Магнитронный масс-спектрометр

(51) М КЗН О . 49/30б О Х 27/62 В 01 В 53,44 Государственный комитет Опубликовано 15.09.80. Бюллетень34Дата опубликования описания 23.09.80по делам изобретений н открытнй(5) МАГНЕТРОННЫИ МАСС-СПЕКТРОМЕТР 1Изобретение относится к динамическим масс-спектрометрам и может быть использовано для химического и изотопного анализа состава вещества, а также в качестве манометра для измерения парциальных давлений в вакуумных системах.В известных масс-спектрометрах магнетронного типа используется для разделения ионов зависимость радиуса траекторий в магнитном поле от отношения зарядов ионов к их массе, При определенных значениях магнитной индукции и ускоряющего напряжения на коллектор попадают только ионы с массами, большими измеряемой. Величина ионного тока измеряемого компонента, которая пропорциональна содержанию этого компонента в анализируемой смеси, может быть определена, например, как разность ионных токов в цепях полуцилиндрических коллекторов, расположенных на разных расстояниях от оси анализатора 1.Недостатками известных масс-спетрометров являются малая чувствительность, что обусловлено лишь частным использованием ионов измеряемой массы и большая погрешность анализа из-за трудности измерения разности двух малых токов. 2Известен также масс-спектрометр, содержащий источник ионов, масс-анализатор и коллектор ионов, выполненный в виде цилиндрической поверхности. В известном масс-спектрометре ионный поток, идущий 5от источника, расположенного на оси анализатора, модулируется от специального источника импульсного напряжения. Ионный ток регистрируется на коллекторе по его переменной составляющей 2.Недостатками этого масс-спектрометра О являются малые значения чувствительностии большие величины требуемого магнитного поля.Цель изобретения - повышение чувствительности, создание возможности одновременной регистрации нескольких компонентов анализируемой смеси и уменьшение величины магнитного поля. Для достижения этой цели коллекторионов, выполненный в виде соосных цилинд О ров различных диаметров и высоты, размещен на оси, а источник расположен с наружной стороны анализатора.Источник и коллектор ионов расположены инверсно.На чертеже изображена схема предлагаемого масс-спектрометра с источникомионов с электронной бомбардировкой,Он состоит из источника 1 ионов, наружного сетчатого электрода 2 масс-анализатора, цилиндрических коллекторов 3, 4, 5,укрепленных соосно с электродом 2 на осисистемы, корпуса 6, который служит вакуумной камерой, и магнита 7, создающего осевоемагнитное поле. Источник 1 ионов состоитиз ионизационной камеры 8, выполненнойв виде тороидального полого цилиндра с 0круговыми щелями 9 и 10 в торцах, Защелью 9 установлен термоэлектронный эмиттер 11, трубчатый поток ионизирующих частиц от которого после прохождения ионизационной камеры 8 собирается укрепленным за круговой щелью 10 приемником 12электронов. Накал эмиттера 11 и ионизирующее напряжение между эмиттером 11и ионизационной камерой 8 поддерживаетсяисточником 13 питания. Для ускоренияионов, входящих в масс-анализатор, к источнику 1 ионов прикладывается постоянноеускоряющее напряжение и модулирующееего переменное напряжение от источника 14питания. Разделение ионов происходит впространстве между электродом 2 и коллекторами 3, 4, 5. Это пространство можетбыть либо эквипотенциальным, либо, с цельюуменьшения энергетического разброса выходящих из источника ионов, к наружномуэлектроду 2 прикладывают постоянное напряжение от источника 15, Усиление ионныхтоков осуществляется усилителями 16, 17,18 переменного тока. На коллекторы 3, 4, 5также могут быть поданы и постоянные напряжения. Магнит 7 создает магнитное полев анализаторе и источнике ионов. Наличиез 5магнитного поля в источнике ионов препятствует расплыванию электронного пучка иуменьшает энергетический разброс выходящих ионов, тем самым способствуя увеличению разрешающей способности.Масс-спектрометр работает следующимобр.