3798 АНАЛИЗ СОСТАВА ГАЗОВОЙ СМЕСИ С ПОМОЩЬЮ МОНОПОЛЬНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

Цель работы: изучение масс-спектрометрического метода анализа вещества на примере использования масс-спектрометра МХ-7304 и исследование его основных параметров.

 

1. Общие сведения

1.1. Принцип работы масс-спектрометра

Среди применяемых в научных и практических целях методов исследования вещества масс-спектрометрический анализ является одним из основных как обладающий широкими возможностями.

В большинстве решаемых задач в масс-спектрометрическом анализе можно выделить следующие этапы.

1. Ввод газа или получение и ввод пара используемого вещества в источник ионов.

2. Получение ионов из атомов или молекул газа (пара) и, как правило, формирование их в пучок или пакет.

3. Разделение ионов по массам в соответствии с .

4. Детектирование ионов.

5. Регистрация ионных токов.

6. Обработка результатов измерений.

В основу масс-спектрометрического метода анализа заложен физический принцип, заключающийся в формировании ионных пучков из атомов и молекул исследуемого вещества, разделении в электрических или магнитных полях и улавливании ионов с одинаковым отношением масс к величине заряда  (в дальнейшем эффективная масса или просто масса). Для разделения ионов по массам могут быть использованы как постоянные (статические) магнитные поля, так и переменные электрические [1]. Принцип разделения ионов в последних основан на том, что при прохождении ионов в электрическом поле, имеющем определенное распределение, часть их может иметь ограниченную амплитуду колебаний, в то время как амплитуда колебаний другой части ионов неограниченно возрастает со временем. Ионы с ограниченной амплитудой колебаний собираются приемником, и их интенсивность регистрируется. Ионы с неограниченной амплитудой колебаний нейтрализуются на поверхностях электродов анализатора. Если выбрать режим работы анализатора таким образом, чтобы ограниченную траекторию имели ионы в узком диапазоне масс, то такой анализатор будет работать как фильтр масс. Этот принцип разделения ионов используется в гиперболоидных масс-спектрометрах: квадрупольных, монопольных и приборах типа “ионная ловушка” [2, 5].

В настоящей работе при анализе газа используется монопольный масс-спектрометр типа МХ-7304. Анализирующее поле создается системой электродов, состоящей из заземленного углового электрода и цилиндрического стержня, установленного внутри углового электрода на изоляторах (рис. 1).

 

 

 

Рис. 1

 

 

При подаче на стержень относительно углового электрода напряжения  в пространстве между электродами образуется поле, потенциал которого в декартовой системе координат  и  приблизительно описывается уравнением

,

где  — расстояние между электродами при =0.

В таком электрическом поле ионы, влетевшие вдоль оси , описывают сложную траекторию, имеющую в плоскости  форму полусинусоиды с периодом, зависящим от массы ионов, на которую наложены высокочастотные колебания с переменной амплитудой.

 

 

 

Рис. 2

Электрическое поле в монопольном масс-спектрометре представляет собой один квадрант поля, содержащийся в квадрупольном фильтре масс [2]. Но в монополе используется фокусирующее свойство по -оси в добавление к фильтрующему действию переменного высокочастотного поля с квадратичным распределением потенциала. Это фокусирующее действие превращает зону стабильных решений диаграммы стабильности в узкую полосу, параллельную границе, где =0, как показано на рис. 2 в виде заштрихованной площади. Ионы, рабочие точки которых  находятся в стабильной зоне диаграммы, но вне ее заштрихованной части, будут по характеру траектории движения стабильными, но при этом будут пересекать образный электрод и на выход попадать не смогут. Вследствие своеобразия стабильной зоны диаграммы стабильности монополя рабочая прямая  может пересекать ее в любом месте, а не только в вершине.

Уравнения движения ионов в поле анализатора записываются в виде:

 

где ; ; ;  — масса иона.

Развертка по массам осуществляется изменением амплитуды высокочастотного напряжения  при постоянном отношении . При определенном отношении <0,167 на коллектор поступают только однозарядные ионы с массовым числом , связанным с амплитудой ВЧ напряжения, частотой и радиусом поля выражением:

.

Экспериментальным путем установлен режим работы анализатора, соответствующий =0,15 и =0,624.

Ионный поток анализируемого газа формируется ионным источником, где ионизация осуществляется электронным ударом.

Конструкция ионного источника выполнена таким образом, что камера ионизации находится под положительным напряжением  относительно выходной диафрагмы ионного источника, имеющей потенциал корпуса. Поэтому ионы, выходящие из ионного источника в анализатор, имеют энергию, определяемую напряжением . Изменяя величину , можно изменять скорость движения ионов вдоль оси  и тем самым изменять время нахождения их в анализирующем поле, т.е. изменять время сортировки. Это время должно быть достаточным для того, чтобы нестабильные ионы успели увеличить амплитуду колебаний до величины, достаточной для соударения с одним из полеобразующих электродов.

Коллектором ионов на выходе анализатора является вторично-электронный умножитель (ВЭУ). Ионный ток, преобразованный в электронный ток и усиленный в ВЭУ, увеличивается с помощью усилителя постоянного тока и регистрируется электронным самописцем. Поскольку развертка спектра масс происходит во времени, то на ленте самопишущего потенциометра получается спектр масс, представленный в виде пиков разной интенсивности, пропорциональной количеству ионов данной массы.