Время-пролетный масс-спектрометр
(71) Заявитель (54) ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР
Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и применяется для исследования процессов воздействия лазерного излучения на молекулы газовой струи..
Наиболее интересными результатамн воздействия лазерного излучения на молекулы являются многофотонное поглоше. ние и диссоциация молекул. Они проявляются при максимальных плотностях электромагнитных полей, которые достигаются только в импульсном режиме работы лазера. В ряде случаев требуется предварительное охлаждение исследуемых молекул, осушествляемое в расширяюшейся газовой струе. Импульсный характер процесса н необходимость подачи образца в виде газовой струи через вычайно усложняют задачу масс-спектрометрического анализа продуктов взаимодействия.
Используемое для этих целей массспектрометры со стабильной траекторией движения ионов 11 ) обладают ограни2 ченным диапазоном измеряемых масс и позволяют за один импульс лазерного воздействия проанализировать количество только одной массовой компоненты.
Поэтому для получения нескольких линий масс-спектра необходимо многократное . повторение измерений, что ведет к росту погрешности иэ-за нестабильности работы лазера и газовой струи, значитель ному увеличению времени проведения Эжпернмента и увеличению расхода образKQ.
Продукты, импульсно возникаикние в небольшом обьеме взаимодействия лазерного излучения с молекулами струи, удобно анализировать с помошью времяпролетного масс-спектрометра. Он ноево ляет эа один импульс лазерного вожействия получить весь масс-спектр продуктов взаимодействия.
Для быстрого анализа продуктов взаимодействия времяпролетиым массспектромегром и для уменьшения потерь возбужденных молекул при тран-
3 1008 споргировке и столкновениях необходимо облучение газовой струи лазерным светом производить непосредственно в обнес TH иониэации источника ионов..
Известен времяпролетный массспект1 s ромегр, содержащий импульсный источник ионов, дрейфовое пространсиво и приемник ионов. Источник ионов такого прибора содержит несколько ускорякецих ионы электродов. расположенных парал- 10 лельно, и электронную пушку, помешаемую гак, что электронный пучок проходит. между этими электродами паралнельно им $2)
Однако одновременный вывод газовой струи и лазерного излучения в этот источник ионов не осуществим, а значит с его помощью невозможно обеспечить исследование процессов взаимодействия лазерного излучения с молекулами струи.
Наиболее близким к изобретению является времяпролегный масс-спектрометр, содержащий импульсный источник ионов, ftpeйфсвое 1IpocTpBHcTBo M детектор ионов. д
Источник ионов включает два электрода, ограничивающих область ионна адни, и электронную пушку с коллектором электронов, расположенную гак, чтобы ленточный пучок электронов проходил параллельно электродам Р 3)
Недостатком этого прибора является невозможность исследования с его помо шью воздействия лазерного излучения на молекупы струи. Это связано с тем, что область ионизапии источника ионов ограничена с четырех сторон двумя электродами, эле ктронной пушкой и коллектором электронов. Таким образом, одновременное введение в этот обьем пересекающихся. газовой струи и лазерного
40 излучении невозможно.
Целью изобретения является расширение функпиональных возможностей эа счет исследования пропессов воздействия лазерного излучения на молекулы газовой струи с помощью времяпролетного массспектромегра.
Поставленная пель достигается "тем, что в времяпролетном масс-спектромет.ре, включающем импульсный источник © .ионов с электронной пушкой и двумя ограничиваюшими область ионизапии электродами, дрейфовое пространство и прием ник ионов, в источник ионов введен шелевой коллимагор газовой струи, два И квантовых генератора и две расположенные по разные сгороны источника ионов диафрагмы для ввода излучения квантоsic 4 вых генераторов, вьшолненные с возможностью перемещения, при этом коллиматор расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, ограничивавших обпасть ионизании, средняя плоскость распространения газовой струи лежит между указанными электродами, оптические оси квантовых генераторов, проходящие через центры диафрагм совпадают и лежат s средней плоскости распространения газовой струи, электронная пушка расположена эа первым электродом, ограничивающим облить ионизапии, выполненным со щелью для прохождения электронного пучка, а второй электрод выполнен со щелью для пропускания ионов из области иониэапии, причем шелн s обоих электродах параллельны оси лазерных лучей.
Шелевой коллиматор необходим для
Введения В область ионизапии между электродами источника ионов газовой струи так, чтобы она проходила не касаясь элементов конструкции источника.
Две диафрагмы лазерных лучей служат для ввода в область ноннзапни между электродами источника ионов лазерного излучения таким образом, чтобы лучи лазеров пересекали среднюю плоскость газовой струи и не касались этих алекЭ тродов.
Расположение электронной пушки так, чтобы пучок электронов проходил между ограничивающими область ионизапнн электродами параллельно им (как в прототипе и других времяпролетных массспектрометрах) теперь конструктивно невозможно. Поэтому она помещена эа первым ограничивакицим область ионн запии электродом, а этот электрод выполнен со щелью для прохождения элек», тронного пучка в облють ионизапии.
