Времяпролетный масс-спектрометр газов

 

Использование: в приборостроении, средствах автоматизации и системах управления, в частности в технике масс-спектрометрии. Сущность изобретения: масс-спектрометр газов содержит три сетки 1 - 3 ионно-оптической системы, две сетки 4, 5 рефлектора, генератор 6 цикловых импульсов, ионный источник 7, четыре генератора 9 - 12 разнополярных импульсных напряжений, приемник 13 ионов. 1 табл, 4 ил.

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, в частности к технике масс-спектрометрии.

Известен масс-спектрометр, содержащий ионный источник, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, генератор выталкивающих импульсов, приемник ионов [1].

Недостатком масс-спектрометра является низкая разрешающая способность по массе при малых геометрических размерах конструкции анализатора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является масс-спектрометр газовых частиц, содержащий источник ионов, генератор тактовых импульсов, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, сетки ионно-оптической системы нелинейного фокусирующего зеркала, приемник ионов [2].

Недостатками масс-спектрометра являются низкая разрешающая способность по массе ввиду отсутствия компенсации времени вылета ионов из зоны ионизации и продольной координаты, а также высокие габаритно-массовые характеристики.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности по массе и уменьшение габаритно-массовых характеристик.

Цель достигается тем, что в времяпролетном масс-спектрометре газов, содержащем ионный источник с сетками, одна из которых подключена к генератору тактовых импульсов, а другая заземлена, пространство дрейфа, приемник ионов, рефлектор и источники напряжения, подключенные к третьей сетке ионного источника и к сеткам рефлектора, в качестве источников напряжения использованы генераторы разнополярных импульсных напряжений, при этом управляющий вход первого генератора разнополярных импульсных напряжений соединен через введенную линию задержки с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с второй сеткой ионного источника, управляющие входы второго, третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений соединены с выходом генератора тактовых импульсов, все генераторы разнополярных импульсных напряжений последовательно соединены между собой, выход второго генератора разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке ионно-оптической системы, а выходы третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений - к первой и второй сеткам рефлектора соответственно.

На фиг. 1 представлена блок-схема времяпролетного масс-спектрометра газов; на фиг.2 приведены временные диаграммы работы масс-спектрометра; на фиг. 3 - графики пролета ионов в областях масс-спектрометра l01 и l12; на фиг. 4 приведена зависимость плотности вероятности времени прихода ионов в плоскости приемника.

Масс-спектрометр газов содержит сетки 1,2,3 ионно-оптической системы, сетки 4,5 рефлектора, генератор 6 тактовых импульсов, ионный источник 7, подключенный к выходу генератора 6, линию 8 задержки, последовательно соединенные генераторы 9, 10, 11, 12 разнополярных импульсных напряжений, приемник 13 ионов.

Первая сетка 1 ионно-оптической системы заземлена, вторая сетка 2 подключена к выходу первого генератора 9 разнополярных импульсных напряжений, управляющий вход которого через линию 8 задержки подключен к выходу генератора 6 тактовых импульсов. Управляющие входы второго 10, третьего 11 и четвертого 12 генераторов разнополярных импульсных напряжений также соединены с выходом генератора 6 тактовых импульсов. Выход второго генератора 10 разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке 3 ионно-оптической системы, а выходы третьего 11 и четвертого 12 генераторов разнополярных импульсных напряжений - соответственно к первой 4 и второй 5 сеткам рефлектора.

Масс-спектрометр работает следующим образом.

В течение времени (фиг.2) происходит ионизация газа электронным пучком в бесполевом пространстве ds(Us=0). Ширина электронного пучка Х=1-5 мм. Ионы, попавшие в область da (фиг.2), за время ионизации ускоряются напряжениями Uуск, Ul01', Ul12'и не влияют на формирование массовых линий. В момент времени t1 Ul01=0 и ионы из промежутков ds и dапопадают в бесполевое пространство l01 (фиг.1). Если их скорости превышают Vмакс, установленную для данного диапазона, то они также пролетают сквозь масс-спектрометр, попадая в ускоряющее поле Ul12'. Для исключения влияния ионов, попавших в промежуток l01 при t>t1+t0, производится отсечка ионов источника (из промежутка ds) путем включения в момент t2 запирающего напряжения Us2 (фиг.2). Небольшое ускоряющее напряжение Us1 1 B Uуск, действующее в интервале t [ , t2], может включаться для увеличения коэффициента сбора ионов. Импульсные разнополярные напряжения Us, Ud, Ul01, Ul12 и их соответствующие времена переключений , t1, t1 + t0, формируемые четырьмя генераторами 9, 10, 11, 12, создают условия фокусировки массовых линий (фиг.3). Время появления иона в промежутке da -> tн. Процессы переключения, показанные на фиг.2, повторяются с частотой, задаваемой генератором 6 цикловых импульсов. Линия 8 задержки позволяет произвести запуск генератора 9 по окончании процесса ионизации, происходящего за время . Таким образом, в промежутке l01 ионы одинаковых масс движутся вначале (t<t+t1) в бесполевом пространстве с одинаковыми скоростями. Затем при t= t0+t1 включается тормозящее поле U= . В результате ионы, попавшие в l01 с большим запаздыванием, затормаживаются сильнее и проходят меньший путь в l12. В момент t=T все ионы одинаковых масс оказываются в плоскости первой сетки промежутка l12 (плоскость приемника 13, фиг.1).

