Масс-спектрометр газовых частиц

 

Изобретение относится к приборостроению средств автоматизации и систем управления, в частности к масс-спектрометрии. В масс-спектрометр, состоящий из электронной пушки, приемника ионов, ускоряющей сетки, двух отклоняющих пластин, генератора выталкивающих импульсов, генератора отклоняющих импульсов и двух заземленных сеток, дополнительно введены в бесполевое пространство между заземленными сетками дополнительная заземленная сетка, тормозящая сетка и полекомпенсирующая сетка, а между ускоряющей сеткой и первой заземленной сеткой введена запирающая сетка. Тормозящая и полекомпенсирующая сетки подключены к генератору тормозящего напряжения, запирающая сетка подключена к генератору запирающего напряжения. Генератор выталкивающих импульсов, генератор запирающего напряжения, генератор тормозящего напряжения, генератор отклоняющих импульсов, блок приема и обработки информации и электронная пушка подключены к выходам блока синхронизации, а к блоку приема и обработки информации подключен блок индикации. Представленная конструкция позволяет работать с частицами в диапазоне масс 1...10000 а.е.м. 3 ил.

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

Известны времяпролетный масс-спектрометр, состоящий из источника ионов, сетчатых электродов, приемника ионов, генераторов нелинейных напряжений, блока управления и блока обработки спектра масс (а.с. №2003199, МПК Н 01 J 49/40, 15.11.93, БИ №41-42), времяпролетный масс-спектрометр газов, состоящий из ионно-оптической системы, рефлектора, генератора цикловых импульсов, ионного источника, четырех генераторов разнополярных импульсных напряжений и приемника ионов (а.с. №2025821, МПК Н 01 J 49/40, 30.12.94, БИ №24).

Недостатком данных устройств является недостаточная разрешающая способность по массе в диапазоне масс более 500 а.е.м.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является масс-спектрометр (а.с. №1691905, МПК Н 01 J 49/40, 15.11.91, БИ №42), состоящий из электронной пушки, заземленных сеток, ускоряющей сетки, генератора выталкивающих импульсов, генератора отклоняющих импульсов, отклоняющих пластин, приемника ионов, импульсного усилителя и осциллографа.

Недостатком известного устройства является узкий динамический диапазон измеряемых масс в пределах 1...1000 а.е.м.

Поставлена задача - разработать устройство, которое расширит диапазон измеряемых частиц в области тяжелых масс (1000...10000 а.е.м.).

Поставленная задача достигается за счет того, что в масс-спектрометр, состоящий из электронной пушки, приемника ионов, ускоряющей сетки, двух отклоняющих пластин, генератора выталкивающих импульсов, генератора отклоняющих импульсов и двух заземленных сеток согласно изобретению дополнительно введены генератор запирающего напряжения, генератор тормозящего напряжения, блок индикации, блок синхронизации, в бесполевое пространство между заземленными сетками дополнительная заземленная сетка, тормозящая сетка и полекомпенсирующая сетка, а между ускоряющей сеткой и первой заземленной сеткой введена запирающая сетка; тормозящая и полекомпенсирующая сетки подключены к генератору тормозящего напряжения, запирающая сетка подключена к генератору запирающего напряжения; генератор выталкивающих импульсов, генератор запирающего напряжения, генератор тормозящего напряжения, генератор отклоняющих импульсов, блок приема и обработки информации и электронная пушка подключены к выходам блока синхронизации, а к блоку приема и обработки информации подключен блок индикации.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема масс-спектрометра газовых частиц; на фиг.2 - эпюры напряжений на выходах генераторов 8-11 в режиме работы с массами 1...500 а.е.м.; на фиг.3 - эпюры напряжений на выходах генераторов 8-11 в режиме работы с массами 500...10000 а.е.м.

Устройство содержит электронную пушку 1, приемник ионов 2, ускоряющую сетку 3, запирающую сетку 4, две заземленных сетки 5, тормозящую сетку 6, отклоняющие пластины 7, генератор выталкивающих импульсов 8, генератор запирающего напряжения 9, генератор тормозящего напряжения 10, генератор отклоняющих импульсов 11, блок синхронизации 12, блок приема и обработки информации 13, блок индикации 14, полекомпенсирующую сетку 15 и дополнительную заземленную сетку 16. Электронная пушка 1 подключена к блоку синхронизации 12. Выход приемника ионов 2 подключен ко входу блока приема и обработки информации 13. Ускоряющая сетка 3 и запирающая сетка 4 подключены соответственно к генератору выталкивающих импульсов 8 и генератору запирающего напряжения 9. Сетки 5 и 16 заземлены. Тормозящая сетка 6 подключена к генератору тормозящего напряжения 10 и к полекомпенсирующей сетке 15. Отклоняющие пластины 7 подключены к генератору отклоняющих импульсов 11. Генераторы 8, 9, 10, 11 и блок приема и обработки информации 13 подключены к выходам блока синхронизации 12. Другой выход блока приема и обработки информации 13 подключен к блоку индикации 14.

Устройство работает в двух режимах: измерение в диапазоне масс 1...500 а.е.м. и в диапазоне масс 500...10000 а.е.м.

В первом режиме работа происходит по следующему алгоритму. В начальный момент времени t-=0 происходит ионизация газа, находящегося в пространстве L ₃₄ между ускоряющей сеткой 3 и запирающей сеткой 4. Ионизация длится в течение времени τ. Одновременно на ускоряющую сетку 3 подается импульс длительностью Т, при котором поле в пространстве L₃₅ описывается выражением:

где m₀ - масса иона, на которую настроен масс-спектрометр;

q - заряд иона;

t₀ - время, в течение которого поле постоянно (как правило t₀=Т/10).

