Устройство для исследования молекулярных пучков

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Ац Н 01 Т 49/00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ИДЕТЕЛЬСТ АВТОРСНО Красного Знаме тарское бюророения научно- АН СССР ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ(71) Ордена Трудовогони специальное конструканалитического приборосттехнического объединения(54)(57) 1. УСТРОЙСТВО,ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНБ 1 Х ПУЧКОВсодержащее квадрупольный масс-спектрометр, формирователь пучка, прерывательс приводом, генератор импульсов, аналогцифровой преобразователь, интерфейсныйблок и ЭВМ с узлом прерывания и устройствами регистрации, о т л и ч а ющ е е с я тем, что с целью уменьшения непроизводительных потерь времени,повышения точности измерения модулиро,ЯО 791107 ванного сигнала и экономии оборудования,устройство снабжено цифровым генератором напряжения и формирователем сигнала; содержащим переключатель каналов,формирователи стробов, узел сравнения,узел программного управления, узел коммутации и делитель частоты, причем переключатель каналов подключен к прерывателю и генератору импульсов, связанному через делитель частоты и узел коммутации с аналого-цифровым преобразователем, и соединен через формирователистробов с узлом сравнения, которыйсвязан с узлом прерывания ЭВМ и черезузел коммутации с цифровым генераторомнапряжения и подключен к узлу программного управления, соединенному. с делителем частоты, узлам коммутации иинтерфейсным блоком ЭВМ, который подключен к масс-спектрометру через циф-.ровой генератор напряжения,2. Устройство по п. 1, о т л и ч а, ю щ е е с я тем, что аналого-цифровойпреобразователь содержит узел коммутации каналов и шкал соединенный с де тектором напряжения развертки и выходным усилителем сигнала квадрупольногомасс-спектрометра, а также интерфейсным блоком ЭВМ.Изобретение относится к масс-спектрометрии модулированных молекулярных пучков. физико-химические исследования кине-. тики реакций и энергетических характеристик атомов и радикалов непосредст-: венно в зоне реакции встречают большие трудности из-за высоких давлений, температур и малого времени жизни активных 10 продуктов этих реакций. Многие из названных проблем полностью устраняются при использовании метода молекулярных пучков. Этот метод основан на истечении вещества из области высокого давления в вакуум с целью образования квазипараллельного однонаправленного потока не сталкивающихся между собой атомов или молекул. Метод позволяет вывести из реактора исследуемые продукты в виде молекулярного пучка и исследовать их масс-спектрометрически, либо осуществить элементарные реакции .непосредственно в области высокого вакуума путем пересечения исходных .молекулярных пучков и д 5 исследовать масс-спектрометрически первичные продукты взаимодействия пучков. Возможности метода весьма широки и позволяют изучать взаимодействие пучков с поверхностью твердого тела, излучениями и т.п.Как правило, при работе с молекулярными пучками парциональные давления исследуемых продуктов в области их детектирования настолько малы, что масс 35 спектральный фон остаточных ионов даже в условиях сверхвысокого вакуума превышает уровень полезных сигналов. В связи с этим, для выделения полезных сигналов из превышающего фона широко используют модулирование молекулярных пучков с последуюшим синхронным детектированием выходных сигналов масс-спектрометра.Важнейшим требованием, к масс-спектрометру, как детектору молекулярного45 пучка, является сочетание малых размеров масс-анализатора и высоких масс- спектральных характеристик; большого диапазона регистрируемых масс, большой разрешающей способности, высокой чувствительности, быстродействия, а также50 удобства стыковки с ЭВМ. Малые размеры анализатора необходимы, так как его устанавливают внутрь сложных высоковакуумных систем, в которых создаются и исследуются молекулярные пучки, в 55 ряде экспериментов перемещают внутри этих систем, охлаждают жидким азотом или гелием и т.