Времяпролетный масс-спектрометр
ВРЕМ Я ПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР , содержащий вакуумированную трубку, внутри которой соосно расположены твердотельные источник ионов, пространство дрейфа и электростатическая отражающая система, состоящая из плоских электродов, а также детектор ионов, отличающийся тем, что, с целью.снижения нижнего предела обнаружения, детектор ионов также расположен соосно с остальными элементами устройства и выполнен с цент1ральннм отверстием, коллимирующим пучок ионов, выходящий из источника . ионов, при этом радиус коллимирующего отверстия г равен ..жг, I л где Si - телесный угол, под которым детектор ионов виден из источника ионов;S л расстояние от детектора ионов (Л до источника ионов.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЩИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
3(5I) Н 01 J 49/40
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Вайжщ(%К).4. 1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3441585/18-21 (22) 24.05.82 (46) 30.05.84. Бюл. 9 20 (72) И.Д.Ковалев, Н.В.Ларин, А.И,Сучков и В.Я.Мотовичев (71) Институт химии AH СССР (53) 621.384(088,8) (56) 1. Сысоев A,A ., Пупахин М .С, Введение в масс-спектрометрию. 1977, с, 101-114.
2. Авторское свидетельство СССР по эаявке Р 3333809, кл. Н 01 Т 49/40, 1981 (54) (57) ВРЕМЯПРОЛЕТНЫИ. МАСС-CIIEKTPOMETP, содержащий вакуумиров анную трубку, внутри которой соосно расположены твердотельные источник ионов, пространство дрейфа и электростатичесÄÄSUÄÄ 1095272 А кая отражающая система, состоящая иэ плоских электродов, а также детектор ионов, отли ч ающи йс я тем, что, с целью. снижения нижнего предела обнаружения, детектор ионов также расположен соосно с остальными элементами устройства н выполнен с цент,ральным отверстием, коллимнруюшим пучок ионов, выходящий иэ источника ионов, при этом радиус коллимирующего отверстия r равен где Я - телесный угол, под которым детектор ионов виден из источника ионов;
Ж
Ф
1 — расстояние от детектора ионов до источника ионов, 1095272
Изобретение относится к экспериментальной физике и химии, а именно к устройствам, предназначенным дли анализа твердых веществ, с целью определения их элементного1 состава, Известны времяпролетные лазерные 5 масс-спектрометры, использующие времяпролетные анализаторы совместно с энергетическими фильтрами на базе электростатического анализатора (1 J .. Масс-спектрометры этого типа, бла- 1О годаря наличию энергетического фильтра и времяпролетного анализатора большей длины (L = 3 м), обладают разрешением
В,„100, но трансмиссия таких приборов не превышает 10 .Это не позволяет реализовать абсолют алый предел обна-. ружения лучше, чем 10- r, а относительный нижний предел обнаружения лучше 10" Ъ ат.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является масс20 спектрометр для анализа ионов лазерной плазмы твердых веществ по отношению массы к заряду, содержащий вакуумиро-. ванную трубку, внутри которой соосно расположены источник ионов,пространст-25 во дрейфа и электростатическая отражаю щая система, состоящая из плоских элек- тродов, а также детектор ионов, который вынесен в дополнительный патрубок Е2 1. 30
Недостатками данного масс-спектрок метра являются низкий геометрический коэффициент трансмиссии ионоц, сложность конструкций.
Целью изобретения является сниже- 35 ние нижнего предела обнаружения путем повышения коэффициента трансмиссии при сохранении разрешающей способности по массам.
Поставленная цель достигается тем,4р что в времяпролетном масс-спектрометре, содержащем вакуумированную трубку, внутри которой .соосно расположены твердотельный источник ионов, пространство дрейФа и электростати- 45 ческая отражающая система, состоящая из плоских электродов, а также детектор ионов, детектор ионов также расположен соосно с остальными элементами устройства, выполнен с центральным отверстием, коллимирующим пучок ионов, выходящий из источника ионов, при этом радиус коллимирующего отверI стия r равен; p -= ) (,, где 9 -телес55 ный угол, под которым детектор ионов виден из источника ионов, 1 - расстояние от детектора ионов до источника ионов.
На фиг ° l изображено предлагаемое 60 устройство; на фиг, 2 - геометрия устройства; на фиг ° 3 - форма ионного пакета.
