Масс-спектрометр

 

Изобретение касается масс-спектрометрии высокой яркости. Целыо изобретения является повышение разрешающей и пропускной способности за счет уменьшения аберрации отверстий второго порядка. Масс-спектрометр содер жит источник ионов с выходной шелью и блоком передающей оптики, электростатический секторный и магнитнй анализаторы. Величины угла между тоской входной границей магнитного анализатора и нормалью к ионнооптической оси масс-спектрометра со стороны отклонения пучка и угла отклонения пучка в магнитном анализаторе удовлетворяют соотношению tg|-.tg(6-e) . 2 . Блок электрофокусирующей оптики содержит расположенные до выходной шели источника две электростатические линзы с Фокусом в радиальной плоскости в области выходной шели и расположенную между ними щелевую линзу для создания параллельного в аксиальной плоскости пучка частиц в области выходной щели ионного источника. Блок электрофокусирующей оптики после выходной щели ионного источника содержит Фокусирующую линзу послеускорения, в фокусе которой расположена шестиполюсная линза. Вторая шестиполюсная линза расположена после электростатического анализатора в точке его Фокуса. Линза для подачи к магнитному анализатору параллельного в радиальной плоскости пучка частиц выполнена в виде квадрата. 4 з.п, ф-лы, 10 ил. СЛ О5 а 4 СП

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (И) (ц Н 01 J 49/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГККт СССР (21) 3850145/24-21 (22) 25.01.85 (31) 8401332

32 27.01.84 (46) 15.10.90. Бюл. 11 38 (7)) ОФФис Насьональ д Этюд эде Решерш Ахроспасьаль О.H.Э.P.А. Юниверситэ де Пари-Сюд (FR) (72) Жорж Слодзиан, Франсуа Кост а де Боргард, Бернер Пэнь и Франсуа .Жирар (РК) (53) 621, 384 (088 ° 8) (56) Сысоев А.А., Чупахин М.С.. Введение в масс-спектрометрию. М.:

Атомиздат, 1977, с.73-77.

Патент Франции 2.056.163, кл. Н Ol J 39/00, 1971. (54) МАСС-СПЕКТРОМЕТР (57) Изобретение касается масс-спектрометрии высокой яркости. Пелью изобретения является повышение разрешающей и пропускной способности за счет уменьшения аберрации отверстий второго порядка. Масс-спектрометр содер" жит источник ионов с выходной mense и блоком передающей оптики, электростатический секторный и магнитнй анализаторы. Величины угла между

Изобретение относится к сепаратору заряженных частиц или масс-спектрометру высокой яркости, предназначенному для одновременного детектирования и измерения нескольких элементов.

Целью изобретения является повышение разрешающей и пропускной

2 плоской входной границей магнитного анализатора и нормалью к ионно-оптической оси месс-спектрометрв со стороны отклонения пучке и угла отклонения пучка в магнитном анализаторе удовлетворncoT соотношеHHN

Е8 — tg(6-8) 2 .

2

Блок электрофокусирующей оптики содержит расположенные до выходной щели источника две электростатические линзы с фокусом в радиальной плоскости в области выходной щели и рвсголоженную между ними щелевую линзу для создания параллельного в аксивльной плоскости пучка частиц в области д выходной щели ионного источнике. Блок электрофокусирующей оптики после выходной щели ионного источника содержит фокусирующу о линзу послеускоре- ( ния, в фокусе которой расположена шестиполюсная линза. Вторая шестиполюсная линза ресположена после электростатического анализатора в точ- ке его фокуса. Линза для подачи к магнитному анализатору параллельного в радиальной плоскости пучка частиц выполнена в виде квадрате ° 4 3 и, Ф-лы, 1О ил.

I способности за счет уменьшения аберрации отверстий второго порядка.

На Фиг. l приведена схема спектрометра согласно данному изобретению, разрез в радиальной плоскости, на этом чертеже показаны два параллельных пучка, поступающих под разными углами падения на магнитый сектрр. и два пучка соответствующих различ а

1600645 ным энергиям" + gV на Фиг. 2 — вид устройства, похожий на фиг. 1, но яллюстрируюший отделение в одном и том же лучке частиц, обладавших, двумя различными массами; на Фиг.3 участок схемы, иллвстрирувший в вертикальном сечении Форму пучка перед его входом в электростатический сектор, на Фиг. 4 — проекция устройст"

Еа по Фиг.1; на Фиг. 5 - вертикальное сечение, иллюстрирувшее Форму пучка в направлении, которое он имеет йосле выхода из магнитного сектора,,йа Фиг 6 и 7 — то же, что и на Фиг.2

М 3 в увеличенном масштабе, на Фиг.P дана более точная иллвстрация част ого примера. выполнения изобретения, на Фиг.9 для этого примера проиллюстрирована работа прибора с послеускорением, на Фиг. 10 — то же, без послеускорения.

