Масс-спектрометр

 

1. МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий источник ионов, за которым установлен дипольный магнитный анализатор с межполюсным зазором в форме клина, усеченного двумя плоскостями, ортогональными к образующим и к плоскости симметрии клина, электростатический анализатор типа электрическое зеркало, диафрагму и коллектор ионов, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, входная-выходная прямолинейная граница магнитного анализатора установлена параллельно оси симметрии электростатического анализатора и гребень клиновидного межполюсного зазора магнитного анализатора совмещен с осью симметрии электростатического анализатора, диафрагма с проходными отверстиями установлена вдоль оси симметрии, при этом расстояния от оси симметрии электростатического анализатора до входной-выходной прямолинейной границы магнитного анализатора г и до внутреннего электрода электростатического анализатора г удовлетворяют соотношению e./ E-T 052N/(S-l), где N - число пар проходных отверстий в диафрагме,расстояние между входным и выходным отверстиями в каждой паре проходных отверстий/ равно при входе в электростатический анализатор е1-г5, каждое последукицее входное отверстие смещено на расстояние dg , 40 5,86 г от предыдущего входного отверстия, где СО 5,86 Гд - расстояние между входным и выходным отверстиями в каждой паре проходных отверстий при входе в магнитный анализатор, а ось отверстия источника ионов направлена под углом 45 к оси симметрии электростатического анализатора. 2. Масс-спектрометр поп. 1, отличающийся тем, что в межполюсном зазоре магнитного анализаvj тора установлены кОрректирукяцие секда со ступольные-октупольные катушки. ; 3. Масс-спектрометр по п. 1, о тличающийся тем, что, с це00 лью повышения аксептанса и упрощения конструкции, вблизи диафрагмы устасо новлена короткофокусная электрическая или магнитная линза с фокусом, лежащим в плоскости первого входного отверстия диафрагмы.

СОКИ СОВЕТСНИХ

М4 ЛФ Ю

РЕСПУБЛИК

Q9) (И) 3(5р Н 01 Ю 43/30

1 с, .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

"6 "Е = 0,52 Н/(й-1) где N - число пар проходных отверстий в диафрагме, расстояние между входные и выходным отверстиями в каждой паре проходных отверстий равно при входе в электростатический анализатор д =5,40г „и каждое последующее входное отверстие смещено на расстояние дв -d8-5,40t«- 5,86 ге„от преды- g дущего входного отверстия, где

5,86 fg„ - расстояйие между входным и выходным отверстиями в каждой паре проходных отверстий при входе в магнитный анализатор, а ось отверстия источника ионов направлена под уг- . Я лом 45 к оси симметрии электростатического анализатора.

2. Масс-спектрометр по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что в межполюсном зазоре магнитного анализатора установлены корректирующие секступольные-октупольные катушки. © .)

3. Масс-спектрометр по п. 1„ о тл и ч а ю шийся тем, что, с це лью повышения аксептанса и упрощения QQ конструкции, вблизи диафрагмы установлена короткофокусная электрическая или магнитная линза с фокусом, лежащим в плоскости первого входного отверстия диафрагмы.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИВ (21) 3428993/18-21 (22) 20.04.82 (46) 28.02.84. Бюл. Р 8 (72) Н.И. Тарантин (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 621.384(088.8) (56) 1. Бейнбридж К.Т. Динамика и оптика заряженных частиц. — В кн. Экспериментальная ядерная физика, т. 1. М., 1955, с. 496.

