Призменный масс-спектрометр

 

ПРИЗМЕННЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР , содержащий ионный источник, за которым установлены коллиматорная линза с телескопической системой. ССШШт ДЦ П - - 1«1 Тг-..ч,н.Л.| .Sr: магнитная призма и фокусирующая линза с телескопической систеной,ионные зеркала и приемник ионов, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и светосилы прибора, в него дополнительно введены электростатические системы, состоящие из симметрично расположенных цилиндрических динз и цилиндрических зеркал, а магнитная призма выполнена в виде правильного многоугольника с четным числом боковых граней, вокруг которого установлены упомянутые электростатические . системы, при Э.ТОМ оси симметрии элект-; ростатических систем являются биссектрисами соответствукщих углов (Л ., магнитной призмы, .

C0I03 СОВЕТСКИХ .СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) (1() 4(51). Н 01 J 49/30 тГОСУДАРСТВЕННЫЙ, КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЦТИЙ (21) 3533668/18-21 (22) 06.01.83 (46) 15..06.85. Бюл. Ф 22 .(72) А.А.Зернов, В.M.Кельман, А.Г,Мить, Л.M.Hàýàðåíêî и Е.M,ßêóшев (71) Институт ядерной физики

АН Каз. ССР (53). 621.384.6(088,8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 353186:, кл. G Ol n 27/62, 1970, 2. Авторское свидетельство СССР

У 522690, кл, В 01 D 59/44, 1975 (прототип). (54)(57) ПРИЗМЕННЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий ионный источник, за которым установлены коллиматорная линза с телескопической системой, магнитная призма и фокусирующая линза с телескопической системой ионные зеркала и приемник ионов, о т л и— . ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения разрешакщей способности и . светосилы прибора, в него дополнительно введены электростатические системы, состоящие из симметрично расположенных цилиндрических Линз и цилиндрических зеркал, а магнитная призма выполнена в виде правильного, многоугольника с четным числом боковых граней, вокруг которого установлены упомянутые электростатические системы, при этом оси симметрии элек ростатических систем являются. биссектрисами соответствукщих углов ,магнитной призма.

1076 2 нитную призму фокусирующую JIHHsy телескопической системой, ионные зеркала и приемник ионов, введены электростатические системы, состоящие из симметрично расположенных цилиндрических линз и цилиндрических зеркал, 1 110

Изобретение относится к областк .аналитического приборостроения, а более конкретно к устройству массспектрометров с большой разрешающей способностью и светосилой и может быть использовано во всех областях науки и техники, где требуется точное измерение масс атомов и молекул.

Известны приэменные масс-спектрометры, предназначенные для точного 1О измерения масс атомов и молекул, состоящие из источника и приемника ионов, магнитной призмы с двумерным полем, двух ахроматизирующих электростатических телескопических систем, 15 коллиматорной и фокусирующей .электре статичесиии лича (I) .

Недостатком устройства является невысокая разрешающая способность и светосила. 20

Известен также призменный массспектрометр, содержащий ионный источник, коллиматорную и фокусирующую линзы, магнитную призму и электростатические зеркала, отражакицие ион- 25 ный пучок, вследствие чего последний два раза проходит магнитную призму с двумерным магнитным полем, что приводит к двукратному повьапению дисперсии прибора j2) .

Недостатком этого масс-спектрометра является невозможность дальнейшего повышения кратности прохождения ионным пучком магнитной призмы, так как система из двух ионных зеркал распо-.35 ложена с другой стороны магнитной призмы по отношению к коллиматорной и фокусирующей линзам, и отраженный зеркалами пучок возвращается в межполюсной зазор через ту же сторону, 40 через которую вышел, проходя магнитное поле только дважды. Вследствие этого невозможно дальнейшее повышение дисперсии масс-спектрометра без значительного увеличения длины его 45 коллиматорной и фокусирующей частей, приводящего к снижению светосилы.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности и светосилы прибора без увеличения его 50 габаритов путем осуществления много- кратного прохождения ионного пучка через магнитную призму.

Эта цель. достигается тем, что в известном призменном масс-спектро- SS метре, содержащем ионньФ источник, эа которым установлена коллиматорйая линза с телескопической системой, мага магнитная призма выполнена в виде правильного многоугольника с четным числом боковых граней, вокруг которого установлены упомянутые электростатические системы, при этом-оси симметрии электростатических систем являются биссектрисами соответствующих углов магнитной призма.

Так как при этом противоположные стороны многоугольйика параллельны между собой, то параллельный пучок, входящий в межполюсной зазор через одну сторону и выходящий через противоположную, остается параллельным, т.е. магнит с такими полюсами является многогранной магнитной призмой.

Многократное прохождение ионного пучка через такую призму происходит потому, что вокруг нее, расположенные против углов многоугольника электростатические система, возвращают ионный пучок, вышедший из межполюсного зазора через какую-либо сторону многоугольника„ обратно в межполюской зазор через другую е1о сторону. Укаэанная конструкция магнитной призмы позволяет разместить вокруг нее значительное количество электростатических систем и тем самым обеспечить многократное прохождение ионнрго пучка через межполюсной зазор,, практически не увеличивая размеров полюсных наконечников.

На чертеже изображена конно-оптическая схема предложенного массспектрометра с восьмиугольной призмой и осевая траектория пучка в . средней плоскости масс-спектрометра.

