Призменный масс-спектрометр

 

ОЛИСАЙИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

ii i) 671582

Союз боветских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 01.11.76 (21) 2416114/18-25 (51) М. Кл.з

H 01J 39/34

С 01N 27/62

В 01Р 59/44 с присоединением заявки №

Государственный комитет

СССР (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.09.82. Бюллетень № 36 (45) Дата опубликования описания 30.09.82 (53) УДК 621.384 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Автор изобретения

И. Ф. Спивак-Лавров

Институт ядерной физики АН Казахской ССР (71) Заявитель (54) ПРИЗМЕННЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Изобретение относится к области массспектрометрии, а более конкретно — к направлению призменной ионной оптики в масс-спектральном приборостроении.

Известны призменные масс-спектрометры (1), в которых используются двумерные магнитные призмы и масс-спектрограф

Матсуда Осака II с конусовидной магнитной призмой (2).

Кроме магнитной призмы для этих приборов характерно наличие отклоняющих электростатических систем, участвующих в ахроматизации анализаторов, а также коллиматорной и фокусирующей линз, в фокальных плоскостях которых помещены щели источника и приемника ионов. В приборах с двумерной магнитной призмой для ахроматизации используются двумерные телескопические системы, в масс-спектрографе Матсуда — тороидальное электрическое поле. В первых оптика обеспечивает тройную фокусировку ионного пучка: по скоростям и по двум направлениям, а все виды геометрических аберраций второго порядка, включая искривление спектральных линий, отсутствуют. В приборе Осака II осуществляется фокусировка ионного пучка по скоростям и в направлении дисперсии. Отсутствие вертикальной фокусировки и геометрические аберрации второго порядка приводят к тому, что получение рекордных разрешений в приборе Матсуда (более 1 миллиона на полувысоте пика при

5 ширине щелей 4 мк) сопряжено со значительной потерей светосилы. Низкая чувствительность и искривление спектральных линий, обуславливают неперспективный фотографический метод регистрации спект10 ров.

Известен призменный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионов и расположенные между ними коллиматорную и фокусирующую линзы и отклоняю15 щую диспергирующую систему .(3). Дополнительная телескопическая система участвует в ахроматизации, а также позволяет увеличить угловую дисперсию спектрометра по массе. Однако согласование пара20 метров телескопических систем и магнитной призмы, необходимое для выполнения условия ахроматичности, приводит к тому, что возможности дополнительной телескопической системы в увеличении разрешаю25 щей способности масс-спектрометра не могут быть реализованы полностью, а также не может быть значительно увеличена угловая дисперсия по массе магнитной призмы. Кроме того, приоор некомпактен — выЗО тянут в одном направлении, 671582

З5

1 5

G0

Цель изобретения — увеличение разрешающей способности и уменьшение габаритов прибора.

Это достигается тем, что в качестве днспергирующей системы применена ахроматичная конусовидная призма со совмещенными электрическим и магнитными полями, поверхность полюсных наконечников, магнитных экранов и электродов которой представляет собой коническую поверхность, разрезанную полуплоскостями, проходящими через ось системы. Угол раствора конуса равен по крайней мере 85", а полуплоскости, ограничивающие полюсные наконечники, образуют двугранный угол, равный по крайней мере 200 .

Предлагаемый масс-спектрометр не сложен в исполнении, его детали и узлы технологичны, схема компактна. Большая дисперсия прибора в сочетании с небольшими аберрациями второго порядка и объемной фокусировкой ионного пучка определяют его высокую разрешающую способность при значительной светосиле.

На фиг. 1 изображена схематически конусовидная призма; на фиг. 2 — ионо-оптическая схема предлагаемого масс-спектрометра в одном из наиболее компактных вариантов и ход ионных траекторий в проекции на среднюю плоскость системы, с которой совмещены средние плоскости призмы ху и фокусирующих элементов прибора.

Предлагаемый масс-спектрометр содержит полюсные наконечники 1 конусовидной призмы, которые являются одновременно электродами с потенциалом Ф1, 2, 3 — электроды 2 и 3 с потенциалами Ф1 и Фн соответственно, выполняющие также функции магнитных экранов призмы. Непосредственно к магнитным экранам примыкают две трансаксиальные линзы— электроды 4 — 6, в фокальной плоскости которых расположены щели источника 7 и приемника 8 ионов, перпендикулярные средней плоскости.

Выходящий из каждой точки щели источника расходящийся гомоцентричный пучок ионов формируется коллиматорной линзой в объемный параллельный пучок. Потенциал на среднем электроде 5 подобран так, чтобы линза работала в режиме анаморфота. Электроды б и полюсные наконечники

1 заземлены. Потенциалы электродов 3 и

4 одинаковы. После прохождения призмы ахроматизированный объемный пар аллельный пучок ионов с анализируемой массой фокусируется вторая линзой в щель приемника.

Конусовидная призма с совмещенными электрическим и магнитным полями представляет собой гибкую электронно-оптическую систему, которая не только выполняет функции трех основных узлов прототипа, но позволяет значительно улучшить его наиболее важные характеристики.

