Магнитный резонансный масс-спектрометр

 

Использование: в масс-спектрометрии. в частности в магнитных резонансных массспектрометрах с лежащими в одной плоскости орбитами ионов. Сущность изобретения: предлагаемый магнитный резонансный масс-спектрометр имеет большую разрешающую способность и чувствительность и меньшие габаритные размеры и вес магнита за счет расположения источника ионов вне камеры анализатора и установки перед его входной щелью цилиндрического конденсатора, электроды которого расположены перпендикулярно плоскости полюсных наконечников магнита и соединены с источником постоянного напряжения. Изобретение может применяться для определения элементного и изотопного состава веществ, а также при исследованиях, связанных с точным определением разности масс ионов. Зил,^

COIG3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н О1 J 49/34

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) l

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ - К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/

/ (21) 4844455/21 (22) 02,07.90 (46) 07,12,92. Бюл. М 45 (71) Физико- ех еский им.А.Ф. Иоффе (72) Б.А.Мамырин (56) ЖЭТФ, 1981, т.80, в.6, с.2125.

ПТЗ, 1985, hh 2, с.173.

ЖТФ, 1960, т.30, hh 7, с.860.

Кельман В.M., Родникова И.В.. Секунова Л.M. Статические масс-спектрометры.—

Наука, Каэ.СССР, 1985, с.98-128. (54) МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ МАСССПЕКТРОМЕТР (57) Использование: в масс-спектрометрии, в частности в магнитных резонансных массспектрометрах с лежащими в одной плоскоИзобретение относится к масс-спектрометрии, в частности к группе магнитных рЕзонансных масс-спектрометров с лежащими в одной плоскости орбитами ионов. Предлагаемый масс-спектрометр может применяться при создании методик анализа элементного и изотопного состава веществ, а также при различных научных исследованиях, связанных с точными определениями разности масс ионов.

Аналогом предлагаемого изобретения является магнитный резонансный массспектрометр (MPMC) с лежащими в одной плоскости орбитами ионов, разработанный

Смитом и Дамом. В этом масс-спектрометре ионы создает источник с электронным ударом, расположенный в камере, находящейЫ2 1780132 А1 сти орбитами ионов. Сущность изобретения: предлагаемый магнитный резонансный масс-спектрометр имеет большую разрешающую способность и чувствительность и меньшие габаритные размеры и вес магнита за счет расположения источника ионов вне камеры анализатора и установки перед его входной щелью цилиндрического конденсатора, электроды которого расположены перпендикулярно плоскости полюсных наконечников магнита и соединены с источником постоянного напряжения. Изобретение может применяться для определения элементного и изотопного состава веществ, а также при исследованиях, связанных с точным определением разности масс ионов.

3 ил. ся между полюсными наконечниками магнита. Ионы, двигаясь в однородном магнитном поле по окружности, после прохождения угла в 180 попадают в модулятор, который изменяет их энергию по синусоидальному закону в соответствии с приложенным к нему напряжением от высокочастотного генератора. После модулятора ионы, проходившие модулятор при такой фазе высокочастотного напряжения, когда их энергия уменьшалась, пройдя еще 180 по круговой орбите меньше радиуса (по сравнению с радиусом орбиты источника), проходят "щель дрейфа", которая вырезает ионные пакеты очень малой длительности.

Пройдя затем 180 по орбите щель-модулятор, ионы опять попадают в модулятор, и их

1760132 энергия еще раз уменьшается так, что при нужной фазе высокочастотного напряжения (резонансной настройке) через выходную щель они попадают на детектор.

Во время движения по круговой орбите от модулятора до модулятора ионы разных масс, входящие s пакет, вырезаемый щелью дрейфа, разделяются по времени пропета, и на детектор попадают толы о те ионы, у которых время движения по круговой орбите модулятор-модулятор находится в резонансном соотношении с периодом высокочаcToTHoto напряжения модулятора, Так как однородное магнитное поле позволяет осуществить черезвычайно жесткую фокусировку времени пролета по замкнутой орбите (независимо от энергии и угла вылета иона из источника), то зависимость массы ионов от частоты получается очень резкой и, соответственно, достигается высокая разрешающая способность прибора. Прямая связь массы резонансных ионов с частотой высокочастотного генератора позволяет производить точные измерения разности масс у мультиплетов масс.

