Способ определения параметров высокоскоростного пучка

Авторы патента:

H01J49/36 - радиочастотные спектрометры, например спектрометры Беннета, спектрометры Рэдгеда

(19)SU(11)1181455(13)A1(51) МПК ⁶ _H01J49/36(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 10.01.2013 - прекратил действиеПошлина:

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПУЧКА

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для диагностики высокоскоростных потоков нейтральных частиц в физике молекулярных пучков, в газодинамике, металловедении. Целью изобретения является повышение точности определения параметров молекулярного пучка и упрощение способа при анализе активных компонентов высокоскоростных пучков за счет уменьшения фона и исключения влияния начальной скорости пучка и сокращения ряда технологических операций. Способ реализуется следующим образом. Молекулярный пучок пропускают через анализатор радиочастотного масс-спектрометра. В камере ионизации анализатора определенная часть нейтральных частиц пучка и остаточной атмосферы преобразуется в положительные ионы практически без изменения их исходной скорости. Поле, тормозящее ионы между первой сеткой анализатора и камерой ионизации, препятствует проникновению в селекционирующую систему анализатора ионов с тепловыми скоростями, образованными в камере из фоновых молекул и частиц пучка, испытавших столкновение со стенками анализатора, т.е. тех частиц, которые увеличивают погрешность. Положительный потенциал U_т "вытягивающей" сетки должен быть достаточен для торможения ионов с тепловой скоростью из "хвоста" распределения. Потенциалом
U_т>
где К постоянная Больцмана;
е заряд электрона, задерживаются более 99,4% частиц с температурой Т. Сквозь "первую сетку" на селекционирующую систему проходят ионы с высокой направленной скоростью, образовавшиеся из нейтральных частиц собственно пучка. Таким образом, обеспечивается анализ истинного состава пучка. Точность измерения плотности при этом определяется только погрешностью самого анализатора, которая составляет 10%
Между "первой сеткой" и селекционирующей системой анализатора создают ускоряющие ионы поле, которым осуществляют развертку масс. Под действием этого поля ионы приобретают направленную скорость, зависящую от их массы. Проходя селекционирующую систему, которая настроена на определенное значение скорости (синхронную скорость), ионы получают в зависимости от своей скорости, а следовательно, и массы, различный прирост энергии. Максимальный прирост энергии получают ионы с синхронной скоростью. Задерживающая сетка с соответственно подобранным потенциалом пропустит на коллектор только эти синхронные ионы, которые вызовут пики ионного тока в моменты совпадения скорости ионов определенной массы с синхронной скоростью. Величина пиков пропорциональна плотности высокоскоростных частиц выделенной массы. Дальнейшее повышение тормозящего потенциала на "первой сетке" приводит к задержке и высокоскоростных ионов, что уменьшает амплитуду регистрируемого пика ионного тока. Когда потенциал сетки, тормозящий ионы, достигнет величины U_Т1/2^М, соответствующей средней скорости ионов массы М, будут задержаны те ионы массы М, скорость которых меньше . Число их будет равно числу ионов, прошедших сетку, т.е. таких, скорость которых больше . Это следует из определения средней скорости высокоскоростных пучков. При этом амплитуда пика ионного тока составит половину от исходной. Величина тормозящего потенциала ан "первой" сетке составит в этом случае
U^м_т _1/2= что позволяет определить среднюю скорость частиц с массой М

В моменты уменьшения амплитуды пиков в 2 раза отмечают значение тормозящего потенциала на сетке U_T1/2i^M, величину пика ионного тока I_1/2i^M и положение пиков на оси развертки U_Pi^M. Массу М_i составляющей пучка определяют по формуле:
М_i КU_pi^M, где К постоянная развертки масс-спектрометра, указанная в паспорте прибора. Скорость i компоненты пучка определяют по формуле
=
Плотность i составляющей пучка n_i определяют по формуле
n_i 2I_1/2i^-M _i где _i- относительная вероятность ионизации i компоненты, определяемая по таблицам;
- чувствительность анализатора, определяемая при калибровке по инертному газу. Ионы, потерявшие направленную скорость и прошедшие сквозь "первую сетку", обладают только некоторым разбросом скоростей от 0 до величины, определяемой шириной распределения. Затем эти ионы ускоряются напряжением развертки U_р до синхронной скорости. Развертку масс осуществляют относительно потенциала "первой сетки", при этом восстановления начальной скорости не происходит, и при значении потенциала U_1/2 смещение шкалы масс М/М значительно меньше, поскольку определяется не начальным значением направленной скорости , а полушириной распределения скоростей. Таким образом, смещение шкалы масс следующее:

где Е полуширина энергетического распределения частиц потока. При V 10⁶ км/с Е 10 эВ, Е< 0,5 эВ и М/М не превышает 0,5%
Способ может быть реализован с помощью схемы, представленной на чертеже, которая содержит источник 1 молекулярного пучка, коллиматор 2, анализатор 3 радиочастотного масс-спектометра, электронный блок 4, потенциометр 5, регистратор 6. В анализаторе 3 имеются камера 7 ионизации, так называемая "первая" сетка 8, задерживающая сетка 9; в электронном блоке 4: генератор 10 развертки, генератор высокой частоты 11, источник питания 12, электрометрический усилитель 13. Анализируемый пучок от источника 1 направляют через коллиматор 2 на анализатор 3. Развертку масс осуществляют пилообразным напряжением с генератора 11 развертки относительно потенциала сетки 8, которую для этого заземляют соединяют с корпусом установки. Между сеткой 8 и камерой 7 ионизации создают поле, тормозящее ионы, прикладывая к камере 7 отрицательное относительно корпуса напряжение от источника питания 12. С помощью потенциометра 5 устанавливают величину этого напряжения, равную
U_т= при Т 300 К, U_т 0,16 В. Регистрируют пики ионного тока с усилителя 13 на регистраторе 6. Подстройкой напряжения U_з на задерживающей сетке анализатора 3 добиваются необходимой степени разрешения и подавления гармонических пиков по известной методике. Увеличивают величину тормозящего поля сетки 8 с помощью потенциометра 5 и наблюдают за амплитудой пиков ионного тока. В моменты уменьшения амплитуды пиков в 2 раза отмечают значение тормозящего поля на сетке 8, величину пика ионного тока и положения пиков на оси развертки, которые учитывают при вычислении параметров пучка по приведенным выше формулам.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО МОЛЕКУЛЯРНОГО ПУЧКА, содержащий операции ионизации и разделения ионного пучка путем развертки спектра масс электрическим напряжением и регистрации пиков ионного тока, по величине и положению которых на оси развертки определяют плотность и массовый состав исследуемого пучка, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения способа, на пути ионного пучка между камерой ионизации и первой сеткой создают тормозящее электрическое поле, задерживающее фоновые ионы с тепловыми скоростями, а напряжение развертки прикладывают между первой сеткой и селекционирующей системой анализатора, измеряют пик выбранного компонента, затем увеличивают потенциал тормозящего электрического поля до значения, при котором величина выбранного пика уменьшается в два раза, снова регистрируют величину и положение выбранного пика на оси развертки и значение тормозящего потенциала, по которому определяют величину скорости выбранного компонента молекулярного пучка.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Изобретение относится к области масс-анализа ионов в двумерных линейных электрических ВЧ полях и может быть использовано для улучшения аналитических и конструкционо-технологических характеристик динамических масс-спектрометров

Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений на основе масс-спектрометрического и кинетического разделения ионов этих соединений // 2402099

Изобретение относится к методам и технике химического анализа органических и биоорганических соединений путем разделения ионов по отношению массы к заряду

Способ структурно-химического анализа органических и биоорганических соединений при разделении ионов этих соединений в сверхзвуковом газовом потоке, направленном вдоль линейной радиочастотной ловушки // 2420826

Энергомасс-анализатор // 1707651

Изобретение относится к области физического приборостроения и касается нанесениязащитных покрытий исннз-пг ззменным методом, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей

Способ масс-спектрометрического анализа газовой пробы в тлеющем разряде и устройство для его осуществления // 2529009

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано при анализе окружающей среды, идентификации и определении количества примесей различных химических веществ в окружающем воздухе, в технологических процессах, контроле выдыхаемого воздуха при диагностике и лечении различных заболеваний. Способ включает создание тлеющего разряда в потоке ионизирующего газа, подачу потока ионизирующего газа вместе с исследуемой газовой пробой, направленной вдоль оси потока ионизирующего газа в реактор, ионизацию компонентов газовой пробы в присутствии фокусирующего радиочастотного электрического поля при давлении в реакторе в диапазоне 0.03-3 миллибар, транспортировку ионов к масс-анализатору и масс-спектральную регистрацию образующихся ионов. Еще одним аспектом изобретения является устройство для масс-спектрометрического анализа, описанного выше, состоящее из источника тлеющего разряда, канала для подачи ионизирующего газа, реактора для ионизации компонентов газовой пробы, блока транспорта ионов и масс-анализатора, новизна которого заключается в том, что оно дополнительно содержит фокусирующий радиочастотный ионно-оптический элемент, расположенный внутри реактора вдоль его продольной оси, при этом источник тлеющего разряда объединен с каналом для ионизирующего газа. Технический результат - повышение чувствительности и упрощение процесса. 2 н. и 11 з.п. ф-лы,5 ил.

Способ анализа примесей в газовых смесях при их напуске в виде внеосевого сверхзвукового газового потока через источник электронной ионизации и радиочастотный квадруполь с последующим выводом ионов в масс-анализатор // 2576673

Изобретение относится к методам и технике химического анализа примесных соединений в газах на базе сочетания разделения ионов этих соединений по отношениям массы к заряду, подвижности, устойчивости к столкновительной фрагментации ионов и масс-анализа ионов-продуктов этой фрагментации. Способ основан на предварительном разделении ионов в линейной радиочастотной ловушке, поступающих в нее вместе с профилированным сверхзвуковым газовым потоком, создающим относительно небольшую дополнительную плотность газа вблизи оси этой ловушки. Ловушка сопряжена с масс-анализатором, например, времяпролетным масс-спектрометром с ортогональным вводом ионов. Разделение ионов, образованных в источнике электронной ионизации, производится на базе различий этих ионов в энергиях появления, в массах, зарядах, подвижности, сечениях взаимодействия с метастабильно-возбужденными частицами и устойчивости к столкновительно-индуцированной диссоциации. Оно организуется при воздействии на эти ионы переменных и постоянных электрических полей, создаваемых внутри ловушки, в том числе и зарядами ионов с относительно малыми m/z, сфокусированных вблизи оси ловушки. Технический результат - повышение селективной изоляции выбранных ионов по сравнению с известными газонаполненными линейными радиочастотными ловушками и эффективно управляемой их столкновительно-индуцированной диссоциации внутри одной и той же ловушки. 22 з.п. ф-лы, 10 ил.