азом. Вышедшие из источника 1 ионы двигаются в масс-анализаторе либо по инерции, либо в ускоряющем или тормозящем (в зависимости от напряжения источника 15 питания на электроде 2 относительно коллекторов, которые мы всегда предполагаем находящимися под нулевым потенциалом) электрическом поле по криволинейным траекториям, радиусы которых зависят от отношения заряда частиц к ее массе. При определенном соотношении между магнитной индукцией В, ускоряющим напряжением 11 и размерами анализатора гг, происходит отсечка ионов массы т 0 от коллектора, т. е. траектории этих ионов лишь 55 касаются коллектора:тл З (к -гй)Е 8 У где г - радиус источника ионов;гх - радиус коллектора ионов.Эта формула справедлива как для известного нормального, так и для предлагаемогоинверсного магнетронов.При модуляции ускоряющего напряжения траектории ионов изменяются такимобразом, что частицы с массами гпто попадают, то не попадают на коллекторы, создавая тем самым в измерительных цепяхпеременные токи, которые усиливаются далее усилителями 16, 17, 18, Изменяя ускоряющее напряжение источника 14 либовеличину магнитной индукции, можно перейти к одновременному измерению другойкомбинации ионов с определенными массами.Чувствительность предлагаемого массспектрометра будет больше, чем у известногов -раз за счет увеличения общего токаколлектора. Как следует из формулы отсечкитока, требуемая магнитная индукция В (пиодинаковых регистрируемых отношениях фускоряющих напряжениях 11 и условии гФг, где га г - наружный и внутреннийрадиусы полости анализатора) в предлагаемом масс-спектрометре враз меньше,чем в известном, что приводит к резкомууменьшению массы, габаритов и стоимостиизделия,В качестве примера рассмотрим требуемую индукцию при регистрации массы 44 (СО ), ускоряющем напряжения 100 В, размерах анализатора 2 г = 55 мм, 2 г= = 3 мм (это размеры экспериментальйого прибора). Магнитная индукция в случае внутреннего расположения источника должна составлять 6800 Гс, а в случае наружного - 370 Гс, что уже легко осуществить с помощью простых постоянных магнитов, При этом разрешающая способность определяется в основном отношением ускоряющего напряжения к энергетическому разбросу ионови в обоих случаях практицчески одинакова,Экспериментальный образец масс-спектрометра разработан и испытан в Агрофизическом институте и имеет следующие параметры:Ионизирующее напряжениеисточника 13, В 120Общий ток эмиссииэлектронов, мА 15Ускоряющее напряжениеисточника 14, В 50 в 2Модулирующее напряжениеисточника 14 300 мВ, 330 ГцМаксимальный постоянныйток коллектора, мкА 1Максимальный переменныйток коллектора, мВ 30Магнитная индукция, Гс 300Наружный диаметранализатора, мм 55Диаметры коллекторов, мм 3, 6. Пакулинрич КорректорПодписно СоставительТехред К ШуфТираж 844дарственного комиизобретений и отЖ - 35, Рву шскаянт, г. Ужгород, у Редактор С, Патрушева Заказ 6606/17 ВНИИПИ Гос по делам 113035, Москва,филиал ППП Патшетни ета СССРрытийна 6., д. 4/5Проектная, 4 Габариты масс-спектрометра, мм 80, 70 Масса, кг 0,3.При анализе состава остаточных газов в вакуумной камере с разрешаюшей способностью до 70 определены парциальные давления газов с массами от 10 до 55 а. е. м,Масс-спектрометр прост в изготовлении и не требует настройки. 1. Магнетронный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, масс-анализатор и коллектор ионов, выполненный в виде цилиндрической поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и уменьшения величины магнитногополя, источник ионов расположен с наружной стороны масс-анализатора, а коллекторионов размещен на его оси.2. Масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что, с целью одновременнойрегистрации тока ионов с различными массами, коллектор ионов выполнен в виде соосных цилиндров различных диаметров и высоты.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США3162760,кл, б 01 1 Ч 27/62, 1971.2. Авторское свидетельство СССР393661, кл. б 01 1 Ч 27/62, 1971 (прототип).