1.7.2. Статические системы
Как уже отмечалось ранее, любой ионный источник дает слаборасходящийся пучок ионов, содержащий разные их массы, но при этом ионы одинаковой массы могут иметь разные скорости, т.е. разную кинетическую энергию. Этот факт является причиной углового разброса ионов и появления хроматической абберации.
Поэтому всегда возникает необходимость фокусировки ионных пучков перед последующем их разделении в камере анализатора. С ионнооптической точки зрения статические масс-спектрометрические устройства подразделяются на следующие четыре вида.
Устройство без фокусировки ионов.
Устройство, фокусирующие ионы разных скоростей.
Устройство, фокусирующие ионы разных направлений.
Устройство с двойной фокусировкой.
Классификацию рассматриваемых масс-спектрометрических устройств можно провести также и с точки зрения метода регистрации ионов.
Предположим, что ионный пучок посредством анализатора разделяется на компоненты по массам в некотором телесном угле. При этом ионы разной массы движутся по разным траекториям и, покидая анализатор, приходят в разные точки на линии приемника ионов. С другой стороны, поскольку в статических системах используются магнитные и электрические поля, то положение траектории ионов разной массы можно менять или сохранять постоянным, меняя напряженности электрического и магнитного полей. Другими словами, говоря, можно ионы разной массы приводить в разные точки на приемнике, на разные коллектора или же проводить их по одной и той же траектории на один и тот же коллектор.
Исходя из этого, разложив ионный пучок по массам, можно ионы определенных сортов фиксировать одновременно на фотопластинке или фотопленке, в данном случае мы будем иметь фотографический метод регистрации, а используемые приборы называются масс-спектрографами. Но можно в фокальной плоскости поставить несколько коллекторов и одновременно регистрировать ионы разной массы электрометрическим методом (многолучевая регистрация). Если для регистрации применяются электрометрические устройства, то используемые приборы называются масс-спектрометрами.
В случае одного коллектора (однолучевой метод регистрации) в принципе невозможно использовать фотографические измерения, поэтому приборы здесь-масс-спектрометры.
Каждый из отмеченных методов регистрации имеет свою область применения и свои особенности. Рассмотрим теперь наиболее типичные масс-спектрометрические устройства, относящиеся к статическим системам.
1.7.2.1. Устройство без фокусировки ионов. Метод парабол (масс-спектрограф Томпсона) [52]
Сущность метода состоит в том, что ионы, возникающие в источнике, представляющем собой газоразрядную трубку, попадают через тонкий капилляр в ионнооптическую систему, обладая широким интервалом скоростей. Сама ионнооптическая система (рисунок 28) представляет совокупность электрического и магнитного полей малой протяженности, действующих в одном объеме. Силовые линии полей параллельны между собой. Траектория ионов в этой системе, в общем случае, будет представлять собой винтовую линию. Радиус оборота этой винтовой линии определяется напряженностью магнитного поля. Так как оба поля малы по размерам, то ионы описывают лишь часть оборота. Пересечение подобных траекторий с плоскостью, перпендикулярной к направлению падающего ионного пучка, дает семейство парабол.
m, q, υ
x
xs
y
z
o
Действительно, вводя координатную систему x, y (рисунок 27), имеем
(60)
(61)
или
(62)
(63)
где -протяженность электрического и магнитного полей,
E-напряженность электрического поля,
H-напряженность магнитного поля.
Выразим скорость движения иона υ через y и подставим в выражение для x. Тогда получим:
.
Отсюда
(64)
Т.е. имеем уравнение параболы, вершина которой проходит через начало координат. На фотопластинке, помещенной в плоскости xoy, получаются отчетливые ветви парабол. Каждая парабола отвечает определенному значению отношения m/q, а каждая точка ее - ионам определенной скорости. Линейные размеры получающихся кривых определяются выбором параметра z. Из соотношения (64) следует, что
(65)
Это есть основное уравнение
масс-спектрографа Томпсона, из него
следует, что мерой массы является
отношение
.
Чем больше скорость иона, тем меньше
его отклонение в магнитном поле. Поэтому
наиболее энергетичные ионы независимо
от массы будут скапливаться у вершины
параболы.
Предположим, что m1 и m2 - массы ионов, соответствующие двум соседним ветвям парабол 1 и 2. Положим, что заряд q для всех ионов одинаковый. Тогда из уравнения (65) для определенного расстояния xs, (рисунок 28), следует:
(66)
Для анализа обычно выбирается участок парабол на таком расстоянии xs, где яркость их достаточна для измерений и где они хорошо отделены друг от друга.
Кроме того, при линейных измерениях ошибка будет меньше, если измеряемые расстояния будут больше. Поэтому, поменяв полярность на обкладках конденсатора снимают вторую половину парабол, увеличивая тем самым величины y1 и y2 в два раза.
Если принять одну из масс за стандарт, например, кислород -16, то легко можно определить любую интересующую массу иона, используя уравнения (66).
Необходимо отметить также, что интенсивность вдоль ветви параболы не одинакова. Наибольшая интенсивность ее вблизи вершины, так как здесь энергия ионов максимальна, а затем она убывает по мере уменьшения скорости ионов. Каждая точка параболы соответствует определенной скорости ионов данной массы. Поэтому особенностью метода парабол является возможность одновременно со спектром масс получить спектр скоростей ионов.