2. Зашквара В.В., Демин В.Н. Двойная фокусировка в системе электрического и магнитного полей типа 1/и, ЖТФ, 44, 1974, с. 1961. (54) (57) 1. МАСС вЂ” СПЕКТРОМЕТР, содержащий ис-.очник ионов, за которым установлен дипольный магнитный анализатор с межполюсным зазором в форме клина, усеченного двумя плоскостями, ортогональными к образующим и к плоскости симметрии клина, электростатический анализатор типа электрическое зеркало, диафрагму и коллектор ионов, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, входная-выходная прямолинейная граница магнитного анализатора установлена параллельно оси симметрии электростатического анализатора и гребень клиновидного межполюсного зазора магнитного анализатора совмещен с осью симметрии электростатического анализатора, диафрагма с проходными отверстиями установлена вдоль оси симметрии, при этом расстояния от оси симметрии электростатического анализатора до входной-выходной прямолинейной границы магнитного анализатора в„ и до внутреннего электрода электростатического анализатора „ удовлетворяют соотношению

107 6983

Изобретение относится к массспектрометрии высокого разрешения для анализа элементного состава вещества и измерения масс атомных ядер и может быть использовано в научных исследованиях различных направлений и для контроля производственных процессов, требующих элементного анализа вещества.

Известны масс-спектрометры высокого разрешения с фокусировкой ионов по скорости, содержащие источник ионов, магнитный и электростатический анализаторы, коллектор ионов(1).

Недостатком масс-спектрометров этого типа является сложность профилей полюсных наконечников дипольного магнита и электродов электростатического анализатора, вызванная требованиями обеспечения хорошего качества пространственной фокусировки пучка ионов и фокусировки по скорости.

Известен частный вариант массспектрометра с фокусировкой ионов по скорости, содержащий источник ионов, в качестве магнитного анализатора дипольный магнит с клиновидным межполюсным зазором и в качестве электростатического анализатора цилиндрическое электрическое зеркало, более простые по профилю полюсов и электродов, диафрагму и коллектор ионов 32)

Недостатком масс-спектрометра является неполное использование дисперсных возможностей магнитного и электростатического анализаторов из-за невозможности многооборотного движения анализируемых ионов в массспектрометре, обусловленного расположением оси электрического анализатора и входной-выходной прямолинейной границы магнитного анализатора под углом 45 друг к другу.

Цель изобретения — повышение разрешающей способности масс-спектрометра в результате усиления дисперсионного действия магнитного анализатора масс-спектрометра путем осуществления многооборотного движения ионов.

Поставленная цель достигается тем, что в масс-спектрометре, содержащем .источник ионов, за которым установлен дипольный магнитный анализатор с межполюсным зазором в форме клина, усеченного двумя плоскостями, ортогональными к образующей и к плоскости симметрии клина, электростатический анализатор типа электростатическое зеркало, диафрагму и коллектор ионов, входная-выходная прямолинейная граница магнитного анализатора установлена параллельно оси симметрии электростатического анализатора и гребень клиновидного

ЗО

60 межполюсного зазора магнитного анализатора совмещен с осью симметрии электростатического анализатора, диафрагма с проходными отверстиями установлена вдоль оси симметрии, при этом расстояния от оси симметрии электростатического анализатора до входной-выходной прямолинейной границы магнитного анализатора „ и до внутреннего электрода электростатического анализатора „ удовлетворяю соотношению

r „!r „=0,52И/(И-1), где Й - число пар проходных отверстий в диафрагме, расстояние между входным и выходным отверстиями в каждой наре проходных отверстий при входе в электростатический анализатор равно d = 5,40 и каждое последующее входное отверстие смещено на

Расстояние дЕ-йи-5,40 „-5,8б „ от предыдущего входного отверстия, где 5,8б 6„- расстояние между входным и выходным отверстиями в каждой паре проходных отверстий при.входе в магнитный анализатор, ось эмиссионного отверстия ионного источника направлена под углом 45О к оси симметрии электростатического анализатора.

Кроме того, в межполюсном зазоре магнитного анализатора установлены корректирующие секступольно-октупольные катушки. При этом вблизи диафрагмы установлена короткофокусная электрическая или магнитная линза с фокусом, лежащем в плоскости первого входного отверстия диафрагмы.