В противоположность масс-спектрограФам, в которых в качестве конечного детектора применяется Фотогра- 25

Ьическая пластина, масс-спектромет ры не нуждаются в .том,-чтобы их зона детектирования, Фокальная поверхность выхода магнитного сектора, была обязательно плоской. 30

На входе спектрометра имеется блок 1 передавшей оптики. Характер передачи зависит от характеристик пучка частиц, подаваемого на вход или от "точечного источника" 2 частиц.

Блок 1 передаюшей оптики заканчивается на уровне входной шели 3, которая и является входом спектрометра.

Как известно, спектрометр после входной шели 3 имеет электростатиче- 40 ский сектор 4, а затем магнитный сектор 5., перед которым установлена щель отверстия 6. Весь этот комплекс средств предназначен для отклонения потока частиц в радиальной плоскости, перпендикулярной большому размеру входной шели 3. Этой радиальной плоскостью и является плоскость рисунков 1 и 2.

Известно, что основным элементом масс-спектрометра является его магнитный сектор 5, рассеивавшее действие которого зависит одновременно и от массы частицы, и от ее энергии.

Это рассеивавшее действие выражается в том, что траектория частицы приобретает Форму дуги окружности, радиус которой зависит от массы и энергии частицы. Известно также сочетание магнитного сектора 5 с предшествувшим электростатическим сектором 4. Электростатический сектор 4 также оказывает рассеивавшее действие, но только в зависимости от энергии частиц. При одновременном действии обоих этих секторов электростатический сектор компенсирует рассеивавшее действие магнитного сектора, зависяшее от энергии частиц. Таким образом, в принципе на выходе магнитного сектора остается только рассеивавшее действие, зависящее от массы частиц.

Магнитный сектор 5 снабжен плоской стороной входа 7, размешенной под углом к оси пучка частиц, и выходной стороной 8, также плоской и лежашей в плоскости, проходяшей черех пересечение О (Фиг.2) входной стороны 7 с осью пучка частиц. При таком расположении угол отклонения остается одним и тем же независимо от массы частиц. Этот угол вдвое больше угла между выходной стороной

8 и осью пучка частиц на входе магнитного сектора 6. Отсюда следует, что для пучка, параллельного на входе, Фокусирование частиц на выходе магнитного сектора происходит в плоскости 10, которая также проходит через пересечение о.

Дпя получения спектрометра с многочисленным детектированием и большой яркостью, а также с большой разрешавшей способностью необходимо компенсировать различные аберрации, вызываемые элементами спектрометра и рассматриваемые каждая в отдельности или в их сочетании.

Первая аберрация известна под названием аберрации отверстия второго порядка магнитного сектора. Этот тип аберрации обусловлен тем, что две траектории, симметричные относитель.но центральной траектории на входе в магнитный сектор, после выхода из этого сектора пересекаются в точке, не находяшейся на центральной траектории. Смешение этой точки относитеьно центральной траектории пропорционально квадрату углового отклонения а каждой секушей траектории относительно центральной траектории (откуда и появляется второй порядок а ) °

Первый аспект изобретения состоит в корригировании этого типа аберрации отверстия второго горядка на уровне

1600645 самого магнитного сектора. Обозначим через поэицив 11 нормаль к оси пучка частиц в точке, где начинается изгиб траектории, получавшейся под воздействием магнитного сектора 5. Буквой

8 обозначим угол отклонения пучка частиц в магнитном секторе 5. Аберрация отверстия второго порядка, созданные магнитным сектором, для траекторий, расположенных в радиальной плоскости, уничтожаются, если эти углы удовлетворявт следующему соотношенив:

С 6/2 1:g(9- Я) = 2

tg6/2 tg(6 — E) = 2

Так, для Отклонения з магнитном секторе ЕМ, равном о0, получаем

G пдЯ = 1/2, т.е. с. = 26,56

Это соотношение установлено исходя из коэФФициентов аберраций, выявленных во время опытов с магнитными секторами различных конФигураций.

