Магнитный резонансный масс-спектрометр

АНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Е. Пикус и В. Б. Фикс МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ С-С П ЕКТРОМЕТР аявлено 19 июля 1956 г. за555032/2 изобретений и открытий при Совете в 1(омитет по деланаинпстров СССР публиковано в Бюллетене изобретений2 а 1959 г. Известны масс-спектромет изводится по времени пролета Т; полного оборота ионов в п энергии и направления вылета ко цх массой М и величиной м ры, в кото их в посто Остоянном ИОНОВ ИЗ агнитного рых измерение масс-ионов про янном магнитном поле. Времямагнитном поле не зависит от источника и определяется толь поля О М,Т, = 652мк.сек.Таким образом, измерение массы иона сводится и измерению периода его обращения, Постоянное магнитное поле, в котором движется ион, обеспечивает фокусировку по скоростям ц направлениям.Известны и резонансные масс-спектрометры, в которых измерение массы иона основано на том, что частоту обращения иона измеряют путем сравнения с известной частотой генератора импульсов. Одним цз источников ошибок при анализе микропримесей в материалах известными масс-спектрометрами является фон попов, рассеянных ца молекулах остаточного газа или в результате столкновения с диафрагмами. Этот фоц приводит к частичному перекрытию ионных пучков и, таким образом, на приемник тока вместе с ионами микропримесей будут попадать попы пучка основной компоненты.Предлагаемый масс-спектрометр устраняет этот недостаток, для чего перед коллектором масс-спектрометра установлен конденсатор, создающий электрическое поле, задерживающее рассеянные цоцы, а положение коллектора и ускоряющее напряжение в модуляторе выбраны так, чтобы резонансные ионы достигали коллектора после нескольких оборотов, а нерезонапсные ионы могли проникнуть на коллектор лишь после многократного рассеяния. Для исключения необходимости мцогократного вращения нерезонансных ионов на модулятор подается постоянный цлц задерживающий потенциал.Принципиальная схема предлагаемого магнитного резонансногомасс-спектрометра показана на фиг. 1.Из источника 1 вылетают монокинетические ионы, которые заворачиваются в магнитном поле (направленном перпендикулярно чертежу) ипопадают в модулятор 2, состоящий из трех сеток 3, 4 и 5. Сетки 3 и бзаземлены, а на среднюю сетку 4 модулятора подан положительный потенциал 17, от генератора б импульсов, Таким образом, между сетками 3 и 4 создается постоянное затормаживающее поле, Запирающий потенциал Ь, больше потенциала Ь, ускоряющего ионы в их источнике 1. В таком состоянии модулятор 2 заперт и ионы не проходят сквозьнего. Знак импульсов, подаваемых на среднюю сетку модулятора от генератора б, отрицательный.Форма импульсов показана на фиг, 2. Длительность 1 этих импульсов больше, чем время пролета иона между сетками модулятора, а период следования их - Т. Амплитудное значение импульсного напряжения - Р ) Г, - 17,г, гденапряжение, ускоряющее ионы в источнике 1. Таким образом некоторое время т модулятор открыт и ионы, входящие в него в это,время, получают приращение Лсо, проходят модулятор и огибают источник 1. Возникает ионный пакет, содержащий всеионы, находящиеся в источнике. Все ионы пакета возвращаются к модулятору и дальнейшая судьба их зависит от периода обращения Т; в магнитном поле.Попасть на коллектор 7 ионы могут, лишь получив известное ускорение и определенное приращение энергии, соответствующее положениюколлектора в магнитном поле, Из этого следует, что попасть на коллектор могут лишь ионы, период Т; обращения которых в постоянном магнитном поле О находится в определенном соотношении с периодом Тимпульсного напряжения:Т,. =-гТ (г=1,2, 3) (1)Ионы, для которых выполняется соотношение (1), можно именоватьрезонансными ионами. Такие ионы, пройдя модулятор однажды, будутпроходить его, ускоряясь, до тех пор, пока не попадут на коллектор 7.Разрешающая сила д спектрометра определяется минимальным числом гг оборотов иона, необходимых для достижения коллектора 7, периодом обращения Т и длительностью с ускоряющего импульса:2 п Т,(2)Перед коллектором находятся две сетки 8 и 9, образующие плоскийконденсатор, Первая из сеток заземлена. Полный задерживающий потенциал па коллекторе 11В спектрометре должно быть соблюдено следующее неравенство:Р) еl )е 11 - Ч, (3)где Ю - полная энергия ионов, приходящих на коллектор.ф=,+ ( + ) (4)1 Г, - начальная кинетическая энергия ионов, приобретенная в источнике, е - заряд электрона.Должно быть выполнено в спектрометре и неравенствое)l,) У 7 + ЛУ (5)При таком режиме работы масс-спектрометра на модулятор попадут лишь ионы, массы которых лежат в определенном интервалеЛМ =М, - М,Радиус й круговой траектории иона в постоянном магнитном полеопределяется соотношением:(6) Если ширина модулятора - , то из равенства (5) следуетР Й) 1 1 АМ ДЯ 21Р - 2 Л 4 или Л 4 = - Р - (7)Последнее равенство (7) определяет интервал масс-ионов, проходящих через модулятор при заданных значениях Р и Н.