Времяпролетный масс-спектрометр ионов

 

Сущность изобретения: масс-спектрометр содержит прозрачное для световых лучей ионное зеркало, расположенное на траектории поля между узлом формирования пакетов поля и рефлектором. Детектор окружен экраном, расположенным с возможностью перекрытия зоны прямой видимости детектора из входного окна. 1 ил.

Изобретение относится к научному приборостроению, а именно к масс-спектрометрии, и может быть использовано при исследовании химического и изотопного состава потока низкоэнергетических ионов, в том числе и плазменных.

Известен времяпролетный масс-спектрометр [1] содержащий источник ионов, пространство дрейфа, рефлектрон и детектор ионов, расположенные соосно.

Однако прибор имеет недостаточную чувствительность в силу использования ионов из малого телесного угла и высокие шумы из-за прохождения ионных потоков через отверстие в детекторе. Затруднена работа прибора при интенсивном световом излучении.

Наиболее близким к предложенному устройству является времяпролетный масс-спектрометр [2] содержащий корпус с входным окном, последовательно оптически сопряженные узел формирования пакета ионов, включающий отклоняющую систему, рефлектор и детектор.

Такой прибор обладает недостаточной относительной чувствительностью из-за сильного влияния внешнего светового излучения и процессов перезарядки ионов в дрейфовом пространстве при пониженном вакууме.

Задача, решаемая изобретением, и технический результат, который получается при использовании изобретения, связаны с увеличением чувствительности прибора и уменьшением шумов на детекторе, обусловленным исключением паразитной засветки детектора Солнцем (в космосе) или излучением плазмы.

Указанный результат достигается тем, что во времяпролетный масс-спектрометр ионов, содержащий корпус с входным окном, последовательно оптически сопряженные узел формирования пакета ионов, включающий отклоняющую систему, рефлектор и детектор, введены прозрачное для светового излучения ионное зеркало в форме усеченного конуса, расположенное на траектории ионов между узлом формирования пакета ионов и рефлектором, и выполненный из электропроводящего материала и гальванически соединенный с корпусом экран, расположенный с возможностью перекрытия зоны прямой видимости детектора из входного окна.

Введение дополнительного отражения уменьшает длину дрейфового отрезка перед детектором, тем самым увеличивая отношение сигнал/шум. По этой же причине для попадания внешнего излучения на детектор необходимы как минимум два отражения. Сеточные структуры также ослабляют интенсивность паразитного сигнала, что в сумме дает ослабление света на 2-3 порядка величины по сравнению с прототипом.

На чертеже схематично представлен масс-спектрометр.

В непрозрачном корпусе 1 выполнено входное окно 2 и размещен узел 3 формирования пакета ионов. На траектории ионов расположено прозрачное ионное зеркало 4, за которым может быть расположено устройство 5 поглощения световых лучей. Напротив ионного зеркала 4 расположен рефлектор 6 и далее по траектории детектор 7 ионов. Детектор 7 окружен экраном 8. На начальной траектории расположена фокусирующая система 9.

Прибор работает следующим образом.

Из анализируемого потока частиц или внешних ионов формируются узлом 3 пакеты заданной длительности, которые с помощью фокусирующей системы 9 направляются на зеркало 4. Зеркало 4 пропускает световые лучи на поглощающее устройство 5, а ионы отражает на рефлектор 6, обеспечивающий фокусировку ионов по энергии. Разделенные по массам ионы детектируются на детекторе 7. Рассеянные ионы и световое излучение задерживаются экраном 8.

Введение экрана и преломление траектории анализируемых ионов с помощью зеркала позволяют значительно повысить отношение сигнал/шум за счет практического полного устранения влияния световой засветки детектора, что особенно важно при работе прибора в космосе, например, при анализе состава ионов магнитосферы при наличии интенсивного ультрафиолетового фонового излучения.

Кроме того, в приборе предусмотрена возможность приближения детектора к рефлектору, что позволяет снизить отрицательный эффект процесса перезарядки ионов после их разделения по массам. Этот эффект заключается в том, что ионы, сталкиваясь с молекулами, превращаются в нейтральные частицы. Это приводит к тому, что наряду с ионным пакетом на детектор приходит и пакет нейтральных частиц, причем неконтролируемой длительности. Обычно для повышения отношения сигнал/шум перед детектором устанавливается ионный фильтр для вырезания интенсивных ионных пиков перед детектированием малоинтенсивных. Однако в случае перезарядки остающийся интенсивный пик нейтральных частиц маскирует малоинтенсивный ионный пик. В предложенном приборе процесс перезарядки значительно снижен и тем самым повышено отношение сигнал/шум.

Узел отражения ионного зеркала 4 (между нормалью к зеркалу и входной траекторией ионов) следует выбирать, исходя из требований на габариты прибора и абсолютную чувствительность. Наиболее оптимальный диапазон при базе пролета 30 см составляет 5-10^о. При меньших углах падает чувствительность за счет перекрывания экраном ионной траектории, при больших увеличиваются поперечные габариты прибора.

Формула изобретения

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ, содержащий корпус с якорным окном, последовательно оптически сопряженные узел формирования пакета ионов, включающий отклоняющую систему, рефлектор и детектор, отличающийся тем, что в него введены прозрачное для светового излучения ионное зеркало в форме усеченного конуса, расположенное на траектории ионов между узлом формирования пакета ионов и рефлектором, и выполненный из электропроводящего материала и гальванически соединенный с корпусом экран, расположенный с возможностью перекрытия зоны прямой видимости детектора из входного окна.

РИСУНКИ

Рисунок 1