Времяпролетный масс-спектрометр включает в себя вакуумированную вре- 65 мяпролетную трубу 1, в которой соосно расположены твердотельный источник 2 ионов с источником 3 первичного пучка, коллимирующее отверстие 4, детектор 5 ионов, электростатическую отражающую систему 6, фильтр 7 низких энергий, плоские электроды 8-13.
Устройство работает следующим образом, Излучение лазера фокусируется на образец из источника 3 первичного пучка. Образованный под действием импульса излучения пакет ионов с энергиями до тысячи эВ распространяется в бесполевом пространстве дрейфа в направлении отражающей системы 6..
Ионы с энергией Я c qU (U потенциал электрода 8) отражаются в направлении детектора и движутся в бесполевом пространстве до фильтра 7 низких энергий. На детектор проходят ионы g p qU (U — потенциал электрода 12), Таким образом формируется энергетический интервал ионов C ,„= q (U - U ), регистрируемйх детектором из всего энергетического спектра ионов данного заряда.
Коэффициент трансмиссии ионов (отношение числа зарегистрированных ионов к числу ионов, образованных в источнике) определяется телесным углом, в котором регистрируются ионы, и величиной энергетического интервала Е
-Р „„, Для равноверного разлета ионов в телесный угол 27, коэффициент трансмиссии определяется следующим выражением па к
)) И- ю гд ) (6) Е, где N, - число ионов, попавших на детектор;
Nö — число ионов, образованных в источнике ионов;
Б . - телесный угол, под которым виден детектор из источника;
F(E) — энергетическое распределение ионов, Телесный угол в случае точечного источника ионов, каковыми являются рассматриваемые здесь источники искровой или лазерный, определяется выражением
2 где S - рабочая площадь детектора;
L — полное расстояние, которое ионы проходят от источника до детектора, Для предлагаемой конструкции прибора и одинаковом угле с (фиг,2) телесный угол для детектора в виде кольца с радиусом R равен Q =#i j(2R + г) 2 . — г 2 (L 2 где r — радиус отверстия в детекторе.
1095272
R = T/26T, 10
Для характерных размеров данного прибора (L "» 2 м и площади входного окна детектора 2,5 см2) и при Е, —
100 эВ коэффициент трансмиссии
lII1 fl
-5 ионов достигает 10
Разрешающая способность R определяется выражением где Т вЂ” время движения ионов от источника до детектора; дТ вЂ” ширина пакета ионов во времени в области детектора, Общее время движения ионов определяется выражением ф (ф")u-О (Vil-(О-и )1
20 где m — масса иона, q — заряд иона;
Ь вЂ” длина бесполевого пространства дрейфа; 25
E Ж " напряженности полей между
2 электродами 8, 9 и 9, 10 соотвенственно;
qU — энергия иона;
U — потенциал электрода 9.
Величина йТ определяется несколькими факторами: первоначальной шириной пакета в области источника, глубиной входа детектора и неидеальностью пространственно-временной фокусировки ионов в области детектора, 35 обусловленной их энергетическим разбросом, Последняя величина дает наибольший вклад в дТ, Можно показать, что Т будет минимальной при выполнении пространственно-временной фокусировки для ионов с граничными энергиями в пак ет е которая достигаетая подбором параметров Е, Е 2, U2 .. В этом случае
1 где Е» значение энергии внутри интервала Е „- й;„и определяется усло-, BHeМ вЂ” — =0 I >О . 1
Ионный пакет имеет в этом случае форму, приведенную на фиг. 3, Расчеты показывают, что при „ - Е 100 эВ можно получить зйачение В в несколько сотен.
Названные особенности позволяют повысить коэффициент трансмиссии прибора при данном максимальном угле отклонения ионов, максимально упростить юстировку элементов прибора, так как все они расположены на одной оси и перпендикулярны ей, При необходимости создания малогабаритных приборов предлагаемая геометрия прибора позволяет при данном коэффициенте тренсмиссии уменьшить поперечные размеры прибора практически дс размеров детектора (размер детектора = P 135 мм) .
1095272
rmln
Составитель Н,Алимова
Редактор Н,Горват ТехредЛ.Коцюбняк Корректор М .Шароши
Заказ 3610/36 Тираж 683 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