Масс-спектрометр состоит из ионного источника 1 и приемника 2 ионов, коллиматорной и фокусирующей трансаксиальных линз, образс}ванных электродами 3, 4 и 5, телескопических систем с электродами 5, 6 и 7, вось миуголыюй магнитной призмы 8, вокруг которой расположены семь электростатических систем. Каждая электростатическая система состоит из электродов 9, 10 и 11. Электроды 9 и 10 образуют две симметрично расположенные цилиндрические линзы,электроды 10 и 11 - два также симметрично

076 4 ное поле, преломляется в первой цилиндрической линзе второй электростатической системы и отражается от первого ее зеркала. На этом участке пути ионов отклонение в обеих цилиндрических линзах противоположно отклонению в магнитном поле, что приводит к фокусировке пучка по энергии. Ана.логичная ситуация будет иметь место и на последующих отдельных участках пути ионов, а следовательно, и во всем приборе в противоположных по направлению угловых дисперсий по энергии в магнитном поле и электрических полях на каждом из указанных отдельных участков пути. Соотношения,при выполнении которых массспектрометр обладает фокусировкой по энергии, имеют вид а;

61nj . (Чо

Slnj" Ч VC

-г

1 Я и. 1), 0 „= с4 -—

) я

Здесь 2n — количество граней маг-, нитной призмы; Чс — потенциал на электродах 10, Ч вЂ” потенциал на элект

% родах 5; Ч вЂ” потенциал свободного от поля пространства на всех участках пути ионов за пределами электростатических систем коллиматорной и фокусирующей частей масс-спектрометра.

Все потенциалы измеряются по отношег нию к тому месту пространства., где скорость ионов равна нулю, т.е.

W .Ч = - у, где 5 . - энергия ионов; — их заряд; j — угол падения на первую цилиндрическую линзу электростатической системы — угол прелом° „( ления в этой линзе; — угол падения на телескопическую систему коллимаЯ торной линзы; 1 - угол преломления в ней; о =11, причем знак "+." берется, / если 1Ч l (Voj> а знак "-", если1ЧД>)Ч4)

Р+

=+1 где знак + берется, если

1Чс 1<1ЧО1, знак "-", если Ч Ц ol, ос, угол входа пуска в магнитную призму;

h и = М,--,к в ъ Дисперсия масс-спектроЕ ll метра по массе определяется по фор3 1101 расположенные ионных зеркала. Линии

ОН, ОН2 и т.д. являются осями симметрии для электростатических систем и-одновременно биссектрисами углов полюсных наконечников магнитной

5 призма, Каждый электрод состоит из двух идентичных параллельных пластин, симметрично расположенных относительно средней плоскости прибора.

В телескопических системах, ион- 10 ных зеркалах и цилиндрических линзах зазоры между соседними электродами имеют форму прямых щелей;В трансаксиальных линзах щели между электродами

3 и 4, и также 4 и. 5 изогнуты по ду- гам окружностей. Обращенные друг к другу поверхности магнитных полюсов имеют форму правильных восьмиугольников, расположенных симметрично относительно средней плоскости, Элект - 2О роды 7 и 9 одновременно являются магнитными экранами.

Устройство работает следующим образом.

Выходящий иэ щели источника ибнов 25

1 расходящийся ионный пучок преобра, зуется коллиматорной линзой (элект.роды 4 и 5), фокус которой еовпадает со щелью источника, в параллельный и .затем, отклонившись в телескопи- 30 ческой системе (электроды 5, 6 и 7), попадает в анализирующее магнитное .поле. После прохождения магнитного поля пучок, оставаясь параллельным, отклоняется цилиндрической линзой (электроды 9 и 10) первой электро. 35 . статической системы и, отразившись от зеркала (электроды 10 и 11), пере. секает ось ОН1 в перпендикулярном к ней направлении. В телескопической

40 системе и в цилиндрической линзе,пучок отклоняется в направлении, проти-. воположном направлению отклонения в магнитной призме. Углы падения и преломления и потенциалы на электро- 45 дах электростатической системы подобраны так, что в окрестности точек пересечения пучка с осью ОН компенсируется угловой разброс траекторий . в пучке> вызываемый энергетическим разбросом ионов, т,е. осуществляется фокусировка по энергии.

На следующем участке пути ионов до их пересечения с осью ОН пучок последовательно претерпевает отклоне- 55 ние во втором зеркале и цилиндрической линзе первой электростатической системы и, второй раз, пройдя магнит-

1101 «8 2 пт.Cga, гдето соб) /соэ "

- фокусное расстояние фокусирую.щей линзы. Она в Ф раэ больше, чем дисперсия по массе прототипа.

В,изображенном на чертеже массспектрометре с восьмиугольной магнитной призмой пучок восемь раз проходит через межполюсный зазор, против двух раз в прототипе. Таким образом при тех же фокусном расстоя- 10 нии и трансаксиальных линз и углах

x, j u j его дисперсия будет .в че° ф тыре раза больше и, соответственно, в четыре раза больше будет разрешающая способность, 15

Предлагаемый масс-спектрометр может быть построен и на основе многогранной магнитной призмы с еще боль-шим числом граней, например с 32-мя гранями. В последнем случае выигрыш 20 в дисперсии по сравнению с прототипом будет достигать 16 раз.

076 6

При одинаковой с прототипом дисперсии фокусное расстояние ° коллиматорной и фокусирующей линз может быть уменьшено в 16 pas, что приве дет к увеличению светосил в 16256 раз и значительному уменьшению габаритов прибора, Таким образом, на предлагаемом масс-спектрометре может быть получена разрешающая способность и светосила, значительно превышающие разрешающую способность и светосилу, достижимую на других известных массспектрометрах.

Прибор компактен и его изготовление, несмотря иа значитедьное число электростатических систем, не представляет большой, сложности, вслед

- ствие их идентичности, Предлагаемый масс-спектрометр значительно расширит воэможности масс-спектрометрии.

110!076

Составитель А,Нестерович

Техред А.Бабинец . Корректор В.1ирняк

Редактор П.Горькова

Тираж 679, Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7i(-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 4468/1

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4