Масс-спектрометр

 

МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержаНИИ энергоанализатор, выполненный в виде электростатического цилинд:рического конденсатора, масс-анализатор , состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками, раз деленными зазором, и электростатического цилиндрического конденсатора , приемник с коллимационной щелью, отличающи йс я тем, ЧТО, с целью повышения эффективности и увеличения разрешающей способности, параллельные обкладкам конденсаторов оси симметрии выходного окна первого конденсатора и входного окна второго конденсатОра лежат в плоскости, проходящей через середину зазора магнита , параллельную его полюсникам, и параллельны между собой, а обкладки конденсаторов выпуклостью направлены в противоположные стороны , при этом соотношение ширины i коллимационной щели Ь и радиусов кривизны обкладок конденсатора iмасс-анализатора г и г удовлетво:ряют неравенству О, 008 ТГТТГТТ ,013, а угол оС кривизны обкла ,док конденсатора знергоанализатора и угол оСа кривизны обкладок конденсатора масс-анализатора ortpeделяются неравенствами 125 , 6 129°; ,. 05

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

PECllYSJlHH

„.80„„1061193 А

3(Я) Н 01 49/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ "--, / (21) 3377459/18-21 (22) 06.01.82 (46) 15 12.83. Бюл. В 46 (72.) В.Н.Гартманов, В.Т.Коган, $.Â.Кошевенко и A.Ê.Павз1ов (71) Ордена Ленина фйзико-технический институт им.;А.Ф.Иоффе (53) 621.384(088.8) (56,)- 1, M.A.Goplan, К.W.Ogilvie, Р.A.Bochslery j.Geiss, ХЕЕЕ, ТГап- .

Вас ions on Geoscience Electronics, ЧЙЕ-16, Р 3, 185, 1978, "Jon Composition Experiment".

2. E.ф.ййе11еу, R.D.Sharp, R.d.johnson, 3.Geiss,,Р.Eberhardt, Н.aalsiger, G.Haerendel and H.Rosenbauer, IEEE, Transactions on Geosci енсе Electr>nics ЧСЕ-16, Р 3, 1978

4Plazma Composition Experiment on

ISEE-А", р. 266-268. (54 )(57) MACC-СПЕКТРОМЕТР, содержащий энергоанализатор, выполненный в виде, электростатического цилиндрического конденсатора, масс-анализатор, состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками, раз деленными зазором, и электроста- тического цилиндрического конде нсатора, приемник с коллимацнонной щелью, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и увеличения разрешающей способности, параллельные обкладкам конденсаторов оси симметрии выходного окна первого конденсатора и входного окна второго кон- денсатОра нежат в плоскости, про ходящей через середину зазора магнита, параллельную его полюсникам, и параллельны между собой, а о6кладки конденсаторов выпуклостью направлены в противоположные сто роны, при этом соотношение ширины коллимационной щели Ь и радиусов кривизны обкладок конденсатора

3 4., масс-анализатора и v удовлетвоРяют неравенству 0,008 - „

<0,013, а угол с(, крнвизйы обкла,док конденсатора энергоанализатора и угол с(. кривизны обкладок кон3 денсатора масс-анализатора определяются неравенствами 125 О < с1„ а

<129оg 60о сС 66о

10б1193

Предлагаемый масс-спектрометр относится к фотоэлектрическим, электронным и газоразрядным приборам для исследования излучения или потока элементарных частиц.

Известен масс-спектрометр для анализа солнечного ветра по массе и энергии, содержащий масс-анали затор, состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками, разделенными зазором, электростатичес" кого цилиндрического конденсатора, обкладки .которого совместно с полюсниками магнита образуют входное ь выходное окна, ограничивая из размеры во взаимно перпендикулярных направлениях; энергоанализатор, выполненный в виде электростатического цилиндрического конденсатора, обкладки которого имеют ось симметрии, направленную перпендикулярно поверхности полюсников магнита, и приемник с коллимационной щелью (lg, Эффективность известного массспектромегра, которая определяется в основном величиной площади вход» ного окна масс-спектрометра, предназначенного-для исследования потоков заряженных частиц с угловым разбросом, не превышающим угловую апертуру прибора,.и его разрешаю- . щая способность обеспечиваются использованием в.масс-анализаторе электростатического цилиндрического конденсатора, обкладки которого имеют ось симметрии, лежащую по направлению распространения исследуемого потока частиц, и расположением ) масс-анализатора перед энергоанализатором. Площадь вход" ного окна прибора, сбвпадающего со входным окном конденсатора масс-анализатора, составляет 0,3 см при разрешающей способности по скорости потока солнечного ветра 20-30 (соответствует разрешению по массе