п,В настоящее время единственныммасс-спектрометром, отвечающим этимтребованиям, является квадрупольныймасс-спектрометр, который получил самоеширокое применение в исследованиях смолекулярными пучками,Известны устройства для исследованиямолекулярных пучков, осуществляющиемногоканальное накопление с реализациейсинхронного детектирования 1 .Недостатком устройства является про-граммная реализация фазовых сдвигов,приводящая к непроизводительным потерямвремени, и использование значительныхобъемов оперативной памяти,Известно также устройство для исследования молекулярных пучков, состоящееиз формирователя пучка прерывателя сприводом, квадрупольного масс-спектрометра, усилителя выходного сигнала, аналого-цифрового преобразователя, интерфейсного блока и ЭВМ . с узлом прерывания иустройствами регистрации и генератора импульсов Г 2., Исследуемое вещество в виде мопекулярного пучка, модулированного преобразователем, поступает в квадрупольный массспектрометр, выходной .сигнал которогоизмеряется аналого-цифровым преобразователем с тактовой частотой, задаваемой генератором импульсов,Запуск генератора осуществляется пофронту опорного сигнала от прерывателя.В этот же момент времени формироватепьодиночного импульса вырабатывает сигснап, который уста навпивает узлы интерфейсного блока в исходное состояниеи осуществляет прерывание ЭВМ. В памяти ЭВМ имеется последовательный массив адресов, используемых для хранениянакапливаемых выборок сигнала. Припоступлении сигнала прерывания начинаетработать цикл выборки значений сигнала,причем значения последовательных выборок добавляются к содержимому соответствующих ячеек массива. Процесс накопления производится или в течение заданного числа периодов модуляции илидо переполнения ячеек памяти. В некоторых случаях дпя достижения лучшегоотношения сигнал/шум используют двеячейки памяти на каждый канал. Лнализпереполнений и их учет в последнем случае при высоких скоростях измеренияприводит к пропуску периодов модуляции.)По окончании процесса производится деление содержимого каждого канала начисло периодов накопления. Полученный3 7911 массив ячеек памяти ЭВМ содержит усредненные значения выходного сигнала массспектрометра, причем примерно половина ячеек содержит сумму модулированной составляющей сигнала и фона, а другая половина - только фон. При этом каждая ячейка соответствует определенному моменту от начала периода (т,е, определен . ной фазе) опорного сигнала, Дальнейшая процедура обычно заключается в .коррек ции фазового сдвига, вычитании из массива среднего значения фона, определении статистических параметров сигнала, выдаче результатов на устройства регистрации и т.п, 15Недостатками известногоустройства являются непроизводительные потери времени, связанные с регистрацией неинформативных участков сигнала и програм. мной реализацией фазовых сдвигов модули 20 рованного сигнала, определением и учетом переполнения каналов накоппения и ручным управлением устройством при операциях выбора периода и поддержания параметров квадрупольного масс-спектрометра; необходимость использования, удвоенного (учетверенного при работе с удвоенной разрядностью) объема оперативной памяти, связанная с накоплением и хранением значений фона; недостаточная точ ность измерения сигнала, связанная с недостаточными возможностями увеличенияотношения сигнал/шум при заданном числе каналов накопления, особенно при работе с одинарной разрядностью, ошибкой35 синхронизации, обусловленной одинаковым временным квантованием выходного сигнала на всем периоде измерения,и ручным управлением настройкой и поддержанием40 квадрупольного масс-спектрометра в за данной точке шкалы масс, например на вершине пика,Для устранения непроизводительных потерь времени, сокращения оборудования и повышения точности измерения предла 45 гаемое устройство снабжено цифровым генератором напряжения и формирователем сигналов, содержащим переключатель каналов, формирователи стробов, узел сравнения, узеп программного управления, узел коммутации и делитель частоты, причем переключатель каналов подключен к прерывателю и генератору импульсов, связанному через депитель частоты