Омегатронный масс-спектрометр

Союз Советских Социапистических РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 101279 (21) 2849717/18-25 (51) М Н 01 3 49/3 рисоединением заявки осударствеииый комитет СССР по делам изобретеиий и открытийата опубликования описани 7. 1 1,8 2) АвторыизобретениИзобретение относится к области научного приборостроения, к технике измерения масс ионовПрецизионные измерения масс ионов позволяют полу чить инФормацию об эн,;ргии покоя стабильных и нестабильных возбужден ных долгоживущих ядер.Второе применение - измерение мо лекулярного веса однородных по А (А - масса ядра), пучков ионов тяже лых биологических молекул: А - 10 В,Для прецизионного измерения масс резонансным методом ионов измеряют циклотронную частоту иона в магнитном поле Н оИ= - Но,2 еАРзаряд иона;его масса;заряд электрона;уи р - атомная единица массы.Измерению подлежит величина А -атомный вес исследуемого ядра. Данныеизмерения производятся в масс-спектрометрах типа омегатрон (1).Электронный пучок с энергией около 70 эВ, ведомый магнитньм полем,ионизирует газ. На образуюдиеся положительные ионы действуе" поперечное высокочастотное электрическоеполеЕсли частота генератора равна.частоте циклотронного резонансаисследуемого иона Я.А, то происходитрезонансное нарастание скорости ионови радиуса орбиты, ионы попадают наколлектор. Индикация резонанса ведется по максимуму тока коллектора.Наиболее близким по решению даннойтехнической задачи является омегатронный масс-спектрометр, включающиймагнитную систему, внутри которойрасположена цилиндрическая камера с 15 двумя электродами, подключенными крадиочастотным генераторам, входыкоторых соединены с синтезаторомчастоты, источник ионов и.детекторионов, соединенный с системой индикации 21Устройство обладает большой гогрешностью измерений, связанной соследующими причинами: наличием временного дрейФа магнитного поля - из мерения различных ионов (с разнымиА) производятся не одновременно, магнитное поле может измениться от измерения к измерению, пространственнойнеоднородностью магнитного поля, ре лятивистскими изменениями массы дви 87967710 20 30 40 50 60 кущихся ионов, наличием поля объемного заряда, сдвигающего резонанснуючастоту, наличием паразитных магнитных полей н рабочем объеме и искажением полей различными элементами,конструкции. В частности, источникомтаких полей являлась нить накалакатода.Кроме указанных недостатков, описанных в литературе, следует указатьна недостаточную точность индикациирезонанса, наличие газа в камере.Ионизируют не только электроны, нои ионы, в результате чего место появления иона - неизвестно,1 елью изобретения является повышение точности относительных измерений А для днух ионов до 10 9-10-",Отличительной особенностью предлагаемого устройстна является то,что в омегатронный масс-спектрометр,включающий магнитную систему, внутрикоторой расположена цилиндрическаякамера с двумя электродами, подключенными к радиочастотным генераторам,входы которых соединены с синтезатором частоты, источник ионов и детектор ионов, соединенный с системойиндикации, введена система модуляциивремени полета ионов в камере, содержащая двухчастотную систему генерации низкой частоты, а система индикадии имеет дна фазовых детектора,входы которых соединены с детекторомионов и синтезатором частоты, а такжедва синхронных детектора, каждыйвыход которых содержит индикатор резонанса, а входы соединены с фазовыми детекторами и выходами днухчастатной системы генерации низкой частоты.Выходы днухчастотной системы генерации низкой частоты соединеныс электродами монахроматического источника ионон двух изотоповВ устройство введены электрическиуправляемые аттенюаторы, включенныемежду синтезатором частоты и генераторами радиочастоты, соединенные свыходами двухчастатной системы генерации низкой частоты,С целью устранения влияния объемного заряда нерегистрируемых ионовв камеру введена система сбросанерегистрируемых ионов, выполненнаян виде полого стержня, расположенного по оси цилиндрической камеры.На фиг. 1 и 2 показана схемаустройства; на фиг. 3 показано распределение ионов по скоростям; нафиг. 4 - векторная диаграмма.Предлагаемое устройство состоитиз двух ионных источников 1, одновременно подающих в цилиндрическую металлическую рабочую камеру 2 ионыс атомным весом А 1 и А 2, отношениемасс которых надо измерить. Ионныйпучок входит и камеру через центральное отверстие в ее торцовой стенке,В камере помещены два электрода 3,соединенные с двумя радиочастотнымигенераторами 4, которые соединены ссинтезатором частоты 5. ЗлетродыФормируют переменное электрическоеполе, вектор напряженности которогоперпендикулярен аси камеры. В торцекамеры помещен также детектор ионовс системой усилительных динадов ианодным электродом 6,Камера помещенав постоянное магнитное поле, создаваемое магнитной системой 7. Направление вектора магнитного поля совпадает с осью камеры. Магнитная системаизображена в ниде сверхпроводящегосоленоида. В схеме имеется такжедвухчастатная система генерации низкой частать 1 8, выходы которой соединены с управляющими электродами ионных источников.