Ленточный ионизатор ионного источника масс-спектрометра

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для изотопного анализа твердых материалов. Ленточный ионизатор ионного источника масс-спектрометра выполнен из ленты из тугоплавкого металла, концы которой закреплены в токоподводящих держателях, установленных на основании. Токоподводящие держатели установлены таким образом, что их продольные оси расположены по скрещивающимся прямым. В результате предотвращается разрыв ленты ионизатора при компенсации ее линейного удлинения при нагревании. 3 ил.

 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для изотопного анализа твердых материалов.

Известен ионизатор ионного источника масс-спектрометра, включающий резервуар, содержащий металл, подлежащий ионизации, и игольчатый электрод, US 6531811 B1.

Этот ионизатор может быть использован только в случае получения ионов легкоплавких металлов, например галлия.

Известен ионизатор ионного источника масс-спектрометра, содержащий нагревательный элемент, проходящий внутри эмиттера, выполненного из смеси бета-алюминия и инертного материала, US 4928033. На эмиттер наносится вещество, которое подлежит ионизации. Недостатком этого устройства является малая эффективность ионизации, что свойственно всем ионизаторам с использованием керамики ввиду того, что даже металлическая керамика имеет значительное электрическое сопротивление, что препятствует получению ионных токов необходимой величины.

Более эффективны ленточные ионизаторы ионных источников масс-спектрометров.

Известен ленточный ионизатор, включающий ленту ионизатора, концы которой закреплены в токоподводящих держателях, параллельных друг к другу, SU 1233713 А1.

При нагревании лента ионизатора удлиняется и деформируется; как правило, в этом случае имеет место провисание ленты, возможен изгиб и свивание. При этом даже при относительном удлинении ленты на 1% от ее исходной длины, стрела провисания составляет около 6% от исходной длины ленты. В результате происходит смещение ленты относительно плоскости фокусировки масс-спектрометра, что приводит к резкому снижению его чувствительности и, соответственно, точности измерений.

Кроме того, при смещении ленты ионизатора относительно испарителя изменяется температура испарителя, вследствие чего изменяется поток атомов исследуемого вещества от испарителя к ионизатору. Это также приводит к неконтролируемому изменению ионного тока и, соответственно, снижению точности измерений в десятки раз.

Известен ленточный ионизатор ионного источника масс-спектрометра, содержащий ленту ионизатора, укрепленную на двух Г-образных пружинных держателях. Пружинные держатели предназначены для обеспечения постоянного натяжения ленты с целью компенсации ее удлинения при рабочих температурах; продольные оси ленты ионизатора и ленты испарителя лежат на скрещивающихся под углом 90° прямых, SU 1572327.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Его недостатком является высокая вероятность разрыва ленты ионизатора при рабочих температурах, поскольку прочность ее при этом резко снижается. В частности, при рабочей температуре 2500К прочность ленты ионизатора, выполненной из рения, снижается более чем в 100 раз. Поэтому приложение растягивающего усилия к ленте при этих условиях недопустимо. Именно по этим причинам данное устройство не нашло практического применения.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи предотвращения разрыва ленты ионизатора при компенсации ее линейного удлинения при нагревании.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в ленточном ионизаторе ионного источника масс-спектрометра, включающем ленту из тугоплавкого металла, концы которой закреплены в токоподводящих держателях, установленных на основании, токоподводящие держатели установлены таким образом, что их продольные оси расположены по скрещивающимся прямым, при этом

где: L_i - заданная длина ленты ионизатора;

α_i - коэффициент температурного линейного расширения заданного материала ленты ионизатора;

T_ri - заданная температура ленты ионизатора в рабочем режиме;

Т_oi - заданная температура ленты ионизатора в ненагретом состоянии;

lт₁ - длина первого токоподводящего держателя в ненагретом состоянии;

lт₂ - длина второго токоподводящего держателя в ненагретом состоянии;

β₁ - угол между продольной осью первого токоподводящего держателя и плоскостью размещения ленты ионизатора;

