Времяпролетный масс-спектрометр
Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности, к масс-спектрометрам для анализа химического состава и плотности потока микрометеорных частиц в космосе. Целью изобретения является повышение точности и чувствительности анализа химического состава микрометеорных частиц. Масс-спектрометр содержит пылеударный источник ионов 1 с мишенью 2 в виде жалюзи и системой электродов 3, образующей электростатическую линзу, анализатор ионов 4, детектор 5, блоки питания 8. Каждый элемент 9 мишени 2 имеет форму полого конуса и состоит из двух электрически изолированных одна от другой частей. Благодаря расположению элементов жалюзи вдоль сферической поверхности, их конусообразной форме и подключению к резисторам делителя напряжения, получается воронкообразное электрическое поле, затягивающее ионные пакеты с любого участка мишени 2 и фиксирующее их в точку переднего фокуса системы электродов 3. При этом повышается точность и чувствительность анализа. 4 ил.
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН (19) (II) 1 SX)S Н 01,Т 49/40
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Ql
ЯР
4 ь
С5 ,Ю
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ. И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
1 (21) 4431916/24-21 (22) 18.03.88 (46) 23.09.90. Бюл. - 35 (71) Московский инженерно-физический институт (72) В.И.Абрамов, Д.Р.Бандура, В.П.Иванов, А.А.Сысоев, В.В.Высочкин и Ю.А.Сурков (53) 621.384 (088.8) (56) Житенев С.В., Иногамов И.А., Константинов А.Б,Времяпролетный масс-спектрометр с пылеударным источником ионов. — Институт теоретической физики, Smith D., Adams N.G, Studies of
Plasma production at hypervelocity
microparticle inapact. — Iourn.
Phys. D: Appl. Phys. 1973, v. 6, р. 700-719. (54) ВРЕМЯПРОЛЕТИЬП1 МАСС-СПЕКТРОМЕТР (57) Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности, к масс-спектрометрам для анализа химического состава и плотности
2 потока микрометеорных частиц в космосе, Целью изобретения является повышение точности и чувствительности анализа химического состава микрометеорных частиц. Масс-спектрометр содержит пылеударный источник ионов с мишенью 2 в виде. жалюзи и системой электродов 3 образующей электростатическую линзу, анализатор ионов 4, детектор 5 блоки питания 8. Каждый элемент 9 мишени 2 имеет форму поло"
ro конуса и состоит из двух электрически изолированных одна от другой частей. Благодаря расположению элементов жалюзи вдоль сферической поверхности, их конусообразной форме и подключению к резисторам делителя напряжения, получается воронкообразное электрическое поле, затягивающее ионные пакеты с любого участка мишени 2 и фиксирующее их в точку переднего фокуса системы электродов
3. При этом повышается точность и чувствительность анализа. 4 ил..
1594628
Элементы 9 мишени 2 имеют форму полых конусов, большие основания которых направлены навстречу микрометеорному потоку. При этом окружности 45 больших оснований конусов находятся на сферической поверхности радиуса
К (фиг.2 и 3}, а окружности меньших оснований на сферической поверхности радиуса К,. Центры обеих сферических поверхностей находятся в переднем фокусе системы электродов 3, образующих электростатическую линзу. Углы раствора всех конусов одинаковы, а длины образующих конусов определяют55, ся из выражения !
-r „),(11.-2
t f
Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может найти применение в бортовой масс"спектрометрической аппаратуре для повыше5 ния точности анализа химического состава и плотности потока микрометеорных частиц,.
Целью изобретения является повьппение точности и чувствительности ана- 10 .лиза химического состава микрометеорных частиц.
На фиг.l представлена принципиальная схема аналитической части время" пролетного масс-спектрометра; на f5 фиг.2 — узел I на фиг. l; на фиг.З— схема относительного расположения элементов мишени для вывода расчетной формулы; на фиг. 4 — электрическая схема подключения элементов мишени к делителю напряжения.
