Время-пролетный масс-спектрометр

Заявитель на Ленина физико технический ин(54) ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР лазерного количестмпоненты олькнх линийгократное ет к росту ности рабо поглош проявначитель ведения эода образз к мол и для.Уменьшеолекул и 1Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и применяется для исследования процессов воздействия лазерного излучения на молекулы газовой струиНаиболее интересными результатамн воздействия лазерного излучения на молекулы являются многофотонное е. ние и диссоциация молекул. Они ляются при максимальных плотностях электромагнитных полей, которые достигаются только в импульсном режиме работы лазера, В ряде случаев требуется предварительное охлаждение исследуемых молекул, осуществляемое в расширяющейся газовой струе, Импульсный характер процесса и необходимость подачи образца в виде газовой струи чрезвычайно усложняют задачу масс-спектрометрического анализа продуктов взаимодействия.Используемое для этих целей массспектрометры со стабильной траекторией движения ионов 11обладают ограни 2ченным диапазоном измеряемыхи позволяют за один импульсвоздействия проанализироватьво только одной массовой коПоэтому для получения нескмасс-спектра необходимо мноповторение измерений, что впогрешности из-за нестабильты лазера и газовой струи,ному увеличению времени про10 перимента и увеличению раск Продукты, импульсно во ни еющиев небольшом обьеме взаимодействия лазерного излучения с екулами стРуивудобно анализировать с помощью времяпролетного масс-спектрометра. Он повволяет эа один импульс лазерного вожействия получить весь масс-спектр продуктов взаимодейю.20Для быстрого анализа продуктоввзаимодействия времяпролетиым массспектромегром ния3 1008 споргировке и стсдпсновениях необходимо облучение газовой струи лазерным светом производить непосредственно в облас ти ионизацни источника ионов.Известен Времяпролетный мас спект 1 З ромегр, содержащий импульсный источник ионов, дрейфовое пространсиво и приемник ионов. Источник ионов такого прибора содержит несколько ускорякзцих ионы электродов, расположенныс парвл лельно, и электронную пушку, помешвемую гак, что электронный пучок проходит. между этими алекгродами пврщФельно им21Однако одновременный вывод газовой струи и лазерного излучения в этот источник ионов не осуществим, а значит с его помощью невозможно обеспечить исследование процессов взаимодействия лазерного излучения с молекулами струи.Наиболее близким к изобретению является времяпролегный масс-спектрометр, содержащий импульсный источник ионов, дрейфсвое пространство и детектор ионов.Источник ионов включает два электрода, ограничивающих область ионна ацни,и электронную пушку с коллектором электронов, расположенную гак, чтобы ленточный пучок электронов проходил параллельно электродам3Недостатком этого прибора является невозможность исследования с его помо шью воздействия лазерного излучения нв молекулы сгруи. Это связано с тем, что область ионизвции источника ионов ограничена с четырех сторон двумя электродами, электронной пушкой и коллектором электронов, Таким образом, одновременное Введение в этот обьем пересекающихся. газовой струи и лазерного40 излучения невозможно.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей эа счеа исследования процессов воздействия лазерного излучения на молекулы газовой фф струи с помощью времяпролетного массспектромегра.Поставленная цель достигается "гем, что в времяпролетном масс-спектрометре, Включакзцем импульсный источник ф .ионов с электронной пушкой и двумя ограничкваюшими область ионизвции электролами, дрейфовое пространство и прием ник ионов, В источник ионов введен шелевой коллимвгор газо,вой струи, двв И квантовых генератора и две расположенные по разные сгороны исгочника ионов диафрагмы для ввода излучения кванто 218вых генераторов, Вьшолненные с Возможностью перемещения, при этом коллиматор расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости электродоВ, огрвннчиввюших Область иониэвцни, средняя плоскостьраспространения газовой струи лежитмежду указанными алеггродами, Оптические оси квантовых генераторов, проходящие через центры диафрагм совпвдаюги лежат в средней плоскости распространения газовой струи, элэктронная пушкарасположена эе первым электродом,огрвничиваюшим облить ионизвции, выполненным со щелью для прохожденияэлектронного пучка, а второй алектродвыполнен со щелью для пропусканияионов нз области иониэации, причем шелн в обоих электродах параллельны осилазерных лучей,Келевой коллиматор необходим длявведения в область ионизации междуэлектродами источника ионов газовойструи твк, чтобы она проходила не касаясь элементов конструкции источника.