Призменный масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного поля

 

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано для определения химического или изотопного состава веществ. Целью изобретения является одновременное увеличение дисперсии и разрешающей способности прибора. Устройство содержит магнитную призму 1 и электроды 2 - 5 электростатической призмы. Ионы поступают из источника 8 через коллиматорную линзу 9, после чего они совершают несколько оборотов по кольцу, смещаясь после каждого оборота. По достижении определенного линейного смещения траектории ионы выходят через линзу 10. За счет повторных проходов ионов через анализирующее поле дисперсия увеличивается во столько же раз, сколько совершается проходов. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 01 J 49/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ. СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4451481/21 (22) 01.07.88 (46) 30.08.91. Бюл. N 32 (71) Институт ядерной физики АН КазССР (72) В.М.Кельман и А.Г.Мить (53) 621.384(088.8) (56) Фортен M. и Бариль М. Магнитный массспектрометр многократного прохождения.—

Приборы для научных исследований, 1972, т.43, N. 8, с. 73 — 83.

Авторское свидетельство СССР

М 1429792, кл. G 02 В 5/04, 1986.

Авторское свидетельство СССР

f4 522690, кл. В 01 0 59/44, 1975. (54) ПРИЗМЕННЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

С МНОГОКРАТНЫМ ПРОХОЖДЕНИЕМ

ИОНАМИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

„„5U „„1674290 А1 (57) Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано для определения химического или изотопного состава вещества. Целью изобретения является одновременное увеличение дисперсии и разрешающей способности прибора. Устройство содержит магнитную призму 1 и электроды 2 — 5 электростатической призмы.

Ионы поступают из источника 8 через коллиматорную линзу 9, после чего они совершают несколько оборотов по кольцу, смещаясь после каждого оборота. По достижении определенного линейного смещения траектории ионы вь:ходят через линзу 10, За счет повторных проходов ионов через анализирующее поле дисперсия увеличивается во столько же раз, сколько совершается проходов. 3 ил.

1674290

10

20

35

Изобретение относится к технике массспектрометрии и может быть использовано при научных исследованиях, а также в различных областях народного хозяйства при необходимости определения химического или изотопного состава вещества.

Цель изобретения — одновременное увеличение дисперсии и разрешающей способности прибора.

На фиг.1 представлены схема устройства, план, и траектории ионов, проходящих через него; на фиг,2 — сечение А — А на фиг,1; а фиг.3 — разрез Б-Б на фиг,1, Призменный масс-спектрометр содержит магнитную призму 1, осуществляющую дисперсию по массе, и представляющую собой электромагнит с плоскими полюсами, ограниченными с двух сторон параллельными плоскостями, Эти параллельные плоскости перпендикулярны к средней плоскости магнитной призмы 1 — плоскости антисимметрии ее магнитного поля, Угол падения ионного пучка на магнитНую призму, равный углу выхода из нее, составляет а = 51О. Фокусировка по энергии осуществляется двумя телескопическими электростатическими системами с электродами 2-5, составляющими электростатическую призму, в которой эти системы являются гранями, Угол падения ионного пучка на первую электростатическую телескопическую систему =.31 14, угол преломления на ней )=64 40 . В масс-спектрометре данного исполнения используются магнитная призма и телескопические электростатические системы симметричного призменного масс-спектрометра. Электроды электростатической призмы расположены симметрично относительно плоскости симметрии MN магнитного поля.

Для достижения фокусировки по энергии дисперсия Ilo энергии электростатической призмы должна быть равна дисперсии по энергии магнитной. Электростатические зеркала образуются электродами 6 и 7. Одно из них направляет ионы на первую грань электростатической призмы, второе — в магнитное поле. Выбирают такие зеркала, которые оставляют параллельным падающий на них параллельный пучок. Каждый электрод электростатики состоит из двух идентичных параллельных друг другу пластин, симметрично расположенных относительно средней плоскости прибора, Эффективные плоскости преломления электростатических телескопических систем и отражения электростатических зеркал показаны штриховыми линиями. Эффективные плоскости отражения зеркал расположены симметрично относительно плоскости ОР, параллельч но смещенной по отношению .к плоскости симметрии магнитного поля MN. Взаимное смещение этих плоскостей позволяет отделить ионы, повторно проходящие через магнитную призму 1, от ионов, поступающих в нее первый раз непосредственно из источника 8 через коллиматорную линзу 9, благодаря чему обеспечивается воэможность ввода ионного пучка минуя электроды зеркала. Это же смещение дает воэможность вывести пучок, так как благодаря ему ионы, совершившие необходимое число прохождений через магнитное поле и направляющиеся через фокусирующую линзу 10 в приемник 11, отделяются от ионов, совершающих предыдущие прохождения. Отражающие плоскости образуют с плоскостью симметрии магнитного поля двугранные углы, грани которых перпендикулярны к плоскости антисимметрии магнитного поля, а величина равна Ф = а — P, где а — угол падения пучка на магнитную призму; а+) — i

P = — угол падения пучка на алектростатическое зеркало, причем — угол падения пучка на входную грань электростатической призмы; j — угол преломления пучка на этой грани.

Согласно приведенным формулам угол м падения ионов на зеркало j3= 42 12 5, а угол

Ф,образованный эффективными поверхностями зеркал с плоскостью OP, = 8 47 5 .

Выходная щель источника 8 ионов располагается в передней фокальной плоскости коллиматорной линзы 9, входная щель приемника 11 ионов — в задней фокальной плоскости фокусирующей линзы 10. В качестве линз могут быть использованы трансаксиальные линзы, дублеты квадрупольных линз либо осесимметричные линзы с малыми аберрациями.

Предлагаемый масс-спектрометр работает следующим образом, Коллиматорная линза 9 формирует из образованного ионным источником 8 расходящегося пучка параллельный пучок, который направляется на магнитную призму 1.