Пусть ионы основной компоненты пучка имеют массу М а масса ионов микропримеси - М; . При измерении тока микропримеси ускоряющий потенциал выбирается так, чтобы ионы микропримеси попадали на модулятор.М, М, 21Если), то ионы основной компоненты попадаютсна модулятор вместе с ионами микропримеси.Пока модулятор закрыт, все ионы рассеиваются, но не проникают в коллектор в силу условия (3),Когда модулятор открыт, через него проходит пакет ионов, состоящий из ионов основной компоненты и ионов микропримеси. Ионы микро- примеси являются резонансными, делают и + 1 оборотов и попадают на коллектор.Ионы основной компоненты приходят на модулятор во второй раз с энергией Р, = Р + ЛУ, а так как задерживающий потенциал еУ, ) Рь то ионы эти рассеиваются.Таким образом, исключаются многократные вращения нерезонансных ионов, которые могут привести к проникновению их на коллектор.Допустим, что на модуляторе нет постоянного задерживающего напряжения Р, . Ионный пакет, которыи после первого ускорения прошел через модулятор, содержит как резонансные так и нерезонансные ионы. Нерезонансные ионы возвращаются к модулятору, когда напряжение на сетках его равно нулю, и свободно проходят, не испытывая ускорения. Такие свободные вращения будут происходить до тех пор, пока ионы не рассеются.Пусть а - число вращений нерезонансных ионов, р - число импульсов ускоряющего напряжения на модуляторе,Если аТ, =Т, (8) где Т, - период вращения нерезонансных ионов, то после а-оборотов эти ионы попадут в модулятор, когда в нем будет существовать ускоряющее напряжение. Если иону необходимо п + 1 оборотов, чтобы попасть на коллектор, то он попадет на него после аг оборотов. Хотя путь таких ионов будет в а раз больше, чем резонансных, ток, обусловленный ими, может во много раз превышать ток микропримесей.Запирающее напряжение Ь, делает невозможным свободное вращение нерезонансных ионов и, следовательно, проникновение их на коллектор,Основное разделение ионов с массами М, и М, происходит на первом же обороте. Но часть ионов с массой М, испытывает рассеяние на молекулах остаточного газа. Малая доля рассеянных ионов испытывает такое угловое отклонение, меняющее время прибытия их к модулятору, что оказывается в нем вместе с резонансными ионами, то есть совершает второй оборот. Доля этих ионов равна коэффициенту К перекрытия ионных пучков, который много меньше полной вероятности рассеяния иона, но все же число таких ионов, случайно попавших в резонанс124564ные, может значительно превосходить число ионов микросмеси. Однако во время второго оборота ионов произойдет вторичное отделение нерезонансных ионов и т. д.Таким образом, масс-спектрометр будет работать как каскад и сепараторов, где п - число оборотов ионов.Пусть о (и) - вероятность проникновения на коллектор нерезонансного иона, получившего в результате гг - кратного рассеяния - необходимое приращение энергии:(и) (К )иЕсли даже К = 10 4 - 10 ", то вероятность многократного рассеяния становится очень малой.Если задать потенциал на коллекторе е 1"= Ц 5,1 + 3 - 4 ЛР и еР,: У + 3 - 4 ЛГ, то да 5 ке при концентрации примеси 10-" фон основной компоненты будет пренебрежимо мал.Вместо постоянного задерживающего напряжения можно подать на модулятор от независимого генератора импульсное напряжение, запирающее модулятор (фиг. 3). Длительность 1 этих импульсов должна быгь больше, чем период обращения самых медленных из анализируемых ионов. Интервал между импульсами Т, выбирается из условия -(3 - 4) а, где а - число оборотов, после которых нерезонансныйион попадает в модулятор, когда в нем существует ускоряющее напряжение,Величина запирающего импульса е 1 должна быть большей, чем Ф + (3 - 4) ЛК.Таким образом, за период между этими запирающими импульсами ни один нерсзонансный ион не сможет набрать энергию больше, чем еР все они рассеются и не смогут попасть в коллектор, так как на него подается задерживающее напряжение е 1 Ги = Ж + (3 - 4) ЛВ, препятствующее попаданию нерезонансных ионов,В этОм режиме спектрометр ряоотяст цпклям 1 л между двум 51 запирающими импульсами, однако чувствительность его не снизится, так как Т, может быть велико.Для ускорения ионов могут быть применены прямоугольные импульсы с длительностью, меньшей длительности пролета ионов между сетками модулятора, что позволяет повысить разрешающую силу спектромстра при том же расстоянии между сетками модулятора,Предмет из обретения1. Магнитный резонансный масс-спектрометр, о т л и ч а 1 о щ и й с я тем, что, с целью исключения фона рассеяния ионов основного компонента исследуемого вещества, перед коллектором спектрометра установлсн конденсатор, создающий электрическое поле, задерживающее рассеянные ионы, а положение коллектора и ускоряющее напряжение в модуляторе выбраны так, чтобы резонансные ионы достигали коллектора после нескольких оборотов, а нерезонансные ионы могли проникнуть ня коллектор лишь после многократного рассеяния.2. Магнитный резонансный масс спектрометр по п, 1, отл 1 лч- аю й ся тем, что, с целью исключения многократного вращения нерезонансных ионов, на модулятор подан постоянный или импульсный задер 5 кивпоп 1 ий потенциал.