Призменный масс-спектрометр

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н 11671582 Союз Советских Социалистических Республик(43) Опубликовано 30,09,82. Бюллетень3 (45) Дата опубликования описания 30.09,8 сударственнык комитет СССР о делам изобретений и открытий(71) Заявител Институт яде физики АН Казахской С ПРИЗМЕННЫЙ МАСС-СПЕКТРО Изобретение пектрометрии равлению пр масс-спектр ал Известны призменные масс-спектрометры 1, в которых используются двумерные магнитные призмы и масс-спектрограф Матсуда Осака 11 с конусовидной магнитной призмой 21. 10Кроме магнитной призмы для этих приборов характерно наличие отклоняющих электростатических систем, участвующих в ахроматизации анализаторов, а также коллиматорной и фокусирующей линз, в фо кальных плоскостях которых помещены щели источника и приемника ионов. В приборах с двумерной магнитной призмой для ахроматизации используются двумерные телескопические системы, в масс-спектро графе Матсуда - тороидальное электрическое поле. В первых оптика обеспечивает тройную фокусировку ионного пучка: по скоростям и по двум направлениям, а все виды геометрических аберраций второго 25 порядка, включая искривление спектральных линий, отсутствуют. В приборе Осака 11 осуществляется фокусировка ионного лучка по скоростям и в направлении дисперсии. Отсутствие вертикальной фокуси относится к области масса более конкретно - к назменной ионной оптики в ом приборостроении. ровки и геометрические аберрации второго порядка приводят к тому, что получение рекордных разрешений в приборе Матсуда (более 1 миллиона на полувысоте пика при ширине щелей 4 мк) сопряжено со значительной потерей светосилы. Низкая чувствительность и искривление спектральных линий, обуславливают неперспективный фотографический метод регистрации спектров.Известен призменный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионов и расположенные между ними коллиматорную и фокусирующую линзы и отклоняющую диспергирующую систему 3). Дополнительная телескопическая система участвует в ахроматизации, а также позволяет увеличить угловую дисперсию спектрометра по массе, Однако согласование параметров телескопических систем и магнитной призмы, необходимое для выполнения условия ахроматичности, приводит к тому, что возможности дополнительной телескопической системы в увеличении разрешающей способности масс-спектрометра не могут быть реализованы полностью, а также не может быть значительно увеличена угловая дисперсия по массе магнитной призмы. Кроме того, приоор некомпактен - вытянут в одном направлении,10 15 ю 5 50 З 5 40 15 50 55 00 65 Цель изобретения - увеличение разрешающей способности и уменьшение габаритов прибора.Это достигается тем, что в качестве дпспергирующей системы применена ахроматичная конусовидная призма со совмещенными электрическим и магнитными ми, поверхность полюсных наконечников, магнитных экранов и электродов которой представляет собой коническую поверхность, разрезанную полуплоскостями, проходящими через ось системы. Угол раствора конуса равен по крайней мере 85", а полуплоскости, ограничивающие полюсные наконечники, образуют двугранный угол, равный по крайней мере 200.Предлагаемый масс-спектрометр не сложен в исполнении, его детали и узлы технологичны, схема компактна. Большая дисперсия прибора в сочетании с небольшими аберрациями второго порядка и объемной фокусировкой ионного пучка определяют его высокую разрешающую способность при значительной светосиле.На фиг, 1 изображена схематически конусовидная призма; на фиг. 2 - ионо-оптическая схема предлагаемого масс-спектрометра в одном из наиболее компактных вариантов и ход ионных траекторий в проекции на среднюю плоскость системы, с которой совмещены средние плоскости призмы ху и фокусирующих элементов прибора.Предлагаемый масс-спектрометр содержит полюсные наконечники 1 конусовидной призмы, которые являются одновременно электродами с потенциалом Ф,;2, 3 - электроды 2 и 3 с потенциалами Ф, и Фо соответственно, выполняющие также функции магнитных экранов призмы, Непосредственно к магнитным экранам примыкают две трансаксиальные линзы - электроды 4 - 6, в фокальной плоскости которых расположены щели источника 7 и приемника 8 ионов, перпендикулярные средней плоскости.Выходящий из каждой точки щели источника расходящийся гомоцентричный пучок ионов формируется коллиматорной линзой в объемный параллельный пучок, Потенциал на среднем электроде 5 подобран так, чтобы линза работала в режиме анаморфота. Электроды б и полюсные наконечники 1 заземлены. Потенциалы электродов 3 и 4 одинаковы. После прохождения призмы ахроматизированный объемный параллельный пучок ионов с анализируемой массой фокусируется вторая линзой в щель приемника.Конусовидная призма с совмещенными электрическим и магнитным полями представляет собой гибкую электронно-оптическую систему, которая не только выполняет функции трех основных узлов прототипа, но позволяет значительно улучшить его наиболее важные характеристики. Геометрия призмы полностью задается углами , ун, уе. Поверхности полюсных наконечников и магнитных экранов - - электродов лежат па координатных поверхностяха их границы совпадают с полуплоскостямигде у, д, ф - сферическая система координат, связанная с изображенной на рисунке декартовой системой координат х, у, г соотношениями х = г з 1 п д сов ф, у = г з 1 п д з 1 п ф, г = г сов О. Плоскость хг является плоскостью симметрии призмы и всего прибора в целом,В конусовидной призме создаются совмещенные электрическое и магнитное поля, скалярные потенциалы которых зависят только от угловых переменных О и ф. В таком поле все траектории ионов, движущихся в средней плоскости ху с одинаковыми энергиями и образующих на входе в призму параллельный пучок, будут подобны, что и обеспечивает их параллельность на выходе из призмы. При этом вовсе не обязательно предположение о круговой форме осевой траектории в межполюсном зазоре. Отказ от круговой формы осевой траектории позволяет полнее использовать призматические свойства конусовидных полей.