Масс-спектрометр с фокусировкой по энергии

 

Изобретение может быть использовано в тех отраслях народного хозяйства , где необходимо определять химический или изотопный состав вещества . Масс-спектрометр (МС) с фокусировкой по энергии содержит источник I и приемник 2 ионов, диспергирующий магнит 3, электростатическое зеркало , состоящее из электродов 4-6, каждый из которых представляет собой пару конгрузнтных пластин, расположенных параллельно друг другу и симметрично относительно средней плоскости. Обращенным друг к другу боковым сторонам пластии соседуих электродов придана форма частей соосных круговых цилиндрических поверхностей, образзггощие которых перпеидикулярны к средней плоскости, а главная оптическая ось МС а поле зеркала обращена выпуклостью к оси этих цилиндрических поверх-Q ностей. МС с фокусировкой по энергии имеет повьш1енные разрешакицую способность , чувствительно«гть. 2 з.п. ф-лы 3 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 5 Н О! J 49/32 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЮ (46) 30.04. 92. Вюл. Р 16 (21) 413? 392/21

{22) 24.!0.86 (71) Институт ядерной физики AH

КазССР (72) Л.Г. Вейэина, С.П. Карецкая и В.M. Кельмаи (53) 621.384(088.8) (56) Кельман В.М., Родникова И.В., Секунова Л.М. Статические массспектрометры. Алма-Ата.: Наука, 1985, с.97-128, с. 158-237.

Авторское свидетельство СССР

У !091257, кл. H Ql J 49/32, !984. (54) МАСС-СПЕКТРОМЕТР С ФОКУСИРОВКОЙ

ПО ЭНЕРГИИ (57) Изобретение может быть использовано в тех отраслях народного хозяйства, где необходимо определять химический или изотопный состав вещества. Масс-спектрометр (МС) с фокусировс

„.SU„„ 3438522 кой по энергии содержит источник н.приемник 2 ионов, диспергирующий магнит 3, электростатическое зеркало, состоящее иэ электродов 4-6, каждый из которых представляет собой пару конгруэнтных пластин, расположенных параллельно друг другу и симметрично относительно средней плоскости.

Обращенным друг к другу боковым сторонам пластин соседних электродов придана форма частей соосных круговых цилиндрических поверхностей, образующие которых перпендикулярны к средней плоскости, а главная оптическая ось

МС в поле зеркала обращена выпуклостью к осн этих цилиндрических поверх-д ностей. МС с фокусировкой по энергии имеет повьппенные разрешающую способность, чувствительноать. 2 з.п. @-лы

3 ил.

1438522

Изобретение относится к технике масс-спектрометрии и может быть использовано в тех отрасляк народногс хозяйства, где необходимо определять химический или изотопный состав ве5 щества.

Келью изобретения является повышение разрешающей способности, чувствительности, уменьшение габаритон и рас- 0 ширение аналитических возможностей масс-спектрометров с фокусировкой по энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в известном масс-спектрометре с фокусировкой по энергии, содержащем источник и приемник ионов, диспергирующий магнит, электростатическое зеркало, состоящее из нескольких электродов, каждый из которых представ- 20 ляет собой пару конгруэнтных пластин, расположенных параллельно друг другу и симметрично относительно средней плоскости, обращенным друг . к другу боковым сторонам пластин со- 25 седних электродов зеркала придана форма частей соосных круговых цилиндрических поверхностей, обргзующие которых перпендикулярны к средней плоскости, а главная оптическая ось ЗО масс-rnåêòðoìåòðà в поле зеркала обращена выпуклостью к оси этих цил1<н;;рических поверхностей.

Параметры диспергирукщего магнита и электростатического зеркала

0м связаны соотношением 0 = — —, если . ь, гервой после источника ионов расположена электростатическая система, или

„0 (<(, 40 соотношением D =" —, если первым расЯ положен магнит, где 0 > — угловая дисI персия по энергии электростатического зеркала, 0 „ - линейная дисперсия по массе (энергии) диспергирующего маг- gg нита, 1А — линейное увеличение массспектрометра, Ь о — расстояние от выходной щели источника до первой ггав- ной плоскости зеркала, Ь z — рас,.тс(яиие от промежуточного изображения до названной плоскости.

