Масс-спектрометр

 

1. МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий камеру масс-анализатора, в которой расположены источник ионов, модулятор с постоянной бесполевой камерой, подключенньйк генератору модулирующего напряжения, апертурная диафрагма с окном, диафрагма с выходной щелью, магнит и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что с -целью расширения функциональных возможностей за счет изменения дисперсии и разрешающей способности без смены модулятора и щелей и без изменения чувствительности путем изменения частоты модулирующего напряжения, упрощения конструкции генератора путем сужения диапазона частот, увеличения производительности и уменьшения амортизации масс-спектрометра. юдулятор содержит одну или несколько дополнительньгх бесполевых камер, изолированных друг от друга, и переключатели , подключенные к дополнительным бесполевым камерам с возможностью соединения с одним из полюсов генератора, между собой и постоянной бесполевой камерой. 2. Масс-спектрометр по п. 1, о тличающийся тем, что в направлении движения ионов общая длина соединенньк между собой и с незаземленным полюсом генератора модулирующего напряжения бесполевых камер соответствует выражению И г (Л П-, где Р-, - длина одной ( 1) или общая длина ( i 2, 3..., соединенных между собой бесполевых камер, р - радиус круговой траектории ионов, проходя00 1чЭ щей через апертурную диафрагму, . - номер гармоники, опрео: 1чЭ деляемый отношением час.-. О тоты модулирующего напряжения к циклотронной частоте иона массы 3. Масс-СП-ктрометр по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные бесполевые камеры модулятора расположены либо с одной стороны, либо с обеих сторон постоянной бесполевой камеры симметрично.

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21} 3751349/24-21 (22) 03.04.84 (46} 30.09.85. Бюл. 11- 36 (72) Г.С.Ануфриев и А,M.Áðoíøòåéí (71) Ордена Трудового Красного

Знамени специальное конструкторское бюро аналитического приборостроения

Научно-технического объединения

АН СССР (53) 621.384,6(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 167673, кл. Н 01 J 49/30, 1962.

Авторское свидетельство СССР

Р 438431, кл. Н 01 J 49/30, 1972.

Авторское свидетельство СССР

У 550877, кл. H 01 3 49/30, 1975. (54)(57) 1. МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий камеру масс-анализатора, в которой расположены источник ионов, модулятор с постоянной бесполевой камерой, подключенный к генератору модулирующего напряжения, апертурная диафрагма с окном, диафрагма с выходной щелью, магнит и регистрирующее устройство, о т л и ч а юшийся тем, что с,целью расширения функциональных возможностей за счет изменения дисперсии и разрешающей способности без смены модулятора и щелей и без изменения чувствительности путем изменения частоты модулирующего напряжения, упрощения конструкции генератора путем сужения диапазона частот, увеличения производительности и уменьшения амортизации масс-спектрометра, одулятор содержит одну или несколько дополнительных бесполевых камер, изолированных друг от друга, и переключатели, подключенные к дополнительным бесполевым камерам с возможностью соединения с одним из полюсов генератора, между собой и постоянной бесполевой камерой.

2. Масс-спектрометр по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что в направлении движения ионов общая длина соединенных между собой и с незаземленным полюсом генератора модулирующего напряжения бесполевых камер соответствует выражению

)(р

1 rl. где длина одной (1 = 1) или общая длина (1 = 2, 3..., соединенных между собой бесполевых камер, у — радиус круговой траектории ионов, проходящей через апертурную диафрагму, и;=1ч. à — номер гармоники, определяемый отношением час-. тоты модулирующего ) напряжения к цик- j .— лотронной частоте иона массы

3. Масс-сп ктрометр по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что дополнительные бесполевые камеры модулятора расположены либо с одной стороны, либо с обеих сторон постоянной бесполевой камеры симметрично.

1182629

Изобретение относится к масс-спектрометрии, в частности к устройству магнитных резонансных масс-спектро-, метров с двумя ступенями разделения ионов, в которых первой ступенью 5 является 180 градусный магнитный анализатор, а второй — магнитный резонансный.

Основным назначением таких массспектрометров является изотопный ана-10 лиз инертных и химических активных газов, особенно анализ микроколичеств газов и измерение больших (до 10 — 10 ) изотопных отношений в статическом режиме напуска пробы.

Поскольку анализируемые компоненты входят в мультиплекты масс, для разрешения которых требуется существенно различная разрешающая способность масс-спектрометра, произ; водительность его зависит от времени, необходимого для переналадки прибора с целью иэменейия разрешающей способности в процессе анализа.