В сравнении с MPMC со спиральной и винтовой траекторией ионов (как, например, в приборе Гоудсмита), в приборах с траекториями, лежащими в одной плоскости, достигаются лучшие аналитические характеристики, т.к, в них требуется получение однородного магнитного поля в мен ьших объемах.

Недостатками аналога предлагаемого изобретения являются следующие: а) располо>кение источника в зазоре магнита требует увеличения зазора, что при данном магнитном попе увеличивает его вес и габариты; б) увеличенный зазор магнита и провода с током питания катода источника уменьшают однородность магнитного поля, что приводит к уменьшению разрешающей способности, в) располо>кение источника внутри зазора магнита ограничивает возможности применения источников с более сильными ионными токами, что уменьшает чувствительность прибора; г) невозможно применять источники с различными принципами образования ионов (лазерные, полевые и т,п,).

В качестве прототипа предлагаемого изобретения взят MPMC с лежащими в одной плоскости орбитами ионов, разработанный в ОТИ им.А.Ф,Иоффе для прецизионного измерения дублетов масс, В этих приборах источник ионов размещен, как и в аналоге, внутри камеры анализатора, 10

55 находящейся в однородном магнитном поле, Прибор работает так же. как и аналог, по принципу разделения ионных пакетов в зависимости от времени их пролета по замкнутой орбите от "модулятора до модулятора", но в нем применен так называемый компенсационный режим, увеличивающий разрешающую способность и чувствительность. Кроме того (в отличие от аналога). ионы резонансной массы в модуляторе не уменьшают, а увеличивают свою энергию (радиус орбиты) и, поэтому, их легко вывести из магнитного поля и усиливать электронным умножителем, находящимся вне магнитного поля. Настройка на резонансную массу ионов производится также подбором частоты высокочастотного генератора, питающего модулятор.

Расположение источника ионов внутри камеры анализатора (в зазоре магнита) приводит к следующим недостаткам прибора: а) увеличивается зазор магнита, а следовательно, при данном магнитном поле увеличиваются его вес и габариты; б) провода с током для питания катода источника, а также увеличенный зазор ме>кду полюсными наконечниками уменьша1от однородность магнитного поля, что уменьшает разрешающую способность и метрологические характеристики при измерении дублетов масс; в) общая вакуумная камера анализатора и источника не позволяет производить их отдельную откачку и поэтому нельз" "ссздать для повышения чувствительности увеличенное давление анализируемого газа в источнике; г} ограничено применение источников с большими конструктивными размерами, большими ионными токами и специальными принципами образования ионов, Цель иэобретенля — увеличение разрешающей способности, повышение чувствительности, уменьшение весогабаритных характеристик прибора.

Это достигается тем, что в известном магнитном резонансном масс-спектрометре, включающем источник ионов, камеру анализатора, размещенную между полюсными наконечниками магнита, располо>кенные в ней модулятор, входную щель анализатора и устройство, выводящее ионь на детектор, согласно формуле изобретения, источник ионов располо>кен вне камеры анализатора и соединен с ней патрубкам, а перед входной щелью анализатора установлен цилиндрический конденсагор, электроды которого расположены перпендикулярно плоскости пол оси -Ix на

1780132 конечников магнита и соединены с источником постоянного напряжения, при этом патрубок и цилиндрический конденсатор расположены один относительно другого из условия сопряжения центральной траектории ионов, выходящих из патрубка, со средней линией цилиндрического конденсатора, а центр окружности средней линии цилиндрического конденсатора расположен по линии, соединяющей центр модулятора и центр входной щели анализатора, причем модулятор и центр этой окружности расположены по разные стороны относительновходной щели анализатора.

Расположение источника ионов вне камеры анализатора позволяет использовать источники, создающие большие ионные токи и работающие с большим давлением анализируемого газа, чем в источниках, которые могут быть помещены внутри камеры, в узком зазоре магнита. Это позволяет повысить разрешающую способность и чувствительность прибора, а также уменьшить размеры и вес магнита.

Введение ионов в анализатор через патрубок, соединяющий камеру источника с камерой анализатора, позволяет уменьшить зазор магнита и улучшить аналитические характеристики прибора.

