Масс-спектрометр

(51) Н 0149/32 БРЕТ ПИСА АВТОРСНО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(56,) 1, М.А.Сор 1 ап, К.И.Од 13 лт 3.е,Р.А.ВосЬв 1 егг Э.Се 3.вв, ХЕЕЕ, ТГап- .вас 1 опв оп Сеовс 1 епсе Е 1 есгоп 1 св,.УСЕР 3, 185, 1978, "Хоп Совров 1 Ыоп Ехрег 1 веп 1 ф.2. Е.ф.ВЬе 11 еу, В.О.ЯЬагр,К,д.3 оЬйвоп, 3,Се 1 ввР.ЕЬегЬагЖ,Н.Ва 1 в 1 дег, С.Наегепйе 1 апй Н.ВовепЬацег, 1 ЕЕЕ, Тгапвас 1 опв оп Сеовс 3.енсе Е 1 ес 1 гдп 1 св, ЧСЕ, Р 3, 1978,(54 )(57) МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий энергоанализатор, выполненныйв виде, электростатического цилиндрического конденсатора, масс-анализатор, состоящий из постоянногомагнита с плоскими полюсниками, разделенными зазором, и электроста-тического цилиндрического конденсатора, приемник с коллимацнонной щелью, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности и увеличения разрешающей способности, параллельные обкладкам конденсаторов оси симметрии выходного окна первого конденсатора и входного окна второго кон- денсатОра лежат в плоскости, проходящей через середину зазора магнита, параллельную его полюсникам, и параллельны между собой, а обкладки конденсаторов выпуклостью направлены в противоположные стороны, при этом соотношение ширины коллимационной щели Ь и радиусов Е кривизны обкладок конденсатора3 4. масс-анализатораиудовлетворяют неравенству 0,008 - ( +12 . 0,013, а угол с(1 крнвизйыобкла,док конденсатора энергоанализатора Я и угол о(, кривизны обкладок конЭ денсатора масс-анализатора определяются неравенствами 125 оо 4 1290) 60 оос 66 оПредлагаемый масс-спектрометр относится к фотоэлектрическим,электронным и газоразрядным приборам для исследования излучения или потока элементарных частиц.Известен масс-спектрометр для анализа солнечного ветра по массе и энергии, содержащий масс-анали затор, состоящий из постоянного маг. нита с плоскими полюсниками, разделенными зазором, электростатичес" кого цилиндрического конденсатора, обкладки .которого совместно с полюсниками магнита образуют входное ь выходное окна, ограничивая из размеры во взаимно перпендикулярных направлениях; энергоанализатор, выполненный в виде электростатическо" го цилиндрического конденсатора, обкладки которого имеют ось симметрии, направленную перпендикулярно поверхности полюсников магнита, и приемник с коллимационной щелью 11 еЭффективность известного массспектромегра, которая определяется в основном величиной площади входного окна масс-спектрометра, предназначенного для исследования потоков заряженных частиц с угловым разбросом, не превышающим угловую апертуру прибораи его разрешающая способность обеспечиваются использованием в.масс-анализаторе электростатического цилиндрического конденсатора, обкладки которого имеют ось симметрии, лежащую по направлению распространения исследуемого потока частиц, и расположениеммасс-анализатора перед энергоанализатором, Площадь вход" ного окна прибора, сбвпадающего со входным окном конденсатора асс-анализатора, составляет 0,3 см при разрешающей способности по скорости потока солнечного ветра 20-30 (соответствует разрешению по массе ы/7/ й( в )=10 - 15 и не позволяетЕполучить эффективность, достаточную для проведения анализа компонент малых концентраций в общем потоке частиц.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является масс-спектрометр для анализа межпланетной плазмы, содержащий энерго анализатор, выполненный в виде электростатического цилиндрического конденсатора, обкладки которого образуют входное и выходное окна, масс-анализатор, состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками, разделенными зазором, электростатического цилиндрического конденсатора, обкладки которого совместно с полюсниками магнита образуют входное и выходное окна, ограничивая их размеры во взаимно перпендикулярных направлениях,и приемник с коллимационной цедью;Конденсаторы энергоанализатораи масс-анализатора установлены так,что оси симметрии их обкладок пер",пендикулярны поверхностям полюсников и расположены по одну сторонуот плоскости, проходящей черезграницу выходного окна конденсатора энергоанализатора, образован О ную одной из его обкладок, и черезграницу входного окна конденсатора масс-анализатора, образованнуюодной из его обкладок 21.