Комбинируя некоторые коэФФициенты, можно установить приведе««ное выше соотношение, при соблюдении которого оказываются скорректированными аберрации отверстий второго порядка магнитного сектора. Именно это и является основным положением, которое позволило корригировать эти аберрации при любых геометрических размерах пучка, что соверщенно необходиИзобретение относится к масс-спектрометру очень высокой яркости, иначе говоря к прибору, воспринимаюшему пучок, геометрическая протяженность которого очень велика, и способному к одновременному детектированию, благодаря чему коррекция аберраций становится очень сложной.

Согласно изобретению рекомендует- 25 ся, чтобы входная сторона магнитного сектора имела. Соответствующий наклон, с тем,,чтобы магнитный сектор был лишен аберраций отверстия второго порядка для всех ма с (для в ех траекто-,;; рий пучка, расположенных в радиальной

ПЛОСКОСТИ), КОНЕ !HO » IIPH J СЛОВИИ, что предварительно уже были лчквидированы аберрапии электростатического сектора.

Угол Я наклона входной стороны в зависимости от угла 6 Отклонения магнитного сектора определяется по приведенному вьппе уравнен»ик мо, так как ижобретение преследует целью охват возможно более широкого пучка частиц.

Суп,ествует вторичный эФФект, го«рьп« состоит в том, что наклон вх-:ä«oé стороны. вводит плоскость

Фокусирования (10) магнитного поля !!àãíèòà (это было известно и раньше}.

Использование приведенного вьппе, соотношения дает возможность корригиров=,í4ÿ аберраций отверстий магнита для траекторий, расположенных в ра. .Иальной плоскости, так, что оставтся только аберрации, введенные электростатическим сектором, которые можно корригировать при помощи распо»о с.нного перед магнитным сектором п«естиполюсника 12 . Такая коррекция аберраций отверстий второго порядка, связанных с магнитным сектором, сама

ПО себе очень важна и, естественно,. может быть применена и в других видах спектрометров, отличавшихся от детально Описываемого здесь.

Пучок частиц, выходящий из электростатического сектора 4, имеет сужение в точке 13 (Фиг.2). Для того, «тобы получить оптимальный эФФект от первой коррекции, вслед за точкой 13 вве; ены у=тройства, благодаря которым магнитны;I сектор получает пучок, параллельный в рад««алькой плоскости .

Это достигается при помоп«и одного ,»Л««««ЕСКОЛЬКИХ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСЫИКОВ, так»*,;I как 14, установленных между электростатическим сектором 4 .и магии".«ым с ктором 5. Одним из способов авеле««и»«одного четырехполвсника 14 является такая установка, при которой его передний главный Фокус совпадает с точкой 13 сужения. Положение чепырехполк:сника 14 выбирается так, ,тобы наклон каждого параллельного

I-учка, соответствующего различным энергиям, Обеспечивал ахроматическое функциониро««ание на уровне черт, рр.сполОженных в плоскости 10, одно:«:««но для всех масс. Эта особенность проиллюстрирована на Фиг.1, где два параллельных пучка, соответствукшд«х энергlIIIII V + 5" СФокусиpcI»:аны в одной и той же точке плоское- и 0 (ля бель;пей ясности ориината несколько растянута) . Как это будет зиппо:-, д ISIüíå!«é«åì, точка 13 является дей:твительныь изображением вход»с;". I;";ег « 3, создаваемым электростати е.-.к;:и сектором в рад««а««ь««ой« IJfoc

1600645 кости. Точно также на Фиг. 2 в радиальной плоскости показан параллель-. ный пучок на его выходе из четырех" полвсника 14.

На Фиг. 4 показано,.что четырехполк>сник 14 в вертикальйом сечении, наоборот, оказывает рассеивающее действие. Это рассеиваюшее гействие, в свою очередь, компенсируется электро- 10 статической шелевой линзой 15. Таким образом, на выходе этой линзы появл:яется параллельный пучок частиц, который точно проходит через меньший размер щели отверстия 16, 5

Если теперь снова вернуться к рассмотренин Фиг.2, то можно увидеть, что параллельный пучок (изображенный для упрощения как единственный пучок, обладаюший средней энергией), выдаваемый четырехполюсником 14 в радиальной плоскости, проходит без изменений через шелевую линзу 15, чтобы затем войти внутрь щели большого размера отверстия.16. Сравнение с Фиг. 1 25 показывает, что большой размер отверстия 16 обеспечивает проход параллельных.пучков с различным хроматическим отклонением, поступаюших от

,четырехполюсника 14, с .учетом диспер- ЭО сии энергии, существующей между электростатическим сектором 4 и магнитным сектором 5.