Однако, введенные в однородное магнитное поле ионы будутдвигаться по окружности, расположенной так, что ионы будут входить во входную щель анализатора не перпендикулярно плоскости щелей анализатора, а эта перпендикулярность необходима для правильной работы прибора, Поэтому, для изменения траектории ионов таким образом, чтобы они входили в анализатор перпендикулярно плоскости его щелей, перед этой щелью установлен цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены перпендикулярно плоскости полюсных наконечников магнита и соединены с источником постоянного напряжения. Расположение патрубка и цилиндрического конденсатора из условия сопряжения центральной раектории ионного пучка, выходящего из патрубка, и средней линии конденсатора необходимо для того, чтобы точка фокусировки ионного пуч ка совпала с плоскостью входной щели анализатора, перед которой стоит конденсатор, Расположение центра окружности средней линии цилиндрического конденсатора на линии, соединяющей центры модулятора и входной щели анализатора, обеспечивает возможность входа оси ионного пучка, выходящего из конденсатора перпендикулярно линии щелей прибора, с одновременной возможностью фокусировки пучка на щели, При этом ентр окружности обязан быть по другую сторону от входной щели по сравнению с модулятором, т.к. в противном случае ионный пучок подойдет

5 не под прямым углом к линии щелей, как это необходимо для правильной работы магнитного резонансного прибора, а под острым, при этом на 180 от входной щели (где расположены щели модулятора) пучок ионов не

55

50 будет сфокусирован.

Таким образом, каждый признак в предлагаемой конструкции необходим, а все вместе они достаточны для достижения целей изобретения.

Автору неизвестна заявленная совокупность существенных признаков. Взаимовлияние всех отличительных признаков приводит к появлению новых возможностей: уменьшению зазора магнита и использованию в приборе внешних источников ионов с повышенным давлением анализируемого газа и повышенным током эмиссии электронов в нем, что дает возможность уменьшить габаритные размеры и вес магнита, повысить разрешающую способность и чувствительность масс-спектрометра, т.е. достичь целей изобретения.

На фиг.1 и риведена схема и редлагаемого масс-спектрометра. На фиг.1 приведены: 1 — источник ионов, расположенный вне границ полюсных наконечников магнита; 2 — патрубок, соединяющий камеру источника с камерой анализатора; 3 — камера анализатора; 4 — ионный пучок при наличии разброса углов вылета из источника; 5 цилиндрический конденсатор, поворачивающий и фокусирующий ионный пучок на месте расположения входной щели анализатора; 6 — входная щель анализатора;

7 — модулятор энергии (радиус орбит) ионов;

8 — "щель дрейфа", вырезающая пакеты ионов; 9 — выходная щель; 10 — выводящая система (конденсатор или отражающее зеркало); 11 — вторично-электронный умножитель; ро и р< радиусы входной орбиты и средней линии цилиндрического конденсатора; 12 — граница полюсных наконечников магнита.

Из источника 1 ионы по патрубку 2 попадают в камеру анализатора 3. Граница однородного магнитного поля 12 (силовые линии его перпендикулярны к плоскости чертежа) примерно совпадает с границей плоской камеры анализатора. Магнитное поле поворачивает траекторию пучка ионов

4, и они двигаются под действием силы Лоренца по круговой орбите с радиусом

1780132 где Н вЂ” напряженность магнитного поля;

U> — разность потенциалов, ускорившая ионы в источнике;

m u q — масса и заряд иона.

При подходе ко входной щели анализатора 6 ионы влетают в цилиндрический конденсатор 5 и начинают двигаться при одновременном действии силы Лоренца

F„=qfv М); (v= с -скорость иона) (2) и противоположно направленной силы взаимодействия заряда иона с электрическим полем конденсатора Е =gf (3) где Е = —; Uk — разность потенциалов межUk ду электродами конденсатора;

d — расстояние между его электродами, Так как силы н u FE перпендикулярны вектору скорости иона {ион движется по оси конденсатора), то радиус траектории движения иона в конденсаторе (4) PH RE =().

Из (1)-(4) получим, что ф: 20 d — =2()

В d d

U Po Ä (6) Знак "+" или "-" зависит от направления силы Р, Приведенные выражения строго справедливы для ионов, двигающихся по оси конденсатора и при границе конденсатора, совпадающей с линией Oо-О о (см.фиг.1), соединяющей центры траекторий иона вне (Это следует из того, что движение по окружности с радиусом р происходит под действием эквивалентной центростремительной силы и внутри конденсатора, а также при отсутствии краевого искажения поля Е, При пучке ионов с некоторым разбросом углов влета в конденсатор сила FE не

5 строго перпендикулярна вектору скорости иона Ч, однако, при угле расходимости пучка + отличие в величине проекции силы

FE íà Рн по сравнению с полной величиной г-Е получается порядка 10 ; при нео10 бычно большой расходимости ч-5 порядка 10, Следовательно, практически, погрешностями, связанными с непараллельностью траекторий ионов и оси конденсатора, можно пренебречь. Также можно не

15 учитывать и краевые эффекты, т.к. безусловно выбирается d«I, где! — длина траектории иона в конденсаторе. Следует иметь в виду, что точность фокусировки пучка конденсатором в данной схеме не имеет большого

20 значения и может влиять только на чувствительностьь.

