времяпролетный масс-спектрометр газов

Формула изобретения

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ГАЗОВ, содержащий ионный источник с сетками, одна из которых подключена к генератору тактовых импульсов, а другая заземлена, пространство дрейфа, приемник ионов, рефлектор и источник напряжения, подключенные к третьей сетке ионного источника и к сеткам рефлектора, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности по массе и уменьшения массогабаритных характеристик, в качестве источников напряжения использованы генераторы разнополярных импульсных напряжений, при этом управляющий вход первого генератора разнополярных импульсных напряжений соединен через дополнительно введенную линию задержки с выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с второй сеткой ионного источника, управляющие входы второго, третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений соединены с выходом генератора тактовых импульсов, все генераторы разнополярных импульсных напряжений последовательно соединены между собой, выход второго генератора разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке ионно-оптической системы, а выходы третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений подключены к первой и второй сеткам рефлектора соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, в частности к технике масс-спектрометрии.

Известен масс-спектрометр, содержащий ионный источник, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, генератор выталкивающих импульсов, приемник ионов [1].

Недостатком масс-спектрометра является низкая разрешающая способность по массе при малых геометрических размерах конструкции анализатора.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является масс-спектрометр газовых частиц, содержащий источник ионов, генератор тактовых импульсов, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, сетки ионно-оптической системы нелинейного фокусирующего зеркала, приемник ионов [2].

Недостатками масс-спектрометра являются низкая разрешающая способность по массе ввиду отсутствия компенсации времени вылета ионов из зоны ионизации и продольной координаты, а также высокие габаритно-массовые характеристики.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности по массе и уменьшение габаритно-массовых характеристик.

Цель достигается тем, что в времяпролетном масс-спектрометре газов, содержащем ионный источник с сетками, одна из которых подключена к генератору тактовых импульсов, а другая заземлена, пространство дрейфа, приемник ионов, рефлектор и источники напряжения, подключенные к третьей сетке ионного источника и к сеткам рефлектора, в качестве источников напряжения использованы генераторы разнополярных импульсных напряжений, при этом управляющий вход первого генератора разнополярных импульсных напряжений соединен через введенную линию задержки с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с второй сеткой ионного источника, управляющие входы второго, третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений соединены с выходом генератора тактовых импульсов, все генераторы разнополярных импульсных напряжений последовательно соединены между собой, выход второго генератора разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке ионно-оптической системы, а выходы третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений - к первой и второй сеткам рефлектора соответственно.

На фиг. 1 представлена блок-схема времяпролетного масс-спектрометра газов; на фиг.2 приведены временные диаграммы работы масс-спектрометра; на фиг. 3 - графики пролета ионов в областях масс-спектрометра l₀₁ и l₁₂; на фиг. 4 приведена зависимость плотности вероятности времени прихода ионов в плоскости приемника.

Масс-спектрометр газов содержит сетки 1,2,3 ионно-оптической системы, сетки 4,5 рефлектора, генератор 6 тактовых импульсов, ионный источник 7, подключенный к выходу генератора 6, линию 8 задержки, последовательно соединенные генераторы 9, 10, 11, 12 разнополярных импульсных напряжений, приемник 13 ионов.

Первая сетка 1 ионно-оптической системы заземлена, вторая сетка 2 подключена к выходу первого генератора 9 разнополярных импульсных напряжений, управляющий вход которого через линию 8 задержки подключен к выходу генератора 6 тактовых импульсов. Управляющие входы второго 10, третьего 11 и четвертого 12 генераторов разнополярных импульсных напряжений также соединены с выходом генератора 6 тактовых импульсов. Выход второго генератора 10 разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке 3 ионно-оптической системы, а выходы третьего 11 и четвертого 12 генераторов разнополярных импульсных напряжений - соответственно к первой 4 и второй 5 сеткам рефлектора.

Масс-спектрометр работает следующим образом.

В течение времени (фиг.2) происходит ионизация газа электронным пучком в бесполевом пространстве d_s(U_s=0). Ширина электронного пучка Х=1-5 мм. Ионы, попавшие в область d_a (фиг.2), за время ионизации ускоряются напряжениями U_уск, U_l01^", U_l12^"и не влияют на формирование массовых линий. В момент времени t₁ U_l01=0 и ионы из промежутков d_s и d_апопадают в бесполевое пространство l₀₁ (фиг.1). Если их скорости превышают V_макс, установленную для данного диапазона, то они также пролетают сквозь масс-спектрометр, попадая в ускоряющее поле U_l12^". Для исключения влияния ионов, попавших в промежуток l₀₁ при t>t₁+t₀, производится отсечка ионов источника (из промежутка d_s) путем включения в момент t₂ запирающего напряжения U_s2 (фиг.2). Небольшое ускоряющее напряжение U_s1 1 B U_уск, действующее в интервале t [ , t₂], может включаться для увеличения коэффициента сбора ионов. Импульсные разнополярные напряжения U_s, U_d, U_l01, U_l12 и их соответствующие времена переключений , t₁, t₁ + t₀, формируемые четырьмя генераторами 9, 10, 11, 12, создают условия фокусировки массовых линий (фиг.3). Время появления иона в промежутке d_a -> t_н. Процессы переключения, показанные на фиг.2, повторяются с частотой, задаваемой генератором 6 цикловых импульсов. Линия 8 задержки позволяет произвести запуск генератора 9 по окончании процесса ионизации, происходящего за время . Таким образом, в промежутке l₀₁ ионы одинаковых масс движутся вначале (t<t+t₁) в бесполевом пространстве с одинаковыми скоростями. Затем при t= t₀+t₁ включается тормозящее поле U= . В результате ионы, попавшие в l₀₁ с большим запаздыванием, затормаживаются сильнее и проходят меньший путь в l₁₂. В момент t=T все ионы одинаковых масс оказываются в плоскости первой сетки промежутка l₁₂ (плоскость приемника 13, фиг.1).