В конце концов пучок частиц становится параллельным по двум его поперечным направлениям после шелевой линзы 15 и вплоть до входной стороны магнитного сектора 5.

Известно, что электростатический сектор 4 и магнитный сектор 5 обладают каждый своим центром хроматичеIf ского врашения (прилагательное хроматическое" применена здесь в связи с дисперсией энергии) ° Частицы, слеI дуюшие по центральной траектории по их входа в электростатический сектор и обладавшие энергией, слегка отличающейся от.номинальной энергии пучка, будут выходить из электростатического сектора 4 по отклоненным траекториям. В зависимости от энергии частиц отклоненные траектории оказываются повернутыми вокруг не- . которой точки, которая называется центром хроматического врашения.

Аналогично этому и магнитный сектор 5 обладает своим центром хроматического врашения, K которому поля:— ным сходиться под соответствуюшим углом частицы, имеющие близкие одна другой энергии и одну и ту же массу, после завершения их отклонения, т.е. в той же точке Фокальной плоскости

17 и под тем же углом (по совпадающим траекториям), какова бы ни была энергия.в полЬсе + V. Таким образом, достигается полная компенсация (первого порядка) - энергетической дисперсии магнитной призмы. центров хроматического врашения имеется столько же, сколько различных масс.

Однако, если отклонение траекторий на входе сектора 5 просто пропорционально разнице энергии Ч с коэФФициентом пропорциональности, одинаковым для всех масс, и эти траектории все же сходятся в одной точке Фокальной плоскости 17 для данной массы, то траектории частиц с pas-. личной энергией будут иметь раэличное отклонение.

Согласно другой характеристике изобретения предусматриваются средства для сопряжения двух центров хроматического врашения электростатического сектора 4 и магнитного сектора

5. Это можно легко осуществить путем соответствующего увеличения при помоши четырехполюсника 14, чем достигается полная коррекция хроматической или энергетической дисперсии пучка частиц одной массы, при этом четырех" полюсник размешен так, чтобы прида-, вать частицам других масс другие траектории с соответствующими отклонениями .

Теперь рассмотрим коррекцию аберра" ций отверстий второго порядка, кото- . рые появляются на уровне электростатического сектора 4. Эта коррекция в основном осушествляется при поможи первого шестиполюсника 18. Однако первый шестипслюсник 18 работает в тесном контакте. с элементами спектрометра как такового, а также совместно с его блоком 1 передавшей оптики.

Чтобы составить представление об оптической передаче и о входе спектрометра прежде всего обратимся к Фиг.1, 2, 3, 6, 7, Пучок заряженных частиц, приложенный к входу в блок 1 передающей оптики, имеет сужение в точечном источнике 2. Этот пучок ионов состоит из частиц различной массы, обладаюших разными кинетическими энергиями, не намного отличающимися одна от другой.., 9 1600645

Среднее значение этой энергии, как и раньше, обозначим буквой Ч, выраженной в электроновольтах, а ее дисперсию — через «+ fjV.

Этот пучок в принципе обладает

5 симметрией вращения в точке:точечно" го источника ", и может состоять из вторичньгх ионов, испускаемых образцом, подвергнутым воздействию пучка первичных ионов, сосредоточенного на поверхности образца.

Первая унипотенциальная электростатическая линза 19 дает изображение тачки 2 в точке 20. Вокруг этой точки могут быть предусмотрены пластинки 21, позволявшие выполнять возможное рецентрирование пучка на оптической оси.

После первой линзы 19 и, если это требуется, после пластинок 21 центрирования устанавливается шелевая линза

22. На Фиг.2 и 6 показано, что шелевая линза не оказывает никакого влияния на траектории ионов, лежащих в радиальной плоскости. И наоборот, в вертикальном сечении (Фиг.3 и.7) шелевая линза 22 сводит эти траектории в точку 23 сужения.

Вторая .электростатическая линза 24 30

yctановлена после шелевой линзы 22.

В радиальной плоскости (Фиг.2 и 6) линза 24 дает изображение точек "2" и

20 в точке 25, расположенной на уровне входной шели 3 и отцентрированной

35 на ее оси.

В вертикальном сечении(Фиг.3 и

7) линза 26 размешена так, что ее Фокус близок к точке 23. Следовательно, .эта линза выдает параллельные лучи 40 или траектории, развертываясь вдоль входной шели 3 по ее большому размеру (Фиг.7).

