1.7.2.4. Устройство с двойной фокусировкой

Приборы такого типа применяются для прецизионных измерений, что требует особых условий по фокусировке и разделению ионов.

Решение задачи о создании высокоразрешающего масс-спектрографа, найденное и осуществленное Астоном, является не до конца удачным, поскольку необходимо строгое ограничение геометрического хода пучка ионов, что неизбежно приводит к значительной потере интенсивности линий и светосила прибора очень мала. Но сам принцип фокусировки представлял несомненный интерес и в дальнейшем была найдена более совершенная ионнооптическая система, предложенная и использованная Бэйнбриджем и Джорданом [56]. В данном случае для получения моноэнергетического ионного пучка было использовано радиальное электрическое поле вместо плоского конденсатора.

Если между ионным источником и магнитным анализатором ввести такой своеобразный фильтр энергии ионов, то можно получить систему с высокой разрешающей способностью.

Секторное электрическое поле фокусирует слаборасходяшийся пучок ионов определенной энергии ε. Ионы, отличающиеся на δε от основного значения ε будут выходить из электрического анализатора под некоторым углом δθ_е, который компенсируется обратным отклонением в

секторном однородном магнитном поле на величину δθ_m. Такой принцип получил название двойной фокусировки, которая имеет место только для ионов одинаковой массы, он был использован Бэйнбриджем и Джорданом для построения масс-спектрографа большой светосилы и высокой разреша-

ющей способности (R=1000 ÷ 1500).

Н а этом же принципе работают и современные прецизионные масс-спектрометры с двойной фокусировкой, принципиальная схема такого прибора приведена на рисунке 32

90^˚

60^˚

1-источник ионов. 2-секторное электрическое поле. 3-камера анализатора. 4-магнитное поле. 5-приемник ионов.

Эти приборы обладают разрешающей способностью порядка 2000 и более, обычно выпускаются малыми партиями или по заказам и могут использоваться при изучении спектров веществ с близкими или очень близкими массами, например: H₂ -D, D₂ -He, CH₄ -O, CO -N₂ -C₂H₄. Их

можно использовать также при определении точных масс атомов и молекул.

1.7.3. Динамические системы

Эти приборы предназначены для выполнения разнообразных аналитических задач как в стационарных лабораторных условиях, так и при их перемещении в различных специальных ситуациях. К таким масс-спектрометрам относятся

• Радиочастотные

• Квадрупольные

• Времяпролетные

• Омегатронные или магнитно-динамические

1.7.3.1. Радиочастотный масс-спектрометр

В связи с бурным освоением космического пространства появилась необходимость изучения состава земной атмосферы на различных высотах, а также состава атмосферы других планет. Для этого потребовалось легкие приборы, потребляющие малое количество энергии. В 1950 году Беннет [57] предложил принципиально новый тип анализатора, который получил название радиочастотного масс-спектрометра.

Принцип его основан на разделении ионов по дополнительным скоростям, которые получают ионы, попадающие в высокочастотное электрическое поле с последующей их фильтрацией по максимальному приращению энергии. Прибор (рисунок 33) представлял собой вакуумно полую стеклянную трубку, внутри которой смонтирована система электродов.

При вскрытии стеклянного колпачка окружающий газ поступает в ионный источник, где бомбардируется медленными электронами. Получающиеся при этом положительно заряженные ионы ускоряются с помощью ускоряющего потенциала и полученный ионный пучок поступает на вход первого трехсеточного каскада A_Т.К, где на среднюю сетку подается высокочастотный потенциал с частотой ω. При этом ион испытывает действие переменного электрического поля, которое изменяется во времени по синусоидальному закону. Ионы, вступающие в трехсеточный каскад в разное время (при разных начальных фазовых углах напряжения), встречают разное по величине электрическое поле. Поэтому, естественно, они получают разное приращение энергии при пролете через трехсеточный каскад, зависящее от частоты и амплитуды переменного напряжения и ускоряющей разности потенциалов. Для ионов, получивших максимальное приращение энергии (скорости) будет выполняться соотношение

(76)

где S_Т.К.- расстояние между сетками в трехсеточном каскаде.

Соотношение (76) является основным уравнением радиочастотного масс-спектрометра.

Покинув первый трехсеточный каскад, ионы попадают в эквипотенциальное пространство дрейфа, в котором неоднородность ионов по энергиям проявляется в виде расслоения ионного пучка по плотности. Действительно, ионы, получившие положительное приращение скорости, уходят вперед, а заторможенные ионы отстают. Длина пространства дрейфа подобрана так, что ионы, покинувшие первый каскад разделения в определенной фазе, вступают в следующий идентичный трехсеточный каскад в той же самой фазе. Иными словами, время пролета ионов между каскадами совпадает с целым числом периодов высокочастотного напряжения. Последовательное соединение каскадов применяется для повышения разрешения. Обычно применяется до пяти каскадов, разделенных пространствами дрейфа.

Таким образом, после прохождения последнего каскада ионный пучок содержит ионы разных энергий, причем наибольшую энергию имеют ионы, удовлетворяющие соотношению (76).

После ряда трехсеточных каскадов располагается потенциальный барьер, выполненный в виде задерживающей сетки, на которую подается положительный потенциал U_З (потенциал задержки) такой величины, что его могут преодолеть лишь те ионы, которые получили максимальный прирост энергии в анализаторе. Ионы, прошедшие через задерживающую сетку, попадают на коллектор и регистрируются. Ионы, имеющие меньшую энергию, на коллектор не попадают. При этом перед коллектором помещается дополнительная сетка, на которую подается антидинатронный потенциал U_ад для компенсации эмиссии вторичных электронов.

В связи с тем, что скорость ионов в каждом трехсеточном каскаде несколько возрастает за счет действия высокочастотного электрического поля, к каждому трехсеточному каскаду подается дополнительное напряжение смещения, U_см, учитывающее приращение скорости регистрируемых ионов.

Согласно соотношения (76), в зависимости от массы, ионы, попадающие на коллектор, могут меняться с помощью изменения ускоряющего потенциала или частоты переменного напряжения. Если замену ионов разных масс на коллекторе осуществлять изменением ускоряющего напряжения при постоянной величине ω, то будем иметь линейную развертку спектра по массам.