Масс-спектрометр с тройной фокусировкой

 

МАСС-СПЕКТРОМЕТР С .ТРОЙНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ, содержащий нонный источник, электромагнитный масс аналиэатор с двумя полюсами, электроста тическую систему для обеспечения фокусировки по энергии в видв электродов, пространственно совмещенных с электромагнитом , и приемник заряженных частиц отличающийся тем, что, с целью повьпиения разрешающей способности и светосилы, полюса электромагнита расположены вдоль продольной оси 0Uf.f О) 00 масс-спектрометра, а плоскости, проход щие через центры полюсов, находятся под углом 7Г/2 друг к другу сиг/мет , рично относительно средней плоскости масс-анализатора, часть ярма электромагнита , соединяющая полюса, выполнена плоской и расположена перпендикулярно к средней плоскости масс-«нализатора, один из электродов электростатичес- . кой системы размещен между полюсами электромагнита симметрично относительно средней плоскости электромагнитного анализатора, другой электрод выполнен в виде двугранного угла величиной 1lf/2, ребро которого лежит в средней плоскости электромагнитного анализатора, а грани расположены симметрично относительно этой плоскости, при этом кратчайшие расстояния от ребра двугранного угла до полюсов электромагнита и до первого электрода электростатической системы равны между собой, а также равны, расстоянию от первого электрода до шюской части ярма электромагнита.

„„SU„„.1014068

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5р Н 01 3 49/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

h0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2 1) 3290772/21 (22) 22. 05. 8 1 (46) 23.04.83. Бюл. М 15 (72) Т. Я. Фишкова (71) Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (53) 62 1. 384 (088.8) (56) 1. Успехи масс-спектрометрии. М., 1963 с. 62-65.

2., Физическая электроника. Под ред.

П. Н. Чистякова, выл. 3, N., Атомиздат, - 1966, с. 66 75 (прототип).

: (54) (57) МАСС-СПЕКТРОМЕТР С ТРОЙНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ, содержащий ионный источник, электромагнитный масс, анализатор с двумя полюсами, электростатическую систему для обесйечения фокусировки по энергии в вида электродов, пространственно совмещенных с электро-. магнитом, и приемник заряженных частиц, отличающийсятем, что, с целью повышения разрешающей способности и светосилы, полюса электромагни. та расположены вдоль- продольной оси масс-спектрометра, а плоскости,. проходящие через центры полюсов, находятся под углом 7Ã/2 друг к. другу симметрично относительно средней плоскости масс-анализатора, -часть ярма электромагнита, соединяющая полюса, выполнена плоской и расположена перпендикуляр но к средней плоскости масс-анализатора, один из электродов электростатичес кой системы размещен между полюсами электромагнита симметрично относйтельно средней плоскости электромагнитного анализатора, другой электрод выполнен в виде двугранного угла величиной 1L /2, ребро которого лежит в средней плоскости электромагнитного анализатора, а грани Я расположены симметрично относительно этой плоскости, при этом кратчайшие расстояния от ребра двугранного угла до полюсов электромагнита и до первого электрода электростатической системы равны между собой, а также равны.рас стоянию от первого электрода до плоской части ярма электромагнита.

1014068

Изобретение относится к спектромез рам заряженных частиц, а именно к статическим масс-спектрометрам со скре« . щенными магнитными и электростатически5 ми .полями.

Известен статический масс-спектрометр с однородным секторным 60 магнитным полем, с которым пространственно совме, щено 60О -ное радиальное электростатическое поле цилиндрического конденсато-1 ра.В этом приборе обеспечивается двой- ная фокусировка, а именно фокусировка по углу в плоскости дисперсии (горизонтальная.плоскость) и фокусировка по энергии (1 J .

Недостатками прибора являют низкая дисперсия и разрешающая способность, присущая масс-епектрометрам с однород ным полем, и малая светосила из-за от» .сутствия фокусировки в вертикальной плоскости. Кроме того, большая величина зазора между полюсами электромагнита, необходимая для размещения пластин цилиндрического конденсатора с правильным соотношением их ширины к расстоянию между ними, .ведет к сильному увеличению ширины полюсов, сечения магнитопровода и размеров питающих катушек.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является масс-спект рометр с тройной фокусировкой, содержа»,. щий ионный источник, масс-анализатор в виде секторного 90 магии та с

:двумя полюсами, многоэлектродную электростатическую фокусирующую систему .. З5 (ЭФС), пространственно совмещенную с электромагнитом, и приемник заряженных частиц. Указанный масс-спектрометр обеспечивает наряду с фокусировкой по энергии и по углу в горизонтальной плос- 40 кости также и фокусировку в вертикальной плоскости Р 2 j ..

Недостатками прибора являются малая . разрешающая способность вследствие применения для масс»анализа однород: 45 ного магнитного поля, сравнительно ма° лая светосила из-за отсутствия фокусировки второго порядка по углу, а также сложность конструкции- и юстировки ЭФС, состоящей из 76 электродов, изогнутых по дугам окружностей различных радиусов.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности и светосила, 9та цель достигается тем, что в масс»спектрометре с тройной фокусировкой, содержащем источник ионов, масс55 анализатор в виде электромагнита с двумя полюсами, электростатическую систему для обеспечения фокусировки по энергии в виде электродов пространственно совмещенных с электромагнитом, и приемник заряженных частиц, полюса электромагнита расположены вдоль продольной оси масс-cneKTpoweTpa, а плоскости, проходящие через центры полюсов, находятся под углом. ®/2 друг к другу симметрично относительно средней плоскости масс анализатора, часть ярма электроI магнита, соединяющая нолюса, выполнена плоской и расположена перпендикулярно к средней плоскости масс-анализатора, один из электродов электростатической системы размещен между полюсами электромагнита симметрично относительно средней плоскости электромагнитного анализатора, другой электрод выполнен в виде двугранного угла величиной ®/2, ребро которого лежит в средней глоскости электромагнитного анализатора:, а грани расположейы симметрично относительно этой плоскости, при этом кратчайшие расстояния от ребра двугранного угла до полюсов электромагнита и до первого электрода электростатической системы равны между собой, а также равны расстоянию от первого электрода до плоской части ярма электромагнита.