Времяпролетный масс-спектрометр содержит пылеударный источник ) ионов с мишенью 2 в виде жалюзи и сис- . темой электродов 3 ионного источни- 25 ка, анализатор 4 ионов, детектор 5, блок регистрации, содержащий импульсный усилитель 6 и запоминающий осциллограф 7, блок 8 питания. Каждый из элементов 9 мишени 2 состоит из 30 двух электропроводных частей 10 и
ll, электрически изолированных одна от другой и скрепленных с помощью изолятора 12, причем верхние части
10 закреплены с помощью уголков 13 35 на диэлекФрическом электрододержателе 14, имеющем форму окружности.
На выходе системы электродов 3 ионного источника находится выходная диафрагма 15.
40 элемента жалюзи; — Радиус окружности меньшего основания i-го элемента жалюзи;
РасстОяние От Окружностей больших оснований элементов жалюзи до фокуса системы электродов;
R, — расстояние от окружностей меньших оснований элементов жалюзи до фокуса системы электродов, при этом r f, = r 2 1, k = 1,2, . ° °, 2%+1 п-l.
Формула (1) выводится следующим образом (фиг.3). В треугольнике FED сторона ED является образующей конической пОверхности i-ro элемента ми" щеки и имеет длину
1иц ЕП!
sinFED гг; -г;
sin P
Так как sin P
1ЕР1 а erg p EDI
R - ггпу - R, — r;
2 У 2 2
r 2> >rg; то
)ED l 1;
R +R -2г r .-2 (R -«.)(R
2. 2
2 1 2j
Укаэанные рассуждения справедливы для любого элемента мишени.
Делитель 1б напряжения (фиг.4), от которого закрываются все элементы жалюзи (каждый элемент состоит из двух частей), представляет собой (2n-2) резисторов R одного номинала, соединенных последовательно, Масс-спектрометр работает следующим образом.
Микрометеорная частица неизвестного состава из анализируемого потока ударяет в один из элементов 9 мигде 1 = 1,2...,, n - номер элемента жалюзи, начиная с элемента с наибольшим радиусом большего основания;
n — число элементов жалюзи;
r ; радиус Окружности большего основания i-го
5 159462 шени 2 в наружную 10 либо внутреннюю
11 его часть. Угол наклона р образующих элементов 9 выбирается при этом из интервала 40-50, когда о эмиссия ионов, образующихся при ударе микрочастицы, максимальна.Электрическое поле, создаваемое частями
10 и 11 данного элемента жалюзи и частями 10 и 11 соседнего элемента с меньшим радиусом основания,имеющими соответственно потенциалы Ufð„, U«„, U „, U создаваемые йодключением к крайним электродам бло-. ков 8 питания, замедляет и поворачивает обратно ионы, движение которых в результате гидродинамического разлета плазмы направлено в сторону, противоположную направлению от данного элемента жалюзи к вход- 20 ному окну анализатора 4, Пакет ионов, ускоренных электрическим полем, формируемым элементами жалюзи и выходной диафрагмой 15, которая заземлена, вылетает из промежутка между . 25 двумя элементами жалюзи и попадает в систему электродов 3, образующую электростатическую линзу и обеспечивающую геометрическую фокусировку пакета. Далее ионный пакет попадает в анализатор 4 с секторным аксиально-симметричным электростатическим полем, в котором происходит разделение ионов по времени пролета . в соответствии с соотношением их массы к заряду. Детектор 5, в качестве которого исподьзуется вторичный электронный умножитель ВЭУ-7, преобразует импульсы ионного тока в импульсы электронного тока, которые 40 усиливаются импульсным усилителем
6 и отображаются на экране осциллографа 7.
Так как каждый элемент состоит из двух частей, электрически изоли- 45 рованных одна.от другой и соединенных через резистор, при подключении жалюзи к источнику питания вдоль каждо- го элемента возникает градиент потенциала электрического поля, приводящий к практически полному вытягиванию ионов плазмы в направлении к выходной диафрагме. Это повышает коэффициент использования пробы пылеударного источника.
