Мас-спектрометр

МПК6 HOU 39/36 МАС-СПЕКТРОМЕТР Винахід відноситься до фізичної електроніки, зокрема до приладів, що звуться спектрометричними й служать для аналізу складу пучків прискорених іонів вимірюванням відношення їхньої маси до заряду. Знаними є спектрометри, що складаються з розташованих у вакуумній камері джерела іонів, оптики, яка формує пучок, та розташованих за ходом пучка вхідної діафрагми, електростатичного й магнітного аналізаторів, вихідної діафрагми та детектора іонів, причому вказані аналізатори являють собою секторні або прямолінійні ділянки двовимірних або тривимірних електричних і магнітних полів, розташованих або суміщених у просторі, в загальному випадку поля можуть схрещуватись (Сысоев А.А,, Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию, М., Атомиздат, 1972, 302 с). Такі мас-спектрометри звуться статичними. Недоліками відомих статичних мас-спектрометрів є великі габарити й маса, висока вартість, погіршення розділення й пропускання при наявності розкидання аналізованих іонів по енергіях, обмежений діапазон аналізованих мас. Знаним є мас-спектральний аналізатор з подвійним фокусуванням, у якому пучок іонів відхиляється на 85-92° тороїдальним електричним полем, утвореним електродами. Пучок, що вийшов з електричного поля знову відхиляється на 85-92° магнітним полем. Іонний пучок потрапляє в поле під нахилом і виходить із поля також під нахилом. Для мас-спектрального аналізатора витримується співвідношення: 0,9 < re/nm ^ 1,2; 0,8 < RE 1/ге < 2,0; 0,5 < RE 2/ге < 1,2; 32° Ер 1 < 36°; - 10° Ер 2 < 8°; 0,9 rm < le1 < 1,2 ге; re/RE * 0,5 (3.) - 66778, Японія, ИСМ № 4, 1993 г., МКМ HOIJ 49/32). Недоліком знаного пристрою є те, що електричне й магнітне поле просторово розділені, геометричні співвідношення складні, а весь аналізатор має великі габарити, що збільшує довжину траєкторії іонного пучка, внаслідок чого знижується чутливість і пропускання приладу. Найближчим за технічною суттю є статичний мас-спектрометр з подвійним фокусуванням зі схрещеними полями. Він складається з розташованих у вакуумній камері послідовно за ходом пучка джерела іонів, оптики, яка формує пучок, вхідної діафрагми, системи електродів, що формує секторне електричне поле, та електромагніта, вихідної діафрагми й детектора іонів. У такому мас-спектрометрі при певних співвідношеннях напруженостей електричного й магнітного полів, а також прискорювальної напруги іонів досягають детектора лише іони з певним відношенням маси до заряду при наявності розкидання іонів по енергіях. Розгортання масового спектру може здійснюватись зміною магнітного поля або прискорювальної напруги (Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение масс-спектрометрию, М., Атомиздат, 1977, с.55). Недоліком знаного мас-спектрометра є те, що для граничної роздільної здатності R » RM/SI, де RM — радіус траєкторії іона в магнітному полі, а $ц — ширина вхідної діафрагми потрібно збільшувати RM, що неминуче тягне за собою зростання габаритів магніта й усього пристрою. Недоліком є також необхідність використовування полетвірних електродів і полюсних наконечників складної форми в тому разі, коли для підвищення чутливості вимірювань і поліпшення пропускання треба забезпечити просторове фокусування розбіжних іонних пучків. Крім того, важко досягти точного взаємного просторового позиціонування електричного й магнітного полів, а також інших елементів через наявність у більшості випадків відрізків безпольового простору, що вводяться в тракт аналізу й збільшують габарити прилада та ускладнюють позиціонування аналізаторів. Зазначені недоліки усунуто в пропонованому мас-спектрометрі. В основу винаходу поставлено завдання створення малогабаритного масспектрометра, що має підвищену роздільну здатність і чутливість, а також розширений діапазон аналізованих