отверсти  ионного источника, тем самым в остальном объеме быстрые и нерезонансные ионы отсутствуют, а ток медленных ионов « 1-10 нА достаточно мал и, следовательно, объемный зар д тоже мал. Дл  этого на оси камеры расположен стержень, выполн ющий роль коллектора ионов, укрепленный на- торце, противоположном отверстию источника ионов. При этом торец упом нутого стержн  отстоит от отверсти  в торцовой стенке камеры на рассто нии 1,, определ  емом соотношением где N1. - продольна  скорость регистрируемых протонов; . Т - радиус стержн ; С - скорость света; HO напр женность магнитного пол ; Е - напр жение электрического пол  при измерени х протонов. Предложенное, техническое решение позвол ет повысить точность измерений масс ионов при Д менее 100-200 на 2-3 пор дка. Изобретение может быть использовано при проведении прецизионных измерений масс нуклидов и т желых молекул рных ионов в физических и биохимических исследовани х. Формула изобретени  1. Омегатронный масс-спектрометр, включающий магнитную систему, внутри,

   которой расположена цилиндрическа  камера с двум  электродами,подключенными к радиочастотным генераторам, входы которых соединены с синтезатором частоты,чсточник ионов и детекто частоты, источник ионов и детектор ионов, соединенный с системой индикации , отличающийс  тем, НТО, с целью повьллени  точности измерений , в устройство введены система модул ции времени пролета ионов в камере, содержаща  двухчастотную систему генерации низкой частоты, а система индикации имеет два фазовых детектора, входы которых соединены с детектором ионов и синтезатором частоты, а также два синхронных детектора , каждый выход которого содержит регистратор резонанса, а входы соединены с фазовыми детекторами и выходами двухчастотной систег-лл генерации низкой частоты.
2. 2. Устройство по п. 1, о т л ичающеес   тем, что выходы двухчастотной системы генерации низкой частоты соединены с электродами

   монохроматического источника ионов двух изотопов.
3. 3. Устройство по п. 1, о т л ичающеес   тем, что в устройство введены электрически управл еfvttje аттенюаторы, включенные между cинтeзaтopo : частоты и генератором радиочастоты, соединенные с выходам двухчастотной системы генерации низкой частоты.
4. 4.Устройство по пп.1,3, о т л и чающеес   тем, что, с целью уменьшени  вли ни  объемного зар да нерегистрируемых ионов, в камеру введена система сбора нерегистрируемых ионов, выполненна  в виде полог стержн , расположенного по оси цилиндрической камеры.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   1.Патент США f 2.868.986, кл. 250-41.9, опублик. 1954.

   2.Н. Sommer, Н.А. Thomas, I.A.Hр е The measurement of e/m by Cyc&otron Resonance. PhysicaC Review 1.82, 1951, p. 697 (прототип