Угол наклона плоскости электронного пучка к плоскости первого электрода может быть практически любым отличУ ным ог нуля. Предпочтительны углы, близкие к 45, так как увеличение ужа наклона ведет к уширению пакета ионов, вырезаемого (из всеа ионизованных молекул) щелью второго электрода, что, в свою очередь, снижает разрешакщую способнос гь масс-свектрометра. Уменьшение этого угла неизбежно приводит к конструктивному увеличению расстояния до зоны ионизапии и практически уменьшает плотность эпектронного тока в ней, что снижает чувствительность прибора.
Устройство работает следукнцим образом .
В область ионизвции между электродами О и 12 через щепевой коллимагор
4 попадает ленточная струя. исследуемого газа. В рпредепенный момент времени
5 10ОМ
Зона взаимодействия молекул газовой струи а лазерным излучением представляет некий цилиндрический объем, образованный пересечением лазерных .пу юй и гвзовойструи. Поэтому для обеспече-5
Нияниажимальной чувствительности времяпролетного масс-спекгромегра необходимо обеспечить максимальное перекрытие этого цилиндрического обьема ленточ16 ным элек1ронным пучком. Это достигается тем, что упомянугая щель в первом электроде параллельна оси цилиндрического объема, а электронная пушка расположена гвк, что ленточный элекгронный пучок проходит через эгу щель и пере15 секаег ось шшиндрического объема.
Для пропускания ионов облученных . молекул в пространсгво дрейфа во втором ограничивающем обласгь ионизации электроде прорезана щель, ось которой парвл- 3Е лельна оси лазерных лучей; При этом больйинсгво ионов, полученных нз молекул газовой струи, не обпучввшихся лазерным светом, не проходят в щель второго. электрода.
Для увеличения плотности электронного тока, что ведет к увеличению чувствительности масс-спектромегра, в источ- нике ионов могут использоваться несколько электронных пушек, расположенных за первым электродом гак, что плоскости ленточных элекгронных пучков пересекаются по оси, параллельной оси лазерных лучей. В этом случае в первом электроде прорезается несколько щелей. 35
На фиг. 1 изображена блок-схема времяпролетного масс-.ñn екгромегрв; на фиг. 2 — конструкция источника ионов.
Предлагаемое устройство состоит из импульсного источника 1 ионов, дрей- фового пространства 2 и приемника 3 ионов. Источник ионов вюпочает шелевой колпиматор 4, формирукщий газовую струю, две диафрагмы 5-и 6 лазерных лучей. Электронные пушки 7 и 8 располо 45 жены за. периым ограничивакщим область иониэации электродом 9, в котором прорезаны две щели 10 и 11 для прохождения ленточных электронных пучков. . Bo втором электроде 12 выполнена щель $0
13 для пропускания ионов иэ обпасти ионизации
16 6 некоторый учвсгок этой струк (о ределяе мый положением диафрагм лазерных лучей 5 и 6) облучается импульсом лазерного света. Затем этот же участок газовой струи лблучается электронными пучками от пушек 7 и B. Образовавшиеся ионы вытвлкивакпся иэ области ибниэации импульсным напряжением, црнпожеиным к электродам 9 и 12, в дрейфоиое . пространсгно 2. Ионы могут обраэо31ывагься иэ остаточного газе и рассеянных молекул газовой струи на всем йротяженин ленточных электронных пучков, но через щель 12 во втором ограничивающем область ионизвции электроде 12 преимущественно проходят ионы, находившиеся в облученной лазерным светом зоне газовой сгруи. Прошедшие в дрейфовое пространство 2 ионы разделяются по массам и последовательно поступают нв приемник 3 ионов.
Пример. Бып создан Времяпро летный масс- спекгрометр для исследования процессов воздействия лаэеррого saлучения на молекулы газовой струи. В ис гочнике ионов этого прибора примененй три ускорякщих ионы электрода 4& поги вьпнения разрешающей способности, массспекгрометрв), два из которых ограничиввюг область ионизвции. Размеры этих электродов 60 н 30 2 мм . Расстояние. между электродами, ограничивакщими облвсгь ионизации, 5 мм для беспреп г1 сгвенного прохождения лазерных лучей и газовой струи.
Шелевой колпиматор имеет размеры щели 1 К 10 мм и формирует газовую струю, средняя плоскость которой ларылельна ускорякщим ионы элекродам.
Диафрагмы лазерных лучей имеюг.отверстие диаметром 1 мм и установлены так, что лазерные лучи пересекакгг газовую струю под углом 90 и лежат в ее средней плоскости.