Таким образом, увеличение на уров- 4 . не входной шели 3 радиальной плоскости получается путем влияния на потенциал возбуждения электростатических линз 19 и 26.

Независимое регулирование траекторий, расположенных в вертикальной плоскости (Фиг. 3 и 7), достигается при помоши шелевой линзы 22.

На входе спектрометра перед входной шельв 3 установлены с одной стороны собирательная электростатическая линза 27, которая делает возмож †. ным управляемое послеускорение, à госле нее — первый шестиполюсник 18.

Линза 28 в вертикальном сечении пучка частиц служит для сужения потока частиц в точке, расположенной перед электростатическим сектором 4.

Первый шестиполюсник 18 отцентрирован на уровне этого сужения.

Шестиполвсник 18 установлен для компенсирования аберраций отверстий второго порядка, создаваемых электрЬстатическим сектором 4 для траекторий, расположенных в радиальной плоскости. Прежде всего, он не оказывает никакого влияния на траектории, расположенные в вертикальном сечении, и не вносит в них никаких изменений, в том числе аберраций типа В", благодаря тому Факту, что сужение пучка в этом сечении находится в центре шестилолвсника.

Линза 28 послеускорения играет другув роль, заклвчавшувся в изменении угла отверстия спектрометра как такового. Соответственно сужение пучка, производимое блоком передавшей оптики, в точке 25 на уровне входной шели в радиальной плоскости,< переносится в точку 27 линзой 28 послеускорения. Это позволяет увеличить яркость спектрометра после устранения наиболее существенных аберраций. В, результате послеускорейия энергия ионов V превращается в энергию Чр.

На практике передняя главная плоскость линзы 28 послеускорения размещается в плоскости входной щели 4 так, что спектрометр видит входную щель, расположеннув в точке 29 в задней главной плоскости линзы 28. Лля такого спектрометра гауссовское иэображение остается без изменений. Для данной разрешавшей силы увеличивается только располагаемый угол отверстия на входе.

Как указывалось раньше, спектро метр устанавливавт так, чтобы задний главный Фокус линзы 28 послеускоре, ния находился в центре шестиполвсни ка 18, в точке 30.

Кроме того, послеускорение позволяет уменьшить энергетическую дисперсив соотношения V/V до отношения

V/Vy что в свою очередь, приводит к уменьшению смешанных аберраций и аберраций в (ДЧ/Чр)..

С целью упрощения описания заявителя выбрали отношение f/Vp порядка одной четверти, что потребовало для редакции отрицательных ионов энергии

645 12 же, как и магнитный сектор 5, Восле этого ставят на свое место четырехполюсник 31, с тем чтобы заведомо создать условия для соответствующего наклона хроматических траекторий и получения параллельности пучка, входящего в магнитный сектор. Затеи устанавливают шалевую линзу 15, служащую для корригирования расхождения четырехпалюсника 22 в вертикальном сечении. После этого устанавливают щель отверстия 16,. а также второй шестиполюсник 12, помешаемый в Фокусе че" тырехполюсника 14.

Перед электростатическим сектором

4 устанавливают навстречу пучку частиц шестиполюсник 18, отцентрированный в выбранной заранее точке, как в

20 Фокусе, в вертикальном сечении, линзу

28 послеускорения, входную щель 3,, вторую электростатическую линзу 26, шелевую линзу 22, пластинки 21 центрирования и, наконец, первую унипотен25 циальную электрбстатическую линзу 19.

Все эти элементы могут быть размещены в заранее определенных положе ниях, которые в дальнейшем изменяться не будут.

30 После этого производят дополнительные регулировки, выполняемые в следующем порядке . четырехполюсник 31 регулируется так, чтобы дисперсным по энергии траекториям, выходящим из элек..гростатического сектора 4, при"

35 давалось соответствующее отклонение.

Линзу после ускорения с ее элементами регулируют так, чтобы точка 13 сужения была в Фокусе четырехполюс4О ника 14 и, следовательно, в центре шестиполюсника 12. Эта регулировка обеспечивает параллельность в радиальной плоскости пучка, выходящего из четырехполюсника 14> и позволяет скомпенсировать возможные дейекты положения, занимаемого четырехполюсником 14. йелевую линзу 22 оптики передачи регулируют так, чтобы точка 30 .сужения находилась в центре шестиполюсника )8.

16ОО порядка +5 кВ и расчета всех проводов спектрометра в цепях, расположенных после линзы 28 послеускорения, на на"пряжение +15 кВ.