мас. Поставлене завдання вирішується за рахунок того, що мас-спектрометр має вакуумну камеру, в якій розміщено джерело іонів, за яким установлена провідна колімувальна трубка, вхідна й вихідна діафрагми, система електродів, детектор іонів та засоби для створення магнітного поля, причому електроди зроблено сферично концентричними, а в міжелектродному просторі в екваторіальній площині сферичних електродів, розташованій перпендикулярно до напрямку силових ліній магнітного поля, встановлено плоскі секторні перегородки з матеріалу з високим однорідним опором з краями з електропровідного матеріалу, які повторюють форму електродів і електрично з ними з'є днані ; радіально спрямовані проміжки мі ж зазначеним и перегородками утворюють селекторні щілини для іонного пучка; вхідну щілину розташовано в місці першого перетину іонного пучка з екваторіальною площиною, з протилежного до вхідної щілини боку екваторіальної площини щодо центра сфери розташовано першу проміжну щілину, ширина якої більша від ширини вхідної щілини, а кутова віддаль між серединами першої проміжної і вхідної щілин становить 7г-Є, де В — кут повороту траєкторії іонного пучка в магнітному полі (рад), який відраховується відносно центра сфери; протилежно до першої проміжної щілини секторними перегородками створено другу проміжну щілину, ширина якої більша від ширини вхідної щілини й середина якої розташована в екваторіальній площині під кутом 2G відносно середини вхідної щілини, причому за ходом іонного пучка в екваторіальній площині секторними перегородками створено два ряди проміжних щілин, які у відповідних рядах однаково віддалені одна від одної на кут 2Є, а їхні розміри дорівнюють розмірам перших щілин відповідних рядів, кількість щілин у ряду не перевищує лх2Є -1, пршчому остання в ряду щілина є вихідною; за нею розташовано вихідну провідну колімувальну трубку; при цьому вхідна і вихідна трубки електрично ізольовані від електродів; внутрішній електрод енергоаналізатора зроблено порожнистим і він має циліндричну вставку з феромагнітного матеріалу, концентричну щодо осі полюсів, діаметр перерізу вставки d, перебуває в межах R 2 < d, < 1,5R 2 , де R 2 — радіус внутрішнього електрода; частини зовнішнього електрода зроблено у вигляді циліндричних вставок з феромагнітного матеріалу, концентричних щодо осі полюсів, діаметр перерізу вставок d2 перебуває в співвідношенні d 2 = (l,08-bl,12)d l5 поверхня внутрішнього торця вставок збігається з поверхнею зовнішнього електрода, а зовнішні торці вставок зроблено плоскими; вказані торці через шар діелектрика з'єднано з магнітопроводом і панцирем, що охоплює зовнішній електрод і містить намагнічувальну котушку, а в міжелектродному просторі між колімувальними трубками та найближчими до них щілинами в меридіональних площинах встановлено плоскі секторні екрани з матеріалу з високим однорідним опором з краями з електропровідного матеріалу, які повторюють форму електродів і електрично з ними з'єднані. Винахід пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображено загальний вигляд мас-спектрометра, на фіг. 2 — взаємне розташування електродів і щілин, на фіг. З показано траєкторії іонів. Мас-спектрометр складається з вакуумної камери 1, у якій установлено іонне джерело 2, іонна оптика З за нею за ходом іонного пучка розміщено провідну колімувальну трубку 4 зі вхідною селекторною щілиною 5, що входить у проміжок між концентричними сферичними електродами енергоаналізатора 6, 7: внутрішній електрод зроблено порожнистим і він має циліндричну вставку 8 з феромагнітного матеріалу, концентричну щодо осі полюсів, діаметр вставки d{ перебуває в межах R2 < dt < 1,5R2) де R2 — радіус внутрішнього сферичного електрода; частини зовнішнього електрода зроблено також у вигляді циліндричних вставок 9, 10 з феромагнітного