Двухчастотная система генерации,низкой частоты содержит дна генератора несоизмеримых частот (во избекание перекрестных помех), питаемыхот общего задающего генератора. Анодный электрод детектора ионов соединен с усилителем, к выходу которого подсоединены фазовые детекторы9, к выходу которых подключены синхронные детекторы 10, Синхронныедетекторы подключены также к выходамдвухчастотной системы генерации низкой частоты 8. К выходам синхронныхдетекторов подключен стрелочныйприбор 11, являющийся регистраторомрезонанса,Устройства работает следующимобразом. Ионы с атомным весам А,1 и А 2, значения которых нужно также измерить, подаются из ионных источников в рабочий объем через отверстие на оси цилиндра, Пад дейстнием электрического поля двух частот Я.4 и Я.,2, возбуждаемых электродами, соединенными с генераторами радиачастот, ионы двигаются по ларморавским орбитам увеличивающегося радиуса. В пространстве орбиты образуют коническую поверхностьДалее резонансные ионы попадают на детектор ионов, который состоит из катодного электрода, падая на который, ионы выбивают вторичные электроны, Далее электроны усиливаются динодной системой за счет вторичной эмиссии, как в фотоэлектронном умножителе, и усиленный ток попадает на анодный электрод. Как показано ниже, при точном резонансе фаза ионного тока на детекторе не зависит от времени пролета ионов, а при уходе от резонанса знак фазы зависит от знака растройки. При подаче переменного напряжения на ионный источник модулируется скорость иона и, следовательно, время пролета, причем, как это видно из схемы, частота модулирующего напряжения - своя для каждого из двухделение по скоростям и, следовательно, по радиусу, показанное на фиг,3, Конечные размеры детектора ионов, как это видно из фиг. 3, приводят к тому, что регистрируется только часть пучка, более монохроматическая, чем весь пучок.Для кинетической энергии, приобретаемой ионом в высокочастотном поле, легко получить формулу: 2.(е 5 с 1)8)где о - энергия покоя иона,Заметим, что в силу (7) пространственные,траектории различных ионовсовпадают и тем влияние пространственной неоднородности магнитногополя в значительной степени исключается,Число оборотов Я резонансногоиона равно: Высокочастотное поле группирует 25ионы в сгустки, причем сдвиг фазмежду скоростью иона и полем равен,согласно формуле (4): и поэтому в качестве условия резонанса Ь:О можно взять" Условие (10) устанавливается методами микрофазометрии: подается наэлектроды ионного источника небольшое переменное напряжение низкойчастоты, тем самым модулируется скорость ионов и тем самым время пролета: где о, - коэффициент модуляциимр1) - частота модуляции. 5 О Для переменной компоненты фазы имеем; При синхронном детектировании переменной компоненты фазы с низкочастотным напряжением, подаваемым на ионный источник, можно определить величину и знак расстройки и точно настроиться в резонанс, что и реализуется схемой, показанной на фиг.1.Микрофазометрические измерения полностью исключают временные нестабильности и позволяют одновременно работать с несколькими сортами ионов в . на электроды можно одновременно подавать несколько высокочастотных напряжений, допускается также параллельная работа нескольких детекторов. При этом измерение массы свелось к измерению частоты, эталон частоты в настоящее время один из наиболее точных, При одновременных измерениях двух типов ионов нестабильность магнитного поля не важна, важно только качество - ширина линии используемого синтезатора частоты.Если минимально измеримая аппаратурная фаза есть О 9, то для погрешности имеем что для относительной погрешностиизмерений массы дает: Порог чувствительности микрофазометрических методов измерения определяется флуктуациями. Эти пороги практически достигнуты в целом ряде устройств, расхождение между теоретическим и экспериментальным значением не превышает 10.Рассмотрим теперь величину Д Ч Принципиально возможное разрешение по фазе определяется двумя факторами; разбросом фаз ионов в сгустке, связанным с начальными скоростями, и о временным разрешением системы индикации.Рассмотрим оба фактора.1, Как видно из векторной диаграммы фиг, 4, средний разброс фаз для единичного иона равен д Я)о 7эр 1 2 р 22 ) д сэгде д - средняя наналэная энергия йоперечного движения иона с рабочей поляризацией, на входе в прибор;Йк - энергия поперечного движения ионов на входе, около детектора, Для работы детектора необходимо 6 Ь1 кэВ, поэтому для протонов Як)100 кэВ.рнрс рдремам д = 0,1 эд. тогда для иона с А =1:сГЧ: о,оо 1 В силу сказанного выше д Ч д. При измерении на многих ионах погрешность благодаря статистическому усреднению уменьшается в ГИ раз, где величина й равна:где 3 - регистрируемый ионный ток;С - время усреднения.При оценках возьмем ток 1,6 нА,и время усреднения порядка 100 с.При Й = 104 и а( = 0,1 это дает с"А И дА (17)5А(18) Для большого количества ионов происходит статистическое усреднение: у 6 Ыо 1 Ги(19) 40 Для тех же условий, что и ранее,при А =1 р Я. д(.