1.2.9. Принцип фокусировки ионов с помощью искривленной границы секторного магнитного поля
В ранее рассмотренном нами методе фокусировки ионов использовалось секторное магнитное поле с плоскими границами согласно классической схеме (рисунок 14). Недостаток такого поля заключается в том, что здесь только центральный луч входит по нормали к границе поля, а остальные лучи имеют отклонение от прямого угла, поэтому неизбежно возникают абберации.
Более совершенной фокусировки, так называемой фокусировки второго порядка, можно добиться, используя другой принцип хода ионного луча.
Теоретические и практические исследования показали, что обычное секторное магнитное поле можно использовать значительно целесообразнее и получить более совершенную фокусировку, если каждый луч ионного пучка будет входить по нормали к границе поля.
Рассмотрим плоское сечение секторного магнитного поля (рисунок 15).
ω
x
θ
y
a
0'
r
θ
Пусть точечный источник ионов P1 дает ионный пучок с общим углом расхождения ω = 2α. Выясним, какую форму должны иметь границы симметричного сектора для получения идеальной фокусировки пучка в точке P2 на коллекторе.
Для ионного луча, составляющего угол θ с направлением P1 P2 , мы можем найти такую точку падения (x, y) на левой границе сектора, чтобы двигаясь в пределах симметричного сектора по дуге радиуса r, луч попал в точку P2. Из рисунка 15 следует, что
. (38)
Учтем далее, что радиус r перпендикулярен к касательной к центральному лучу в точке А, т.е. к P1 А. Отрезок АD ⊥ АС. Отсюда следует, что треугольники P1 АС и АDО ' подобны. Из треугольника АDО ' имеем:
(39)
Таким образом,
(40)
Полученное соотношение (40) есть уравнение границы магнитного поля с оптимальной фокусировкой. Точки, удовлетворяющие условию (40), образуют криволинейную границу секторного поля в форме параболы, имеющей точки перегиба, когда отдельные лучи ионного пучка будут входить в магнитное поле по перпендикуляру к касательным к границе поля в данных точках в пределах угла ω.
Секторное поле с идеальной конфигурацией
границы дает фокусировку второго порядка
,
которая выполняется даже при углах α
= 2˚. В данном случае имеем:
(41)
Криволинейная граница магнитного поля сложенее в изготовлении, но сферические абберации здесь заметно уменьшаются, поэтому в современных масс-спектрометрах в основном используется искривленная граница поля.
Могут быть следующие варианты анализаторов (рисунок 16, а, б).
a)
б)
φ
φ
На рисунке 16а представлена выпуклая, а на рисунке 16б-вогнутая граница магнитного поля.
1.3. Хроматическая абберация
Ранее мы везде допускали, что ионы, подлежащие анализу по массам, являются моноэнергетическими, причем каждому массовому числу соответствует определенная скорость. Однако на практике невозможно избежать некоторого разброса ионов по скоростям при одном и том же их массовом числе. Это приводит к тому, что ионы одинаковой массы движутся по траекториям с различными радиусами, происходит их отклонение от центральной траектории на некоторый небольшой угол α (аппертурный угол) и как результат уширение ионного пучка в точке фокусировки (на коллекторе).
Явление разброса ионов одинаковой массы за счет их разных скоростей получило название хроматической абберации.
Причины хроматической абберации следующие:
- Ионы получают обычно бомбардировкой атомов и молекул электронами в виде электронного пучка определенной ширины. Для вытягивания образовавшихся ионов прикладывается электрическое поле, перпендикулярное электронному пучку. Поэтому образующиеся ионы будут ускоряться на разных расстояниях, хотя и мало отличающихся друг от друга.
При соударении ионов друг с другом или с нейтральными частицами в зоне ионизации происходит изменение первоначальных скоростей ионов. Поэтому очень важно правильно выбирать необходимое рабочее давление газа или паров в ионном источнике.
Ионы, образующиеся из продуктов диссциации молекул, всегда приобретают некоторую часть энергии распада, это также приводит к появлению ионов с разными скоростями, а следовательно, и к абберации, поскольку будет иметь место слаборасходящийся ионный пучок.