Расположение элементов жалюзи вдоль сферической поверхности, их конусообразная форма и их последовательное соединение через резисторы
8 6 обеспечивают после подключения . жалюзи к источнику питания создание воронкообразного электрического поля, одинаково эффективно вытягивающего ионные пакеты с разных участков мишени. При этом эа счет возникновения градиента потенциала в радиальном направлении обеспечивается геометрическая фокусировка ионных сгустков с угловой расходимостью.
Укаэанные признаки позволяют су" щественно снизить потери ионов,поэтому при анализе химического состава потока микрометеоритов и его плотности уменьшается доля незарегистри- . рованных частиц, причем информация о химическом составе каждого иэ зарегистрированных микрометеоритов слабо зависит от точки удара о мишень.
Точность анализа повышается, При экспериментальном исследовании потока модельных частиц с плот- ностью материала р 3 г/смэ, скоростью в диапазоне 1-10 км/с,массами в интервале 10 — 10 г параметры ю времяпролетного масс-спектрометра выбирались следующими: и = 10; U — 1270 В U о « = 1000 В1 R = 165 мм, — 175 мм; r <> r = 0,1,2,...,9; г, = 84 мм; r — 61,5 мм; г и = 53,7 ммкф Г 45 7 мм; г = 37 5 мм; г1. При этом согласно формуле (1): 1, 10 5 MM; lg 10 6 MMj 13 = — 10,7 мм, 1 11,0; 1 11,3; 1 = 11,6 мм; 1- 12,Р мм; 1 = 124 мм; 1 = 130мм; 1, 13, 7 мм. Формула изобретения Времяпролетный масс-спектрометр, содержащий последовательно расположенные пылеударный источник ионов с мишенью в виде жалюзи, систему электродов ионного источника, анализатор ионов, детектор, а также блоки питания и регистрации, о т л и ч а ю— шийся тем,что, с целью повышения точности и чувствительности,уст-. ройство дополнительно снабжено делителем напряжения из резисторов одно" го номинала, система электродов ионного источника выполнена в виде соосных диафрагм, образующих электроста1594628 Рие.2 тйческую линзу, а элементы жалюзи выполнены в виде тонкостенных полых прямых круговых усеченных конусов с одинаковыми углами раствора установФ 5 ленных соосно так,что большие основания конусов обращены в направлении влета микрометеорных частиц, окружности больших и меньших оснований / находятся на двух сферических поверх- 1р ностях с радиусами R н R1 соответственно, с общим центром в фокусе системы электродов, причем длины образующих конусов элемента жалюзи определяются из соотношения 15 где i 1,2,..., n — номер элемента жалюзи, начиная с элемента с наибольшим радиусом большего основания; n — число элементов жалюзи; г,. — радиус окружности большего основания i-ro элемента жалюзи, м; г . — радиус окружности меньшего 1ф основания i-ro элемента,м; R - расстояние от окружностей т больших, оснований элементов жалюзи до фокуса системы электродов,м; R - расстояние от окружностей 1 меньших оснований элементов жалюзи до фокуса системы электродов, м; . ° ° nа каждый элемент жалюзи выполнен разрезным из двух электропроводных электрических изолированных друг от друга частей — наружной и внутренней, с кольцевой щелью между ними, так что внутренняя часть элемента жалюзи электрически соединена со средней точкой резисторов делителя напряжения, соединяющих наружную часть этого же элемента жалюзи с наружной частью следующего элемента, эа исключением первого наружного и последнего внутреннего элементов жалюзи, соединенных с блоком питания. 1594628 Фиг. Ф Редактор И.Горная Корректор Т.Малец Заказ 2835 Тираж 401 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 l ыфуи vacmu l, ? ÈÞ Составитель К.Меньшиков Техред Л, Олийнык трЕннеа g +g emeera
