Времяпролетный масс-спектрометр

 

(в> дц

СОЮЗ. СОВЕТСКИХ

ОЦЮ

РЕСПУБЛИК (g1)$ н 01 Л 49/40

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ е-.- . г с

° Ю

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 2933324/21 (22) 29.05.80 (46) .15.05.92. Бюл. И 18 (7l) Институт геохимии и аналитической химии им.В.И.Вернадского и Московский инженерно-физическийинститут (72) А.A.Сысоев, Г.И.Рамендик, В.А.Олейников, Б.Г.Мищенко, В.И.Держиев, В,П.Иванов и F В.Комаров (53) 621.384(088.8) (56) Крейг и др. "Определение примесей в твердых телах при помощи масс-спектрометра и искровым ионным источником", в кн.: "Успехи массспектрометрии" под ред. Дж.Д.Уолдрена, М.И.Л., 1963, с.140-158.

Рамендик Г.И. и др. "Механизм ускорения ионов в плазме вакуумного искрового разряда",, Письма в журнал технической физики",1979. (54)(57) 1. ВРЕМЯПРОЛЕТНЦЙ МАСССПЕКТРОМЕТР,.содержащий искровой источник ионов с разрядными электродами и оптической системой, выход ко" торого через последовательно соединенный времяпролетный масс-анализатор и детектор соединен с одним из вхо" и

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для элемент" ного анализа твердых веществ.

Известны масс-соектрометры для элементного анализа твердых веществ, в которых для получения ионов используется искровой источник, а для их разделения - последовательно

2 дов блока регистрации блок питаL

У ния и вакуумные насосы, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности анализа, он дополнительно содержит генератор усилитель и сетку, расположенную внутри источника ионов между разрядными электродами и оптической системой, состоящей из ячеек с характерным размером d, связанным с расстоянием

Ь от сетки до разрядных электродов соотношение d (0,01-01)L, и подключенную к входу генератора-усилителя, выход которого соединен с другим входом флока регистрации.

2. Масс-спектрометр по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что блок р гистрации выполнен в виде распределителя, выходы которого через последовательно соединенные аналого-цифровые. преобразователи и интеграторы соединены с соответствующими входами. блока опроса и считывания.

3. Масс-спектрометр по пп.1, 2, отличающийся тем, что распределитель содержит блок зада- : ния ширины каналов по закону

Д t 1/ti

О

Э установленные электрический и магнитный анализаторы.

Такие приборы имеют большой вес и габариты вследствие необходимости ус" корения ионов до высоких энергий (из-за большого энергетического

I разброса ионов, получаемых в искровом источнике) . фотографический метод регистрации в таких приборах ограничивает точность анализа и увеличивает его продолжительность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является времяпролетный масс-спектрометр, содержащий искровой источник ионов, включающий разрядные электроды и оптическую систему, времяпролетный анализатор с электростатическим отражателем, детектор, устройство регистрации, вакуумные насосы, блоки питания.

Источник ионов в таком устройст" ве выполнен в виде двух разрядных электродов и установленной напротив . разрядного промежутка диафрагмы с отверстием. В качестве регистрирующей системы -использован импульсный усилитель, выход которого подключен: . к входу осциллографа с запоминающей трубкой. Запуск регистрирующей системы осуществляется от разрядного импульса.

Использование времяпролетного масс-анализатора позволяет создать сравнительно простой, малогабаритный. прибор для анализа твердых тел, с помощью которого от каждого импульса искры регистрируется полный масс-спектр.

Однако такой прибор обладает существенными недостатками: он не позволяет получить удовлетворительную воспроизводимость измерения массионов и концентрации примесей, а так" же низкий предел обнаружения, Основная причина этого заключается в том, что для разделения ионов по массам во времяпролетном масс-анализаторе из источника должны выходить свободные ионы,в то время как при искровом разряде в вакууме ионы образуются в сравнительно плот. ной плазме, которая в течение не" которого времени расширяется как единое целое, без разделения ионов .по массам. Распад плазменного сгустка и выделение из него ионной составляющей происходит обычно .в ускоряющем промежутке.под действием электрического поля. Таким образом, момент времени, когда ионы начинают разделяться в пространстве в соответствии с их массой, сдвинут относительно разрядного импульса, запускающего систему регистрации. Этот сдвиг от импульса к импульсу не остается постоянным, так как точка развала

867219 4 плазмы в ускоряющем промежутке не фиксирована, поэтому время прихода на детектор ионов с данной массой верьирует от импульса к импульсу в пределах 2-5 мкс, что вносит в измерение масс-ионов ошибку, достигающую 2-5 а.е.м.