β₂ - угол между продольной осью второго токоподводящего держателя и плоскостью размещения ленты ионизатора;

γ₁ - угол между продольной осью ленты ионизатора и проекцией продольной оси первого токоподводящего держателя на плоскость размещения ленты;

γ₂ - угол между продольной осью ленты и проекцией продольной оси второго токоподводящего держателя на плоскость размещения ленты;

αт₁ - коэффициент температурного линейного расширения материала первого токоподводящего держателя;

αт₂ - коэффициент температурного линейного расширения материала второго токоподводящего держателя;

t₁₀ - температура первого токоподводящего держателя на конце, к которому подведен электрический ток в рабочем режиме;

t_1i - температура первого токоподводящего держателя на конце, к которому прикреплена лента ионизатора в рабочем режиме;

t₂₀ - температура второго токоподводящего держателя на конце, к которому подведен электрический ток в рабочем режиме;

t_2i - температура второго токоподводящего держателя на конце, к которому прикреплена лента ионизатора в рабочем режиме;

К - коэффициент, учитывающий закон распределения температуры по длине токоподводящего держателя; поскольку фактически это распределение весьма близко к линейному, К принято равным 0,5.

0≤ε≤0,3

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 - вид спереди;

на фиг.2 - вид сверху;

на фиг.3 - ленточный ионизатор в аксонометрии.

Ленточный ионизатор ионного источника масс-спектрометра включает ленту 1 из тугоплавкого металла, в частности рения. Концы ленты 1 закреплены в токоподводящих держателях 2 и 3, установленных на основании 4. Продольные оси 5 и 6 токоподводящих держателей 2 и 3 соответственно расположены по скрещивающимся прямым.

L_i - заданная длина ленты ионизатора. L_i выбирается исходя из конструктивных особенностей и типа масс-спектрометра в каждом отдельном случае; в конкретном примере L_i=10 мм.

α_i - коэффициент температурного линейного расширения заданного материала ленты 1 ионизатора, в частности рения; α_i(Re)=5×10^-6(°C)^-1.

T_ri - заданная температура ленты 1 ионизатора в рабочем режиме, в конкретном примере T_ri=2500К.

T_oi - заданная температура ленты 1 в ненагретом состоянии, в конкретном примере T_oi=293К.

lт₁ - длина токоподводящего держателя 2 в ненагретом состоянии;

lт₂ - длина токоподводящего держателя 3 в ненагретом состоянии;

Токоподводящие держатели 2 и 3 и основание 4 в конкретном примере выполнены из нержавеющей стали Х18Н9; основание 4 изолировано от токоподводящих держателей 2 и 3 посредством керамических изоляторов 9 и 10.

αт₁ и αт₂ - коэффициенты температурного линейного расширения материалов соответственно токопроводящих держателей 2 и 3; в данном случае αт₁=αт₂=16,6×10^-6(°C)^-1.

t₁₀ - температура держателя 2 на конце, к которому подведен электрический ток в рабочем режиме; в данном примере - это постоянный ток величиной 4,5 А. В данном примере t₁₀=750К.

t_1i - температура держателя 2 на конце, к которому прикреплена лента 1, в рабочем режиме; t_1i=1500К.

t₂₀ - температура держателя 3 на конце, к которому подведен электрический ток; t₁₀=t₂₀=750К.

t_2i - температура держателя 3 на конце, к которому прикреплена лента 1, в рабочем режиме; t_1i=t_2i=1500К.

К - коэффициент, учитывающий закон распределения температуры по длине токоподводящего держателя; это распределение практически линейное для принятых в конкретном примере токопроводящих держателей 2 и 3 с постоянной площадью сечений по всей их длине; поэтому в данном случае К=0,5.

ε - безразмерная величина, равная в конкретном примере 0.

β₁ - угол между осью 6 и плоскостью 7 размещения ленты 1;

β₂ - угол между осью 5 и плоскостью 7;

γ₁ - угол между продольной осью 8 ленты 1 ионизатора и проекцией на плоскость 7 оси 6;

γ₂ - угол между осью 8 и проекцией на плоскость 7 оси 5.

