Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ГАЗОВ
ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ГАЗОВ

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ГАЗОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в приборостроении, средствах автоматизации и системах управления, в частности в технике масс-спектрометрии. Сущность изобретения: масс-спектрометр газов содержит три сетки 1 - 3 ионно-оптической системы, две сетки 4, 5 рефлектора, генератор 6 цикловых импульсов, ионный источник 7, четыре генератора 9 - 12 разнополярных импульсных напряжений, приемник 13 ионов. 1 табл, 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2025821
Класс(ы) патента: H01J49/40
Номер заявки: 4756208/21
Дата подачи заявки: 04.11.1989
Дата публикации: 30.12.1994
Заявитель(и): Бочкарев Валерий Александрович; Семкин Николай Данилович; Юсупов Гамир Якубович
Автор(ы): Бочкарев Валерий Александрович; Семкин Николай Данилович; Юсупов Гамир Якубович
Патентообладатель(и): Бочкарев Валерий Александрович; Семкин Николай Данилович; Юсупов Гамир Якубович
Описание изобретения: Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, в частности к технике масс-спектрометрии.
Известен масс-спектрометр, содержащий ионный источник, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, генератор выталкивающих импульсов, приемник ионов [1].
Недостатком масс-спектрометра является низкая разрешающая способность по массе при малых геометрических размерах конструкции анализатора.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является масс-спектрометр газовых частиц, содержащий источник ионов, генератор тактовых импульсов, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, сетки ионно-оптической системы нелинейного фокусирующего зеркала, приемник ионов [2].
Недостатками масс-спектрометра являются низкая разрешающая способность по массе ввиду отсутствия компенсации времени вылета ионов из зоны ионизации и продольной координаты, а также высокие габаритно-массовые характеристики.
Целью изобретения является повышение разрешающей способности по массе и уменьшение габаритно-массовых характеристик.
Цель достигается тем, что в времяпролетном масс-спектрометре газов, содержащем ионный источник с сетками, одна из которых подключена к генератору тактовых импульсов, а другая заземлена, пространство дрейфа, приемник ионов, рефлектор и источники напряжения, подключенные к третьей сетке ионного источника и к сеткам рефлектора, в качестве источников напряжения использованы генераторы разнополярных импульсных напряжений, при этом управляющий вход первого генератора разнополярных импульсных напряжений соединен через введенную линию задержки с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с второй сеткой ионного источника, управляющие входы второго, третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений соединены с выходом генератора тактовых импульсов, все генераторы разнополярных импульсных напряжений последовательно соединены между собой, выход второго генератора разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке ионно-оптической системы, а выходы третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений - к первой и второй сеткам рефлектора соответственно.
На фиг. 1 представлена блок-схема времяпролетного масс-спектрометра газов; на фиг.2 приведены временные диаграммы работы масс-спектрометра; на фиг. 3 - графики пролета ионов в областях масс-спектрометра l01 и l12; на фиг. 4 приведена зависимость плотности вероятности времени прихода ионов в плоскости приемника.
Масс-спектрометр газов содержит сетки 1,2,3 ионно-оптической системы, сетки 4,5 рефлектора, генератор 6 тактовых импульсов, ионный источник 7, подключенный к выходу генератора 6, линию 8 задержки, последовательно соединенные генераторы 9, 10, 11, 12 разнополярных импульсных напряжений, приемник 13 ионов.
Первая сетка 1 ионно-оптической системы заземлена, вторая сетка 2 подключена к выходу первого генератора 9 разнополярных импульсных напряжений, управляющий вход которого через линию 8 задержки подключен к выходу генератора 6 тактовых импульсов. Управляющие входы второго 10, третьего 11 и четвертого 12 генераторов разнополярных импульсных напряжений также соединены с выходом генератора 6 тактовых импульсов. Выход второго генератора 10 разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке 3 ионно-оптической системы, а выходы третьего 11 и четвертого 12 генераторов разнополярных импульсных напряжений - соответственно к первой 4 и второй 5 сеткам рефлектора.
Масс-спектрометр работает следующим образом.
В течение времени τ (фиг.2) происходит ионизация газа электронным пучком в бесполевом пространстве ds(Us=0). Ширина электронного пучка Δ Х=1-5 мм. Ионы, попавшие в область da (фиг.2), за время ионизации τ ускоряются напряжениями Uуск, Ul01', Ul12'и не влияют на формирование массовых линий. В момент времени t1 Ul01=0 и ионы из промежутков ds и dапопадают в бесполевое пространство l01 (фиг.1). Если их скорости превышают Vмакс, установленную для данного диапазона, то они также пролетают сквозь масс-спектрометр, попадая в ускоряющее поле Ul12'. Для исключения влияния ионов, попавших в промежуток l01 при t>t1+t0, производится отсечка ионов источника (из промежутка ds) путем включения в момент t2 запирающего напряжения Us2 (фиг.2). Небольшое ускоряющее напряжение Us1 ≈ 1 B ≅ Uуск, действующее в интервале t ∈ [ τ, t2], может включаться для увеличения коэффициента сбора ионов. Импульсные разнополярные напряжения Us, Ud, Ul01, Ul12 и их соответствующие времена переключений τ , t1, t1 + t0, формируемые четырьмя генераторами 9, 10, 11, 12, создают условия фокусировки массовых линий (фиг.3). Время появления иона в промежутке da -> tн. Процессы переключения, показанные на фиг.2, повторяются с частотой, задаваемой генератором 6 цикловых импульсов. Линия 8 задержки позволяет произвести запуск генератора 9 по окончании процесса ионизации, происходящего за время τ . Таким образом, в промежутке l01 ионы одинаковых масс движутся вначале (t<t>0+t1) в бесполевом пространстве с одинаковыми скоростями. Затем при t= t0+t1 включается тормозящее поле U= . В результате ионы, попавшие в l01 с большим запаздыванием, затормаживаются сильнее и проходят меньший путь в l12. В момент t=T все ионы одинаковых масс оказываются в плоскости первой сетки промежутка l12 (плоскость приемника 13, фиг.1).