Две диафрагмы лазерных лучей служатдля ввода в область нонизацни междуэлектродами источника ионов лазерногоизлучения таким образом, чтобы лучилазеров пересекали среднюю плоскостьгазовой струи и не касались этих алектродов. Расположение электронной пушки так, чтобы пучок электронов проходил между ограничивающими область ионизвцнн электродами параллельно им (как в прототипе и других Времяпролетных массспекгромеграх) теперь конструктивно невозможно. Поэтому онв помещена эа первым ограничнввкзпим область ионн зацни электродом, а этот электрод выполней со щелью для прохождения алек:, тронного пучка в обгисть ионизации. Угол наклона плоскости электронного пучка к плоскости первого электрода может быть практически любым отличУ ным ог нуля. Предпочтительны углы, близкие к 45, так как увеличение ужа наклона ведет к уширению пакета ионов, Вырезаемого (из всею ионизоваиных молекул) щелью Второго электрода, что, В свою очередь, снижает разрешакзцую сцособносгь масс-спекгромегра, Уменьшение этого угла неизбежно приводит к консгруктивному увеличению расстояВня дО ЗОНЫ ИОНИэацин И ПраКГИчЕСКИ уменьшает плотность эиектронного тока в ней, что снижает чувствительнсхэть прибора.5 10052Зона взаимодействия молекул газовой струи а лазерным излучением представляет некий цнлиндрический объем, образованный пересечением лазерных .лу юй и газовойструи. Поэтому для обеспече-% Нияныажимальной чувствительности время- пролетного масс-спектромегра необходимо обеспечить максимальное перекрытие этого шцппщрического обьема ленточ 16 ным элек 1 ронным пучком. Это достигается тем, что упомянугая щель в первом электроде параллельна оси,цнлиндрического объема, а электронная пушка расположена гак, что ленточный электронный пучок проходит через эту щель и пере 15 секает ось шцшндрического объема.Для пропускания ионов облученных молекул в пространство дрейфа во втором ограничивающем обласгь ионизации электроде прорезана щель, ось которой парал Е лельна осн лазерных лучей; При этом больйинство ионов, полученных из молекул газовой струи, не облучавшихся лазернь 1 м светом, не проходят в щель второго. электрода.Для увеличения плотности электронного тока, что ведет к увеличению чувствительности масс-спектромегра, в источ-нике ионов могут использоваться несколько электронных пушек, расположенных за первым электродом гак, что плоскости ленточных электронных пучков пересекаются по оси, параллельной оси лазерных лучей. В этом случае в первом электроде прорезается несколько шелей. 35На фиг. 1 изображена блок-схема времяпролетного масс-. спекгромегра; на фиг. 2 - консгрукпия источника ионов.Предлагаемое устройство состоит из импульсного источника 1 ионов, дрей- е фового пространства 2 и приемника 3 ионов. Источник ионов включает шелевой коллиматор 4, формирукпгий газовую струю. Иве днафрагмы 5 н 6 лазерных лучей. Электронные пушки 7 и 8 расположены за, первым ограничивакяпим область нониэации электродом 9, в котором прорезаны две щели 10 н 11 для прохождения ленточных электронных пучков. .Во втором электроде 12 выполнена щель М 13 для пропускания ионов иэ области но низ ации.Устройство работает следукюцнм образом.1В область ионизация между электродами О и 12 через шелевой коллнматор 4 попадает ленточная струя. исследуемого газа. В рпределенный момент времени 16 6некоторый участок этой струк (оцределяемый положением диафрагм лазерных лучей 5 и 6) обпучается импульсом лазерного света. Затем этот же участок газовой струи лбпучается электронными пучками от пушек 7 и 8. Образовавшиеся ионы вытапкивакггся иэ области ионнзации импульсным напряжением, нрнложенным к электродам 9 и 12, в дрейфовое пространство 2. Ионы могут образовываться иэ остаточного газе и рассеянных молекул газовой струи на всем щютяженин ленточных электронных пучков, но через щель 12 во втором ограничивающем область ионнзацни электроде 12 преимущественно проходят ионы, находившиеся в облученной лазерным светом зоне газовой сгруи. Прошедшие в дрейфовое пространство 2 ионы разделяются по массам и последовательно поступают на приемник 3 ионов,П р и м е р. Был создан времяпролетный масс-спекгрометр для исследования процессов воздействия лазерного иэлучения на молекулы газовой струи, В источнике ионов этого прибора примененй трн ускорякмцнх ионы электрода ЯЬ повышения разрешающей способностн, массспекгрометра), два из которых ограничивают область ионизации. Размеры этих электродов 60 м 30 2 мм . Расстояние. между электродами, ограничиваюшимн обпасгь ионизации, 5 мм дпя беспретгь сгвенного прохождения лазерных лучейи газовой струнщелевой коллиматор нмеет Размерышелн 1 к 10 мм и формирУет газовую струю, средняя плоскость которой ларылельна ускоряквцим ионы элекродам. Диафрагмы лазерных лучей имеюг.