1.5.3. Чувствительность и светосила масс-спектрометров

Светосилой масс-спектрометра (W) называется отношение импульса однокомпонентных ионов, фиксируемого на коллекторе к чувствительности измерительной схемы прибора,

(56)

где V_м.к.-интенсивность монокомпонентных ионов, ∆V_сх -флуктуации измерительной схемы прибора.

Чувствительность это наименьшее содержание определяемой компоненты, которое можно зарегистрировать данным методом.

В случае масс-спектрометрии-это наименьшее отношение интенсивностей пиков для двухизотопного элемента или двухкомпонентной газовой смеси, когда одна из компонент присутствует в виде малой примеси, т.е. в виде следов.

Чувствительность не одинакова у различных элементов. В первую очередь она зависит от потенциала ионизации атомов и молекул, от эффекта дискриминации масс на узких щелях ионооптической системы, влияния ускоряющего потенциала, селективности при откачке и от ряда других факторов.

Обычно используют два типа чувствительности: изотопную и газовую.

Отношение зарегистрированной интенсивности наименее распространенного изотопа к интенсивности основного изотопа в двухизотопной смеси или к сумме интенсивностей всех остальных изотопов в многокомпонентной смеси называется изотопной чувствительностью.

С целью единства и однообразия при сравнении чувствительности различных масс- спектрометров рекомендуется методика измерения чувствительности, использующая в качестве исходной эталонной смеси аргон, содержащийся в атмосферном воздухе в количестве порядка 1%.

В основе этой методики лежит измерение на разных приборах малораспространенного изотопа аргон-36. Изотопная чувствительность (j) определяется по следующей формуле:

(57)

где V_36Ar-интенсивность менее распространенного изотопа, аргон-36,

C_36Ar и C_40Ar-дольные концентрации изотопов аргона-36 и аргона-40, соответственно.

Данный метод прост и удобен, поскольку аргон всегда есть в атмосферном воздухе, кроме того аргон инертный газ. Поэтому рассмотренная методика широко используется во всех случаях сравнительных испытаний различных масс-спектрометров, при определении чувствительности прибора в процессе ввода его в эксплуатацию или после ремонта, а также при оценке погрешности измерений масс-анализа.

1. 6. Ионные источники для масс-спектрометров

В связи с разнообразием масс-спектрометрических приборов и решаемых с их использованием задач по оценке составов атомарных и молекулярных смесей требуются и используются разнообразные источники ионов.

1. Основные требования к ионным источникам

Ионные источники, применяемые в масс-спектрометрии, должны удовлетворять целому ряду требований, вытекающих как из свойств анализируемых смесей, так и из существа поставленных исследовательских задач. Эти требования в значительной мере противоречивы и мы остановимся на их общих закономерностях, которым должен удовлетворять ионный источник, используемый в обычных масс-спектрометрических анализах:

- Ионный источник должен давать пучок ионов строго определенной геометрической конфигурации. Сечение пучка должно быть прямоугольным с отношением сторон 100:1 (10×0,1 мм). Угол расходимости пучка (аппертурный угол) не должен превышать α =1˚.

• Ионы, входящие в состав пучка, должны обладать одинаковой энергией. Для простейших устройств, предназначенных для излучения изотопного состава, однородность ионов по энергиям должна выполняться с точностью до десятых долей процента. Для прецизионного определения состава изотопных смесей требуется однородность ионов по энергиям до сотых долей процента.

• Сила ионного тока должна быть не менее 10^-11 А и оставаться неизменной в течение всего времени проведения измерений-обычно несколько часов. Минимальная сила ионного тока в пучке определяется типом регистрирующей системы. Стабильность ионного тока во времени особенно существенна при электрометрических методах регистрации

• Ионный источник должен быть универсальным, т.е. обеспечивать получение ионов возможно большего числа веществ: газообразных, жидких, твердых.

• Источник ионов должен расходовать минимальное количество исследуемого вещества. Это требование особенно существенно при анализе специально получаемых материалов, в том числе изотопов, которыми можно располагать обычно лишь в очень малых количествах.

• Степень ионизации η должна быть максимальной. Под степенью ионизации понимают отношение числа образующихся положительно заряженных ионов N⁺ , создаваемых в источнике, к общему числу N_о взятых нейтральных частиц

(58)

Как правило, эта величина не велика. В зависимости от исследуемых атомов и молекул и типа используемого источника ионов величина η колеблется в широких пределах от 20 до 10^-2, %.

• Существенным требованием является чистота пучка в отношении масс ионов. Источник не должен создавать никаких посторонних ионов, кроме принадлежащих исследуемому образцу. Опасность появления посторонних ионов всегда существует, прежде всего от остаточных количеств предыдущих исследуемых проб ("память прибора") и от паров масла, проникающих в аналитическую часть из вакуумных насосов.

• Давление газов и паров в анализаторе во избежание рассеяния ионов не должно превышать 1∙10^-7 мм. рт.ст. В связи с этим в источнике ионов, отделенном от анализатора выходной щелью, рабочее давление не должно превышать 5∙10^-5 мм. рт.ст.