При необходимости одновременной регистрации широкого участка спектра масс выходная щель источника н (ног< располагается B главной фокальц<1й плоскости установленного перед диспергирующим магнитом электрост(1тического зеркала. Если диспергир ющнй магнит янлггется днумерно11 ил1< I:<.íè<еской магнитной. призмой, масс-спектрометр снабжается дополнительно вторым электростатическим зеркалом или электростатической линзой, которые располагаются по другую, чем первое зеркало, сторону от магнита, причем выходная щель источника и нходная щель приемника ионов устанавливаются и главных фокальных плоскостях электростатических систем. В этом ( случае Dz представляет собой суммарную угловую дисперсию па энергии электростатических систем.

Изобретение заключается в том, что приведенная совокупность признаков позволяет лучше компенснровать, аберрации, вследствие появления дополнительных свободньгх параметров, и тем самым улучшать разрешающую способность и чувстнительносг(> спектрометра; обеспечивает резкое увеличение дисперсии электростатической системы и, как следствие, уменьшение ее габаритов, делает возможным преобразование расходящегося пучка ионов в параллельный, а следовательно, создание призменного прибора, а также прибора с одновременной регистрацией широкого спектра масс с более простой и совершенной электростатической частью. При этом сохраняется достоинство прототипа — возможность электростатической регулировки параметров прибора.

Искривление обращенных друг к другу боковых сторон пластин соседних электродов необходимо для создания такого распределения электрического поля, которое позволяет преобразовать расходящийся пучок в параллельньй . При прямоугольных электродных пластинах такое преобразование невозможно. Предлагаемая ориентация оптической оси в поле зеркала необходима для увеличения дисперсии электростатической системЬ1 по энергии и улучшения ее фокусирующих свойстн.

Рм

Выполнение соотношения D = ——

Dì гАbî, или 0 — — — необходимо для достиЬп жения фокусировки по энергии.

Расчеты показывают, что приведен— ной совокупности признаков достаточно для достижения указанного положительного эффекта.

В ЗаянпяЕМсм Пр11бо рЕ На ИПЕ11ПЕ движения ис н< г и 11< ге г(1ектр < т.I г<114 1г1Г 17 ческой системы образует с рядияльш,ttt

Направлением большой угол, Пя фиг. l покл евана ионно-оптиче— ская схема предлагаемого масс-спектроrz метра с секторным магнитом в проекции на среднюю плоскость; ня фиг. 2 то же, с секторным магнитом для одновременной регистрации широкого участка спектра масс ня фотопластинке или 10 при помощи позиционно-чувствительного детектораг на фиг. 3 — то же, с двумерной магнитной призмой.

Масс-спектрометр на фиг. 3 целесообразно испольэовать при необходимо- 15 сти получить очень высокую разрешающую способность по массе.

Масс-спектрометр состоит иэ источника 1 ионов, приемника 2 ионов, диспергирующего магнита 3 и одного (фиг.1, 20

2) ипи двух (фиг..3) электростатических зеркал с электродами 4-6, Каждый электрод зеркала представляет .собой две идентичные, параллельные друг другу пластины, расположенные симметрично относительно средней плоскости,обращенные друг к другу боковые поверхности пластин соседних электродов имеют. цилиндрическую форму. Главная оптическая ось масс-спектрометра 30 в поле зеркала обращена выпуклостью к оси О этих поверхностей. В массспектрометре ня фиг. 2 выходная щель источника .ионов I расположена в главной фокальной плоскости зеркала с электродами 4-6. В масс-спектрометре, изображенном на фиг. 3, выходная щель источника ионов 1 расположена в главной фокальной плоскости первого по ходу пучка зеркала с электрода- 40 ми 4-6. Входная щель приемника 2 ионов расположена в главной фокальной плоскости второго зеркала с электродами 4-6.

Масс-спектрометр, изображенный 4В иа фиг. 1, работает следующим образом.

Ионный пучок, сформированньгй источником 1, поступает в поле зеркала с электродами 4-6, которое откло- 50 няет его, фокусирует и разделяет ионы по энергии. Сформированные зеркалом промежуточные фокусы ионов с различной энергией разнесены в пространстве. параметры зеркала подобраны так, что после прохождения ионами Магнитного поля, осуществляющего.àõ разделение по массам, все ионы с определенной массой, но различными няргнямп Фпкупируют . п пппм месте, т.е. проиэвопптся ф куппровка по энергии. В этом мес.те располагается приемник 2 ионов. Лнпейн е увеличение как магнитного, так и электростятическпгп каскада равно поэтому р =- — I, дисперсия зеркала по энергии в плоскости промежуточногоо изображения D = — D,b » и

0м общее соотношение D = — — — в этом

3. частном случае принимает вид D> = D t то есть условием осуществления фоку— сиравки по энергии является равенство дисперсий электростатического зеркала и магнита.