и узлы коммутации с аналого-цифровым 55 преобразователем, и соединен через формирователи стробов с узлом сравнения, который связан с узлом прерывания ЭВМ 07 4и через узел коммутации с цифровым генератором напряжения и подключен к узлу программного управпения, соединенно, му с депитепем частоты,уэпом коммутации и интерфейсным . бпоком ЭВМ,который подкпючен к масо-спектрометру через цифровой генератор напряжения,Аналого-цифровой преобразователь может содержать узел коммутации каналов ишкал, соединеиный с детектором напряжения развертки и выходным усилителемсигнала квадрупольного масс-спектрометра, а также интерфейсным блоком ЭВМ,Нн фиг. 1 дана блок-схема предпагаемого устройства; на фиг. 2-4 даны, граФики работы устройства,Предпагаемое устройство содержит формирователь 1 пучка, прерыватель 2, привод 3 прерывателя, квадрупопьный масс-спектрометр 4 аналого-цифровой преобразователь 5, ЭВМ 6, узел 7 прерывания ЭВМ, процессор 8, интерфейсный блок 9, цифровой генератор, 10 напря-" жения, переключатель 11 каналов; генератор 12 импульсов; делитель 13 частоты, узел 14 коммутации, формирователь 15 стробов; узел 16 сравнения, узел 17 программного управления, формирователь 18 сигналов и устройство 19 ре гистрации.Й этом устройстве формироватепь 1 пучка через прерыватель 2, связанный с приводом 3 и перекпючатепем 11 каналов формирователя 18 сигналов, подключен к квадрупопьному масс-спектрометру 4, соединенному через аналого-цифровой преобразователь 5 с интерфейсным блоком 9 ЭВМ 6, который связан с процессором 8, узлом 17 программного управления, устройствами 19 регистрации и цифровым генератором 10 напряжения, поцкпюченным к масс-снектрометру .4 и узлу 14 коммутации, который соединен с аналогоцифровым преобразователем 5 и делителем 13 частоты, подключенным к генератору 12 импупьсов, связанному с пе рекпючателем 11 каналов, который соединен с формирователями 15 стробов, подключенными к узлу 16 сравнения, ко.торый связан с узлом 14 коммутации, узлом 17 программного управления и узлом 7 прерывания, подкпюченным к процессору 8.Устройство работает следуюцпм образом. Исследуемое вешество в виде молекулярного пучка, модулированного прерывателем 2, поступает в квадрупольный07 6 5 791 1 масс-спектрометр 4. Период и характер модуляции зависит" от конструкции прерывателя и скорости его врашения. Устройство может работать в двух режимах.В первом .режиме квадрупольный масссаектрометр настроен на определенное массовое число. Принцип работы устройства в первом режиме поясняется фиг. 2.Управление разверткой осуществляется от ЭВМ через интерфейсный блок 9 и цифро вой генератор 10 напряжения. Контроль развертки осуществляется по одному из каналов аналого-цифрового переобраэователя 5, к которому подключен детектор напряжения развертки масс-спектрометра, 15 Переключение каналов осуществляется ЭВМ. Ко второму каналу АЦП подключен выходной усилитель масс-спектрометру по каналу интенсивности, Полезный сигнал, подлежащий измерению и выделению изшума присутствует на входе АБП в первую половину периода модуляции и частич но может захватывать вторуюпоповину вспедствие наличия рассеяния и теплового распредепения скоростей мопекуп, Кроме 25 того, имеет место запаздывание во времени вспедствие конечности скорости частиц пучка и амплитудно-фазовых искажеиий в тракте сигнала. Таким образом, выходной сигнал масс-спектрометра содержит как участки 1 и Н попеэной информации о сигнапе,так и неинформативные участки Ш и 1 У. В эти интервалы времени ЭВМ может испопьзоваться дпн управпения разверткой, определения статистических параметровЗ 5 сигнала в процессе накопления, отображения .информации на устройствах регистрации в процессе накоппения.