Масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного поля

 

Изобретение может быть использовано при проведении количественных и качественных анализов веществ, изучения механизма химических реакций. Цель изобретения - увеличение разрешающей способности и чувствительности и упрощение конструкции. Масс-спектрометр обеспечивает многократное прохождение ионами магнитного поля, что позволяет значительно увеличить дисперсию по массе. Выполнены условия пространственной фокусировки и фокусировки по энергии ионного пучка. Пучок ионов из источника 1 ионов поступает в магнитное поле 3. После отклонения пучок попадает в замедляющее поле электростатической отражающей системы, состоящей из электродов 4 - 6. Ионы тормозятся, меняют направление движения и снова возвращаются в магнитное поле. После многократного прохождения магнитного поля ионы заданной массы детектируются в приемнике 2. 2 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (1)) А1 (51)4 Н 01 J 49/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

C ф

:В>

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4268086/24-21 (22) 26.06.87 (46) 30,11.89. Бюл. Р 44 (71) Институт ядерной физики

АН КазССР (72) Л.Г.Бейзина, С.П.Карецкая и В.N.Êåëüìàí (53) 621 ° 384.6.(088.8) (56) Фортян М., Бариль N. Приборы для научных исследований, 1972, т. 43, У 8, с. 73-83. (54) МАСС-СПЕКТРОМЕТР С МНОГОКРАТНЫМ

ПРОХОЖДЕНИЕМ HOHANH МАГНИТНОГО ПОЛЯ (57) Изобретение может быть использовано при проведении количественных и качественных анализов веществ, изучения механизма химических реакций.

Цель изобретения — увеличение разрещающей способности и чувствительно2 сти и упрощение конструкции. Массспектрометр обеспечивает многократное прохождение ионами магнитного поля, что позволяет значителвно увеличить дисперсию по массе. Выполнены условия пространственной фокусировки и фокусировки по энергии ионного пучка. Пучок ионов из источника 1 ионов поступает в магнитное поле 3. После отклонения пучок попадает в замедляющее поле электростатической отражающей системы, состоящей из электродов 4-6. Ионы тормозятся, меняют направление движения и снова возвращаются в магнитное поле. После многократного прохождения магнитного поля ионы заданной массы детектируются в приемнике,2. 2 ил., l табл, 1525774

Изобретение относится к технике масс-спектрометрии и может быть использовано для проведения количест венных и качественных анализов ве20

35

50 ществ, изучения механизма химических реакций и в других случаях, когда необходимо прецизионное измерение масс атомов и молекул.

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности и чувствительности и упрощение конструкции масс-спектрометра с многократным прохождением ионами магнитного поля.

На фиг,I схематически изображен масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного поля в про -.кции на среднюю плоскость; на фиг.2 — то же, в проекции на плоскость, перпендикулярную к средней.

Масс-спектрометр состоит из источника 1 и приемника 2 ионов, магнита 3 с круглыми полюсами и трех двухпластинных электродов 4-6, составленных из частей плоских колец.

Электродная система и магнитные полюса обладают вращательной симметрией относительно общей оси, проходящей через центр магнитных полюсов перпендикулярно к средней плоскости, являющейся плоскостью симметрии магнитной и электростатической систем, Предлагаемый масс-спектрометр работает следующим образом, Исследуемое вещество, масс-спектральный состав которого требуется определить, преобразуется источником

I ионов в ионный пучок, который поступает в магнитное поле магнита

3 с эффективным радиусом К под углом

Я, отклоняется, разлагается по массам и энергиям ионов и выходит из поля под тем же углом Е, Магнитное поле обеспечивает стигматическую Д фокусировку пучка, Его дисперсия по массе, равная дисперсии по энергии, Ъ = 2 = R(2 + ctg F) .sinE, где радиус траекторий ионов в магнитном поле. Затем пучок попадает в электростатическую систему, на электроды которой поданы потенциалы, тормозящие ионы при движении в направлении от центра системы. В поле, образованном внутренним 4 и средним

5 электродами, ионы уменьшают свою энергию, но продолжают двигаться наружу, в поле, образованном средним

5 и внешним б электродами, ионы тормозятся, меняют свое направление движения и возвращаются в магнитное поле, При выполнении соотношения

Rq@ sinF

Г cos

При одном отражении в электрическом поле дисперсия по энергии равна D, После вторичного прохождения магнитного поля дисперсия по массе удваивается и при повторных прохождениях растет пропорционально их числу, Поле электростатической системы осуществляет фокусировку пучка в двух взаимно ортогональных направлениях, что обеспечивает значительную величину светосилы прибора. Если услоf -совЕ а вие — = — ---- (4 + ctg E) выполR. 4 нено, то фокусы магнитной и электростатической системы оказываются совмещенными и в приборе достигается стигматическая. фокусировка пучка, D

При выполнении соотношения

R и 2 (2 + ctg Я), з1пЕ для и проходов в магнитном поле и (n — 1) отражений в электрическом поледисперсии по энергии этих полей становятся равными nD = (n — 1)D и компенсируют друг друга, в масс-спектрометре достигается фокусировка по энергии. В приемное устройство 2 попадают ионы заданной массы, независимо от,их энергии. Изменяя напряженность магнитного поля, можно снять спектр ионов по массам, Общая дисперсия прибора по массе П = nD = окц

= 2n

Приведенная совокупность признаков обеспечивает значительное упрощение конструкции электростатической системы, дает воэможность изменения пространственного распределения электрического поля и подстройки прибора путем вариации потенциалов на электродах отражающей системы; обеспечивает свободу движения ионов по в сему конно-оптическому тракту,.на их пути не встречаются ни сетки, ни щели. Это сводит к минимуму рассеяние и выбивание вторичных частиц, 5 15257 а также потери анализируемых ионов.