матеріалу, концентричних щодо осі полюсів, діаметр вставок перебуває у співвідношенні d2 ~ (l,08-bl,12)db поверхня внутрішнього торця вставок збігається з поверхнею зовнішнього електрода, а зовнішні торці вставок зроблено плоскими; вказані торці через шар діелектрика 11 з'єднано з магнітопроводом 12 і панцирем 13, що охоплює зовнішній електрод і містить намагнічувальну котушку 14; у міжелектродному просторі енергоаналізатора в екваторіальній площині встановлено плоскі секторні перегородки з матеріалу з високим однорідним опором 15а... з краями з електропровідного матеріалу, що повторюють зовнішню форму електродів і електрично з ними з'єднані; радіально спрямовані проміжки між зазначеними перегородками утворюють селекторні щілини для іонного пучка; вхідну щілину 16 розташовано в місці першого перетину іонного пучка з екваторіальною площиною; з протилежного до вхідної щілини боку екваторіальної площини щодо центра сфери розташовано першу проміжну щілину 18, ширина якої не менша від ширини вхідної щілини, а кутова віддаль між серединами першої проміжної і вхідної щілини становить кут тс-9, де 0 — кут повороту траєкторії іонного пучка в магнітному полі (рад), відрахований щодо центра сфери; протилежно до першої проміжної щілини секторними перегородками створено другу проміжну щілину, ширина якої не менша від ширини вхідної щілини і середина якої розташована в екваторіальній площини під кутом 20 щодо середини вхідної щілини, причому за ходом іонного пучка в екваторіальній площині секторними перегородками створено два ряди проміжних щілин, які у відповідних рядах однаково віддалені одна від одної на кут 2G, а їхні розміри дорівнюють розмірам перших щілин відповідних рядів; кількість щілин у ряду не перевищує 7Ї/20-1, причому остання в ряду щілина 19 є вихідною; за нею розміщена вихідна провідна колімувальна трубка 20 із селекторною діафрагмою (щілиною) 21, при цьому вхідна й вихідна трубки електрично ізольовані від електродів. За вихідною колімувальною трубкою розташовано детектор іонів 22 ВЭУ, в міжелектродному просторі між, колімувальними трубками та найближчими до них щілинами встановлено плоскі секторні екрани 23, 24 з матеріалу з високим однорідним опором з краями з електропровідного матеріалу, які повторюють форму електродів і електрично з ними з'єднані. Джерела живлення 25-29 установлено поза вакуумною камерою й з 1 І єднано з потенціальними та струмоносними частинами в камері через гермовводи 31 та ін. Детектор іонів з'єднано з пристроєм для реєстрації іонних струмів 29. Описаний пристрій діє так. Прискорений пучок іонів з джерела іонів 2 з енергією eV 0 фокусується іонною оптикою 3 й пропускається через колімувальну трубку 4 на селекторну діафрагму (щілину) 5, яка визначає початкові розміри перерізу пучка. Пучок іонів, що пройшов крізь селекторну діафрагму, потрапляє в полетвірний простір сферичних електродів 6, 7 крізь вхідну щілину 16. Потенціали на сферичних електродах установлюють з умови руху іонів коловою рівноважною траєкторією. Після цього через котушку 14 електромагніта, утвореного феромагнітни ми вставками 8, 9, 10, магнітопроводом 12 та панцирем 13 пропускається постійний струм від джерела 28, внаслідок чого в двох сферичних проміжках, обмежених площею перерізу феромагнітних вставок, збуджується неоднорідне магнітне поле, причому в центрі вставок поле паралельне до осі полюсів, а напруженість його спадає при віддаленні од цієї осі. Прискорені іони, які рухаються в сферичному конденсаторі коловими траєкторіями, перетинають магнітні силові лінії в області феромагнітних вставок, унаслідок чого іони з певним відношенням маси до заряду m/q = М а.о.м. відхиляться на певний кут 6, причому Є = 2rm/RM' де гт — радіус магнітної вставки, a RM — радіус повороту /г, / У0М ~~ 7 гл ,п іонів у магнітному полі (RM = Л/4 824 10 Н^ ' *' де ° ~~ п Р искоР ювальна напруга іонів у В, М — масове число іона, а.