Спектрометр имеет второй шестиполюсник 12, расположенный после электростатического сектора 4 и отцентрированный на действительном изображении входной щели 3, которое дает электростатический сектор 4 в радиальной плоскости, Это позволяет уменьшить смешанные аберрации отверстия и: хроматические аберрации для траектсрий, расположенных в радиальной плоскости, при обеспечении точной компенсации для выбранной массы. Центрирование шестиполюсника .12 в точке 13 позволяет обеспечить коррекцию смешанных аберраций, не регулируя для этого шестиполюсник 18, который корригирует аберрации отверстия (независимость регулировок).

В описываемом здесь примере реа. лизации изобретения Фильтрование по энергии производится перед блоком передающей оптики.

В одном из вариантов оно выполняется на уровне второго шестиполюсника 12. Таким образом, в этом варианте спектрометр имеет два шестиполюсника, обрамлявших щель Фильтрования по энергии (не показана).

После второго шестиполюсника 12

I находятся четырехполюсник 31, входная линза 15, щель отверстия 6 и, нако нец, магнитный сектор 5.

На Фиг. 1, 2, 4. показаны некоторые детали магнитного сектора. Этот сектор имеет магни г (не показан), который взаимодействует с двумя полюсными наконечниками 32 и 33, йорма которых показана на видах устройства в рапиальной плоскости.

Независимо от получения различных коррекций, уже описанных выше, изобретение позволяет значительно облегчить эти коррекции, осуществляя их при помощи регулировок, которые не требуют перемещения отдельных элементов спектрометра и которые сделаны по возможности независимыми один от другого.

Для этого сборка и регулировка спектрометра производятся в следующем порядке:

Прежде всего ставят на место электростатический сектор 4, относящий ся к секторам сйерического типа, так

Специалист поймет, что прибор, таким образом, оказывается полностью отрегулированным без какого-либо изменения взаимного расположения его элементов.

Точно так же нет необходимости осуществлять сбор отклоненных частиц на выходе из магнитного сектора 5. Час!

160064

40 тицы, имевшие различные массы, приходят на одну и ту же плоскость 10.

Сепаратор частиц согласно изобретению позволит по образцу спектрограФа применять ФотограФическув плас5 тинку для сбора отклонения частиц и анализа распределения масс.

Согласно изобретению предпочтение отдается размещению в Фокальной плос- 10 кости 10 ряда отдельных коллекторов, например, таких,,как электронные умножители, входная поверхность которых чувствительна к ударам заряженных частиц, выходящих из магнитного секто-lg ра 5.

Теперь приступим к описанив частного примера реализации изобретения, воспользовавшись Фиг.8 и последувшими.

Входной пучок, отрицательные ионы 20 средней энергии 5 кВ образуют пучок вращения, имевший сужение в точке ионного источника 2. Полуугол при вершине имеет порядок 10 рад для Разрешавшей способности М gM порядка 4000. 25

В блок передающей оптики входят:

/ электроcòàòè÷åñêàÿ линза 19 — три круглых электрода с центральными отверстиями диаметром 4 мм. Кентральный электрод имеет потенциал 4670 В, а два других электрода, установленных по одну и по другую сторону от центрального электрода, имеют потенциал массы; пластины 21 центрирования — четы35 ре пластинки из нержавеющей стали, имеющие активную поверхность размером 18х2 мм, создающие канал квадратного сечения. Расстояние между противоположными пластинками равно

3 мм. Их центр расположен на уровне сужения пучка ионов; щелекая линза 22 - три электрода с прямоугольными отверстиями, -большая ось которых лежит в радиальной 45 плоскости. Кентральный электрод имеет размеры 6 64, а два других электрода — 4 30 мм. Кентральный электрод, получающий напряжение — 5 кВ, установлен на расстоянии 66,5 мм от оси линзы 22.

Электростатическая линза 22 идентична линзе 19, разница между ними лишь в том, что ее центральный электрод имеет потенциал — 4310 В. Этот электрод размешен на расстоянии 36 мм от центра шелевой линзы 22 и на расстоянии 30 мм от входной линзы 3, расположенный выше.