Магнитное поле конусовидной призмы позволяет заворачивать пучок ионов на углы значительно превосходящие л и за счет этого обладает большой угловой дисперсией по массе 1 Э. При этом призма в целом может отклонять пучок ионов на углы примерно равные д. Масс-спектрометр с такими углами отклонения заряженных частиц предельно компактен: его длина определяется в основном фокусным расстоянием трансаксиальных линз, а ширина равна линейным размерам призмы. (Такой прибор схематически изображен на фиг. 2),фокусирующие свойства магнитного поля конусовидной призмы дают ей еще одно преимущество над двумерной магнитной призмой, приводя к новым дополнительным возможностям в связи с требованием вертикальной фокусировки ионного пучка. Конусовидное магнитное поле фокусирует заряженные частицы к средней плоскости во всем промежутке между полюсными наконечниками, а не только в области края магнита, поэтому обеспечить телескопичность призмы можно при наличии в системе одного, двух и даже трех промежуточных линейных фокусов. Причем в двух и трехфокусном вариантах системы при одинаковых углах а угловая дисперсия конусовидной призмы только за счет магнитно.го поля Р значительно больше, чем в двумерной магнитной призме. Так, например, при = 1 О, у= в 2 ц обычных для двумерных призм значениях угла телескопичности а=51 вугловая дисперсия конусовидной магнитной призмы в 5 - 6 раз больше.Электрическое поле в конусовидной призме выполняет функции двух телескопических систем прототипа: осуществляет фоку сцровку ионов по скоростям и увеличивает угловую дисперсию призмы по массе, а кроме того, участвует в вертикальной фокусировке иоцного пучка, Увеличение угловой дисперсии призмы 0; за счет электрическо го поля в конусовидной призме имеет тот же характер, что и в прототипе, и при углах х=5 - 10 хорошо описывается приближенной формулой:20й,= Всоягдеи 1 - углы падения п преломленияна эффективные грани призмы И, причем25 При одинаковом отношении потенциаловф,- ) 1 увеличение угловой дисперсии тем З 0фобольше, чем больше , 1. В призмах с х==5 - 10 максимально возможные значения1=60 в , что при зцачении 1/ = 3, з 5 позволяет увеличить 0; по сравнению с О в 2 - 2,5 раза.Подбирая определенным образом напряженность магнитного поля, отношение по(1)тенциалов -и геометрические параметфоры х, ул, уо., можно це только добиться выполнения условий ахроматичности и телескопичности при оптимальном выборе уг лов входа пучка ионов в призму, но и значительно уменьшить геометрические аберрации второго порядка, включая искривление спектральных линий, что в сочетании с большой угловой дисперсией по массе за 50 счет магнитного поля Ви максимальным использованием возможностей электрического поля дает неоспоримые преимущества предлагаемому масс-спектрометру по сравнению со всеми известными аналогами. 55 6При использовании призмы с 7=200", у - -300, у- -- 10, 1/ ф. - 3 и фокусныхфорасстояниях линз около 2 м линейная дисперсия масс-спектрометра равна примерно 20000 мм, а геометрические аберрации второго порядка позволяют получить теоретическое разрешение 15 - 20 миллионов по полувысоте пика при микронных ширинах щелей источника и приемника ионов. При одинаковых габаритах с прототипом дисперсия предлагаемого масс-спектрометра примерно в 8 раз больше. Это означает, что используя более широкие щели, можно в 8 раз поднять чувствительность предлагаемого прибора при той же разрешающей способности или при одинаковых щелях в 8 раз поднять его разрешение. При одинаковых с прототипом разрешающей способности и чувствительности габариты предлагаемого масс-спектрометра могут быть уменьшены более чем в 8 раз. Формула изобретения1. Призменный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионов и расположенные между ними коллиматорную и фокусирующую линзы и отклоняющую диспергирующую систему, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и уменьшения габаритов прибора, в качестве диспергирующей системы применена ахроматичная конусовидная призма со совмещенными электрическими и магнитными полями, поверхность полюсных наконечников, магнитных экранов и электродов клзторой представляет собой коническую поверхность, разрезанную полу- плоскостями, проходящими через ось системы.2, Устройство по п, 1, отличающееся тем, что угол раствора конуса равен по крайней мере 85, а полуплоскости, ограничивающие полюсные наконечники, образуют двугранный угол, равный по крайней мере 200.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Кельман В, М., Родникова И. В., Утеев М. Л. ДАН СССР, 184, 831, 1969,2, МаЬцс 1 а Н Адчап. Мазз-Ярес 1 гозсору 5, 3, 1971.3. Авторское свидетельство СССР353186, кл. б 01 И 27/62, 1970,671582 Редактор Л. Письман ехред А. Камышиикова Корректор Л, Слепая Заказ 1184/6 Тирах( 758 НПО Поиск комитета С нзобретени 113035, М Раушская