При указанном взаимном расположении полюсрв и электродов создается совмещенное в пространстве комбинированное электромагнитное неоднородное поле, изменяющееся пб линейному закону, причем силовые пинии электростатического поля перпендикулярны магнитным силовым линиям (скрещенные поля). Для малых углов наклона пучка заряженных частиц к продольной оси массспектрометра условия тройной фокусировки получены в простом аналитическом виде

arch . м 2 р в (2) где еж. < v

t ìñ× 2гф

В формулах (1)-(3) введены следующие обозначения: P „, и p — возбуждения магнитного и электростатического полей, соответственно; V — разность потенциалов между электродами; ф — значения скалярного магнитного потенциала на полюсах, ф - ускоряющий потенциал, расстояние от продольной оси спектрометра (ребра двугранного угла) до пер3 1014 вого электрода и до середины полюсов; и ч — масса, заряд и скорость частиц соответственно; С - скорость света; 9>- угол наклона центральной траектории пучка на входе в анализатор. 5

При выполнении условий (1) и (2) линейная дисперсия прибора по массе имеет вид ъ - « Ь.М, "й @ ,„,,„, „(...

3Ф 1Рм /(,ц

Эта величина в 2 Г2 раза превышает . линейную дисперсию масс-спектрометра только с магнитным полем. При больших углах условия тройной фокусировки выражаются в виде квадратур со сложными подинтегральными выражениями и здесь не приводятся.

Следует отметить, что в предлагае- 26 мом масс-спектрометре может быть улучшена фокусировка по углу за счет осуществления фокусировки второго по- . рядка в плоскости дисперсии путем варьирования расстояния от приемника до входа в поле.

На фиг. 1 дана схема предлагаемого масс-спектрометра в плоскости дисперсии; йа фиг. 2 - поперечное сечение анализатора масс-епектром етра, 36

Предлагаемый масс-спектрометр состоит из ионного источника 1, электромагнитного анализатора, содержащего два полюса 2, ярмо 3, и питающих катушек 4, электростатической системы, содержа- 35 щей электроды 5 и 6, и приемника 7 заряженных частиц. На фиг. 1 изображены центральная траектория 8 пучка частиц, точка 9 поворота траектории.

Работа предлагаемого устройства состоит в следующем.

I

Иэ ионного источника 1, ось которого расположена под углом Q к границе поля, выходит пучок заряженных частиц с центральной траекторией 8. Этот пучок попадает в комбинированное электромагнитное поле, образованное магнитными полюсами 2 и ярмом 3, а также электродами 5 и 6, которое уменьшается по линейному закону от полюсов 2 и электрода 5 к продольной оси системы. Ход траектории пучка является зеркально

068 :ф е симметричным относительно плоскости, проходящей через точку 9 поворота траектории. В указанном поле происходит разделение пучка заряженных частиц по массам таким образом, что при данной напряженности магнитного поля и связанной с. ней определенным соотношением напряженности электростатического поля частицы с одинаковой массой п и различных значениях энергии попадают в приемник 7, расположенный симметрично ионному источнику 1.

Имеются два различающихся режима работы масс-спектром етра: I (при /Hg/<

<900 ) и Ц (при/Оо() 90o),Пля режима И характерна большая дисперсия и вместе с тем меньшие габариты прибора . в направлении продольной оси эа счет особенности хода траектории с тремя поворотами (фиг. 1). Кроме того, режим П более светосильный вследствие наличия фокусировки второго порядка по углу в плоскости дисперсии.

Расчеты, проведенные по формулам (1) -(4) для режима работы предлагаемого масс-спектрометра с тройной фокусировкой показали, что линейная дисперсия на 10-20% превосходит линей ную дисперсию известного устройства, а аберрации и, как следствие, светосила прибора находятся на одном урввне с известным устройством.

Для режима П работы предлагаемого масс-спектрометра установлено, что оптимальными условиями, при которых осуществляется пространственная фокусировка и одновременно фокусировка второго порядка в плоскости дисперсии, являются g = -122 (м) 8 16;(P г)

-4,08; при этом Л) „ „0,85) . При ширине входной и выходной щелей S<

=, = 0,1 мм, радиусе апертуры анализатора Г = 240 мм и угле раствора пучка в плоскости дисперсии 2 ф * 0,25 разрешающая способность Й

780, а светосила Q. = 0,7% от 4Ж .

Сравнение с известным устройством при одинаковых размерах щелей и одних и тех же габаритах анализатора показало, что предлагаемый масс-спектрометр с тройной фокусировкой имеет в 1,7 раза большую разреша ощую способность и в 3 раза большую светосилу. 1014068

Составитель Н. Алимова

Редактор В. Данко Техред Т.Маточка Корректор М, Демчик

Заказ 3030/63 Тираж 701 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r Ужгород, ул. Проектная, 4