о.м., Н — напруженість поля, Тл), як показано на мал. 3. Продовження руху в другій півкулі приводить до відхилення іонів у протилежному напрямку на той же кут 9, тобто сумарне відхилення траєкторії іонів щодо осі полюсів за один оберт становить 20, якщо кутове положення вхідної щілини 16 відповідає нулеві; в результаті створюється дисперсія іонного пучка за масами. Продовження руху іонів коловими траєкторіями в сферичному енергоаналізаторі приведе до повторення описаного вище процесу розділювання іонів за масами з накопиченням дисперсії для іонів, виділених проміжними щілинами. Розташовані через кутові інтервали 26 проміжні щілини 18 а, в, с,... виділяють з відділених пучків іони з певним масовим числом, а остаточна селекція, що визначає мас-спектральне розділення, здійснюється вихідною селекторною щілиною 21. При багаторазовому проходженні іонами ідентичних полів дисперсія за масами накопичується й у загальному випадку вона пропорційна до величини с V^ , де Rn — радіус рівноважної траєкторії в сферичному аналізаторі, a Sj і S2 - ширини вхідної й вихідної селекторних щілин. Наприклад, при R = 150 MM, a Si + S2 = 0,01 мм масспектральне розділення буде -15000 М/ДМ. Для одержання достатньої кількості обертів іонів, наприклад, п = 10, 9 = 4,5°, а тому при радіусі перерізу магнітного поля r m = 25мм, R m = 0,625 м. Для одержання такого радіуса повороту, наприклад, для іонів водню (М = 1) з енергією eV0 = 1 кеВ потрібне поле Н = 7,2-10"3 Тл. Оскілько при сумарному проміжку в магнітопроводі електромагніта -2 см можна легко одержати напруженість поля Н = 0,5 Тл, то діапазон аналізованих мас, що визначається як м фЯ * = и*8* в Цьому випадку складе -4800, що в поєднанні з високим розділенням дозволяє перевищити відомі пристрої аналогічного призначення при істотно менших вагогабаритних і показниках та енергоспоживанні. Оскільки площа перерізів зовнішніх феромагнітних вставок більша від площі перерізів внутрішніх, то магнітне поле є неоднорідним, і напруженість його спадає в напрямку до зовнішнього електрода (конічне поле). В результаті енергодисперсійні властивості системи схрещених сферичного електричного й конічного магнітного полів змінюються в бік узгодження дисперсій. Іони з більшою початковою енергією eV0 проходять ближче до зовнішнього сферичного електрода, в результаті чого їх кінетична енергія зменшується, але магнітне поле в цій області слабше, а тому їхні траєкторії повертаються на менший кут. При певній розбіжності поля досягається узгодження дисперсій і лінії енергетичних фокусів спрямовано по радіусах сфери, а протилежні їм фокуси перетворюються в точки, тобто досягається стигматичне фокусування й підвищується мас-спектральне розділення. Для виключення впливу на конфігурацію електростатичного поля з боку колімувальних трубок 4,20 останні відділено од полетвірного простору тонкими плоскими провідними екранами 23,24 з високим однорідним питомим або поверхневим електроопором. При увімкненні напруги, яка живить сферичні електроди, через провідні доріжки, а отже й через секторні екрани 23, 24 або покриття в них проходить струм, і в результаті створюється падіння напруги, еквіпотенціальні лінії якої збігаються з еквіпотенціальними лініями у вакуумному проміжку між сферичними електродами 6, 7, а тому спотворення поля викликані введенням колімувальних трубок 4, 20 екрануються в просторі, де розташовано найближчі до трубок проміжні діафрагми. Те ж стосується й перегородок, що утворюють селекторні щілини. Заявлений спектрометр можна виготовити в промумовах. Масс-спектрометр A - A 7 6-15a 5 23 + Автор В.Т.Черепин 2 22 Масс-спектрометр А 15с 23 \ ' 7 18 18а Фиг. 2 Автор В.Т.Черепин Масс-спектрометр Фиг. З Автор В.Т.Черепин