Времяпролетный масс-спектрометр с нелинейным отражателем
Владельцы патента RU 2504045:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)" (СГАУ) (RU)
Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований. Технический результат - повышение разрешения и чувствительности при анализе ионного нейтрального газа. Времяпролетный масс-спектрометр с нелинейным отражателем содержит трубку дрейфа, источник ионов, ускоряющую сетку, источник тока и напряжения, источник изменяемого во времени импульсного напряжения, сетку, ограничивающую нелинейный отражатель, нелинейный отражатель и приемник ионов в виде микроканальной пластины. Нелинейный отражатель выполнен в виде набора колец различного диаметра, источник тока и напряжения подключен к кольцам, источник изменяемого во времени импульсного напряжения подключен к ускоряющей сетке, трубка дрейфа и сетка, ограничивающая нелинейный отражатель, заземлены. 2 ил.
Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований.
Известен времяпролетный масс-спектрометр, содержащий мишень, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, электростатический линейный отражатель, приемник ионов (статья: Мамырин Б.А., Шмикк Д.В. Линейный массрефлектрон - ЖЭТФ, 1979, т.76, в.5, с.1500-1505). За счет использования линейно изменяющегося электрического поля в массрефлектроне достигается более высокое значение разрешающей способности по сравнению с классической схемой масс-спектрометра при тех же габаритах и потенциале ускоряющего промежутка.
Недостатками прибора являются низкая разрешающая способность и малый диапазон измеряемых масс.
Более совершенным является масс спектрометр с нелинейным по продольной оси электрическим полем (патент №1651327 H01J 49/40 опубл. БИ №19, 23.05.91 г.). Времяпролетный масс-спектрометр, у которого сеточная сборка источника ионов с целью повышения чувствительности выполнена в виде кольца, внутренний диаметр которого больше или равен диаметру детектора, а в трубке установлена коаксиальная цилиндрическая система, внутренний и внешний диаметр которой соответственно равен внутреннему и внешнему диаметру сеточной сборки источника ионов. Недостатком данной конструкции является сложность точного формирования напряжений на элементах коаксиальной цилиндрической системы, которые авторы предлагают подбирать экспериментально.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому масс-спектрометру является времяпролетный масс-спектрометр (патент: №2239910, 7 H01J 49/40 опубл. Бюл. №31, 10.11, 2004 г.), содержащий источник ионов, приемник ионов, трубку дрейфа, отражатель ионов, который выполнен в виде сплошной резистивной пленки.
Недостатком прототипа являются: невозможность перестройки нелинейности поля в нелинейном отражателе за счет использования непрерывного принципа образования поля и вследствие этого недостаточно высокая разрешающая способность прибора в области тяжелых масс при жестких массогабаритных ограничениях, сложность изготовления ионного отражателя.
В основу изобретения поставлена задача создания устройства для анализа нейтрального газа ионов с более высоким разрешением, высокой чувствительностью при минимизации массогабаритных характеристик.
Поставленная задача достигается тем, что времяпролетный масс-спектрометр с нелинейным отражателем, содержащий трубку дрейфа, источник ионов, ускоряющую сетку, источник тока и напряжения, источник изменяемого во времени импульсного напряжения, сетку, ограничивающую нелинейный отражатель, нелинейный отражатель и приемник ионов в виде микроканальной пластины, согласно изобретению, нелинейный отражатель выполнен в виде набора колец, различного диаметра, источник тока и напряжения подключен к кольцам, источник изменяемого во времени импульсного напряжения подключен к ускоряющей сетке, трубка дрейфа и сетка, ограничивающая нелинейный отражатель заземлены.
Сущность устройства поясняется чертежами, где:
на Фиг.1 изображена схема времяпролетного масс-спектрометра с нелинейным отражателем,
на Фиг.2 - зависимость электростатического поля от продольной координаты в отражателе.
Времяпролетный масс-спектрометр с нелинейным отражателем содержит трубку дрейфа 1, источник ионов 2, ускоряющую сетку 3, источник тока и напряжения 4, источник изменяемого во времени импульсного напряжения 5, сетку 6, ограничивающую нелинейный отражатель 7, приемник ионов в виде микроканальной пластины 8 и кольца 9.
Источник тока и напряжения 4 подключен к кольцам 9, источник изменяемого во времени импульсного напряжения 5 подключен к ускоряющей сетке 3, трубка дрейфа 1 и сетка 6 заземлены.
Особенностью устройства является то, что при линейном распределении потенциала на кольцах 9, электростатическое поле нелинейного отражателя 7 будет нелинейным. Это достигается за счет особенностей формирования электростатического поля кольцевым электродом. Поле от такого электрода может быть описано уравнением:
Где Q - заряд, распределенный по кольцу, R - радиус кольца, z - расстояние от плоскости кольца до точки, в которой рассчитывается электростатическое поле на оси симметрии кольца.
Как видно из (1) максимум Ez будет в точке:
Тогда для достижения максимального значения поля в нелинейном отражателе примем, что радиус кольца зеркала вычисляется из условия (3) по формуле:
где ai - расстояние от кольца до точки максимального поля зеркала.
Тогда электростатическое поле всей сборки колец (фиг.2) будет определяться из выражения:
При этом максимальное поле будет наблюдаться внутри первого кольца, а потенциал на нем будет равен нолю.
Расстояние между кольцами может быть выбрано постоянным, для простоты изготовления. Потенциал на кольцах растет линейно и для отражения ионов должен в 2 раза превышать потенциал на ускоряющей сетке. Таким образом, при линейном потенциале реализуется нелинейность поля отражателя, а так как линейный делитель потенциала намного проще в изготовлении и обладает высокой точностью, то достигается непрерывность и высокая точность реализации функции изменения электростатического поля внутри нелинейного отражателя 7. Изменяя потенциал на кольцах 9, можно перестраивать нелинейный отражатель 7 на различные диапазоны масс ионов. Таким образом, достигается увеличение диапазона исследуемых масс.
Времяпролетный масс-спектрометр, содержащий трубку дрейфа, источник ионов, ускоряющую сетку, источник тока и напряжения, источник изменяемого во времени импульсного напряжения, сетку, ограничивающую нелинейный отражатель, нелинейный отражатель и приемник ионов в виде микроканальной пластины, отличающийся тем, что нелинейный отражатель выполнен в виде набора колец, диаметр которых увеличивается по мере отдаления от источника ионов, источник тока и напряжения подключен к кольцам, источник изменяемого во времени импульсного напряжения подключен к ускоряющей сетке, трубка дрейфа и сетка, ограничивающая нелинейный отражатель, заземлены.