С этой цепью устройство содержит формироватепи 15 стробов (см. фиг. 3), которые отсчитывают временные задержки от фронтов опорного сигнала в оба полупериода. Начало отсчета, определяется переключателем 1 1 каналов пропускающим импульсы генератора 12 на вход формирователей,45 15 стробов. Величина участков 1-1 У задается ЭВМ в узел 17. программного управления, и узел 16 сравнения сравнивает их со значением формирователей стробов, При совпадении значений узел 16 сравнения формирует в узел 7 пре 50 рывания ЭВМ следующие сигналы: фСигнал + фон (нвчало Н ) , Сигнал + фон (конец К) " "фон (начало Н)", "фон (конец К . Одновременно только в пре делах участков 1 и П узел 14 коммутации по сигналам узла 16 сравнения пропускает тактовые сигналы опроса от делителя 13 частоты на аналого-цифровой преобразователь 5. Таким образом,достигается автономность отсчета участков 1 и 1 У с квантом генератора 12импульса и опроса аналого-цифрового преобразователя с временным квантом, зависящим от числа каналов накопления ипериода модуляции. Временный квант дляопроса АЦП выбирается ЭВМ и устанавливается в делителе частоты узлом программного управления. ЭВМ, получивсигналы о начале участка А, принимаетданные от АБП, последовательно суммируя их с содержимым ячеек массиванакопления. Эти операции производятсядо получения сигнала о конце участка 1.По сигналу о начале участка П ЭВМ производит аналогичные операции, но вместосложения выполняет вычитание принятыхданных иэ массива накопления, т.е. дляучастков Сигнал + фонф и "фон" используется один и тот же массив оперативнойпамяти. Эво позволяет сократить объемОЗУ по сравнению с прототипом в двараза, в при удвоенной разрядности каналов накопления - в четыре.Поскольку при исследованиях молеку.лярных пучков соотношение сигнал/фон.10 ф чередование операций (сложение,вычитание) позволяет избежать перепсщнений ячеек каналов накопления, исключить их проверку и освободить времяЭВМ дпя определения параметров сигнала,общения с оператором, управления разверткой.Во втором режиме устройство производит регистрацию и обработку модулированной составляющей масс-спектрометра, В этом случае производится сканирование заданных участков шкалы масс сцелью выделения модулированной составляющей спектра (см. фиг. 3 и 4).,Перед началом накопления ЭВМ 6 выпсаняет программу выбора оптимальнойшкалы аналого-цифрового преобразователя5 по каналу интенсивности. Затем ЭВМчерез интерфейсный блок 9 устанавливаетв регистре цифрового генератора 10 напряжения код, соответствукаций началупервого участка шкалы масс, в в. узле 17программного управления 17 - коды задержки и длительности стробов, а такжепериод опроса АЫП, Измерение сигналапроизводится в пределах участков 1 и 11по сигналам от узла сравнения,По сигналам узла 16 сравнения в пределах участков 1 и 11 производится измерение сигнала с интегрированием. Рвсность интегралов, полученных на этихучастках в течение одного периода,делит7 7911 ся на число отсчетов и получаемое среднее значание модулированной составляющей сигнала пересылается в массив опе ративной памяти ЭВМ. Эти операции производятся в течение участка 1 У. В кон- це участка 11 узел 14 .коммутации пропускает сигнал К на счетный вход цифрового генератора 10 напряжения, при этом код ЦГН увеличивается на единицу, смещая точку измерения на шкале масс на один 1 О дискрет. К началу измерения в следующем периоде переходный процесс в цепи раз - вертки масс-спектромечра заканчивается.1На процессоре 8 производится вывод псаученной информации на устройства 19 регистрации. Процесс продолжается до 07 8обнаружения ЭВМ конца заданного участка шкалы масс после чего в регистрБГН пересылается код, соответствукзцийначалу следующего участка. Для увепиче "ния отношения сигнал-шум процесс скажрования заданных участков шкалы масспроизводится многократно с накоплениемполучаемых данных в массиве памяти.Регистрация промежуточных результатовнакоппения позволяет исследователю оперативно следигь за процессом накопленияи принимать решение. Разбиение шкалымасс на участки позволяет устранить непроиэводитепьные затраты времени на сканирование неинформационных участковспектра и соответственно уменьшить объем памяти.791.107 "Опорный сигнал дьгдоон сигнал, 1 канал дюрииро дателю 8 иана.п формуро" давлюСугноль опроса ЯЦ ерац ИР 1791107 умма пект пеюп дина Иодулиройнная састайеяющая спектр791107 л Поднисно илиал ППП Патент", г. Ужгород, ул тная НИИПИ Заказ 8194/б Тираж 70 ф П