В масс-спектрометре (фиг ° 2) ионы с определенной энергией, выходящие из какой-либо точки источника, преобразуются зеркалом в параллельный пучок.

При выполнении равенства D .f = - D, о где f — фокусное расстояние диспергирующеro магнита, ионы с различной энергией, но с определенной массой, собираются в определенном месте отрезка прямой, с которой и совмещается фотопластинка или позиционночувствительный детектор. Это равенство является следствием общего соотноDч щения D = — — —, так как в данном

3 случае р = — —, Ь = —.f, где f g

1 фокусное расстояние зеркала.

Масс-спектрометр, показанный на фиг. 3, отличается наличием двух зеркал, осуществляющих фокусировку ионов по направлению и по энергии. Первое из них играет роль коллиматора, второе — камеры спектрометра. ЗеркаI ла идентичны. Рм= D„f >, где D > угловая дисперсия магнитной призмы;

fy — фокусное расстояние зеркала, Ь о = f 3 Р = — 1 и общее соотношеDм ние D = — — принимает вид D рЬо 3

= -D ïðè÷åì D представляет собой удвоенную угловую дисперсию зеркала.

В предлагаемых масс-спектромет" рах благодаря большему, чем в прото» типе, числу свободных йараметров у электростатической системы удается сравнительно легко и более полно компенсировать аберрации диспергирующего магнита и, таким образом, повысить разрешающую способность и светосилу.

1436522

Габариты электростатической сиспемы масс-спектрометра, изображенного иа фиг. 1, примерно н 3,5 раза меньше,чем н прототипе при одинаковой диспарсии приборов по массе. РасширяютБ ся аналитические возможности, так как п1Педлагаемое изменение конструкции электростатической системы позволяет с<>адать масс-спектрометр, изображеинпп3 на фиг. !, с одновременной регист1 рацией широкого участка спектра масс.

Пфи этом сложный в изготовлении тороцйальный конденсатор заменяется более простой и совершенной системой, появ- 15 ляется возможность электрической настройки прибора, а следовательно„ выбора оптимального режима работы и повышения pa ðeøàþùåé способности и чувствительности. 20

Кроме того, удаетея создать приборы с диспергирующими магнитами в виде м гнитных призм (фиг. 3), обладаюпцюх целым рядом достоинств. При этом число электродов электростатической 26 системы по сравнению с аналогом уменьшается с 1Одо б,вследствие чего значительно упрощается схема питаниями

Формула изобретения

ЗО

Наес-спектрометр с фокусировкой и энергии, содержащий источник и прие них ионов, диспергирующий магнит, электростатическое зеркало, состоящее и нескольких электродов, каждый из которых образован парой конгруэнтных пластин, расположенных параллельно друг другу и симметрично относительно средней плоскости, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повыше Щ ния разрешающей способности, чувствительности, уменьшения габаритов и расширения аналитических возможностей масс-спектрометра, обращенные друг к другу торцы пластин соседних электрос дОв зеркала имеют форму частей соосных круговых цилиндрических поверхностей, образующие которых перпендикулярны к средней плоскости, а главная оптическая ось масс-спектрометра в поле зеркала обращена выпуклостью к оси этих цилиндрических понерхностей, причем параметры диспергирующего маг1 нита и электростатического зеркала связаны соотношением 0

Бм

tub, если первой после источника ионов расположена электростатическая система, или соотношением 0, D — если первым расположен магЪп

I нит, где D — угловая дисперсия по энергии электростатического зеркалa 5 - линейная дисперсия по массе (энергии) диспергирующего магнита, p — линейное увеличение. массспектрометра; bo — расстояние от выходной щели источника до первой главной плоскости зеркала (м), Ъ я расстояние от промежуточного изображения до названной плоскости (м).

2. Масс-спектрометр по п. 1, о тл и ч а ю щ и, и с я тем, что выходная щель источника ионов расположена

B главной фокальной плоскости установленного перед диспергирующим магнитом электростатического зеркала.

3, Масс-спектрометр по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что диспергирукщий магнват является двумерной или конической магнитной призмой, а масс-спектрометр снабжен дополнительно нторьп электростатическим зеркалом или электростатической линзой, которые расположены по другую, чем первое зеркало, сторону от магнита, причем выходная щель источника и входная щель приемника ионов установлены в главных фокальных плоскостях электростатических систем.

1438523

Составитель В. Кащеев

Техред Л.Сердюкова

Редактор М. Васильева

Корректор .В. Гирняк

Заказ 2315

Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Пр< и в< лственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, ч