Времяпролетный масс-спектрометр с нелинейным источником ионов

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, преимущественно для космических исследований и для применения в других областях при условиях жестких ограничений массы и габаритов. Времяпролетный масс-спектрометр снабжен ионным источником с нелинейным ускоряющим промежутком, выполненным в виде набора кольцевых электродов, приемником и источником ионов. Изобретение позволяет повысить разрешающую способность прибора за счет уменьшения временной дисперсии ионных пакетов в плоскости приемника. 1 ил.

 

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований.

Известен времяпролетный масс-спектрометр, содержащий мишень, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, электростатический линейный отражатель, приемник ионов (статья: Мамырин Б.А., Шмикк Д.В. Линейный масс-рефлектрон. - ЖЭТФ, 1979, т. 76, в. 5, с. 1500-1505). За счет использования линейно изменяющегося электрического поля в масс-рефлектроне достигается более высокое значение разрешающей способности по сравнению с классической схемой масс-спектрометра при тех же габаритах и потенциале ускоряющего промежутка.

Недостатками прибора являются низкая разрешающая способность и малый диапазон измеряемых масс.

Известен масс-спектрометр с нелинейным по продольной оси электрическим полем, содержащий сеточную сборку источника ионов, выполненную в виде кольца, внутренний диаметр которого больше или равен диаметру детектора, трубку, в которой установлена коаксиальная цилиндрическая система, внутренний и внешний диаметр которой соответственно равен внутреннему и внешнему диаметру сеточной сборки источника ионов, обладающий более высокой чувствительностью (патент РФ: №1651327, H01J 49/40, опубл. БИ №19, 23.05.91 г.).

Недостатком данной конструкции является сложность точного формирования напряжений на элементах коаксиальной цилиндрической системы, которые авторы предлагают подбирать экспериментально.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому масс-спектрометру является выбранный в качестве прототипа времяпролетный масс-спектрометр, содержащий коаксиально расположенные источник ионов, приемник ионов, трубку дрейфа и отражатель ионов, выполненный в виде сплошной резистивной пленки с нелинейным осевым распределением потенциала электростатического поля, нанесенной на диэлектрическое основание (патент РФ: №2239910, 7 H01J 49/40, опубл. бюл. №31, 10.11.2004 г.).

Недостатком прототипа является невозможность компенсировать временной разброс ионов, вызванный их начальным разбросом по координате внутри пространства ионизации.

В основу изобретения положена задача повышения разрешающей способности устройств для анализа нейтрального газа при минимизации массогабаритных характеристик.

Поставленная задача достигается тем, что во времяпролетном масс-спектрометре, содержащем коаксиально расположенные источник ионов, приемник ионов, трубку дрейфа и отражатель ионов, выполненный в виде сплошной резистивной пленки с нелинейным осевым распределением потенциала электростатического поля, нанесенной на диэлектрическое основание, согласно изобретению ускоряющий промежуток источника ионов содержит кольцевые электроды, образующие нелинейный участок ускорения и ограничивающие его сетки, подключенные к резистивному делителю.

Сущность устройства поясняется чертежом, где изображена схема времяпролетного масс-спектрометра с нелинейным ускоряющим промежутком.

Времяпролетный масс-спектрометр содержит трубку дрейфа 1, источник ионов 2, кольцевые электроды 3, образующие нелинейный участок ускорения, ограничивающие его сетки 4 и 5, управляемый источник импульсного напряжения 6, подключенный к резистивному делителю 7, заземленные сетки 8, нелинейный отражатель 9, источник тока и напряжения 10, подключенный к резистивному делителю 11, приемник ионов в виде микроканальной пластины 12, устройство управления 13 и аналого-цифровой преобразователь 14.

Источник тока и напряжения 10 подключен к нелинейному отражателю через резистивный делитель 11, источник изменяемого во времени импульсного напряжения 6 подключен к ограничивающим нелинейный участок ускорения сеткам 4 и 5 и к кольцевым электродам через резистивный делитель 7, устройство управления 13 формирует управляющие сигналы для источника тока и напряжения 10 и управляемого источника импульсного напряжения 6, аналого-цифровой преобразователь 14 преобразует сигналы с приемника ионов 12 в цифровую форму для обработки в устройстве управления 13, трубка дрейфа 1 и сетки 8 заземлены.

Особенностью устройства является то, что напряжение на кольцевых пластинах 3 подбирается таким образом, чтобы внутри нелинейного участка ускоряющего промежутка реализовалось оптимальное распределение потенциала согласно выражению:

где d - расстояние между сетками 5 и 8, ϕ₁ - ускорение на линейном ускоряющем промежутке, t(x₀) - время пролета иона с нулевой энергией, стартовавшего от сетки 5.

При этом нелинейный отражатель 9 компенсирует возникший вследствие неравномерного ускорения ионов энергетический разброс и фокусирует ионы в плоскости приемника ионов 12.

Расстояние между кольцевыми электродами ускоряющего промежутка, как и их внутренний диаметр, должно быть выбрано достаточно малым для возможности точного восстановления нелинейного распределения потенциала. Отражающий потенциал на нелинейном отражателе 9 для отражения ионов должен превышать потенциал на сетке 4.

Времяпролетный масс-спектрометр с нелинейным источником ионов, содержащий коаксиально расположенные источник ионов, приемник ионов, трубку дрейфа и отражатель ионов, выполненный в виде сплошной резистивной пленки с нелинейным осевым распределением потенциала электростатического поля, нанесенной на диэлектрическое основание, отличающийся тем, что ускоряющий промежуток источника ионов содержит кольцевые электроды, образующие нелинейный участок ускорения и ограничивающие его сетки, подключенные к резистивному делителю.