М/2/ й(— ) =10 - 15 и не позволяет

2 получить эффективность, достаточную для проведения анализа компонент малых концентраций в общем потоке частиц.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является масс-спектрометр для анализа межпланетной плазмы, содержащий энергоанализатор, выполненный в виде электростатического цилиндрического конденсатора, обкладки которого образуют входное и выходное окна, масс-анализатор, состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками, разделенными зазором, электростатического цилиндрического конденсатора, обкладки которого совместно с полюсниками магнита образуют входное и выходное окна, ограничивая их размеры во взаимно перпенди кулярных направлени ях, и приемник с коллимационной целью;

Конденсаторы энергоанализатора и масс-анализатора установлены так, что оси симметрии их обкладок пер-, пендикулярны поверхностям полюсников и расположены по одну сторону от плоскости, проходящей через границу выходного окна конденсатора энергоанализатора, образованную одной из его обкладок, и через границу входного окна конденсатора масс-анализатора, образованную одной из его обкладок 32).

В этом масс-спектрометре вели15 чина площаци его .входного окна, совпадающего со входным окном конденсатора энергоанализатора, равная 0,1 см2, с одной стороны не обеспечивает требуемой эффективности прибора, а с другой приводит к низ-

i ма

:кой разрешающей способности cfO)

id(M/zlиз-за значительных аберраций и плохих дисперсионных свойств масс25 анализатора.

В приведенных схемах масс-спектро метров для получения требуемой разре" шающей способности конденсаторы энерго-и масс-анализаторов должны иметь малые размеры входного и выходного окон во взаимно перпендикулярных направлениях, так как один из размеров ограничен обкладками конденсаторов, а перпендикулярный ему - величиной зазора между по° люсниками магнита. Поэтому такие ,масс-спектрометры обладают низкoN эффективностью. Повышение эффектив ности за счет увеличения площади входного окна прибора при данной

4О конструкции приводит к существенному увеличению размеров и scca масс-спектрометра, что недопустимо в условиях космического эксперимента, или к ухудшению его разре- .

45 шающей способности .

Целью изобретения является повышение эффективности и увеличение разрешающей способности масс-спектро. метра.

Указанная цель достигается тем, что в масс-спектрометре, содержащем энергоанализатор, выполненный в виде электростатического цилиндрического конденсатора, массанализатор, состоящий из постоянного магнита с плоскими полюсниками, разделенными зазором, электростатического цилиндрического конденсатора, и приемник с коллимацион60 ной щелью, параллейьные обкладкам конденсаторов оси симметрии выходного окна первого конденсатора и входного окна второго конденсатора лежат в плоскости, проходящей б5 через середину зазора магнита, 1061193 параллельную его полюсникам, и параллельны между собой, а обкладки( конденсаторов выпуклостью направлены в противоположные стороны, при этом соотношение ширины коллимационной ,щели В и радиусов кривизны обкладок конденсатора масс-анализатора и удовлетворяют неравенству 0,008i

{ + )/2 а угол Ыл кривизйы обкладок конденсатора энер... гоанализатора и угол о(2 кривизны .обкладок конденсатора масс-анали» затора определяются неравенствами

125о4 ф с129о. 60о (вуббо

Установка электростатических конденсаторов и магнита указанным .образом способствует тому, что обкладки конденсаторов и полюсники магнита ограничивают входное окно прибора, совпадающее со входным окном энергоанализатора, толь ко в одном направлении.

Размещение электростатических конденсаторов таким образом, что оси симметрии кривизны поверхностей их обкладок расположены по разные

CTOPOHbI OT IIJIOCKOC È, ПРОХОДЯЩЕЙ через одну из разделенных зазором поверхностей полюсников магнита, улучшает энергетическое пропуска" ние прибора в пределах его энергетического окна.

Форма полюсников магнита обеспечивает одинаковые условия для час« тиц исследуемого потока, независимо от места их влета в зазор по длине полюсников, и большую дисперсию.

Выбранная величина угла сС„конденсатора энергоанализатора йозволяет перевать параллельный поток

1 исследуемых частиц во входном окне в параллегьный поток в выходном окне, обеспечивая тем самым высокое пропускание масс-анализатора. При, с(125 и о1„>129 поток частиц из выходного окна энергоанализатора становится отличным от параллельного на столько (соответственно расходится или сходится), что су1цественно ухудшает пропускание масс-анализатора.