Например, для разрешения мультиплета HE — Нл — Н нужна разрешаю5 щая способность 2000, а для разре щения мультиплета Хе — " С гС1 нужна разрешающая способность 70000,.

Целью изобретения является рас- 30 ширение функциональных возможностей эа счет получения возможности изменения дисперсии масс-спектрометра беэ разгерметизации масс-анализатора и смены модулятора, изменения разре- 35 шающей способности без изменения ширины щелей и чувствительности путем изменения частоты модулирующего напряжения, упрощение конструкции генератора модулирующего напряжения щ путем сужения диапазона генерируемых частот, а также сопутствующее увеличение производительности массспектрометра и уменьшение его амортизации. 45

На фиг. I представлена схема предлагаемого масс-спектрометра, на фиг. 2 (а, б) — устройство

"полигармонического" модулятора с одной и с двумя дополниТельными камерами, расположенными с одной (фиг. 2 а) и симметрично с двух сторон (фиг. 2 б) основной камеры.

Масс-спектрометр содержит камеру масс-анализатора 1, источник ионов 55

2, модулятор с постоянно присоединенной к генератору бесполевой камерой . 3 и дополнительными бесполевыми камерами 4, переключатель 5, через который дополнительные камеры модулятора избирательно присоединяются к одному из полюсов генератора 6 и к постоянной камере 3 модулятора, апертурную диафрагму с окном 7, диафрагму со щелью выхода 8, выводной конденсатор 9, вторично— электронный умножитель 10 и регистрирующее устройство 11. Направление индукции В магнитного поля показано крестиком внутри камеры масс-анализатора.

Управление переключателем 5 может быть ручное или автоматическое (например программное управление от

ЭВМ посредством электромагнитного привода). Переключатель 5 может быть либо расположен внутри камеры масс-анализатора и переключаться посредством вакуумно-плотного привода от механизма перемещения, либо расположен между генератором и вакуумно-плотными вводами модулятора.

В предлагаемый масс-спектрометр введены одна или несколько дополнительных бесполевых камер модулятора, изолированных друг от друга, и переключатели, через которые допол— нительные камеры избирательно соединяются с одним из полюсов генератора и между собой.

Постоянно присоединенная к генератору бесполевая камера и дополнительные бесполевые камеры в совокупности образуют "полигармонический модулятор с изменяемой длиной бесполевого промежутка, а переключатели позволяют изменять эту длину в процессе перестройки масс-спектрометра с пика на пик масс-спектра без вскрытия камеры масс-анализатора.

Перестройка масс-спектрометра с массы на массу производится изменением индукции магнитного поля и частоты модулирующего напряжения в соответствии с требуемой для выбранных масс разрешающей способностью. Оператор или автоматическое устройство устанавливает для данной массы такую частоту генератора1 которая соот— ветствует номеру гармоники и,, необходимому для получения нужной разрешающей способности, и одновременно переключает бесполевые камеры модулятора так, чтобы общая длина 1 камер (i = 1,2,3...) определялась соотношением, 1182629

30 (2) 45 где ц — дисперсия на 1007 изменения массы, и; — номер гармоники, соответствующий формуле (1), 50

Ddg — разность диаметров траекторий, проходящих через щели выхода и апертурной диафраг мы, определяющая геометрические размеры масс-спектро-55 метра.

Модулятор масс-спектрометра-прототипа содержит два полевых промежутНапример, для разрешения мультиплетов гелия и водорода (2...4 а. е.м) требуется небольшая разрешающая способность (до 2000), целесообразен выбор меньшего значения гармоники п1, а для разрешения дублета Хе 1 С С 19

12з (129 а.е.м) требуется разрешающая способность 70000, целесообразен выбор большего значения гармоники и;

При уменьшении гармоники с увеличением длины бесполевого промежутка модулятора для легких масс, увеличении гармоники с уменьшением длины бесполевого промежутка для тяжелых масс достигается сужение диапазона частот генератора без нарушения синфазности пролета ионов через модулятор. Создаются условия для упрощения конструкции генератора.