В этом масс-спектрометре вели чина площаци его .входного окна,совпадающего со входным окном конденсатора энергоанализатора, равная 0,1 см 2, с одной стороны не обеспечивает требуемой эффективностиприбора, а с другой приводит к низинмакой разрешающей способности к 10)ама.из-за значительных аберрацийи плохих дисперсионных свойств масс анализатора.В приведенных схемах масс-спектрометров для получения требуемой разрЕ"шающей способности конденсаторыэнерго-и масс-анализаторов должныиметь малые размеры входного и выходного окон во взаимно перпендикулярных направлениях, так как одиниз размеров ограничен обкладкамиконденсаторов, а перпендикулярныйему - величиной зазора между по люсниками магнита. Поэтому такие,масс-спектрометры обладаютнизкойэффективностью, Повышение эффективности за счет увеличения площадивходного окна прибора при данной 4 О конструкции приводит к существенному увеличению размеров и весамасс-спектрометра, что недопустимо в условиях космического эксперимента, или к ухудшению его разре" 45 шающей способности .Целью изобретенияявляетсяповышение эффективности и увеличениеразрешающей способности масс-спектрометра.50Указанная цель достигается тем,что в масс-спектрометре, содержащем энергоанализатор, выполненныйв виде электростатического цилиндрического конденсатора, массанализатор, состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками,разделенными зазором, электростатического цилиндрического конденсатора, и приемник с коллимацион ной щелью, паралледьные обкладкамконденсаторов оси симметрии выходного окна первого конденсатора ивходного окна второго конденсатора лежат в плоскости, проходящей 65 через середину зазора магнита,параллельную его полюсникам, и параллельны между собой, а обкладкиконденсаторов выпуклостью направленыв противоположные стороны, при этомсоотношение ширины коллимационной,щели В и радиусов кривизны обкладокконденсатора масс-анализатораиудовлетворяют неравенству 0,008 с(Э 4)Ра угол о,кривизйы обкладок конденсатора энер гоанализатора и угол о(г кривизныобкладок конденсатора масс-анализатора определяются неравенствами125 оСо( с 129 о б 0 осо( ббоУстановка электростатическихконденсаторов и магнита указанным.образом способствует тому, чтообкладки конденсаторов и полюсники магнита ограничивают входноеокно прибора, совпадающее со входным окном энергоанализатора, толь ко в одном направлении.Размещение электростатическихконденсаторов таким образом, чтооси симметрии кривизны поверхностейих обкладок расположены по разныестороны от плоскости, проходящейчерез одну из разделенных зазоромповерхностей полюсников магнита,улучшает энергетическое пропуска"ние прибора в пределах его энергетического окна,Форма полюсников магнита обеспечивает одинаковые условия для частиц исследуемого потока, независимо от места их влета в зазор подлине полюсников, и большую диспер"сию.Выбранная величина угла оСконденсатора энергоанализатора йозволяет перевать параллельный потокисследуемых частиц во входном окнев параллегьный поток в выходномокне, обеспечивая тем самым высокоепропускание масс-анализатора.При,с(125 о и о 129 поток частиц извыходного окна энергоанализаторастановится отличным от параллельного на столько (соответственнорасходится или сходится), что существенно ухудшает пропусканиемасс-анализатора,Выбранная величина угла Ыг кон"денсатора масс-анализатора позволяет осуществить фокусировку.исследуемого потока частиц по углу конденсатором масс-анализатора наколлимационную щель. При сг (бОо .