Этот сдвиг масс-спектров от импуль

1g са к импульсу затрудняет идентифика-. цию массовых линий, особенно при анализе таких сложных по составу объ-, ектов, как пробы природного происхождения. Кроме того, оказывается невозможным использовать накопитель" ное устройство для суммирования ионных токов по многим импульсам искры.

Масс-спектры приходится регистрировать от одиночных импульсов. ур Полное число ионов, достигающих детектора после одного импульса

4» составляет 10 -10 . Поэтому динамический диапазон прибора не может пре4 5 вышать 10 -10, т.е. предел обнару25 жения оказывается не ниже 1(Г -10 Ф. по этой же причине (из-за отсутствия усреднения по многим импуль" сам искры) не. удается исключить влияние негомогенности пробы, в свяЭО зи с чем и воспроизводимость резуль- татов анализа оказывается неудовлетворительной. Это ведет к ухудшению точности анализа и пределов обнаружения.

Э5

Целью изобретения является повышение точности определения масс и концентраций элементов и снижение предела обнаружения примесей для масс-спектрометра с искровым источником ионов и времяпролетным. ана" лизатором. Поставленная цель дости-, гается тем, что масс-спектрометр, содержащий искровой источник ионов с разрядными электродами и оптической системой, выход которого через

45 г, последовательно соединенный времяпролетный масс-анализатор и детектор соединен с одним из входов блока регистрации, блок питания и вакуумные насосы, дополнительно содержит генератор-усилитель, и сетку, расположенную внутри источника ионов между разрядными электродами и оптической системой, состоящую из

55 ячеек с характерным размером d свяУ ванным с расстоянием L эт сетки цо разрядных электроров соотношением d (0,01-0, 1) L и подключенную к входу генератора-усилителя, 67219 .

5 8 выход которого соединен с другим входом блока регистрации, причем блок регистрации выполнен в виде распределителя, выходы которого через последовательно соединенные аналогоцифровые преобразователи и интеграторы соединены с соответствующими входами блока опроса и считывания, а распределитель содержит блок задания ширины каналов по закону Д с1/t.

Структурная электрическая схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

-Устройство состоит из источника ионов 1, включающего разрядные электроды 2, сетку 3„ и оптическую систе" му 4, времяпролетного масс-анализа- тора 5, детектора 6, блока 7 питания источников ионов, усилителя-генератора 8, вакуумных насосов 9 и блока регистрации 10, содержащего распреде." литель 11 с блоком задания ширины каналов, аналого-цифровые преобразо . тели 12, интеграторы 13 и блок 14 опроса и считывания, причем сетка 3 подключена ко входу усилителя-генератора В и расположена в источнике ионов 1 между оптической системой 4 и разрядными электродами 2, подключенными к блоку 7 питания выход источника 1 через последовательно сое" диненный времяанализатор 5 и детек" тор 6 соеди,.ен в блоке 10 с сигналь" ным входом распределителя ll, управляющий вход которого соединен с вы"

° . ходом усилителя генератора 8, а выходы распределителя 11 через соот" ветствующие аналого-цифровые преобразователи 12 и последовательно соединенные с. ними интеграторы 13, соединены с соответствующими входами блока 14 опроса и считывания. Источник ионов 1, анализатор 5 и детектор 6 расположены в вакуумной камере, откачиваемой насосами 9.

Сетка, введенная в источник ионов, выполняет две функции, разделение электронной и ионной составляющей плазмы и формирование ионного паке" та. Когда разлетающийся из межэлектродного зазора плазменный сгусток достиrает сетки, электроны, обладаю" щие большей подвижностью, попадают на нее, а ионы проходят через ячейки, формирование сигнала для запуска регистрирующей системы. Момент прохождения ионов через сетку является началом отсчета времени разделения ионов по массам во времяпролетном анализаторе. Этот момент фиксируется по сигналу тока электронов, оседающих на сетке. Использование в регистрирующей системе усилителя-генератора, подключенного к сетке .для запуска регистрирующей системы, позволяет жестко связать

10 время прихода ионов с их массой.

Для того, чтобы обеспечить развал . плазмы на сетке, расстояние от нее до промежутка и размер ячеек сетки определяется из следующего. условия.

