3858 ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ ЦИКЛОИДАЛЬНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА

Цель работы: изучение принципа работы циклоидального масс-спектрометра; проведение численного эксперимента; исследование зависимости характеристик масс-спектрометра от параметров ионного источника.

 

Основы теории работы

циклоидального масс-спектрометра

 

В статической масс-спектрометрии различают фокусировку по направлению, в которой ионный пучок формируется из ионов, имеющих различное начальное направление, но одинаковую скорость, и фокусировку по скорости, в которой ионный пучок формируется из ионов, имеющих различную скорость, но одно и то же начальное направление. В случае двойной фокусировки ионный пучок формируется из ионов, имеющих различные начальные скорости и направление. К приборам, в которых реализуется совершенная двойная фокусировка, относится масс-спектрометр трохоидального типа, известный также как циклоидальный или циклоидный масс-спектрометр.

Простейший случай идеальной двойной фокусировки возможен при движении ионов в плоскости, перпендикулярной к однородному магнитному полю. В 1938 году Блэкни и Хиппл предложили использовать при масс-анализе скрещенные однородные магнитное и электростатическое поля, положив тем самым начало созданию циклоидальных масс-спектрометров.

Движение ионов в скрещенных полях хорошо известно и описывается следующими параметрическими уравнениями:

(1)

где Е и Н – напряженности электрического и магнитного полей соответственно, m – масса иона и e – заряд иона.

Проинтегрировав эти уравнения, полагая при t=0 x=0 и y=0, получим следующие решения:

(2)

где А и q постоянные интегрирования, зависящие от начальной скорости и направления движения иона относительно электрического поля.

Выражения (2) представляют собой уравнения трохоиды – кривой, являющейся геометрическим местом точек на радиусе круга, когда круг катится без скольжения по прямой линии (рис. 1).

Из выражений (2) можно получить, что в момент времени t=2pnm/eH, где n – целое число, Yn=0 и Xn=2pnmE/eH 2, т.е. положения иона не зависят от постоянных А и q. Это означает, что ионы с одинаковым отношением массы к заряду, образующиеся в точке с координатами x = 0 и y = 0, должны фокусироваться в точке, находящейся на расстоянии Xn=2pnmE/eH2, вне зависимости от начальных значений скорости и направления вылета.

 

Рис. 1. Удлиненная (d > r) и укороченная (d < r) трохоидальные

траектории ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях

в плоскости, перпендикулярной к магнитному полю

 

Блэкни и Хиппл сконструировали два прибора, в одном из которых траектория движения ионов представляла собой укороченную циклоиду (d<r), а в другом – удлиненную циклоиду (d>r), где d – расстояние от точки до оси вращения, r – радиус круга. В масс-спектрометрии обычно используется удлиненная циклоидная траектория движения ионов. Такая форма кривой соответствует движению точки, связанной с катящимся кругом, но лежащей вне его. На рис. 2 представлены такие кривые для различных начальных скоростей и направлений вылета, а также показано положение первого фокуса при n=1.

Рис. 2. Траектории движения ионов

в циклоидальном масс-спектрометре

При работе на любом приборе с фиксированным положением входных и выходных щелей для развертки масс-спектра необходимо изменять либо магнитное, либо электростатическое поле. Для уменьшения дискриминации необходимо также, чтобы ионы различных масс, фокусируемые на коллекторе, двигались по одной и той же траектории. Для этого в циклоидальном масс-спектрометре E и ускоряющий потенциал источника ионов V остаются неизменными при изменении H либо H и отношение E к V остаются неизменными при изменении E. При этом eV представляет энергию, с которой ионы входят в область скрещенных полей. Любое из этих условий реализуется очень легко.

Следует отметить, что выражение для разрешающей силы определяется так же, как это делается для магнитных спектрометров типа Демпстера m/Dm=X/DX, где X – расстояние между точками объекта и изображения, а DХ – ширина выходной щели.

Преимуществом циклоидального масс-спектрометра является то, что необходимо иметь лишь две точно установленные щели, компланарные в эквипотенциальной плоскости. При этом соблюдается линейность шкалы масс, так как Xn пропорционально m.

Недостатком приборов данного типа является требование однородности магнитного и электростатического полей в широкой области. Кроме того, фокальная точка для ионов с одной массой может пересекаться ионами с другой массой, движущимися к своему фокусу. Отрицательно заряженные ионы, выходящие из ионного источника, также могут попадать в точку фокуса.

 

Рис. 3. Циклоидальный масс-спектрометр Перкинса и Шарпантье:

1 – катод;

2 – отражатель ионов;

3 – щелевые диафрагмы;

4 – пучок ионизирующих электронов;

5 – пучок ионов;

6 – коллектор ионов;

7 – положительный электрод;

8 – отрицательный электрод;

9 – анод (коллектор электронов)

Разработано несколько конструкций циклоидальных масс-спектрометров, в которых ионы перемещаются по удлиненным траекториям. Типичный пример спектрометра для анализа состава остаточных газов при низком давлении представлен на рис. 3.

Однородное электрическое поле необходимой протяженности создается набором пластин, расположенных на строго определенных расстояниях и изолированных друг от друга специальными керамическими прокладками (на рисунке не показаны). Пучок ионов проходит через прямоугольные щели в этих пластинах. Напряжение подается на каждую пластину в отдельности. К недостаткам прибора следует отнести наличие значительного числа электрических вводов, а также деталей с большой общей поверхностью, что затрудняет обезгаживание.

 



 
мажорной прелюдии раскрывается