Геометрия призмы полностью задается углами, у„, ó . Поверхности полюсных на1онечников и магнитных экранов -- электродов лежат на координатных поверхностях а их границы совпадают с полуплоскостями н, 72

v + — и где у, д, ф — сферическая система координат, связанная с изображенной на рисунке декартовой системой координат х, у, z соотношениями х = r sin д cos ф, у = r sin д

sin ф, z = r cos О. Плоскость xz является плоскостью симметрии призмы и всего прибора в целом.

В конусовидной призме создаются совмещенные электрическое и магнитное поля, скалярные потенциалы которых зависят только от угловых переменных О и ф. В таком поле все траектории ионов, движущихся в средней плоскости ху с одинаковыми энергиями и образующих на входе в призму параллельный пучок, будут подобны, что и обеспечивает их параллельность на выходе из призмы. При этом вовсе не обязательно предположение о круговой форме осевой траектории в межполюсном зазоре.

Отказ от круговой формы осевой траектории позволяет полнее использовать призматические свойства конусовидных полей.

Магнитное поле конусовидной призмы позволяет заворачивать пучок ионов на углы значительно превосходящие л и за счет этого обладает большой угловой дисперсией по массе D„„. При этом призма в целом может отклонять пучок ионов на углы примерно равные л. Масс-спектрометр с такими углами отклонения заряженных частиц предельно компактен: его длина определяется в основном фокусным расстоянием трансаксиальных линз, а ширина равна линейным размерам призмы. (Такой прибор схематически изображен на фиг. 2).

Фокусирующие свойства магнитного поля конусовидной призмы дают ей еще одно преимущество над двумерной магнитной призмой, приводя к новым дополнительным возможностям в связи с требованием вертикальной фокусировки ионного пучка. Конусовидное магнитное поле фокусирует заряженные частицы к средней плоскости во всем промежутке между полюсными наконечниками, а не только в области края магнита, поэтому обеспечить телескопичность призмы можно при наличии в системе одного, двух и даже трех промежуточных линейных фокусов. Причем в двух и трехфокусном вариантах системы при одинаковых углах а угловая дисперсия конусовидной призмы только за счет магнитно67Л82

ro поля Р„значительно больше, чем в двумерной магнитной призме. Так, например, при у = 10, у„= — 200 и обычных для двумерных призм значениях угла телескопичности а=51 † угловая дисперсия конусовидной магнитной призмы в 5 — 6 раз больше.

Электрическое поле в конусовидной призме выполняет функции двух телескопических систем прототипа: осуществляет фоку- 10 спровку ионов по скоростям и увеличивает угловую дисперсию призмы по массе, а кроме того, участвует в вертикальной фокусировке ионного пучка. Увеличение угловой дисперсии призмы D; за счет электрическо- 1> го поля в конусовидной призме имеет тот же характер, что и в прототипе, и при углах х=5 — 10 хорошо описывается приближенной формулой:

D D„

cos j где и 1 — углы падения п преломления на эффективные грани призмы tt, причем

При одинаковом отношении потенциалов

< >, — ) 1 увеличение угловой дисперсии тем 30

Фо больше, чем больше, !. В призмах с х=

=5 — 10 максимально возможные значения

j=60 — 65, что при значении )/ =3, Фо позволяет увеличить Р; по сравнению с Р„ в 2 — 2,5 раза.

Подбирая определенным образом напряженность магнитного поля, отношение по

При использовании призмы с 7„— — 200", y> — -300, X-— — 10, I/ Ф .= 3 и фокусных

" о расстояниях линз около 2 м линейная дис.персия масс- спектрометр а равна примерно

20000 м м, а геометрические аберрации второго порядка позволяют получить теор етическое разрешение 15 — 20 миллионов по полувысоте пика при микронных ширинах щелей источника и приемника ионов. При одинаковых габаритах с прототипом дисперсия предлагаемого масс-спектрометра примерно в 8 раз больше. Это означает, что используя более широкие щели, можно в

8 раз поднять чувствительность предлагаемого прибора при той же разрешающей способности или при одинаковых щелях в

8 раз поднять его разрешение. При одинаковых с прототипом разрешающей способности и чувствительности габариты предлагаемого масс-спектрометра могут быть уменьшены более чем в 8 раз.

Формула изобретения

1. Призменный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионов и расположенные между ними коллиматорную и фокусирующую линзы и отклоняющую диспергирующую систему, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и уменьшения габаритов прибора, в качестве диспергирующей системы применена ахроматичная конусовидная призма со совмещенными электрическими и магнитными полями, поверхность полюсных наконечников, магнитных экранов и электродов i:oòoðoé представляет собой коническую поверхность, разрезанную полуплоскостями, проходящими через ось системы.

2. Устройство по п, 1, о тл и ч а ю щ ее с я тем, что угол раствора конуса равен по крайней мере 85, а полуплоскости, огр аничивающие полюсные наконечники, образуют двугранный угол, равный по крайней мере 200 .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Кельман В. М., Родникова И. В., Утеев М. Л. ДАН СССР, 184, 831, 1969.

2, Matsuda Н., Advan. Mass-Spectroscopy

5, 3, 1971.

3. Авторское свидетельство СССР № 353186, кл. G 01N 27/62, 1970, 671582

fZ

Редактор Л. Письман

Техред А. Камышиикова

Корректор Л, Слепая

Заказ 1184/6 Изд. № 211

Тираж 758 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2