Способ динамического масс-спектрометрического анализа смеси газов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к масс-спектрометрии. Целью изобретения является повышение разрешающей способности и чувствительности масс-спектрометров, использующих омегатрон в качестве анализатора масс. Способ осуществляется следующим образом. Исследуемый газ поступает , в омегатрон 1. где ионизируется /электронным лучом. С помощью формирователя 5 стробирующего напряжения формируется строб, по фазе и длительности совпадающий со временем прихода пакета ионов к коллектору ионов. Формирователь -5 управляет ключом 6, который коммутирует выход омегатрона с входом усилительно-регистрирующего устройства 7. Одновременно тот же строб управляет ионизирующим электронным лучом. Образованный пакет ионов разделяется на резонансные и нерезонансные ионы. Нерезонансные ионы достигают коллектора в тот момент, когда ключ 6 разомкнут. 2 с.п.ф-лы, 1 ил. г Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 01 J 49/38

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4602960/21 (22) 05.11.88 (46) 07.02.92, Бюл. N. 5 (71) Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского (72) Ю.Н,Либ, M.Ñ;Æóêîâ и Л.И.Фрейдин (53), 621.384 (088.8) (56) Королев Б.И„Кузнецов В.И., Пипко А.И. и др. Основы вакуумной техники. — М.: Энергия, 1975.

Грошковский Я. Техника высокого вакуума. Пер. с польского, — М.: Мир, 1975.

Омегатронный измеритель парциальных давлений ИПДО-2. Паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации. — М: В/О Машприборинторг, 1977, (54) СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО МАСС"

СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

СМЕСИ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

„„ЯД„„17112б2 А1

2 (57) Изобретение относится к масс-спектрометрии. Целью изобретения является повышение разрешающей способности и чувствительности масс-спектрометров, использующих омегатрон в качестве анализатора масс. Способ осуществляется следующим образом. Исследуемый газ поступает. в омегатрон 1, где ионизируется электронным лучом. С помощью формирователя 5 стробирующего напряжения формируется строб, по фазе и длительности совпадающий со временем прихода пакета ионов к коллектору ионов. Формирователь

5 управляет ключом 6, который коммутирует выход омегатрона с входом усилительно-регистрирующего устройства 7. Одновременно тот же строб управляет ионизирующим электронным лучом. Образованный пекет ионов разделяется на резонансные и нерезонансные ионы. Нерезонансные ионы до.стигают коллектора в тот момент, когда ключ 6 разомкнут. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1711262

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано в массспектрометрических исследованиях объектов, находящихся в газообразном состоянии.

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности и повышение относительной чувствительности динамического масс-спектрометрического анализа.

На чертеже схематически изображено устройство для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит омегатрон 1, помещенный в поле постоянного магнита 2, источник 3 постоянных питающих напряжений, генератор 4 переменного напряжения, формирователь 5 стробирующего напряжения, вход которого подключен к генератору

4, выходы — к электродам катод — диафрагма омегатрона 1 и входу управления электронным ключом 6, аналоговый вход которого подключен к коллектору ионов омегатрона

1, а выход — к входу интегрирующего усилительно-регистрирующего устройства 7.

Устройство работает следующим образом, Исследуемый газ поступает в омегатрон

1, где ионизируется электронным лучом, Источник 3 питания обеспечивает режим работы омегатрона, а также средний ток луча и запирающее луч напряжение катод — диафрагма, Переменное напряжение с генератора 4 подается в омегатрон и создает в его объеме переменное электрическое поле, направление которого перпендикулярно постоянному полю магнита 2. С помощью формирователя 5 стробирующего напряжения из переменного напряжения формируется строб, по фазе и длительности совпадающий с временем прихода пакета ионов к коллектору ионов. Для омегатрона

РМО-4С эта фаза соответствует моменту перехода переменного напряжения через нуль в направлении от отрицательного к положительному.

