1.7.2.2. Устройство с фокусировкой ионов по скоростям (масс-спектрограф Астона) [18]

Понятие "фокусировка по скоростям" означает, что ионнооптическая система данного прибора способна собирать ионы с определенной массой, если направление скоростей ионов одинаково, а величина их варьирует в некотором интервале. Впервые эти условия были реализованы в масс-спектрографе Астона (рисунок 29).

φ

a

r

d

Ионнооптическая система этого прибора представляет собой совокупность поперечных электрического и магнитного полей, действующих на ионный пучок подобно призмам. Они ориентированы таким образом, что дисперсия по скоростям, возникающая для ионов в электрическом поле первой призмы компенсируется действием второй (магнитной) призмы. В результате на фотопластинке в фокальной плоскости F в одном месте сфокусируются ионы одинаковой массы, но обладающие разными скоростями, точка Ф. Точки Ф₁, Ф₂, Ф₃ будут соответствовать ионам других масс. Магнитное поле создается здесь с помощью электромагнитной катушки К.

Если сфокусированные и ускоренные ионы с помощью сеток S₁ и S₂ выходят из ионного источника, имея некоторый разброс по скоростям, то попадая в электрическое поле конденсатора С они начнут отклоняться на некоторый угол θ_е, имея угол разброса dθ_е. Поступая в магнитное поле, ионы будут продолжать отклоняться на угол θ_m, но в обратном направлении, а малый разброс на угол dθ_е.будет компенсироваться обратным отклонением в магнитном поле dθ_m, т.е. будет происходить фокусировка ионов. В конечном итоге расхождение ионов разной массы будет усиливаться, а у ионов одинаковой массы происходит фокусировка по углу. Таким образом значительно повышается разрешающая способность прибора и качество анализа. В данном случае отклонение в электрическом поле определяется как

(67)

а в магнитном поле как

(68)

где d-протяженность магнитного поля,

-протяженность электрического поля.

Определим скорость ионов

(69)

Подставив ее в выражение (67), после некоторых преобразований получим основное уравнение масс-спектрографа Астона

(70)

Здесь геометрическое место точек фокусировки в фокальной плоскости, в которых сходятся ионы определенной массы, записывается (согласно рисунку 29) следующим образом

. (71)

Это есть прямая с углом наклона, равным θ_е к направлению ионного луча после выхода его из электрического поля.

При постоянной величине а (рисунок 29) мы будем иметь разные значения r в зависимости от массы иона. Астоном было разработано несколько моделей спектрографа. Последняя из них, изготовленная в 1937 году, обладала разрешающей способностью R=2000, линейной дисперсией D_m=3 мм на 1% относительной разности масс и позволяла определять массу иона с точностью до 10^-5 а.е.м., что соответствует современным прецизионным масс-спектрометрам с двойной фокусировкой.

1.7.2.3. Устройство с фокусировкой ионов по углу [48, 53÷55]

Это устройства, фокусирующие слаборасходящиеся ионные пучки с малым углом отклонения в однородном магнитном поле, когда выполняется условие фокусировки первого порядка.

Этот метод использовал Демпстер в своем масс-спектрометре [48], имеющем магнитное поле π-радиан (рисунок 30). Здесь ионы, ускоренные в ионном источнике, поступают в однородное магнитное поле, где происходит их разделение на отдельные компоненты и одновременная фокусировка по углу или по направлению (фокусировка первого порядка). Основные уравнения движения ионов, имеют вид:

(72)

. (73)

Тогда радиус траектории движения ионов

. (74)

Отсюда основное уравнение масс-спектрометров с разделением и фокусировкой ионов в однородном магнитном поле записывается следующим образом

. (75)

Из соотношений (18 и 73) видно, что магнитное поле дает разложение ионного пучка по их импульсам. Мерой импульса является величина H∙r.

1-ионный источник. 2-катод. 3-выходная щель источника ионов. 4-камера анализатора. 5-входная щель приемника ионов. 6-коллектор 7-электрометр. 8-компенсационная камера. 9-магнит. S₁, S₂, S₃ -сетки фокусирующего, ускоряющего и антидинатронного потенциалов, соответственно.

В масс-спектрометре Демпстера была использована электрометрическая схема регистрации, когда ионы приводятся на коллектор и фиксируется образующийся ионный ток. Поскольку при ударении ионов о коллектор происходит выход электронов, то для их экранировки используется антидинатронная сетка S₃ (рисунок 30). Разрешающая способность прибора была невелика (R=100), поскольку ионный источник и приемник ионов помещались в межполюсном зазоре электромагнита, что увеличивало межполюсный зазор и как следствие-понижение напряженности магнитного поля. Кроме того, использовался сложный магнит большого объема.

Поэтому дальнейшие разработки шли по пути совершенствования магнитного анализатора, большой вклад в которые сделал немецкий физик Нир [54, 55].

Прежде всего, он использовал секторное магнитное поле и, кроме того, вынес источник и приемник ионов за пределы самого поля. Это позволило уменьшить межполюсный зазор и значительно увеличить напряженность магнитного поля при существенно меньших размерах магнита. Нир использовал также дополнительный магнит для коллимации электронного пучка с целью увеличения степени ионизации. Принципиальная схема масс-спектрометра Нира приведена на рисунке 31.

φ

1-источник ионов. 2-камера анализатора. 3-электромагнит. 4-приемник ионов. 5-катушка электромагнита. 6-межполюсный зазор.

Первая модель прибора была изготовлена в 1940 году, вторая- более совершенная - в 1947 году. Вторая модель имела цельнометаллическую конструкцию и двулучевой метод измерения. Она послужила прообразом последующих и современных магнитных масс-спектрометров.