Магнитная призма разлагает ионный пучок по массе и энергии, после чего он отражается первым ионным зеркалом и направляется в электростатическую призму. Электростатическая призма компенсирует разброс ионов по углам, образовавшийся после прохождения магнитной призмы из-за неоднородности ионов по энергии, вследствие чего все ионы с одинаковой массой, но с небольшим различием по энергии, движущиеся до поступления в магнитную призму 1 по параллельным траекториям, после прохожде1674290 ния электростатической призмы вновь идут параллельно друг другу. Таким образом устраняется ограничение разрешающей способности прибора, связанное с разбросом по энергии в ионном пучке, т.е. достигается фокусировка по энергии. После электростатической призмы ионы, отражаясь от второго электростатического зеркала, снова попадают в магнитное поле, вновь подвергаясь разделению по массе и энергии, и т.д. до тех пор, пока ионы, совершив последний, п-й, обход, выходят из электростатической призмы и, минуя зеркало, попадают в фокусирующую линзу 10; которая фокусирует из на приемную щель приемника 11 ионов. В щель приемника попадают только те ионы, масса которых соответствует установленной напряженности поля магнитной призмы, что позволяет, изменяя эту напряженность, снять спектр масс ионов исследуемого пучка.

Угловая дисперсия магнитной призмы по массе равна tga. Дисперсия по массе электростатической призмы и электростатических зеркал равна О, а величина углового увеличения каждой из этих систем равна 1.

Поэтому угловая дисперсия предлагаемого масс-спектрометра, в котором магнитное поле проходится и раз, равна

Dyf=ntg а, а линейная дисперсия

Dn = Dyr f = nftg а, где f — фокусное расстояние фокусирующей линзы. Пропорционально увеличению дисперсии возрастает и разрешающая способность прибора.

В предлагаемом масс-спектрометре для улучшения его эксплуатационных характеристик иеключается необходимость увеличения числа электростатических отклоняющих и отражающих элементов, что позволяет достичь более высоких значений дисперсии и разрешающей способности без усложнения его конструкции и уменьшения светосилы.

В качестве примера конкретной реализации предлагаемого технического решения можно использовать масс-спектрометр с трехкратным прохождением ионами магнитного поля, схема которого приведена на фиг.1. В данной схеме использованы идентичные по своей конструкции осесимметричные линзы 9 и 10, представляющие собой систему из трех полых цилиндрических элементов, крайние из которых зазем- лены, а на средний подается потенЦиал р9 =p)p = 0,27U,где 0 — ускоряющее напряжение источника ионов.

Все электроды электростатических зер- - . кал и телескопических систем состоят каждый из двух идентичных параллельных друг другу пластин, расстояние d между которыми (фиг.3) равно 10 мм, Зазор S между электродами равен 1 мм, что является достаточно малой величиной, чтобы не влиять на расчетные потенциалы электродов, и в то же время достаточной для исключения электрического пробоя в вакууме

Потенциалы, подаваемые на электроды, связаны с ускоряющим напряжением U источника ионов:

pre = 0,46 0;

15, pa =0,69 U; рб=р7 =055и.

Электроды 2 и 5 заземлены. Заземлены также полюсные наконечники магнита, расстояние между которыми равно 10 мм, но

20 может быть изменено как в сторону увеличения,так и уменьшения. Радиус р траектории пучка ионов в магнитной призме равен в данном случае 162 мм. Этим onределяется расстояние между параллельными боковыми гранями магнитной призмы, которое равно 250 мм, Что касается геометрической формы электродов, то их конфигурация в плоскости, параллельной плоскости прохождения . пучка ионов (плоскости антисимметрии магнитного поля), определяется укаэанными значениями углов а, р Ф, I и ), размером d и рядом конструктивных особенностей.

При фокусном расстоянии фокусирующей линзы f = 1090мм линейная дисперсия масс-спектрометра

D, = п f tg а=4038 мм.

При ширине щели источника ионов S

=0,05 мм и такой же ширине b>p щели при40 ема устройства и с учетом того, что аберрации в призменном масс-спектоометрв являются величиной четвертого порядка малости, разрешение в предлагаемом приборв составляет

45 р, R — — 4 10, что составляет величину в 10 раз превышающую основную характеристику масс-спектрометра МИ-1201 Э.

Формула изобретения

Призменный масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного поля, содержащий источник и приемник ионов, магнитную призму, коллиматорную и фокусирующую линзы, две электростатические телескопические системы и два электростатических зеркала, о т л и ч э. ю шийся тем, что, с целью одноврвмвн1674290

Составитель К. Меньшиков

Техред M.Moðãåíòýë Корректор T. Колб

Редактор А, Огар

Заказ 2931 Тираж 302 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

\ ного увеличения дисперсии и разрешающей способности, электростатические зеркала расположены по разные стороны магнитной призмы, телескопические системы размещены между электростатическими зеркалами с возможностью образования нескольких смещенных с постоянным шагом орбит пучка, при этом по крайней мере отражающие плоскости электростатических зеркал либо преломляющие плоскости электростатических телескопических систем расположены асимметрично относительно плоскости, параллельной плоскости симметрии магнитной призмы, а отражающие плоскости электростатических зеркал перпендикулярны плоскости антисимметрии магнитного поля магнитной призмы, причем угол между плоскостью симметрии магнитной призмы и отражающими плоскостями электростатических зеркал равен

Ф=(а — 0) где a — угол падения пучка ионов на магнитную призму, рад; а+ — i

P=- угол падения пучка на электростатическое зеркало, рад;

1 — угол падения пучка на входную грань электростатической призмы, рад;

J — угол преломления пучка на этой гра15 ни, рад,