Масс-спектрометр

 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для элементного анализа твердых тел. Цель - повьпиение светосилы и ускорение процесса регистрации масс-спектрометра (МСМ). Она достигается тем, что МСМ имеет детектор 5, многощелевую диафрагму (МВД) 4, блок (Б) сканирования и Б 6 регистрации, причем щели (Щ) МВД 4 имеют одинаковые размеры, параллельны между собой,- а часть из них расположена на разных расстояниях одна от другой так, что разность расстояний между Щ не менее ширины самих Щ, а число Щп, приходящихся на апертуру детектора, определяется из соотношения (dN/dx)h, где h - ширина Щ, а dN/dx - максимальное регистрируемое число пучков ионов Q на единицу длины вдоль фокальной плос- S кости в месте расположения детектора 5. В описании изобретения описаны конструктивные элементы детектора 5. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 И 01 J 49/30

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ д

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3929011/24-21 (22) 10.06.85 (46) 23.04.87. Бюл. № 15 (71) Сумское производственное объединение "Электрон" (72) А.С.Брюханов, А.И.Борискин, В.N.Åðåìåíêî, M.Á.Ëîùèíèí, Г.И.Рамендик и А.Н.Скрипченко (53) 621.384(088.8) (56) Патент Великобритании № 1161395, кл. Н 01 О, 1967.

Заявка Японии ¹ 47-18188, кл. G 01 N 27/62, 1972.

Быковский Ю.А., Неволин В.H. Лазерная масс-спектрометрия. — N.: Энергоатомиздат, 1985, с. 86-87. (54) МАСС-CIIEKTPONETP (57) Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для элементного анализа твер„„SU„„1305795 A 1 дых тел. Цель — повышение светосилы и ускорение процесса регистрации масс-спектрометра (МСМ). Она достигается тем, что NCN имеет детектор 5, многощелевую диафрагму (Nllg) 4, блок (Б) сканирования и Б 6 регистрации, причем щели (Щ) МЦЦ 4 имеют одинаковые размеры, параллельны между собой, а часть из них расположена на разных расстояниях одна от другой так, что разность расстояний между Щ не менее ширины самих Щ, а число Щп, приходящихся на апертуру детектора, определяется из соотношения п=1/(dN/dx)h, где h — ширина Щ, à dN/dx — максимальное регистрируемое число пучков ионов д. на единицу длины вдоль фокальной плос- » кости в месте расположения детектора

5. В описании изобретения описаны конструктивные элементы детектора 5. С

2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1 13057

Изобретение Относится к средствам элементного анализа твердых тел, а иыеииа к статическим масс-спектраметрам с двойной фокусировкой и может быть использована в масс-спектраметри-g ческам триборостраении.

Целью изобретения является повышеиие светосилы и ускорение процесса регистрации.

Пя фиг.1 изображена функциональная 10 схема предлагаемого масс-спектраметра; иа фиг.2 — вариант выполнения диафрагмы; иа фиг.3 — - схема детектора; на фиг. 4 и 5 — сигналы, поясняющие работ>- устройства. f5

11ясс-сиектраметр содержит импульсный лазерный источник 1 ионов, состояший из импульсного лазера и ионна-аиаHBJIHÇGТОр 2. щий из электростатического янализата- 20 ра и магнитного анализатора. подключенного к блоку 3 развертки„ представляющему собой управляемый цифровой ге. ! иератар тока, мнагащелевую диафрагму

4, представляющую сабаи пластину, в

2э которой создан ряд параллельных щелей рявиай ширины, и установленную в фа— кяльнай плоскости анализатора 2 перед апертурой детектора 5, представляюшегс собой координатно нечувстви-тельный детектор положительных ионов„ и блок б регистрации, состоящий из иитагря.тара, микропроцессора и дисплел .

Наина-оптический узел импульсного .

JB.çeçíîI î источника 1 ионов распалага— ется в вакууме. В вакууме расположены также детектор 5, мнагощелевая диафрагма 4 и некоторые составные части щ0 анализатора 2, а именно: электростатический анализатор и зазор магнитного анализатора. Блок 6 регистрации электрически соединен с детектора 1 5 я блок 3 — с анализатором 2. Направле,.-ие возможного перемещения пучков ионов относительно неподвижных детектор.ов 5 и ынагащелевай диафрагмы 4 обозначена стрелкой, а сами пучки иаиав — то;;êèìè линиями са стрелками.