Для правильной работы конденсатора, как фокусирующей системы, необходимо выбрать соотношение Uo, Uk, po и,ок та25 ким образом, чтобы точка фокуса траекторий совпала с выходной щелью 6 {см.фиг.1).

При заданных Uo и р> это достигаетсл путем подбора р< и соответствующего изменения

Uk формулы (5) и (6), При увеличении р< in«ка фокуса удаляется, при уменьшении — прибли>кается к выходу пучка из конденсатора.

На фиг.2 приведено соответствующее построение траекторий ионов, идущи, по оси конденсатора и под углом к ней, при котором точка фокусировки совпадает с выходной щелью. На фиг.2 приведены; 13— источник ионов; 14 — щель дрейфа, 15— конденсатор; 16 — модулятор; р> ир, — радиусы орбит ионов вне и внутри конденсатора; а, б, в — орбиты ионов, выходящих из источника под разными углами; 3 угол поворота ионов в конденсаторе, При этом построении учтено, что частvi траектории любого иона вне и внутри <онденсатора должны сопрягаться без излома, На соотношение р, и р,, а так>ке на угол поворота в конденсаторе Р не накладывает жестких условий, и они выбираются из конструктивных соображений (диаметр полюсных наконечников магнита, влияние краевого эффекта и направление патрубка источника при входе ионов в магнитное поne).

После прохождения ионами входной щели 6 (фиг.1) ионы двигаются в соответствии с работой прототипа: пучок ионов попадает в модулятор 7, где энергия ионов (и соответственно радиус орбит) изм".няется примерно по синусоидачьному закону, да1780132

10 лее щель дрейфа 8 вырезает пакеты ионов и они снова попадают в модулятор 7. При вторичном воздействии поля модулятора на ионы, если частота питающего напряжения модулятора настроена в резонанс с гармоникой циклотронной частоты вращения ионов (т.е. согласована с отношением массы иона к заряду и напряженностью магнитного поля), ионы попадают в выходную щель 9.

На фиг.3 показана конструкция прибора, подобная конструкции приборов, разработанных в лаборатории ФТИ им,А.Ф.Иоффе АН СССР. На фиг.3 обозначены: 17 — источник ионов; 18 — анализатор;

19 — вторично-электронный умножитель; 20 — полюсные наконечники магнита; 21 — катушки; 22 — ярмо магнита.

Для получения разрешающей способности-500 000 необходимы следующие параметры: диаметр полюсных наконечников магнита -300 мм; зазор между полюсными наконечниками"-.25 мм; радиус "орбиты источника" р --100 мм; радиус "орбиты в конденсаторе",о =65 мм; радиус "орбиты щели дрейфа";.-115 мм; радиус "орбиты выходной шели"=127 мм; напряженность магнитного поля и энергии ионов выбираются в соответствии с формулой (1); частота высокочастотного напряжения генератора модулятора определяется номером гармоники (отношение циклотронного периода ионов в магнитном поле к периоду высокочастотного напряжения), напряженностью магнитного поля и массой иона.

Преимущества предлагаемой конструкции MPMC с лежащими в одной плоскости орбитами ионов по сравнению с прототипом следующие.

1. Размеры и конструкция источника не связаны с величиной зазора магнита, что позволяет уменьшить зазор и, тем самым, уменьшить объем и вес магнита. При зазоре в прототипе d-50 мм в предлагаемом варианте прибора зазор может быть уменьшен до 25 мм. Таким образом, объем и вес магнита уменьшится примерно в 8 раз (ориентировочно с 1600 кг до 200 кг).

2, Внешнее положение источника без ограничения его размеров позволяетувеличить ионный ток за счет увеличения тока эмиссии электронов и. следовательно, увеличить чувствительность примерно в 5 раз.