Формирователь 5 (посредством вырабатываемого строба) управляет электронным ключом 6, который коммутирует выход омегатрона с входом усилительно-регистрирующего устройства 7. Одновременно тот же строб управляет подачей ускоряющего напряжения между катодом и диафрагмой омегатрона, включая ионизирующий электронный луч, Образованный в этот момент пакет ионов начинает двигаться по спирали и после определенного числа витков сгрупированный до минимального размера пакет резонансных ионов достигает коллектора. Вызванный пакетом ионов ток через ключ 6 поступает на усилительно-ре.. гистрирующее устройство 7. Нерезонансные ионы достигают коллектора в тот момент, когда ключ 6 разомкнут, а ионный

5 ток стекает на "землю", не попадая на устройство 7.

Способ осуществляется следующим образом.

Анализируемый газ вводят в омегатрон, 10 где импульсно ионизируют его электронным лучом, направленным вдоль оси омегатрона. Импульсы ионизации формируют в предварительно рассчитанные интервалы времени внутри периода напряжения цик15 лотронной частоты. Одновременно на ионизированный газ воздействуют постоянным магнитным полем, направленным вдоль оси омегатрона, и переменным электрическим полем с циклотронной частотой, ориентиро20 ванным перпендикулярно оси омегатрона, При этом ток коллектора ионов, пропорциональный содержанию соответствующих ионов в газе, измеряют в заранее определенной фазе переменного электрического

25 поля, при которой пакет, двигаясь по спирали, поступает на коллектор.

Для пояснения предлагаемого способа рассмотрим движущуюся со скоростью V частицу с зарядом q, находящуюся в магнит30 ном поле с. индукцией В и переменном электричеством с напряженностью Е, На частицу с зарядом q при этом действует сила Р, определяемая как

F = qE+ q(VB).

35 Сила F связана с ускорением W и массой m соотношением

F=mNI, откуда уравнение движения частицы представляется в Виде уравнения

40 mZ = ц(Е + fZB), (1) где Z — координаты частицы;

Z, 2 — первая и вторая производные ко-. ординат по времени, Пусть электрическое поле направлено

45 вдоль оси Х и имеет вид Е = I Е cos (а t), постоянное магнитное поле действует по оси Z, а частица имеет начальный вектор скорости

50 Ч0- I Vxp + J Vyp и начальное положение

Z„- =IX„+)У,, Обозначив co> = - и К =—

«оВ Е

m В

55 получаютследующее решениеуравнения(1) в любой момент времени.

В случае, когдасобственная циклотронная частота иона в не равна частоте возбуждения а0, 1711262

1 Кв2

1/У + )

> хо х (1 — cosNlt)+ в з3пв,t— — — (1 — сов иь t) +хо, KN

OF — Np каЯ

v=„(v„-,+ + )х!

x sin в., t (1 — cos в1 t )—

sinâ t+yo, КеР, 15

В случае резонанса, когда в = во

Х = — (1 — COSNot)+ во

Võo К

+ з1п в„t+ — t sin во t

20 Уо у = " (sinвоt)— чхо — — (1 — cos в t) +

No

+ — t СО$ Во t Sln Bo t

k К

Получен ные решения и нтерп ретируются следующим образом.

Каждый, образовавшийся на оси оме -, гатрона, ион участвует одновременно в двух 30 независимых движениях — в круговом с собственной (циклотронной) частотой, обусловленном начальной скоростью иона в момент возникновения, и в движении по спирали, . шаг которой периодически изменяется по 35 величине и знаку,с частотой, равной разно-, сти циклотронной частоты и частоты электрического поля (т.е. спираль периодически раскручивается и скручивается).

Группа ионов одной массы-пакет, воз- 40 никшей в некоторый момент времени, двигаясь по спиральной траектории, занимает определенный объем, поперечный размер которого периодически увеличивается и снова. уменьшается до размера, равного то- 45 му, который был при его образовании.

При непрерывной ионизации ионы, возникшие в различные моменты времени, также собираются в группу, занимающую объем, поперечный размер которого: в на- 50 правлении движения ионов равен наибольшему поперечному размеру пакета при одномоментной иониээции. Причиной является расфазирование пульсаций размеров пакетов, составляющих эту группу.. 55

Пример. Проведение на ЭВМ по полученным решениям Моделирования движения конкретных ионов в омегатроне

РМО-4 дало следующие результаты.