5 : 14

Масс-спектрометр 2: входная щель 3 " прямоугольное отверстие размером 0,024 0,8 мм (c активным послеускорением), имевшее разрешавщув способность по массе

Yi/ДМ = 4000, Большая ось щели перпендикулярна радиальной плоскости. Pasмеры щели регулируются по осям Х и У1 электрод 28 послеускорения - диск толщиной 8 мм с отверстием, имевшим внутренний диаметр 14 мм, изолированный алвминиевым цилиндром, Этот диск имеет потенциал +10 аВ при работе в, качестве послеускорителя, при этом элементы, расположенные в передней части, имевт опорное напряжение

+ l5 кВ шестиполюсник 18 — шесть цилиндрическчх стержней диаметром 8 и длиной

36 мм. Их осн равномерно распределены по цилиндрической поверхности диаметром 24 мм. Разность потенциалов двух соседних стержней равна +36 В попеременно. Кентр шестиполвсника находится в 52 мм после электрода 28 и в 43 мм перед входной плоскостью электростатического сектора; электростатический сектор 4 — угол о отклонения 90 . Два концентрических учаспка сФеры радиусами 94 и,106 ми, Разность потенциалов, приложенных к внутренней и наружной. сФерам, составляет +4819,в В. На входе и выходе имеются защитные. щели, служащие для ограничения утечки электрического поля, шестиполюсник 12 — такой же, как и шестиполюсник 18. Разница заключается только в том, что длина стержней равна 72 мм, а разность потенциалов равна +!702,5 В. Кентр шестиполюсника находится в 77 мм после выходной стороны электростатического сектора 4; четырехполюсник 14 †четыре цилиндрических стержня диаметром 24 мм и длиной 100 мм. Оси этих стержней равномерно распределены по цилиндрической поверхности диаметром 46 мм.

Разность потенциалов попеременно составляет +46,4 В. Стержни с отрицательным потенциалом должны лежать в радиальной плоскости, щелевая линза 15 имеет такую же конструкцию, как и линза 22. Кентральнь и электрод имеет отверстие размером !4 70 мм, электроды, расположенные по краям, имеют отверстия

15 160 размером 10>60 мм. Потенциал центрального электрода соответствует Фокус" ному расстоянию 173 мм. Он отстоит на 119 мм после центра четырехполюсника -14, щель отверстия 16 имеет размеры 5 0„7 для разрешающей способности по массе М 4М 4100. Большая ось ще1 ли расположена в радиальной плоскости," магнитный сектор 5 — магнитная цепь из мягкой Стали U-.oáðâçíoão сечения. Междужелезное пространство магнита - 8 мм. Полезный радиус траектории — от 70 до 350 мм. Магнитная индукция может регулироваться с точностью до 1 Тл. о

Угол входной стороны F- = =26 56 (eg с = 1/2).

Угол отклонения а = 90 о

Угол выходной стороны 4/2 = 45

Угол плоскости 10 фокусирования

53 13 °

Магнитная цепь имеет потенциал массы, но немагнитные электроды, размещенные внутри, имеют потенциал

+15 кВ при работе в качестве послеускорителя. Магнитный шунт ограничивает утечку поля с входной стороны магнитного сектора. На верхней части плоскости 10 Фокусировки находится узел .мультиколлектора,, состояшего из ионно-электронных преобразователей послеэлектронных умножителей.

Оптические элементы (за исключением магнита) установлены на детали конструкции, изготовленной из нержавеющей стали, которая Фиксирует взаимное расположение различных уСтройств и служит вакуумной камерой.

Группа криогенных насосов обеспечивает получение требуемого сверхвысокого вакуума. Магнит соединен с препшествующим устройством эластичной герметичной системой, в которую входят элементы механического выравнивания оптических осей по одной ли-. нии.

При последующем описании обращаться к Фиг. 9, 10, которые иллюстрируют работу системы при наличии Ilo слеускорения и без него.

До шелевой линзы 22 траектории остаются такими же, как и раньше, и находятся в радиальной плоскости и в вертикальном сечении.

На Фиг. 9 показано, что в рапиаль;ной плоскости траектории без ускоре0645 )6 ния проходят через щелевую линзу 22, чтобы сходиться к второй электростатической линзе 26 и Фокусироваться в

5 точке 25. Однако линза — электрод 28 паслеускорения, имеющая потенциал до

I0 аВ, создает мнимую Фокусировку в точке 29 по ходу лучей в спектрометре, Таким образом, из этой точки.находят траектории, поступающие в шестиполюсник 18. Для конкретных числовых значений величин, описанных ранее, расстояние между точками 29 и 25 равняется 11 мм.