отверстие диаметром 1 мм и установлены так, что лазерные лучи пересекаиг газовую струю под углом 90 и лежат в ее средней плоскости.1В источнике ионов установлены дэе электронные пушки с электростатичесюй фокусиррвкой, что позволило создать в обпа:ги ионизапии плотность электронного тока около 20 мА/см Сечение каждого электронного пучка имеет размеры 1 ф 12 ммф: Плоскости электронных пучков расположены под углом 45 ф к плоскости ограничиваккцего область ионнэации электрода, в котором на. рао стоянии 5 мм друг от друге.прорезаны наклонные шели размером 1 м 12 ммф для прохождения электронных пучков;7 10052Во втором, ограничивающем область ионизапии, электроде выполнена щель размером 1 , 10 мм для выделения ионовйиз облученной лазерным светом зоны. Кель эта смешена по направлению дви жения газовой струи на 0,3 мм от проекции оси лазерных лучей (на такое расстояние смешаются молекулы струи за время от начала ионизации до вьщода ионов из области ионизации). Для компен1 э сации скорости ионов, связанной со скоростью движения газовой струи, на выходе исючника ионов поставлены отклоняющие пластины, расстояние между которыми 4 мм, 1Для увеличения разрешающей способности в масс-спектрометре применена дополнительная электростатическая фокусировка ионных пакетов по принципу масс-рефлектрона. Для этого в масс спектрометре поставлен отражвтель ионов, а траектория движения ионов в камере прибора выбрана У-образной. Отражатель ионов состоит из двух электродов, создактцих . отражающее поле, глубина которого 120 мм,В качестве приемника ионов применены дВе микроканальные пластины диаметром 46 мм.Длина трубы камеры анализаторазо 750 мм. формула изобретенияВремянролетный масс-спектрометр,содержащий импульсный источник ионовс электронной пушкой и двумя ограничивающими область ионизации электродами, дрейфовое пространство и приемникионов, о т л и ч а ю ш и й с я тем,что с целью расширения функциональныхвозможностей, в источник ионов введенщелевой коллиматор газовой струи, дваквантовых генератора и две расположенные по разные стороны источника ионовдиафрагмы для ввода излучения кванто-вых генераторов, выполненные с возможностью перемещения, при этом коллиматор расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, отраничиваюших обпасть ионизации, средняяплоскость распространения газовой струилежит между указанными электродами,оптические оси квантовык генераторов,проходящие через центры диафрагм,союадают и лежат в средней плоскостираспространения газовой струи, электронная пушка расположена за первым электродом, ограничивающим область иониэаций,выполненным со щелью для прохожденияэлектронного пучка, а второй электродвыполнен со щелью для пропускаиия ионов из обпасти иоиизации, причем щелив обоих электродах параллельны оси лазерных лучейеИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1 л;озможно МЛ.,ЬсЬОВь Р. А,ЬееЧ.Т.,%еиЧ,Я.ИЮАесЮат Ъеов Я,одз о 1 КаИзрЬодои ЪЬвос 1 абои о 1 Я-."РЬмйЕч ьЕ 1, ЪВ,11,1977,При этих габаритах разрешающая способность масс-спектрометра равна 600по основанию массовых пиков. Чувстви":тельность его такова, что при плотности исследуемого газа в струе 10. молекул/см на приемник ионов приходитодин ион за каждый цикл выталкиванияионов из источника. При плотности газав струе 10" молекул/см колебаниеамплитуды основных массовых пиков спектра эа счет статистического разброса числа ионов в пакете, приходяшем на прием-ник) составляет 5%. Этого достаточнодля обнаружения и исследования большинства интересуюших нас эффектов.Так, например, при воздействии мощного ИК-лазерного излучения на молекулы гексафторида серы 5 Г), охлажденные в расширяющейся газовой струе,изменение амплитуды пиков 5 Р+ и 5 Г+Ъдостигает 50%. Таким образом, послеединичного импульса лазера можно получить с достаточной достоверностью информацию об эффекте воздействия ИК-излучения на молекулы ЭГ,При излучении воздействия лазерногоизлучения на различные по изотопному 16 8составу молекулы гексафторида серымасс-спектрометр позволил определитьселективное изменение масс.с:пектровмолекул 5 В, и 9 Рэ при одновремеи,ном их возбуждении,Новый времяпролетный мас-спектрометр также позволяет измерять плотности различных компонентов газа в струе,групповые скорости молекул в ней, снимать масс-спектры возбужденных лазерным светом молекул, наблюдать процессыдезактивации молекул, а при большихплотностях газа в струе наблюдать пики кластеров.Предлагаемое изобретение дает воэможность изучать детали сложного процессавзаимодействия лазерного излучения смолекулами газовой струи, . что актуальнодля лазерного разделения изотопов.2, Ионов Н. И., Мамъ 1 рин Б. А, "Масс-спектрометр с импульсным источником, ионов". ЖТф 23, М 11, 2101, 1 953 100 М 16 103, Авторское свидегельство СССРВНИИПИ Заказ 1916/72 Тираж 701 Подилиад ППП Патентф, г. Уж город Ул Проек 4