Повышается точность и надежность измерений, значительно облегчается изготовление прибора, Выполнение электродов отражающей системы в виде нескольких пар идентичных плоских проводящих колец или частей колец с центрами на оси вращательной симметрии магнитных полю- 1О сов необходимо для упрощения кон; струкции электростатической системы масс-спектрометра, а также для обеспечения свободы движения ионов в

1 электрическом поле. Использование 15 трех и более двухпластинных элек1 тродов позволяет осуществить точную электрическую подстройку прибора.

В таблице приведены примеры найденных с помощью ЭВИ значений пара- 20 метров магнитного анализатора и электростатической отражающей cuc- .

t темы, которые удовлетворяют приве денным соотношениям в зависимости от числа прохождений ионами магнит- 25 ного поля, создаваемого круглыми полюсами с R 50 мм.

В таблице d — расстояние междуполезадающими поверхностями электростатической системы, R иRy — средние радиусы gp зазоров между электродами (фиг.1).

Внутренний электрод 4 отражающей системы заземлен, внешний электрод

6 находится под потенциалом, ве" личина отношения которого к ускоряющему потенциалу V источника ионов указана в таблице, На средний электрод 5 подается корректировочный

l потенциал, подпираемий экспериментально. Расчеты справедливы при ширине 4р щелей между электродами 4 и 5, 5 и 6 . Ю = О,25 d.

Приведенные результаты свидетельствуют, что при очень малых габаритах ионно-оптической системы в заявляемом спектрометре удается обеспечить фокусировку по энергии, пространственную фокусировку пучка и получить большую дисперсию по мас. се, а следовательно, и разрешающую 5р способность, Увеличивая все линейные размеры магнитной и электростатической системы в одно и то же число раз, можно во столько же раз увеI .,личить и дисперсию по массе. В отли-l 55 чие от прототипа, электроды предлагаемого устройства имеют очень простую форму — они плоские, их легко изготовить с требуемой точ74 б костью. Механическая сборка предла гаемого масс-спектрометра значительно проще, так как пучок входит в электрическое поле свободно и не должен каждый раз точно попадать в узкую щель, как в прототипе. Неизбежные погрешности механической сборки легко ликвидируются электрической юстировкой, В предлагаемом приборе отсутствуют эффекты, связанные с многократным прохождением ионов через узкую щель, — рассеяние

Ъ ионов и выбивание вторичных заряженных частиц, что обеспечивает высокое разрешение у основания спект,ральных линий.

Формула изобретения

Масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного поля, содержащий источник и приемник ионов, магнит с плоскими полюсами круглой формы, электростатическую отражающую систему с осевой симмет рией, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и чувствительности и упрощения конструкции, электростатическая отражающая система выполнена в виде трех или более электродов, каждый из которых состоит из двух идентичных плоских проводящих колец или частей колец с центрами на оси вращательной симметрии магнитных полюсов, а полеэадающие поверхности электростатической системы совмещены с двумя параллель:ными плоскостями, симметричными параллельной поверхности полюсов средней плоскости, общей для электростатической и магнитной систем, причем параметры этих систем связаны следующими соотношениями:

Rэж sinE г °

R cos

f cosK

R 4 — = - - — —.(4 + ctg K)

D n g

R n-1 (2 + ctg f)sinP в где R — радиус эффективной. поверх-, Эф ности отражения, м;

R — эффективный радиус магнитного поля м

1525774

Ц мм и Я, d град мм

Р(, Rg, мм мм

Rgq>у мм град

osw, y мм

87 96,7 139,4 142,3 22,9 0,8787 402

85 95,4 134,6 140,6 22,3 0,8700 502

81 90 ° 7 133ю0 138в3 16е5 Ое8311 601

4 64,3 10,3

5 65,0 9,6 6 71,3 10,0

Я вЂ” угол входа и выхода осевой

"траектории пучка иэ магнитного поля, рад;

b(— - угол отклонения ионов в отражающей системе, рад;

f — фокусное расстояние электростатической отражающеи системы, м;

D — - линейная дисперсияпо энергии электростатической системы при одном отражении, м; и — число прохождений ионами магнитного поля °

1525774

Составитель В.Кащеев

Редактор М.Циткина Техред Л.Сердюкова Корректор С,Иекмар

Заказ 7233/48 Тираж 696 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101