В первой ступени масс-спектрометра ионы разделяются по радиусу траектории. Во второй ступени ионы разделяются по циклотронному периоду оборота, дважды пройдя модулятор и набрав в его высокочастотном поле энергию, соответствующую фазам модулирующего напряжения при втором вхождении ионов в модулятор. Различие энергии, набранной в модуляторе ионами разных масс, соответствует разности фаз, равной разности циклотронных периодов, и зависит от крутизны модулирующего напряжения, Различие диаметров выходных траекторий, т.е. дисперсия масс-спектрометра пропорциональна величине отношения и= (У частоты генератора

40 модулирующего напряжения к циклотронной частоте оборота ионов называемого номером гармоники ка и бесполевую камеру между ними.

Ионы, получающие дополнительную энер,гию в модуляторе, должны пролетать бесполевую камеру фиксированной длины за половину периода модулирующего напряжения.

Разрешающая способность массспектрометра равна

D где p — разрешающая способность по основанию,11 пика, — ширины выходной щели источника ионов и выходной щели масс-спектрометра соответственно, — сумма аберраций у выходной щели масс-спектрометра.

Слагаемые аберрации растут с увеличением ширины щелей источника ионов и апертурной.

Таким образом, в масс-спектрометре разрешающую способность можно изменять в широких пределах регулированием ширины щелей масс-анализатора.

Часть щелей (выходная) регулируется механизмами перемещения, а часть источника (апертурная) — сменой диафрагм со щелями при вскрытии массанализатора. Разгерметизация (вскрытие) масс-анализатора, смена модулятора и щелей, откачка и получение вновь статического режима напуска проб, в котором преимущественно работают магнитные резонансные массспектраметры, приводят к значительному снижению производительности масс-спектрометра и ускорению его амортизации.

Диапазон частот генератора модулирующего напряжения зависит от диапазона масс-спектрометра. Для диапазона масс, включающего все изотопы благородных газов и водород, на который рассчитан масс-спектрометрпрототип (2...140 а.е.м.),коэффициент перекрытия генератора по частоте, равный отношению циклотронных частот

Иб

Хе и Н, весьма велик — 8,25. Большой коэффициент перекрытия по частоте и необходимость плавного изменения частоты во всем диапазоне значительно усложняют конструкцию генератора.

Сужение диапазона частот модулирующего напряжения путем увеличения номера гармоники (частот генератора) 1182629

Номер гармоники П=

= .Дисперсия на 17 дМ, мм

Граничные часКоэффициент перекрытия по частоте

Масс-спект- Диапазон рометр массовых чисел тоты генератора, МГц

2-136

30,1-3,7

8,2

МИ9302

Предлагаемый

75

2-.1 5

30,01-11,0

2,7

225

18-136

120

0аначна для тяжелых масс и уменьшения номера гармоники (частот генератора) для легких масс затруднего из-за. нарушения синфазности пролета ионов через 5 модулятор °

В предлагаемом масс-спектрометре для получения меньшей величины дисперсии (для,настройки на Не, например), переключатель 5 переклю- 1О чается в положение "2", постоянная .и дополнительные бесполевые камеры ,соединяются друг с другом и с неза-! земленным полюсом генератора. Для получения большей величины дисперсии 15 (для настройки на Йе, Аг, К и Хе) перекчн. атель 5 переключается в IIQложе . ; 1", дополнительные бесполевые камеры отсоединяются от постоянной камеры и присоединяются к 2ц заземленному полюсу генератора.

В обоих случаях частота генератора .устанавливается такой, чтобы выполнялись равенства (1), (2) и (3).

Тем самым изменяется дисперсия и раз« 25 решающая способность без смены модулятора и щелей масс-анализатора ,и без изменения чувствительности масс-спектрометра.

В таблице дано сравнение дисперсий и диапазонов частот генераторов (коэффициентов перекрытия по частоте) масс-спектрометра МИ9302 и предлагаемого масс-спектрометра с двумя дополнительными бесполевыми камерами и одним переключателем.

Из таблицы видно, что при одинаковых геометрических размерах радиусов траекторий и щелей и одинаковых неоднородностях магнитного поля разрешающая способность предлагаемого масс-спектрометра„ пропорциональ— ная дисперсии, втрое больше у предлагаемого масс-спектрометра, Кроме того, коэффициент перекрытия по частоте генератора в пред" лагаемом масс-спектрометре в 3 раза меньше, чем в известном, что сущест-, венно упрощает конструкцию генератора °

)182629

xone июИ! диод иаМР

Риг. 2

Корректор В. Синицкая

Редактор M. Бандура Техред М.Кузьма

Подписное

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

Заказ 6117/53 Тираж 678

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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