В источнике ионов установлены gee электронные пушки с электростатической фокусиррвкой, что позволило создать в области ионизвции плотность электронного тока около 20 MA/см Сечение каждого электронного пучка имеет размеры 1 12 мм Плоскости электронных пучков расположены под углом 45э к плоскости ограничивакщего обпасъь иониэации электрода, в котором на. рас» стоянии 5 мм друг or друге. прорезаны наклонные жели размером 1 м 12 мм для прохождения электронных пучков;
7 10052
Во втором, ограничивающем область нанизали, электроде выполнена щель размером 1 р, 10 мм для выделения ионов и из облученной лазерным светом зоны.
Кель эта смещена по направлению дви- 5 жения газовой струи на 0,3 мм от проекции оси лазерных лучей (на такое расстояние смещаются молекулы струи за время от начала ионизации до выхода ионов из области ионизации). Для компен сании скорости ионов, связанной со скоростью движения газовой струи, на выходе источника ионов поставлены отклоняющие пластины, расстояние между которыми 4 мм. 1$
Для увеличения разрешающей способности в масс-спектрометре применена дополнительная электростатическая фокусировка ионных пакетов по принципу масс-рефлектрона. Для этого в масс- 20 спектрометре поставлен отражатель ионов, а траектория движения ионов в камере прибора выбрана У-образной. Отражатель ионов состоит из двух электродов, создакхцих . отражающее поле, глубина которого 120 мм.
B качестве приемника ионов применены две микроканальные пластины диаметром 46 мм.
Длина трубы камеры анализатора. зо
750 мм.
Формула изобретения
Время ролетный масс-спектрометр, содержащий импульсный источник ионов с электронной пушкой и двумя ограничивающими область ионизации электродами, дрейфовое пространство и приемник ионов, отличающийся тем, что с целью расширения функциональных возможностей, в источник ионов введен щелевой коллиматор газовой струи, два квантовых генератора и две расположенные по разные стороны источника ионов ди афрагмы для ввода излучения кванто- вых генераторов, выполненные с воэможностью перемещения, при этом коллиматор расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, от раничивающих обпасть ионизации, средняя плоскость распространения газовой струи лежит между указанными электродами, оптические оси квантовых генераторов, проходящие через центры диафрагм, совпадают и лежат в средней плоскости распространения газовой струи, электронная пушка расположена за первым электродом, ограничивающим область иониэаций, выполненным со щелью для прохождения электронного пучка, а второй электрод выполнен со щелью для пропускаиия ионов из обпасти иоиизации, причем щели в обоих электродах параллельны оси лазерных лучейе
Источники инфаркт?ации, принятые во внимание при экспертизе
1.Cossio(o М;Э.,ЬсЬИх Р. A,ЬееЧ.Т,Я еи1,Я.
ИМАЕСЮат ЪЕОтп Я,ОФ О1 КМИЗРЬод0И ЪЬ
a0c10t105 01 Я -."РЬм-%еч 4е4, зВ,11,1977.
При этих габаритах разрешающая способность масс-спектрометра равна 600 по основанию массовых пиков. Чувстви": 35 тельность его такова, что при плотности исследуемого газа в струе 10. молекул/см на приемник ионов приходит один ион за каждый цикл выталкивания ионов из источника. При плотности газа в струе 10 " молекул/см колебание амплитуды основных массовых пиков спектра (эа счет статистического разброса числа ионов в пакете, приходящем на приемник) составляет 5%. Этого достаточно дпя обнаружения и исследования больщинersa интересуюших нас эффектов.
УаК, например, при воздействии мощного ИК-,пазерного излучения на молекулы гексафторида серы <5F ), охлажденные s расширяющейся газовой струе, изменение амплитуды пиков SF+ и qp+
Ъ достигает 50%. Таким образом, после единичного импульса лазера можно получить с достаточной достоверностью информацию об эффекте воздействия ИК-излучения на молекулы SFg.
При излучении воздействия лазерного излучения на различные по изотопному
16 8 составу молекулы гексафторяда серы масс-спектрометр позволил определить селективное изменение масс-с:пектров молекул 5 В(и 9 Fg при Одновремен,ном их возбуждении.
Новый времяпролетный масс -спектрометр также позволяет измерять плотности различных компонентов газа в струе, групповые скорости молекул s ней, снимать масс-спектры возбужденных лазер-ным светом молекул, наблюдать процессы дезактивации молекул, а при больших плотностях газа в струе наблюдать пики кластеров. Предлагаемое изобретение дает воэможность изучать детали сложного процесса взаимодействия лазерного излучения с молекулами газовой струи, . что актуально для лазерного разделения изотопов.
2. Ионов Н. M., Мамырин Б. А.
"Масс-спектрометр с импульсным источников| ионов ° ЖТФ 23, N11,,2101,,1953
100М18 10
3. Авторское свидетельство СССР
N. 198034, 801 3 49/40, 09.06.67. (лрототил) .
ВНИИПИ Заказ 1 916/72 Тираж 701 Подписное
Филиал ППП Патент, r. Уж горой, Ул- Проектная, 4