15 -Сетку помещают на расстоянии Ь, pasном примерно 100R где Ro — начальный радиус плазменного сгустка, образующегося между электродами под действием искры. Характерный размер ячеек сетки должен быть порядка дебаевского радиуса плазмы, т,е. от 1 до 103„ (на расстоянии Ь, равном 100R ) . Таким образом, характерный размер ячеек сетки связан с расстоянием сетки от искрового промежутка соотношением d (0,01-0,1)L

Ъ реальных условиях Ro изменяется от

10" до 3 ° 10 "мм, чаще всего Ro, Ф=0,1 мм. Тогда размер ячеек сетки у d = 1 мм, а расстояние от нее до искрового промежутка I. 10-100 мм.

Предлагаемый масс-спектрометр работает следующим образом.

Импульс высЬкого напряжения подается на разрядные электроды 2, между которыми возникает пробой. Образующаяся в результате пробоя . плазма осаждается на сетке 3, что приводит к появлению на сетке отри,Е цательного импульса. Этот импульс, запускает усилитель-генератор 8, в результате на его выходе формируется импульс для запуска блока 10 регистрации. После прохождения плазмем< ным сгустком сетки 3 электроны осаждаются на ней, а ионы ускоряются оптической системой 4 источника

Далее ионный сгусток разделя 0 ется во времяпролетном анализатор1

5 по времени пролета в зависимости от отношения массы к заряду ионов.

Оптическая схема масс-спектрометра выбрана таким образом, чтобы осуществлялась временная фокусировка ионов по энергии и коррекция временных аберраций первого порядка.

Разделеннь(е по массам сгустки регистрируются детектором 6. ЬД1

Введение сетки 3 в источник ионов

1 стабилизирует масс-спектрометр от импульса к -импульсу, что позволяет использовать электронную систему для накопления масс-спектров от многих пробоев. Образующаяся на выходе де-. тектора 6 последовательность импульсов, каждый из которых соответствует . . ионам данной массы, поступает на блок регистрации 10, который выполнен в виде многоканального анализатора, специально предназначенного для регистрации масс-спектров во времяпролетном масс-спектрометре.

В этом приборе время прихода ионов t пропорционально квадратному корню из массы иона, э промежуток времени между приходом двух соседних пакетов ht обратно пропорцио- 3) нален этой же величине, т.е. и м

1/t. Поэтому блок 10 регистрации содержит распределитель 11, осуществляющий поочереДное открывание каналов для накопления электрических с иг на лов, соот ветст вующих ионам с определенными. массами, и задание ширины каналов, обесг;ечивающее уменьшение ширины каналов с увеличением массы ионов.

Распределитель соединен с входами аналого-циФровых преобразователей

12, преобразующих площади пиков массспектра в циФровую Форму, выходы которых подключены к входам интеграторов 13, суммирующих сигналы для каждой массы ионов . Процесс сортировки повторяется для каждого искрового разряда, s результате чего в интеграторах 13 накапливаются сигналы, интенсивность которых пропорциональна концентрациям соответствующих элементов в анализируемом образце.

Процесс накопления продолжается в течение определенного времени, которое зависит от заданного предела обнаружения примесей. После заверше"

9 Ь ния накопления включается блок 14 опроса и считывания, обеспечивающий измерение и запись сигналов, накопленных в интеграторах. Таким образом, получается полный массовый спектр исследуемого образца .

Применение аналого-циФровых преобразователей в комплексе с интеграторами дает возможность, с одной стороны, уменьшить влияние на точность анализа статистического характера амплитуд импульсов, имеющего место для каждого отдельного искрового разряда, с другой стороны, обеспечить усреднение сигналов в течение длительного времени, что позволяет повысить точность анализа и устранить влияние на нее обьемной неоднородности анализируемого мате" риала. И,наконец, несмотря на ограничения времяпролетного масс-спектро" метра в регистрации относительной концентрации пределом f0 3, использование интеграторов позволяет снизить этот предел до 10 4 и ниже.

Использование устройства опроса и считывания, .накопленных в канале сигналов обеспечивает получение результата анализа в циФровом виде, что способствует увеличению точно" сти записи полученных результатов.

Предлагаемое устройство может применяться для элементного анализа при поиске полезных ископаемых, иссле" довании состава планет солнечной системы, анализе веществ особой чистОты, кОнтроле изделий микрО электроники и т.п. и заменить выпускаемые в настоящее время.СКБ АП НТ0 А

СССР масс"спектрометры с искровым источником ионов ти а ИХ-3301, превосходя их по абсолютной чувствительности на ?-3 порядка, экспрессивности анализа (несколько минут вместо не" скольких часов), габаритам и весу (50 кг вместо 2500 кг).

867219

Заказ 2436 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,!0) Реда ктор О. Филиппова

ЮЮ

Texpep M.Ìîðãåíòàë Корректор И. Самборская