Увеличение давления анализируемого газа

50 в источнике с отдельной откачкой также увеличит ионный ток по крайней мере в 10 раз, следовательно, общее увеличение чувствительности будет в 50 раз, 3. Зона однородного поля в зазоре магнита начинается на расстоянии от края полюсных наконечников примерно в 1,5 зазора, 8 прототипе зазор б=50 мм, а в предлагаемом варианте прибора он может быть взят 25 мм. При диаметре полюсных наконечников 0 " 300 мм в прототипе зона однородного поля определяется диаметром

Dpggpp=D — Зо150 мм, а в предлагаемом приборе Do+Hop 225 мм, что вместе с устранением проводов с током катода приведет к повышению разрешающей способности минимум в 1,5 раза.

4. Внешнее положение источника позволяет применять различные методы образования ионов, что расширяет возможности использования прибора при научных исследованиях (источники с испарением образцов, лазерная ионизация и др.).

Формула изобретения

Магнитный резонансный масс-спектрометр, включающий источник ионов, камеру анализатора, размещенную между полюсными наконечниками магнита, расположенные в ней модулятор, входную щель анализатора и устройство, выводящее ионы на детектор, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и чувствительности, а также снижения массогабаритных характеристик прибора, источник ионов расположен вне камеры анализатора и соединен с ней патрубком, а перед входной щелью анализатора установлен цилиндрический конденсатор, электроды которого расположены перпендикулярно плоскости полюсных наконечников магнита и соединены с источником постоянного напряжения, при этом патрубок и цилиндрический конденсатор расположены один относительно другого из условия сопряжения центральной траектории ионов, выходящих из патрубка, со средней линией цилиндрического конденсатора, а центр окружности средней линии цилиндрического конденсатора расположен на линии, соединяющей центр модулятора и центр входной щели анализатора, причем модулятор и центр этой окружности расположены по разные стороны относительно входной щели анализатора, 1l780132

1780132

17

Редактор Т. Купрякова

Заказ 4439 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Составитель Б.Мамырин

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Л.Лукач

22

2i

Магнитный резонансный масс-спектрометр Магнитный резонансный масс-спектрометр Магнитный резонансный масс-спектрометр Магнитный резонансный масс-спектрометр Магнитный резонансный масс-спектрометр Магнитный резонансный масс-спектрометр Магнитный резонансный масс-спектрометр 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано в энергоанализаторах для плазменных установок

Изобретение относится к области физики, а именно к масс-спектрометрии, и может найти применение при исследовании пучков Ионов, плазмы, в ионно-плазменной технологии

Изобретение относится к аналитическому приборостроению

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано при создании масс-спектрометров типа «ионная ловушка» с высокими разрешением и чувствительностью
Изобретение относится к способу пробоподготовки биоорганических, в том числе медицинских, образцов для определения в них изотопного соотношения 14С/12С и 14С/13С с помощью ускорительного масс-спектрометра (УМС). Способ включает окисление содержащегося в биоорганическом образце углерода до диоксида углерода. Окисление проводят в жидкой фазе, причем в качестве окислителя используют пероксид водорода, а в качестве катализатора - цеолит типа ZSM-5 с железосодержащим активным компонентом. Выделяющийся в результате окисления диоксид углерода направляют на анализ на ускорительном масс-спектрометре УМС. Способ обеспечивает расширение спектра веществ, анализируемых на изотопный состав углерода. 1 з.п. ф-лы, 4 пр.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Устройство для исследования физических явлений при высокоскоростном ударе состоит из ускорительного тракта, содержащего инжектор, индукционные датчики, линейный ускоритель, мишень, согласно изобретению в ускорительный тракт введены соосно расположенные квадруполь, установленный за индукционными датчиками, и блок разряда частиц, сетки заземления, расположенные на входе и выходе блока разряда частиц после линейного ускорителя, приемник ионов, установленный перед мишенью, дополнительно введен второй ускорительный тракт, расположенный под углом от 1° до 10° к первому ускорительному тракту, состоящий из инжектора, индукционных датчиков, линейного ускорителя, мишени, квадруполя, блока разряда частиц, сетки заземления, приемника ионов, а также дополнительно в устройство введен измерительный блок, соединенный с блоком датчиков, приемниками ионов обоих усилительных трактов и блоком сбора информации, а также веден блок управляющих сигналов, соединенный с индукционными датчиками, квадруполями, линейными ускорителями, блоками разряда частиц обоих усилительных трактов и блоком сбора информации. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет возможности исследовать физические эффекты при встречном столкновении высокоскоростных частиц. 1 ил.
Наверх