значительно ухудшается энергетическоеразрешение конденсатора.,При о т ббфокальная плоскость конденсаторагсмещается в область между его обкладками так, что исключается воэможность коллимации потока частицв непосредственной близости отфокальной плоскости, Это уменьшает разрешающую способность массанализатора.ширина коллимационной щели Ьвыбирается так, чтобы за счет ограничения рассеянных частиц иссле 5 дуемого потока, попадающих на приемник, повысить разрешающую способ-.ность прибора, не уменьшая существенно общего числа заряженных частиц, достигающих приемника. 1 ри10 Ь3" +1 гЮ 08 пропускание масс,спектрометра, а следовательно, иего эффективность становятся ниэВ15: кими, цри("3 "41/малой разрешающая способность массспектрометра.Таким образом, описанные отлн 20 чительные признаки в совокупностинеобходимы и достаточны для одновременного повышения эффективности(и разрешающей способности масс-спектрометра.25 Гредлагаемое устройство представлено на чертеже,На фиг. 1 показана проекциямасс-спектрометра на плоскость,. пер,"пендикулярную оси симметрии кривиз 30 ны поверхностей обкладок конденсатора энергоанализатора;на фиг. 2 - аксонометрическаяпроекция масс-спектрометра,Масс-спектрометр содержит элек 35 тростатический конденсатор энергоачализатора, состоящий из обкладок 1 и,2, магнит с полюсниками3 и 4 электростатический конденсатор масс-анализатора, состоящий из40 обкладок 5 и б, выходное окно которого перекрывается приемником 7 с коллимационной щелью 8.В качестве чувствительного элемента приемника используются микро"канальные пластины, которые служатдля регистрации заряженных частицпотока солнечного ветра. Предлагаемый масс-спектрометрработает следующим образом.Исследуемый поток заряженныхчастиц попадает во входное окно энергоанализатора между обкладками 1 и 2,где формируется величина энергетического и углового пропускания. Затем пучок заряженных частиц попадает в масс-анализатор, магнит которого (полюсники 3 и 4 ) отклоняетзаряженные частицы потока на углы,зависящие от величины М/ 2 для каж дой частицы. Конденсатор масс-анализатора, состоящий из обкладок5 и б, производит отбор частиц с различным значением М/ 2 по составляющей энергии нормальной к поверх ности выходного окна, и Фокусируетэти частицы по углу на коллимационную щель.фокусирующие свойства энергоаналиэатора и масс-анализатора и дисперсионные свойства масс-анализатора позволяют выцелить частицы с ойределенным отношением Г 3 и Е/ 3 из общего потока и зарегистриро,вать их приемным устройством. В лабораторных условиях проведен расчет и моделирование масс-спектрометра. При этом выбраны следующие размеры:Радиусы обкладокконденсатора энер- гоанализатора.,:4,1 см 4 ф см Радиусы обкладокконденсатора масс"анализатора Длина окон конденсатора энергоанализатораДлина окон конденсатора масс-анализатораШирина полюсниковмагнитаУгол конденсатораэнергоаналнзатора г-"4,1 см г -4,3 см:3.,=20 смЬ 2=25 см АЭ см К -"127Угол конденсаторамасс-анализатора Ю =64кирина коллимаци.- 2онной щели В:0,05 смЦэи этом величина площади вход 5 ногоокна прибора 8=4:см, средняяраэрешакщая способность масс"спектрометра 20,Цедлагаемая конструкция позво"ляет повысить эффективность масс 1 О спектрометра в 40 раз за счет получения, большой площади входного окнаприбора при увеличении его разрешающей способности в 2,5 раза по сравнению с конструкцией прототипа,5 1 федлагаемая конструкцияпозволяеттакже проводить анализ потока солнечного ветра с направлением, изменяющимся в широком диапазоне углов(+15 О) относительно нормали к поверхности входного окна прибора,лежащих в плоскости, проходящейчерез длинную ось входного окна прибора,Параметры предлагаемого масс 5 спектрометра достаточны для получения надежных данных о кинети,"ческой температуре и скоростиионовсолнечного ветра тяжелее кислорода,а также для определения зарядовогосостояния в.широком диапазоне потоковых скоростей солнечного ветра..Цитк Тираж 703Государственного коми делам изобретений и о Москва, Ж, Раушска исн аеаеееееееееаееаа ли Заказ 10051/54 ВНИИ ПИ по 113035,ааеЕееееЕааееаае