Теоретическое обоснование приведенных выше необходимых значений параметров масс-спектрометра дается ниже.

На фиг. 1 и 2 представлена схема предлагаемого масс-спектрометра в двух взаимно перпендикулярных сечениях.

Устройство содержит корректирующие секступольные-отупольные катушки 1, магнитный анализатор 2 с дипольным магнитом с межполюсным зазором B форме клина, усеченного двумя плоскостями, ортогональными к образующим и к плоскости симметрии клина, коллектор 3 ионов, установленный за диафрагмой 4 с рядом проходных отверстий и электростатическим анализатором 5 типа . цилиндрическое зеркало, источник б ионов, за которым установлена линза 7.

Ось Z является одновременно осью симметрии электростатического анализатора и ребнем межполюсного клиновидного зазора.

Масс-спектрометр работает следующим образом.

1076983

40 в/2 ф ф -Kcoos — 8 8 IC SМ бО 3 =2кил — â 1- ов — â е. 2 ОВИе бО в 2 т о

Фв фв/2 с В Z Г 2 Ксов4) Kcos9

+Ке сов ())e

С помощью формирующей ускоряющей системы источника 6 и линзы 7 на оси симметрии 2 создается стигматический фокус пучка ионов. Возможно также размещение ионного источника вблизи диафрагмы с начальным фокусом пучка, лежащим на оси Z . Электростатический анализатор отклоняет пучок ионов на угол Ф(=90, обеспечивая при этом стигматическую фокусировку пучка на оси,Z и диспергирование ионов по энергии. условие фокусировки по углу расходимости ионов в радиальной плоскости { в плоскости фиг. 1) для источника и приемника, расположенных на оси Z, есть

4 2-2+<5 f e ere(2 Е

2 2 2 2

4(+zlzz ) (3 ° 2f )e) е 1(1) ФЕ Ц где f=-в1ы — Е " значение

2 ЕогЕ„ о радиальной составлякщей.электрического поля на поверхности внутреннего заземленного электрода зеркала; г „ - радиус кривизяы внутреннего электрода зеркала; 0 - ускоряющий потенциал ионного источникау

2 егf®==гиг e dt - интеграл, совпао дающий с известным табулированньм интегралом вероятности из теории случайных распределений. Из приведенного условия следует, что для . обеспечения угловой фокусировки пучка частиц в радиальной плоскости при Ф -90 необходимо, чтобы В = 0,825

E о ге 1=-0, 7 4 О.

Фокусировка в азимутальном сечении пучка ионов обеспечивается в силу цилиндрической симметрии топографии электрического поля зеркала.

Расстояние между начальным и конечным фокусами пучка ионов вдоль оси 2 после отклонения на угол фЕ-90 определяется по формуле

2 ) 4 Е 2 1+ в ®)гЕ1с 4 Я из которой при f =0,825 и Ф =90.. о следует ЫЕ= 5, 40.ге1, Коэффициент дисперсности ионов.по скорости вдоль нормали к оси пучка выражается формулой

" <(2) i(1+2) )a) erf(()), которая при указанных выше значениях

7 60 ге.

После электростатического анализатора пучок ионов отклоняется магнитным анализатором на угол фВ- 270 являющийся дополнительным до йолного оборота ионов на угол 360 . При этом обеспечивается вновь стигматическое фокусирование пучка на оси Z, диспергнрование ионов по массе и обратное по отношению к действию электростатического анализатора диспергирование ионов по скорости.. Дополнительно к этому создается промежуточная перетяжка пучка по азимутальной координате при промежуточном угле отклонения 135

Параметры магнитного анализатора, производящего указанные преобразования пучка ионов, определяются из условия радиальной фокусировки в поле тороидального типа, образуемом

20 дипольньм магнитом с зазором в виде плоского клина. В =Во „/г где В

)меридиональная составляющая индукция магнитного поля на расстоянии )e)x " оси 2, B - значение этой составляю-,, 25 щей на расстоянии гв1от оси Z . Это сводится к требованию в

2 Фв ксовУ в

К= К2 +вы — cos() e 4 +сов—

2 2

=0

--2 В

2 .д К «Вр, В гй,, Вр «магнитная жесткость анализируемых ионов. Дополни35 тельно к условию: радиальной фокусировки требуется выполнение условия зимутальной фокусировки с промежуточо,. юй перетяжкой при угле отклонения 135 В фв/2 ф Kcos— в -Ксов() .

