1.7.3.2. Квадрупольный масс-спектрометр (электрический фильтр масс)

Интерес к таким приборам обусловлен тем, что они теоретически позволяют получить как угодно большую разрешающую способность.

r_o

d

Квадрупольный масс-спектрометр был предложен Паулем и Штейнведелем в 1953 году [58]. Принципиальная схема прибора приведена на рисунке 34.

1 -катод. 2-диафрагма. 3-анализатор. 4-стержень анализатора. 5-коллектор. 6-эквипотенциальные линии сложного электрического поля.

В ионном источнике исследуемый газ ионизируется, формируется ионный пучок, который подается в пространство анализатора. В анализаторе электрического фильтра масс разделение ионов по массам происходит за счет действия квадрупольного электрического поля, создаваемого четырьмя параллельными цилиндрическими стержнями, к которым приложено переменное напряжение, U∙cosω ∙ t, и постоянный потенциал - U_п. При этом в области, близкой к оси системы, создается гиперболическое электрическое поле (рисунок 34), которое в первом приложении выражается формулой:

(77)

где r_o-радиус внутреннего пространства

ω-частота переменного электрического поля.

Заряженные частицы, двигающиеся вдоль оси Z, будут раскачиваться высокочастотным полем, причем амплитуда их колебаний зависит как от массового числа иона, так и от величины напряжения на стержнях. Ионы, амплитуда колебаний которых остается меньше радиуса поля r_o, будут беспрепятственно проходить через квадрупольный анализатор.

Можно подобрать параметры электрического поля так, что в зависимости от подводимого напряжения через фильтр будут проходить ионы только одной определенной массы и, попадая на коллектор, они будут давать ионный ток, пропорциональный содержанию данной компоненты в исходной смеси.

При условии, что

(78)

массовое число прошедших на коллектор ионов будет определяться как

(79)

где d-диаметр стержня

Соотношение (79) есть основное уравнение квадрупольных масс-спектрометров.

При λ = λ_MAX = 0,167 разрешающая способность прибора R = ∞, однако светосила и чувствительность при этом стремятся к нулю.

Теоретическая разрешающая способность прибора определяется следующим образом:

. (80)

Она зависит только от выбранного соотношения постоянного и переменного напряжений, но это соблюдается лишь при достаточно большой длине анализатора.

Обычно используемые квадрупольные анализаторы имеют длину стержня

диаметр стержней В этом случае при изменении U_п от 20 до 600 В можно анализировать ионы с массой от 20 до 100 а.е.м.

52