Таким образом, осуществляется одновременная компенсация начальных разбросов ионов по скоростям, координате и времени вылета путем создания управляющего, переменного во времени электрического поля на одном из участков пролета.

Для более подробного описания изобретения приводят обозначения участков ускорения, торможения в анализаторе и соответствующих им потенциалов. На участках ds, da, l01, l12 действуют электрические поля, порождаемые соответствующими напряжениями, полученными с помощью генераторов 9, 10, 11, 12 (фиг.1) Us, Ud, Ul01 (Ul01', Ul01''), Ul12 (Ul12', Ul12'').

Время tн появления иона в промежутке da определяется как tн= t + ; Vo> 0. (1) В промежутке dа ион ускоряется напряжением Us и приходит к первой сетке промежутка l01 (3, фиг.1) в момент t = tн+ (2) и со скоростью V = . (3) Напряжение Uуск должно обеспечивать V>>Vо, что означает приблизительное равенство скоростей ионов с одинаковыми массами. Промежутки ds и dа представляют собой источник, который поставляет на первую сетку управляющего промежутка l01 ионы с начальными скоростями V, с запаздыванием t (из формулы 2) и начальными координатами Х=Хе, также одинаковыми для всех ионов (Хе - координата первой сетки промежутка l01). Далее необходимо найти такой закон управления Ul01(t) в промежутке l01, который компенсирует случайные времена t .

Пусть Хе = 0 и t мин=0, тогда уравнения движения иона в промежутке l01 записываются следующим образом: x = V(t - t) + a()ddt; Vx = V + a()d, (4) где а(t) - искомый закон изменения ускорения в промежутке
a(t) = ;
t0 = - время существования бесполевого пространства;
Vмакс - максимально допустимая скорость ионов самой легкой массы из заданного диапазона масс:
Vмакс= ; (5)
Vo макс= 3v = 3 . (6)
Ион, вылетевший из управляющего промежутка l01 в момент t1, приобретаeт скорость V12(t1) и под действием тормозящего ускорения
aт= (7)
возвращается в плоскость первой сетки промежутка l12 с той же скоростью V12(t1). Общее время пролета промежутков l01 и l12 равно
T1= t1+ . (8)
Из условия временной фокусировки ионов одной и той же массы необходимо, чтобы выполнялось условие T=const, скорость V12(t1) находят из уравнения (8):
V12= aт. (9)
Для момента t=t1 достижения ионов первой сетки промежутка l12имеют из выражения (4)
l01 = V(t - t) + a()ddt; (10)
V12 = V + a()d . (11)
Из выражения (11) путем дифференцирования по t1 с учетом уравнения (9) находят закон уравнения а(t1):
a(t1) = = - ; t t0. (12)
Подставляя уравнение (12) в выражение (11) и приравнивая результат к уравнению (9), получают выражение для времени пролета Т:
aт= V - (t1-t0)T = t+ , (13) при V0 макс V имеют V = ; to= ;
T = t1 + . (14)
Разрешающая способность определяется из условия
T T, (15) где Т - интервал времени между спектральными линиями, соответствующими массовым числам М и М + 1 при нулевых начальных скоростях V;
Т - временной разброс (ширина массовой линии), определяемый максимальной начальной скоростью
V0 макс = , (16) где = - дисперсия начальных (тепловых) скоростей;
К - постоянная Больцмана;
То - абсолютная температура;
m - масса иона.