Ширина 1целей равна минимальной

Dii PIIHe 1,ВДОЛЬ фОКЯЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ) пучков нанон и составляет для масссиектраыетра с двойной фокусировкой и с импульсным лазерным источникам ионов„ иаприыер, 30 мкм. Высота щели определяется высотой выходной щели магнитнОга анализатора и составляет, например, 1 мм. Па крайней мере часть

95 2 щелей в многащелевай диафрагме расположена на разных расстояниях друг ат друга, причем таким образам, что разность расстояний между щелями не менее ширины самих щелей, т.е., например, 30 мкм, а число щелей, приходящихся на апертуру детектора, должно быть не более, чем величина, обратная произведению ширины щели на максимальное регистрируемое число пучков ионов, приходящихся на единицу длины вдоль факальнай плоскости в месте расположения детектора. Если, например, максимальное регистрируемое число пучков ионов, приходящихся на единицу длины вдоль факальной плоскости в месте расположения детектора, состав-1 ляет 3 мм, то число щелей, приходящихся на апертуру детектора должно быть не более 1/3.0,03 11.

Детектор 5 (фиг. 3) содержит металлическую пластину 7, ыикроканальную пластину 8 и коллектор 9, соединенные с источником 10 питания детектора, причем плоскость микроканальной пластины непараллельна плоскости, в которой происходит движение регистрируемых пучков ионов. Пучок ионов попадает на металлическую пластину 7 вблизи ее середины. На фиг.3 пучки ионов обозначены тонкими линиями со стрелками, а создаваемые ими вторичные электро.ны -- тонкими пунктирными линиями, угол, образуемый плоскостью, в которой происходит движение пучков ионов, с плоскостью металлической пластины 7, Обозначен, а с плоскостью микроканальной пластины 8

Масс-спектраметр работает следующим образом.

После включения масс-спектрометра блоку 3 задают начальный ток магнитного анализатора и скорость сканирования пучков ионов, а блоку б регистрации — частоту цикла измерения интеграла сигнала детектора 5.

Регистрация масс-спектра происходит следующим образом.

В результате работы импульсного лазерного источника 1 ионов и анализатора 2 из выходной щели магнитного анализатора появляются пульсирующие пучки ионов, сфакусированные на фокальную плоскость, где установлена многащелевая диафрагма 4. Часть пучков ионов, попавших на некоторые щели многощелевой диафрагмы 4, попадает в апертуру детектора 5, при этом ионы, 95 4 нов смещаются вдоль фокальной плоскости магнитного анализатора.

Интегратор блока 6 регистрации в течение времени, равного циклу измерения, производит интегрирование сигнала по времени, а по истечении этого времени переносит величину интеграла в память микропроцессора, обнуляется и начинает интегрирование вновь. Поскольку продолжительность цикла измерения выбирается меньше времени, необходимого пучку ионов для перемещения вдоль фокальной плоскости на расстояние, равное ширине щели в многощелевой диафрагме 4, то временная зависимость сигнала интегратора всегда имеет .нарастающий и спадающий участки и позволяет уверенно определять момент наступления максимумов при прохождении пучка ионов через щели.

Интегрирование сигнала детектора в течение времени, существенно большего периода следования импульсов импульсного лазерного источника ионов, необходимо в связи с тем, что импульсный лазерный источник ионов, как и другие импульсные источники ионов, не обеспечивают высокой стабильности сигнала от импульса к импульсу. Интегрирование сигнала, таким образом, улучшает относительную точность регистрации.

Типичная форма развертки сигнала,. создаваемого интегратором.в результате перемещения пучков ионов, приведена на фиг.4. По оси Т отложено время перемещения пучков ионов, а по оси Y— сигнал интегратора. С целью упрощения ступенчатая форма сигнала изображена гладкими кривыми.

Блок 3 осуществляет равномерное изменение тока, питающего магнит маг-55 нитного анализатора, в результате чего магнитная индукция в зазоре магнитного анализатора равномерно изменяется, например возрастает, и пучки ио3 13057 имеющие энергию несколько десятков килоэлектронвольт, попадают на металлическую пластину 7 и выбивают иэ нее вторичные электроны, которые ускоряются электрическим полем, приложенным к промежутку металлическая пластина 7 — микроканальная пластина 8.