Ионы. с массой 45 а.е.м. двигаются в омегатроне при электрическом поле с частотой, соответствующей ионам с массой 44 а,е.м„по пульсирующей спирали, достигающей максимального радиуса, несколько меньшего, чем расстояние от оси омегатрона до коллектора ионов, Таким образом, при одновременном образовании ионов с массами 44 и 45 а.е.м. для данной циклотронной частоты электрического поля только незначительная часть ионов с массами 45 а.е.м достигает коллектора и ионы с массами 44 и

45 а.е.м, эффективно разделяются обычным способом, Ионы с массами 99, 100 и 101 а.е;м„ двигаясь под воздействием циклотронной частоты, соответствующей ионам с массой

100 а.е.м., достигают коллектора ионов на

18-м витке и обычным способом разделены быть не могут. При этом наибольший поперечный размер объема, занимаемого пакетом ионов, составляет около 20 по окружности, а расстояние между центрами соответствующих пакетов ионов превышает

30о, что позволяет разделить на коллекторе ионы с массами 99, 100 и 101 а.е.м, по времени прихода пакетов на коллектор в случае непрерывной ионизации.

Расчеты на ЭВМ траекторий ионов с массами 153, 154 и 155 а.е.м. показали, что ионы масс не только достигают коллектора, но и группируются таким образом, что угловое расстояние между центрами пакетов составляет около 12 . Поперечный размер объемов, занимаемых пакетами ионов указанных масс. при непрерывной иониэации составляет 30о, что превышает угловое рас-. стояние между центрами пакетов.

Уменьшение поперечного размера объема, занимаемого пакетом, достигается, если ионизация проводится импульсно, так, что в момент достижения коллектора поперечный. размер пакета анализируемых ионов минимален. Расчеты показывают, что момент ионизации должен быть точно в фазе с моментом достижения коллектора пакетом анализируемых ионов. В этом случае поперечный размер пакета в указанный момент составляет для анализируемых ионов с массой 154 а,е,м, около 4о, а для ионов с массами 153 и 155 а. е.м. — около 10о. Угловое расстояние между перифериями пакетов составляет, таким образом, около 5о, что достаточно для надежного разделения.

Формула изобретения

1. Способ динамического масс-спектрометрического анализа смеси газов путем введения в омегатрон анализируемой смеси газов, ионизации последней электронным лучом, направленным вдоль оси омегатро1711262. Составитель В. Кэщеев

Техред М.Моргентал Корректор Н. Король

Редактор И.Шуллэ

Заказ 345 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушскэя наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 нэ, при одновременном воздействии нэ смесь постоянным магнитным полем, ориентированным вдоль луча, и переменным электрическим полем, перпендикулярным магнитному, с частотой, соответствующей частоте анализируемом газа в смеси с образованием пакетов ионов и последующим интегрированием тока коллектора ионов, .соответствующего количеству анализируемого гэзэ в масс-спектре, о тл ич э ю щи йс я тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и повышения относительной чувСтвительности, анализируемый гэз ионизируют импульсно в фазе с прохождением коллектора пакетом ионов исследуемой массы, причем интегрирование тока ионов осуществляют во время детектировэния исследуемого пакета на коллекторе в течение времени ионизэции.

2. Устройство для динамического массспектрометрического анализа смеси газов, 5 содержащее помещенный в поле постоянного магнита омегатрон, соединенный с выходом генератора переменного электрического поля, и блок регистрации, о тл и ч э ю щее с ятем,что,сцельюувеличения

10 разрешающей способности и повышения относительной чувствительности, оно дополнительно содержит формирователь строба и переключающий блок, включенный между коллектором ионов омегэтрона и блоком ре15 гистрэции, при этом вход формирователя строба подключен к генератору переменного электрического поля; а его выход соединен с модулирующим электродом,