Углы β₁, β₂, γ₁, γ₂ и длины токоподводящих держателей lт₁ и lт₂ находятся в следующей взаимозависимости от заданных величин:

В конкретном примере исходя из указанных выше заданных величин β₁ и β₂ составляют по 45°;

γ₁ и γ₂ составляют по 15°;

lт₁=lт₂=13,5 мм.

Устройство работает следующим образом. К свободным концам токоподводящих держателей 2 и 3 подводят электрический ток и нагревают ленту 1. Лента 1 нагревает испаритель (условно не показан), содержащий исследуемое вещество, атомы которого попадают на поверхность ленты 1 и превращаются в ионы, которые поступают в масс-спектрометр. От ленты 1 нагреваются также держатели 2 и 3. При этом происходит удлинение как ленты 1, так и держателей 2 и 3.

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения удлинение держателей 2 и 3 компенсирует удлинение ленты 1. При этом компенсация осуществляется в пределах допустимых значений, учитываемых величиной ε без приложения к ленте 1 растягивающих усилий. В этом состоит принципиально важное свойство изобретения, что обусловливает, по мнению заявителя, соответствие данного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Поскольку удлинение ленты скомпенсировано и не происходит ее провисание и деформация, повышается точность измерений не менее чем в 10 раз. Исключение растягивающих ленту усилий обеспечивает исключение ее разрыва, в особенности, при рабочей температуре.

Ленточный ионизатор ионного источника масс-спектрометра изготавливается с применением обычного оборудования и известных материалов, что обусловливает, по мнению заявителя, его соответствие критерию "промышленная применимость".

Ленточный ионизатор ионного источника масс-спектрометра,

включающий ленту из тугоплавкого металла, концы которой закреплены в токоподводящих держателях, установленных на основании, отличающийся тем, что токоподводящие держатели установлены таким образом, что их продольные оси расположены по скрещивающимся прямым, при этом

(1±ε){cosβ₁·cosγ₁·[l_T1·α_T1·(t_li-t₁₀)]+cosβ₂·cosγ₂[l_T2·α_T2·(t_2i-t₂₀)]}·K=L_i·α_i·(T_ri-T_oi),

где L_i - заданная длина ленты ионизатора;

α_i - коэффициент температурного линейного расширения заданного материала ленты ионизатора;

Т_ri - заданная температура ленты ионизатора в рабочем режиме;

Т_oi - заданная температура ленты ионизатора в ненагретом состоянии;

l_T1 - длина первого токоподводящего держателя в ненагретом состоянии;

l_T2 - длина второго токоподводящего держателя в ненагретом состоянии;

β₁ - угол между продольной осью первого токоподводящего держателя и плоскостью размещения ленты ионизатора;

β₂ - угол между продольной осью второго токоподводящего держателя и плоскостью размещения ленты ионизатора;

γ₁ - угол между продольной осью ленты ионизатора и проекцией продольной оси первого токоподводящего держателя на плоскость размещения ленты;

γ₂ - угол между продольной осью ленты и проекцией продольной оси второго токоподводящего держателя на плоскость размещения ленты;

α_T1 - коэффициент температурного линейного расширения материала первого токоподводящего держателя;

α_T2 - коэффициент температурного линейного расширения материала второго токоподводящего держателя;

t₁₀ - температура первого токоподводящего держателя на конце, к которому подведен электрический ток в рабочем режиме;

t_1i - температура первого токоподводящего держателя на конце, к которому прикреплена лента ионизатора в рабочем режиме;

t₂₀ - температура второго токоподводящего держателя на конце, к которому подведен электрический ток в рабочем режиме;

t_2i - температура второго токоподводящего держателя на конце, к которому прикреплена лента ионизатора в рабочем режиме;

К - коэффициент, учитывающий закон распределения температуры по длине токоподводящего держателя;

0≤ε≤0,3.