Для того, чтобы уменьшить высокие плотности потока вторичных электро- 10 нов, насыщающих микроканалы в микроканальной пластине 8, металлическая пластина 7 располагается почти параллельно плоскости, в которой происходит движение пучков ионов, например, f5 под углом Ы от 30 до 5 и менее, а микроканальная пластина 8 отклоняется от паваллельности на угол P 5 — 30 и более. При этом поток ионов касается металлической пластины 7 на 20 большой длине, превышающей высоту выходной щели магнитного анализатора в столько раз, в сколько котангенс угла больше единицы. Вследствие непараллельности микроканальной плас-25 тины 8 и указанной плоскости возникает непараллельность вектора магнитной индукции рассеянного (паразитного) магнитного поля, неизбежно существующего вблизи зазора магнитного 30 анализатора, и вектора напряженности электрического поля, созданного между металлической пластиной 7 и микроканальной пластиной 8, вторичные электРоны РаскРучиваются вокруг линий 35 магнитной индукции и покрывают большую площадь микроканальной пластины

8, например 50 мм, вместо первоначального сечения пучка ионов в фокальной плоскости, равного, например, 40

0,03 мм . В результате этого микроканальная пластина 8 способна эффективно без насыщения регистрировать пульсирующие пучки ионов высокой плотности тока, создаваемые импульсным лазер-45 ным источником 1 ионов. Попадая в каналы микроканальной пластины 8, вторичные электроны размножаются и по выходу из микроканальной пластины 8 попадают на коллектор 9, где создают 50 регистрируемый сигнал, который поступает на вход интегратора.

Поступающий на вход микропроцессора сигнал обрабатывается микропроцессором в реальном масштабе времени: выделяется максимум, определяется момент его наступления и сумма слагающих сигналов интегратора (площадь под огибающей). Последние два числа направляются в память.

Алгоритм анализа предварительно обработанных чисел заключается в сравнении разности моментов наступления максимумов с разностью расстояний между щелями в многощелевой диафрагме, поделенных на скорость сканирования.

Информация о времени прохождения щелей вводится в микропроцессор изначально. Критерием идентификации ис1305795 ходного положения пучка ионов являютя следующие признаки: регистрация прохождения пучка ионов через две-три щели, отсутствие сигнала максимума пучка ионов в двух-трех промежутках в последовательности координат максимумов, записанных в память, и относительное постоянство суммы слагающих сигналов интегратора.

Так, при анализе развертки (фиг.4) сигнала пучков ионов, прошедших через многощелевую диафрагму в результате перебора разности моментов наступления максимумов t; (х,j — целые числа), начиная от наибольших значений максимумов и кончая наименьшими, найдены, например, совпадения разности моментов с г ъ 6 » @ 7 з

t — t максимумов 1.3 6 7 и 8 и запи- 20

7 8 санных в память микропроцессора расстояний между второй (счет щелей слева направо), третьей, четвертой, пятой и шестой щелью в многощелевой диафрагме, поделенных на скорость сканирования пучков ионов. Аналогично разности моментов t — t,,t — с соответствуют расстояйиям между четвертой, пятой и шестой щелью в многощелевой диафрагме, поделенным на ско рость сканирования пучков ионов.

В тех случаях, когда наблюдался один максимум данного пучка ионов (пучок ионов располагался вблизи края многощелевой диафрагмы), микропроцессор анализирует также те участки развертки сигнала интегратора, на которых нет сигнала. При наличии указан» ной информации микопроцессор восстанавливает расположение пучков ионов 40 относительно многощелевой диафрагмы

4 на момент начала сканирования. Восстановленный сигнал, соответствующий сигналу интегратора (фиг.4) приведен на фиг. 5. По оси Х отложены относи- 45 тельные расстояния пучков ионов и щелей многощелевой диафрагмы. Точки " 1" (Х = О) и "б" обозначают положение первой и шестой щелей относительно пучков ионов на момент начала сканирования. По оси 7 воспроизведены рассчитанные интенсивности зарегистрированных пучков ионов в виде сигналов стандартной гауссовой формы, причем интеграл расчетной интенсивности каж- 55 дога пучка ионов равен соответствующему среднему арифметическому сумм слагающих сигналов интегратора, В результате этого усреднения дополнительно повьш ается статическая надежность результата.

Восстановленный сигнал изображается на дисплее.

Таким образом, многощелевая диафрагма 4 выполняет функцию кодирования интенсивности и координат, распределенных вдоль фокальной плоскости пучков ионов.„ а микропроцессор — декодирования этих величин. Предпосылками для осуществления такой процедуры являются сравнительно редкое расположение пучков ионов вдоль фокальной плоскости (несмотря на большое общее количество пучков ионов) и существенная простота масс-спектра, получаемого с помощью импульсного лазерного источника ионов — наибольшая зарядность ионов не превышает трех.