о 1 КЮ,=. (О 45Так какЯ- - тосГЧ . Для отног(Я 2 Асительной погрешности измерения массы имеем: 50 сГА ( А ДА 1%(20) Эаметим, что фаза оусоот-б ветствует временному интервалу 1,6 ф 10 с.Устройство, в котором монохроматизация пучка производится в процессе работы, показано на фиг. 2.модуляция времени пролета осущест вляется с помощью модуляции высокочастотного напряжения -Ео. Для этого между синтезатором частоты 5 и генераторами 4 включен управляемый аттенюатор 12, соединенный с двух- . 65 и, следовательно, для тяжелых ядер имеем разрешение 2 10 о. Для тяжелых молекул при А = 106 относительное разрешение - -2 10 и абоГА, - 6 солютное разрешение , 1, что достаточно для любых биохимических приложений,2, Временное разрешение системы индккации Д Г 0 определяется как длительность растянутого импульса на выходе системы, в который превращается идеально короткий импульс на ее входе. При ударе единичного иона Д (,О получается усреднением по многим ионам. Для лучших динодных систем, использующих. вторичную электронную эмиссию, К а 10 -фс.ОДинодная система, используемая для индикации, должна работать в 25 сильном магнитном полеСильное магнитное поле может быть использовано для улучшения временного разрешения.Погрешность по фазе для единич ного иона равна: частотной системой генерации низкой . частоты 8, а на ионные источники никаких напряжений от двухчастотной системы генерации низкой частоты 8 не подается.При подаче напряжения, низкой частоты на аттенюаторы12 меняетсяих затухание, в результате чего возникает амплитудная модуляция выходного напряжения генераторов радио- частот. В силу соотношения (6) при этом возникает модуляция времени пролета, Далее устройство работает также, как и описано выше.Такая воэможность имеется, как этовидно из формулы (6) и фиг. 2.Для повышения точности измерения нужно иметь большие И . Для этого выделяют методом, разобранным выше, медленные ионы из пучка. При этом медленных ионов в пучке значительно меньше, чем быстрых. Для получения достаточного тока регистрируемых медленных ионов необходимо иметь существенно больший ток пучка, что связано с возникновением объемного заряда и появлением соответствующей погрешности. Для устране ия объемного заряда коллектор быстрых ионов должен быть расположен вблизи отверстия ионного источника, тем самым в остальном объеме быстрые и нерезонансные ионы отсутствуют, а ток медленных ионов1-10 нА достаточно мал и, следовательно, объемный заряд тоже мал. Для этого на оси камеры расположен стержень, выполняющий роль коллектора ионов, укрепленный на. торце, противоположном отверстию источника ионов. При этом торец упомянутого стержня отстоит эт отверстия в торцовой стенке камеры на расстоянии (,", определяемом соотношениемИ Но(, = -- ).С (.где Ч - продольная скорость регистр.рируемых протонов;радиус стержня;С - скорость света;Н - напряженность магнитногоополя;Е - напряжение электрическогополя при измерениях протонов.Предложенное. техническое решение позволяет повысить точность измерений масс ионов при А менее 100-200 на 2-3 порядка.Изобретение может быть использовано при проведении прецизионных изме-рений масс нуклидов и тяжелых молекулярных ионов в физических и биохимических исследованиях.Формула изобретения1. Омегатронный масс-спектрометр,включающий магнитную систему, внутрикоторой расположена цилиндрическая камера с двумя электродами, подключен- ными к радиочастотным генераторам, входы которых соединены с синтезатором частоты;источник ионов и детектор частоты, источник ионов и детектор ионов, соединенный с системой индикации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, нто, с целью повышения точности измерений, в устройство введены система модуляции времени пролета ионов в камере, содержащая двухчастотную систему генерации низкой частоты, а система индикации имеет два фазовых детектора, входы которых соединены с детектором ионов и синтезатором частоты, а также два синхронных детектора, каждый выход которого содержит регистратор резонанса, а входы соединены с фазовыми детекторами и выходами двухчастотной системы генерации низкой частоты.2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что выходы двухчастотной системы генерации низкой частоты соединены с электродами монохроматического источника ионовдвух изотопов.3, Устройство по п, 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что в устройство введены электрически управляемые аттенюаторы, включенные междусинтезаторо частоты и генераторомрадиочастоты, соединенные с выходамидвухчастотной системы генерациинизкой частоты,4.устройство по пп,1, 3, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюуменьшения влияния объемного заряданерегистрируемых ионов, в камерувведена система сбора нерегистрируемых ионов, выполненная в виде полого15 стержня, расположенного по оси цилиндрической камеры.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США М 2.868.986,2 О кл. 250-41,9, опублик. 1954.2. Н, Бопцпег, Н.А. ТЬощая, 1,А.Н 1 рр е "Тйе юеаяцгеиеп оЙ е/в ЬуСуслогоп Веяопапсе. РЬуя 1 саВйеч 1 еж 1,82, 1951, р. 697 (прототип)