Таким образом, осуществляется одновременная компенсация начальных разбросов ионов по скоростям, координате и времени вылета путем создания управляющего, переменного во времени электрического поля на одном из участков пролета.

Для более подробного описания изобретения приводят обозначения участков ускорения, торможения в анализаторе и соответствующих им потенциалов. На участках d_s, d_a, l₀₁, l₁₂ действуют электрические поля, порождаемые соответствующими напряжениями, полученными с помощью генераторов 9, 10, 11, 12 (фиг.1) U_s, U_d, U_l01 (U_l01^", U_l01^""), U_l12 (U_l12^", U_l12^"").

Время t_н появления иона в промежутке d_a определяется как

t_н= t + ; V_o> 0. (1)

В промежутке d_а ион ускоряется напряжением U_s и приходит к первой сетке промежутка l₀₁ (3, фиг.1) в момент

t = t_н+ (2)

и со скоростью

V = . (3)

Напряжение U_уск должно обеспечивать V>>V_о, что означает приблизительное равенство скоростей ионов с одинаковыми массами. Промежутки d_s и d_а представляют собой источник, который поставляет на первую сетку управляющего промежутка l₀₁ ионы с начальными скоростями V, с запаздыванием t (из формулы 2) и начальными координатами Х=Х_е, также одинаковыми для всех ионов (Х_е - координата первой сетки промежутка l₀₁). Далее необходимо найти такой закон управления U_l01(t) в промежутке l₀₁, который компенсирует случайные времена t .

Пусть Х_е = 0 и t _мин=0, тогда уравнения движения иона в промежутке l₀₁ записываются следующим образом:

x = V(t - t) + a()ddt;

V_x = V + a()d,

(4) где а(t) - искомый закон изменения ускорения в промежутке

a(t) = ;

t₀ = - время существования бесполевого пространства;

V_макс - максимально допустимая скорость ионов самой легкой массы из заданного диапазона масс:

V_макс= ; (5)

V_{o макс}= 3_v = 3 . (6)

Ион, вылетевший из управляющего промежутка l₀₁ в момент t₁, приобретаeт скорость V₁₂(t₁) и под действием тормозящего ускорения

a_т= (7)

возвращается в плоскость первой сетки промежутка l₁₂ с той же скоростью V₁₂(t₁). Общее время пролета промежутков l₀₁ и l₁₂ равно

T₁= t₁+ . (8)

Из условия временной фокусировки ионов одной и той же массы необходимо, чтобы выполнялось условие T=const, скорость V₁₂(t₁) находят из уравнения (8):

V₁₂= a_т. (9)

Для момента t=t₁ достижения ионов первой сетки промежутка l₁₂имеют из выражения (4)

l₀₁ = V(t - t) + a()ddt; (10)

V₁₂ = V + a()d . (11)

Из выражения (11) путем дифференцирования по t₁ с учетом уравнения (9) находят закон уравнения а(t₁):

a(t₁) = = - ; t t₀. (12)

Подставляя уравнение (12) в выражение (11) и приравнивая результат к уравнению (9), получают выражение для времени пролета Т:

a_т= V - (t₁-t₀)T = t+ , (13) при V_{0 макс} V имеют V = ; t_o= ;

T = t1 + _. (14)

Разрешающая способность определяется из условия

T T, (15) где Т - интервал времени между спектральными линиями, соответствующими массовым числам М и М + 1 при нулевых начальных скоростях V;

Т - временной разброс (ширина массовой линии), определяемый максимальной начальной скоростью

V_{0 макс} = , (16) где = - дисперсия начальных (тепловых) скоростей;

К - постоянная Больцмана;

Т^о - абсолютная температура;

m - масса иона.

Коэффициент в выражении (16) находится из условия разрешения соседних масс с числами М и М + 1 с вероятностью не менее заданной. Так, если вероятность разрешения Р=1, то 9 (закон 3 при нормальном распределении тепловых скоростей). Выражения для Т и Т:

T = T_{макс M} - T⁰_M = A - 1; (17)

T = T⁰_M+1- T⁰_M = - , (18) где Т_М^о - время пролета иона с массовым числом М при V_о=0;

A = l M . (19)

Подставляя выражения (17), (18) в условие (15), получают неравенство, характеризующее разрешающую способность масс-спектрометра:

M . (20)

Таким образом, максимальное массовое число, разрешаемое с заданной вероятностью Р, пропорционально ускоряющему напряжению U_уск в промежутке d_а и обратно пропорционально температуре плазмы и параметру .

Параметр находят из следующего выражения по заданной вероятности разрешения Р:

( ) = ; (21)

(x) = e dx - интеграл вероятностей.

Уравнение (21) получено в предположении, что V_о - начальная тепловая скорость ионов, распределенная по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и дисперсией _Vo² . На фиг.4 изображена плотность вероятностей W_T(T) времен прихода ионов в плоскость приемника (определяет форму импульса тока на выходе ВЭУ):

W_т(t) = e ; t - t₀ A , где

²_x = .

Результаты расчета разрешающей способности М_макс сведены в таблицу (U_уск=200В, Т^о = 300К)

Теоретическое и экспериментальное исследования заявляемого масс-спектрометра показали, что по сравнению с известными масс-спектрометрами (прототипом) он обеспечивает значительно более высокое разрешение по массе (порядка 500-1000 и более практически) при малых габаритно-массовых характеристиках (l = 270 мм, 80 мм и m = 0,7 кг). Для сравнения: разрешение по массе известных масс-спектрометров при тех же габаритно-массовых характеристиках составляет практически 150-200.