Для осуществления процесса корирования и декодирования необходимо обеспечить относительное движение детектора 5 с диафрагмой 4 и пучков ионов, йри этом не имеет значения, что из них покоится относительно масс-спектрометра. Тем не менее, покоящиеся детектор 5 и диафрагма 4 являются более предпочтительными по конструктивным причинам.

Предлагаемый масс-спектрометр, содержащий детектор с многощелевой диафрагмой, обладает повышенной светосилой, поскольку регистрация пучков ионов производится одновременно несколькими щелями. Для обеспечения заданной статической точности результата регистрации каждого пучка ионов с учетом нестабильности импульсного лазерного источника ионов каждый пучок ионов должен быть зарегистрирован при определенном. минимальном количестве импульсов лазера. Поскольку каждый пучок ионов несколько раз проходит через щели многощелевой диафрагмы, то скорость сканирования может быть увеличена во столько раз, сколько обеспечено идентифицированных прохождений пучка ионов через щели многощелевой диафрагмы. При перемещении пучков ионов на расстояние, много большее апертуры детектора, практически каждый пучок ионов пересечет все щели многощелевой диафрагмы. В этом случае предлагаемый масс-спектрометр обеспечивает экономию времени по сравнению с масс-спектрометром, снабженным детектором с однощелевой диафрагмой, в

7 130579 столько раз, сколько щелей в многощелевой диафрагме.

Декодирование сигнала производится надежно, в реальном масштабе времени и при малом объеме памяти микропро5 цессора, если щели в многощелевой диафрагме 4 имеют одинаковые размеры и по крайней мере часть из них расположена на разных расстояниях друг от друга и таким образом, что разность 1ð расстояний между щелями не менее ширины самих щелей, а число щелей и, приходящихся на апертуру детектора, определяется из соотношения и 1/(dN/

/dx)h где h — ширина щели, dN/dx максимальное регистрируемое число пучков ионов на единицу длины вдоль фокальной плоскости в месте расположения детектора. Смысл ограничения на наибольшее число щелей и заключается 2() в том, что при и ) 1/(dN/dx)h случайные одновременные прохождения пучков ионов через две (и более) щели в многощелевой диафрагме становятся настолько частыми, что выделение макси- 25 мума сигнала и суммы слагающих сигналов интегратора оказывается невозможным.

Таким образом, число щелей и, приходящихся на апертуру детектора, дол- 30 жно быть оптимальным: при малых и например при n = 2, низка светосила детектора и возможны случайные совпадения расстояния между щелями и расстояний между пучками ионов, уменьшающие надежность декодирования. Оптимум соответствует приблизительно и =

= 0,5/(dN/dx)h.

Надежность расшифровки сигнала (т.е. число декодированных пучков ио- pg нов к полному числу пучков ионов, пришедшихся на апертуру детектора с учетом перемещения) может быть повышена тем, что расстояния между двумя крайними слева и двумя крайними спра- 45 ва щелями являются наименыпими среди всевозможных значений расстояний межI

5 8 ду щелями в многощелевой диафрагме.

В этом случае уменьшается вероятность попадания пучка ионов в промежуток между крайними щелями в многощелевой диафрагме, а значит, возрастает вероятность пересечения пучком двух и даже трех щелей, что делает декодирование его координаты более надежным.

Формула изобретения

1. Масс-спектрометр, содержащий последовательно расположенные импульсный источник ионов, магнитный анализатор, соединенный с блоком развертки, детектор с расположенной перед ним диафрагмой, отличающийся тем, что, с целью повьппения светосилы и ускорения процесса регистрации, диафрагма выполнена многощелевой, при этом щели выполнены параллельными и одинакового размера и по крайней мере часть из них расположена на разных расстояниях одна от другой, разность расстояний между щелями не менее ширины самих щелей, а число щелей п приходящихся на апертуру детектора, соответствует условию п с 1/(dN/dx)h, где h — ширина щели, м; dN/dx — максимальное регистрируемое число пучков ионов на единицу длины вдоль фокальной плоскости в месте расположения детектора.

2. Масс-спектрометр по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что расстояния между двумя крайними слева и двумя крайними справа щелями являются наименыпими среди других расстояний между щелями в многощелевой диафрагме.

3. Масс-спектрометр по п. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что детектор выполнен в виде металлической пластины, расположенной под острым углом к траектории движения ионов, за которой расположен умножитель вторичных электронов на основе микроканальной пластины и коллектора.

1305795

1305795

7 8

3 9 5

Составитель Н.Катинова

Техред Л. Сердюкова

Корректор И.Демчик

Редактор О.Юрковецкая

Тираж 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 1461/52

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная, 4