Такая форма напряжения способствует фокусировке ионных пакетов, которые в момент времени t₁ попадают в бесполевое пространство со скоростью V₁₂:

После интегрирования получим, что возможны два варианта: t₁<t₀ и t₁>t₀ .

Время t₁ определяется из выражения:

В тормозящем пространстве поле отсутствует.

Поскольку ионы имеют разные массы и разные начальные скорости, то во время прохождения бесполевого пространства L₁₂=L₁ +L₂+l_t+L_ОП увеличится расстояние между ионными пакетами: более легкие массы получат большее ускорение и быстрее придут в конечную точку.

На отклоняющие пластины 7 все время подано напряжение, создающее в пространстве Lon электрическое поле, под действием которого все ионы отклоняются от прямолинейной траектории на участке L₂. В то время, когда между отклоняющими пластинами находится сепарируемая пачка ионов напряжение снимается и отклонение не происходит. Таким образом, происходит сепарация одного ионного пакета. Последовательно выделяя с помощью прибора на разные величины масс можно определить, присутствуют ли частицы (атомы или молекулы) интересующей массы в исследуемом газовом потоке.

Во втором режиме работа происходит по следующему алгоритму.

В начальный момент времени t=0 на ускоряющей сетке 3 и запирающей сетке 4 присутствует небольшой положительный потенциал. В это же время происходит ионизация газа за время τ. Ионы газа не могут преодолеть барьер запирающей сетки 4 и остаются в пространстве L₃₄. В момент времени t=t₀ с запирающая сетка 4 переводится в высокоомное состояние, а на ускоряющую сетку 3 подается напряжение U₁:

где L₃₅ - расстояние от ускоряющей сетки до ближайшей заземленной сетки,

m₀ - масса выделяемой частицы,

q - заряд выделяемой частицы,

а - ускорение выделяемых частиц.

Таким образом, ионы выталкиваются в бесполевое пространство L₁. Скорость вылета V ₁ и время вылета t₁ определяются по формулам:

где V₀ - начальная скорость ионов, обусловленная тепловым движением; W₁ - ускорение.

Ускорение W₁ возникает в связи с действием электрического поля на ионы и определяется по формуле:

где m - масса иона.

С учетом (5), считая, что все ионы имеют одинаковый заряд можно записать в виде:

Из (9) видно, что частицы только одной массы m=m₀ будут обладать ускорением а.

После прохождения бесполевого пространства L₁ ионные пакеты попадают в тормозящее пространство L_T. Время прихода t_T определяется по формуле:

Скорость движения не изменится.

Торможение производится аналогично при помощи электрического поля.

Напряжение на тормозящей сетке U₂ определяется следующим образом:

где b - коэффициент торможения (0≤b≤1).

Скорость вылета из тормозящего пространства V₂ определяются по формуле:

где

С учетом (13) формула (12) имеет вид:

Время вылета t₂ определяется по формуле:

На остальном участке скорость не меняется. Время вылета из отклоняющего пространства t_ОП вычисляется по формуле:

Аналогично вычисляется время прихода ионов в приемник:

Ускорение производится до скоростей 10⁴-10 ⁵ м/с, чтобы устранить влияние начальной скорости L ₁. На протяжении участка l₁ ионные пакеты разделяются соответственно их массам и приходят в тормозящее пространство в разное время. Разница времен прилета не велика и трудно детектируется. После тормозящего участка детектирование намного облегчается. На отклоняющих пластинах 7 постоянно подано напряжение, которое отклоняет поток ионов, не давая ему попасть в приемник. В то время как между ними проходит выбранная пачка ионов отклоняющее напряжение снимается. Для того, чтобы сетка 6 не оказывала влияние на движение на отклоняющем участке и во втором бесполевом пространстве она соединена с полекомпенсирующей сеткой 15. В момент времени, когда на отклоняющие пластины вновь подается напряжение, обе сетки заземляются. Эпюры напряжений на элементах масс-спектрометра показаны на фиг.3.

Дополнительно введенные элементы конструкции (по сравнению с прототипом), за исключением запирающей сетки, необходимы лишь во втором режиме работы. Запирающая сетка 4 способствует начальной фокусировке ионов всех масс в пространстве между ней и ускоряющей сеткой 3. Дополнительная заземленная сетка 5 и тормозящая сетка обеспечивают торможение ионов больших масс во втором режиме работы. Полекомпенсирующая сетка 15 обеспечивает равномерное движение ионных пакетов от нее до приемника ионов 2.

Представленная конструкция предназначена для работы в диапазоне масс 1-10000 а.е.м.

Формула изобретения

Масс-спектрометр газовых частиц, включающий в себя электронную пушку, приемник ионов, ускоряющую сетку, две отклоняющие пластины, генератор выталкивающих импульсов, генератор отклоняющих импульсов и две заземленных сетки, отличающийся тем, что дополнительно введены дополнительная заземленная сетка, тормозящая сетка, полекомпенсирующая сетка, блок приема и обработки информации, генератор тормозящего напряжения, генератор запирающего напряжения, блок синхронизации и блок индикации, причем запирающая сетка расположена между ускоряющей сеткой и первой заземленной сеткой, дополнительная заземленная сетка, тормозящая сетка и полекомпенсирующая сетка расположены в промежутке между двумя заземленными сетками, тормозящая и полекомпенсирующая сетки подключены к генератору тормозящего напряжения, запирающая сетка подключена к генератору запирающего напряжения, генератор выталкивающих импульсов, генератор запирающего напряжения, генератор тормозящего напряжения, генератор отклоняющих импульсов, блок приема и обработки информации и электронная пушка подключены к выходам блока синхронизации, к входу блока приема и обработки информации подключен приемник ионов, а к выходу - блок индикации.

РИСУНКИ