2" е " в а) :о о

Совместное рассмотрение этих двух условий дает ФВ = 270 при ВОгВ1=

45 =1,02 Вр.

Расстояние вдоль оси Z между входным и выходным фокусами магнитного анализатора задается формулой

-совв фв фв/2

2 Г КсовУ

3 =2) е K) сов())е 8Y .

В В1

) о

В рассматриваемом случае 4в - 5, 86 8. °

Коэффициент дисперсии магнитного анализатора вдоль нормали к оси пучка выражается формулой

1076983 при U-const и при диспергированки по массе и в два раза большей величиной при диспергкровании по скорости. Для рассматриваемого магнитного анализатора эта формула дает

3 -7,30 8„ по массе к 98=14,б0) „ по скорости.

Описанное двкжение ионов повторяется К раз в электростатическом анализаторе и 5-1 раэ в магнитном.

На фиг. 1 представлено И=4. 30

Выбором параметров 8< к A обеспечивается полная взакмйая компенсация диспергирования ионов по скорости электростатическим и магнитным анализатором в конечной точке движе- 15 ния ионов на коллекторе 3, т.е. обеспечивается фокусировка по скорости. Условием этого является выпол- . ненке равенства

ND -(й CIS - D, 20 ( из которого следует условие

ЪЙ Е1 =0 52 и / (й-1) .

Дисперсия ионов по массам, обус- 25 ловленная действием только магнитного анализатора, суммируется после каждого отклонения пучка в магнитном поле.

Предлагаемый масс-спектрометр yg допускает дополнительные улучшения

его характеристик..Поскольку пучок ионов имеет аэкмутальную перетяжку в местах наибольшей радиальной ширины пучка в магнитном поле анализато- 35 ра, возможно эффективное пркменение в этих местах корректирующих секступольных-.октупольных катушек 1 для исключения аберраций второго к третьего порядков и улучшения таким обраI зом разрешающей способности массспектрометра. На рисунках представлены секступольные катушки с указанной полярностью для исключения имеющейся в этом случае отрицательной квадратической угловой аберрации.

Для улучшения аксептанса массспектрометра и более удобного расположения источника ионов вне узкого зазора между анализаторами вблизи диафрагмы установлена короткофокусная электрическая или магнитная линза с действительньм или мнимым фокусом в плоскости первого входного отверстия диафрагмы. На фиг. 2 представлен вариант расположения линзы с действительным фокусом.

Таким образом, многократное использование магнитного и электростатического анализатора в предлагаемой конструкции масс-спектрометра позволяет существенно увеличить дисперсию прибора, обеспечивая при этом фокусировку конов по скорости. Это дает воэможность создать более компактный масс-спектрометр с высоким разрешением. Как показывают расчеты, масс-спектрометр этого типа с магнитным анализатором с максимальным радиусом кривизны траектории 15 см и соответствующим электростатическим анализатором при пяти отклонениях пучка ионов в магнитном поле обеспечивает дисперсию 21 мм на один проЦент изменения массы ионов, эквивалентную дисперсии масс-спектрометра с однократньм отклонением пучка ионов с радиусом кривизны 200 см.

Достижимая раэрешакщая способность такого прибора может составить несколько сот тысяч.

1076983

Составитель Н. Алимова

Редактор А. Власенко Техрец И.Асталош Корректор А. Повх

Заказ 762/50

Тираж 683 Подписное

ВНИЯПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4