В вертикальном сечении (Фиг. 9) эти траектории деФормированы шелевой линзой 22. При этом остаются параллельными до плоскости 33 (фиг.8), после которой они слегка сходятся, 20 с тем чтобы пройти через шелевое отверстие 3 в плоскости 34 (Фиг.9) и, таким образом, получить окончательное направление, идущее к точке 30 сужения, в которой отцентрирован

25 шестиполюсник 18 °

Фокусные расстояния этих линз равняются, мм: для линзы 19 Ю 11 = 15 для линзы 22 f 13 = 9,44

30 для линзы 24 < 14 = 19,88 для линзы 28 f 21 = 97

При работе без послеускорения (Фиг.10) имеет место только один эффект собирательной линзы, создаваемый линзой 28. Следовательно, точка

25 остается связанной с точкой 30, из которой как бы исходят траектории, которые находятся после линзы 28 в радиальной плоскоСти.

40 В вертикальном сечении 10 регулировка оптической передачи изменена так, чтобы траектории начинали сходиться тотчас же после выхода из второй электростатической линзы 26.

Они проходят через входную щель 3, несколько раньше сходясь до уровня линзы 28 и окончательно сходясь в той же точке 29 сужения, что и в препыдушем случае.

Величины Фокусных расстоянии при этом:

f 11 и f 14 остаются такими же; для линзы 22 f 13 = 8,30 мм; для линзы 28 f 21 = 139,09 мм, Если при работе с послеускорением увеличение на уровне BxolIHolo отверстия равняется епинице, то при работе без послеускорения между изображениями, расположенныпж в точке 29 „ и

)60

tg8/2 eg(6- 8) 2, 45 изображением в точке 30 имеется увеличение в 1 32 раза, Отсюда следует, что послеускорение, сопровождаемое зФФектом сходимости, вызванным дополнительным электродом, соответствует особенно" стям независимой регулирoBKH которыми обладает устройство согласно изоб-. ретению, — изменяется только величичина электрических напряжений.

Некоторые из элементов описанного выше спектрометра могут быть. заменены эквивалентными элементами.

Так, единственный четырехполюсник

14 может быть заменен двумя четырех- полюсниками. Возможно использование и других элементов, эквивалентных четырехполвснику, а также шестиполюсникам, электростатическим линзам и шелевым линзам.

Формула изобретения

1. Масс -спектрометр, содержащий источник ионов с выходной щелью, блок электроФокусирующей оптики, электростатический секторный анализатор, линзу для подачи к магнитному анали- затору параллельного в радиальной плоскости пучка частиц и магнитный анализатор с входной щелью и плоской . входной границей, неортогональной к ионно-оптической оси масс-спектрометра, причем плоская выходная граница расположена в плоскости, проходящей через пересечение входной границы с ионно-оптической осью масс-спектрометра, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей и пропускной способности за счет уменьшения аберрации отверстия второго порядка, величины угла между входной границей магнитного анализатора и

0645 18 нормалью к ионна-оптической оси массспектрометра со стороны отклонения пучка и угла g отклонения пучка в

5 магнитном индикаторе удовлетворяют соотношению

2. Масо-спектрометр по и. I о т " личающийся тем,чтоблок электроФокусирувщей оптики содержит расположенные до выходной щели источника две электростатические линзы с Фокусом в радиальной плоскости

B 06J1aCTH BblXOjlHOA 81BJIH H0HHOF0 ис» точника и расположенную между ними шелевую линзу для создания параллельного в аксиальной плоскости пучка частиц в области выходной щели

20 ионного исто ника, 3. Масс-спектрометр по пп.1 и 2, о т л и ч а в m и и с я тем, что блок электроФокусируюшей оптики после выходной щели ионного источника .25 содержит Фокусирувщув линзу после ускорения, в Фокусе которой расположена шестиполюсная линза, о

4. Масс-спектрометр по пп. l"-3, о тл и ч в ю m и и ° с я тем, что он

3Q содер жт вторую шестиполюсную линзу, расположенную после электростатического секторного анализатора в точке его Фокуса.

5. Масс-спектрометр по и. 1, о тл и ч а в шийся тем, что линза

35 для подачи к магнитному анализатору параллельного в радиальной плоскости

-пучка частиц выполнена в виде квадруполя, задний Фокус которого совпадает о с Фокусом электростатического секторного анализатора в радиальной плоскости, причем после квадруполя установлены средства для компенсации расхождения пучка в аксиальной плоскости.

1.

79

2f

22

26

И

18 риаз

7В

Фиг б

7f

) 22

l18

Л ZS

7б .Л, I

Фиг 10

Составитель Н. Катинова

Редактор А. Маковская Техред Л.Сердюкова Корректор Н.Король

Заказ 3153 Тираж 400 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101