Коэффициент в выражении (16) находится из условия разрешения соседних масс с числами М и М + 1 с вероятностью не менее заданной. Так, если вероятность разрешения Р=1, то 9 (закон 3 при нормальном распределении тепловых скоростей). Выражения для Т и Т:
T = Tмакс M - T0M = A - 1; (17)
T = T0M+1- T0M = - , (18) где ТМо - время пролета иона с массовым числом М при Vо=0;
A = l M . (19)
Подставляя выражения (17), (18) в условие (15), получают неравенство, характеризующее разрешающую способность масс-спектрометра:
M . (20)
Таким образом, максимальное массовое число, разрешаемое с заданной вероятностью Р, пропорционально ускоряющему напряжению Uуск в промежутке dа и обратно пропорционально температуре плазмы и параметру .

Параметр находят из следующего выражения по заданной вероятности разрешения Р:
( ) = ; (21)
(x) = e dx - интеграл вероятностей.

Уравнение (21) получено в предположении, что Vо - начальная тепловая скорость ионов, распределенная по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и дисперсией Vo2 . На фиг.4 изображена плотность вероятностей WT(T) времен прихода ионов в плоскость приемника (определяет форму импульса тока на выходе ВЭУ):
Wт(t) = e ; t - t0 A , где
2x = .

Результаты расчета разрешающей способности Ммакс сведены в таблицу (Uуск=200В, То = 300К)
Теоретическое и экспериментальное исследования заявляемого масс-спектрометра показали, что по сравнению с известными масс-спектрометрами (прототипом) он обеспечивает значительно более высокое разрешение по массе (порядка 500-1000 и более практически) при малых габаритно-массовых характеристиках (l = 270 мм, 80 мм и m = 0,7 кг). Для сравнения: разрешение по массе известных масс-спектрометров при тех же габаритно-массовых характеристиках составляет практически 150-200.


Формула изобретения

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ГАЗОВ, содержащий ионный источник с сетками, одна из которых подключена к генератору тактовых импульсов, а другая заземлена, пространство дрейфа, приемник ионов, рефлектор и источник напряжения, подключенные к третьей сетке ионного источника и к сеткам рефлектора, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности по массе и уменьшения массогабаритных характеристик, в качестве источников напряжения использованы генераторы разнополярных импульсных напряжений, при этом управляющий вход первого генератора разнополярных импульсных напряжений соединен через дополнительно введенную линию задержки с выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с второй сеткой ионного источника, управляющие входы второго, третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений соединены с выходом генератора тактовых импульсов, все генераторы разнополярных импульсных напряжений последовательно соединены между собой, выход второго генератора разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке ионно-оптической системы, а выходы третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений подключены к первой и второй сеткам рефлектора соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано при создании масс-спектрометров с высокой чувствительностью и разрешающей способностью

Изобретение относится к высоколокальным времяпролетным методам масс- спектрометрического анализа твердых тел, конкретнее, к устройствам, с помощью которых определяется химический состав веществ (металлы и полупроводники) посредством анализа одиночных ионов, образующихся в процессе поатомного испарения материала игольчатого образца в высоком электрическом поле

Изобретение относится к приборостроению , в частности к мэсс-спектрометрическому приборостроению Сущность изобретения1 в масс-спектрометр введен измеритель 11 интервала времени между фактическим и установленным при настройке временем пролета ионов реперного компонента , выход синхроимпульсов которого подключен к входу синхронизации генератора 8 прямоугольных импульсов, вход - к выходу широкополосного усилителя 9, аналоговый выход - к блоку 7 питания отражателя ионов

Изобретение относится к научному приборостроению , в частности к области исследования массового и изотопного состава вещества, т.е

Изобретение относится к массспектрометрии

Изобретение относится к способам исследования излучения и потоков элементарных частиц и может быть использовано для определения концентрации и полной функции распределения ионов магнитосферной плазмы масс-спектрометрическим способом

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для анализа состава материалов и веществ

Изобретение относится к газовому анализу, предназначено для определения концентрации микропримесей веществ в газовых средах, в частности в атмосферном воздухе

Изобретение относится к области газового анализа и предназначено для обнаружения микропримесей веществ в газовых средах, в частности атмосферном воздухе

Изобретение относится к области газового анализа и может использоваться для определения микропримесей различных веществ в газах или применяться в газовой хроматографии в качестве чувствительного детектора

Изобретение относится к области спектрометрии и используется для обнаружения атомов и молекул в пробе газа

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований

Изобретение относится к приборостроению, системам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований

Изобретение относится к приборостроению средств автоматизации и систем управления, в частности к масс-спектрометрии
Наверх