Выбранная величина угла о(2 конденсатора масс-анализатора позволяет осуществить фокусировку.исследуемого потока частиц по углу конденсатором масс-анализатора на коллимационную щель. При с 2 (60 .значительно ухудшается энергетическое разрешение конденсатора.;при d э бб фокальная плоскость конденсатора

2 смещается в область между его обкладками так, что исключается воэможность коллимации потока частиц в непосредственной близости от фокальной плоскости. Это уменьшает разрешающую способность массанализатора. ширина коллимационной щели Ь выбирается так, чтобы за счет ограничения рассеянных частиц иссле5 дуемого потока, попадающих на приемник, повысить разрешающую способность прибора, не уменьшая существенно общего числа заряженных частиц, достигающих приемника. ?ри

10 Ь

ly + p С 0,008 пропускани е масс,спектрометра, а следовательно, и его эффективность становятся ниэ

В

15: кими. цри

) 0,013 становится (";+ I"4J/2 малой разрешающая способность массспектрометра.

Таким образом, описанные отлн20.чительные признаки в совокупности необходимы и достаточны для одновременного повышения эффективности (и разрешающей способности масс- спектрометра.

Гредлагаемое устройство представлено на чертеже.

На фиг. 1 показана проекция масс-спектрометра на плоскость,, пер; пендикулярную оси симметрии кривиз30 ны поверхностей обкладок конденсатора энергоанализатора; на фиг. 2 — аксонометрическая проекция масс-спектрометра.

Масс-спектрометр содержит элек35 тростатический конденсатор энергоачализатора, состоящий из обкладок 1 и,2, магнит с полюсниками

3 и 4.„ электростатический конденсатор масс анализатора, состоящий из

40 обкладок 5 и 6, выходное окно которого перекрывается приемником 7 с коллимационной щелью &.

B качестве чувствительного элемента приемника используются микроканальные пластины, которые служат для регистрации заряженных частиц потока солнечного ветра.

ПРедлагаемый масс-спектрометр работает следующим образом.

Исследуемый поток заряженных частиц попадает во входное окно энер гоанализатора между обкладками 1 и 2, где формируется величина энергетического и углового пропускания. Затем пучок заряженных частиц попадает в масс-анализатор, магнит которого (полюсники 3 и 4 ) отклоняет заряженные частицы потока на углы, зависящие от величины М/ Z для каж60 дой частицы. конденсатор масс-анализатора, состоящий из обкладок

5 и 6, производит отбор частиц с различным значением М/ Z по составляющей энергии нормальной к поверх65 ности выходного окна, и фокусирует

1061193

1 эти частицы по углу на коллимационную щель.

Фокусирующие свойства энергоана лиэатора и масс-анализатора и дисперсионные свойства масс-анализатора позволяют выцелить частицы с оПределенным отношением Q 3 и е/Е из общего потока и зарегистриро,вать их приемным устройством. ., -4„1 см 2-4,3 см

Радиусы обкладок конденсатора массаналиэатора q-"-4,1 см г4 -4,3 см

Длина окон конденсатора энергоанализатора

Длина окон конденсатора масс-анализатора

Ширина полюсников магнита

Угол конденсатора энергоаналнзатора

: .,=20 см

12=25 см

А 3 см е(„127о

В лабораторных условиях проведен расчет и моделирование масс-спектрометра. При этом выбраны следующие размеры:

Радиусы обкладок конденсатора энергоанализатора

Угол конденсатора масс-анализатора 4 =64

1Жрина коллимаци.2 онной щели В: 0,05 см цэи этом величина площади вход5 ного окна прибора S=4:см2, средняя раэрешакщая способность масс"спектро метра 20.

1федлагаемая конструкция позволяет повысить эффективность масс10 спектрометра в 40 раз за счет получения, большой площади входного окна прибора при увеличении его разрешающей способности в 2,5 раза по сравнению с конструкцией прототипа.

)5 1федлагаемая конструкция позволяет также проводить анализ потока солнечного ветра с направлением, изменяющимся в широком диапазоне углов (+15 О) относительно нормали к поверхности входного окна прибора, лежащих в плоскости, проходящей через длинную ось входного окна прибора, Параметры предлагаемого масс спектрометра достаточны для получения надежных данных о кинети ." ческой температуре и скорости ионов солнечного ветра тяжелее кислорода, а также для определения зарядового

30 состояния в.широком диапазоне потоковых скоростей солнечного ветра.

1061193 г

1 с ю/

Составитель Н;Алимова

РрДйктор М.ЦИткина ТехредМ.Надь

Корректор А.,Зимокосов

Подписное ююИюю« ю»юе юююве

Ф

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

Заказ 10051/54 Тираж 703

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретены и и открытий

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

ЮФ ° ФФЮФ В