Таким образом, осуществляется одновременная компенсация начальных разбросов ионов по скоростям, координате и времени вылета путем создания управляющего, переменного во времени электрического поля на одном из участков пролета.
Для более подробного описания изобретения приводят обозначения участков ускорения, торможения в анализаторе и соответствующих им потенциалов. На участках ds, da, l01, l12 действуют электрические поля, порождаемые соответствующими напряжениями, полученными с помощью генераторов 9, 10, 11, 12 (фиг.1) Us, Ud, Ul01 (Ul01', Ul01''), Ul12 (Ul12', Ul12'').
Время tн появления иона в промежутке da определяется как
tн= t + ; Vo> 0. (1)
В промежутке dа ион ускоряется напряжением Us и приходит к первой сетке промежутка l01 (3, фиг.1) в момент
tζ = tн+ (2)
и со скоростью
V = . (3)
Напряжение Uуск должно обеспечивать V>>Vо, что означает приблизительное равенство скоростей ионов с одинаковыми массами. Промежутки ds и dа представляют собой источник, который поставляет на первую сетку управляющего промежутка l01 ионы с начальными скоростями V, с запаздыванием tζ (из формулы 2) и начальными координатами Х=Хе, также одинаковыми для всех ионов (Хе - координата первой сетки промежутка l01). Далее необходимо найти такой закон управления Ul01(t) в промежутке l01, который компенсирует случайные времена tζ .
Пусть Хе = 0 и tζ мин=0, тогда уравнения движения иона в промежутке l01 записываются следующим образом:
x = V(t - tζ) + a(τ)dτdtʹ;
Vx = V + a(τ)dτ,
(4) где а(t) - искомый закон изменения ускорения в промежутке
a(t) = ;
t0 = - время существования бесполевого пространства;
Vмакс - максимально допустимая скорость ионов самой легкой массы из заданного диапазона масс:
Vмакс= ; (5)
Vo макс= 3δv = 3 . (6)
Ион, вылетевший из управляющего промежутка l01 в момент t1, приобретаeт скорость V12(t1) и под действием тормозящего ускорения
aт= (7)
возвращается в плоскость первой сетки промежутка l12 с той же скоростью V12(t1). Общее время пролета промежутков l01 и l12 равно
T1= t1+ . (8)
Из условия временной фокусировки ионов одной и той же массы необходимо, чтобы выполнялось условие T=const, скорость V12(t1) находят из уравнения (8):
V12= aт. (9)
Для момента t=t1 достижения ионов первой сетки промежутка l12имеют из выражения (4)
l01 = V(t - tζ) + a(τ)dτdt; (10)
V12 = V + a(τ)dτ . (11)
Из выражения (11) путем дифференцирования по t1 с учетом уравнения (9) находят закон уравнения а(t1):
a(t1) = = - ; t≥ t0. (12)
Подставляя уравнение (12) в выражение (11) и приравнивая результат к уравнению (9), получают выражение для времени пролета Т:
aт= V - (t1-t0)T = t+ , (13) при V0 макс≪ V имеют V = ; to= ;
T = t1 + . (14)
Разрешающая способность определяется из условия
δ T ≅ Δ T, (15) где ΔТ - интервал времени между спектральными линиями, соответствующими массовым числам М и М + 1 при нулевых начальных скоростях V;
δТ - временной разброс (ширина массовой линии), определяемый максимальной начальной скоростью
V0 макс = , (16) где = - дисперсия начальных (тепловых) скоростей;
К - постоянная Больцмана;
То - абсолютная температура;
m - масса иона.
Коэффициент α в выражении (16) находится из условия разрешения соседних масс с числами М и М + 1 с вероятностью не менее заданной. Так, если вероятность разрешения Р=1, то α ≥ 9 (закон 3 α при нормальном распределении тепловых скоростей). Выражения для δТ и Δ Т:
δT = Tмакс M - T0M = A - 1; (17)
ΔT = T0M+1- T0M = - , (18) где ТМо - время пролета иона с массовым числом М при Vо=0;
A = l M . (19)
Подставляя выражения (17), (18) в условие (15), получают неравенство, характеризующее разрешающую способность масс-спектрометра:
M ≅ . (20)
Таким образом, максимальное массовое число, разрешаемое с заданной вероятностью Р, пропорционально ускоряющему напряжению Uуск в промежутке dа и обратно пропорционально температуре плазмы и параметру α .
Параметр α находят из следующего выражения по заданной вероятности разрешения Р:
Φ( ) = ; (21)
Φ (x) = e dx - интеграл вероятностей.
Уравнение (21) получено в предположении, что Vо - начальная тепловая скорость ионов, распределенная по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и дисперсией σVo2 . На фиг.4 изображена плотность вероятностей WT(T) времен прихода ионов в плоскость приемника (определяет форму импульса тока на выходе ВЭУ):
Wт(t) = e ; t - t0 ≥ A , где
σ2x = .
Результаты расчета разрешающей способности Ммакс сведены в таблицу (Uуск=200В, То = 300К)
Теоретическое и экспериментальное исследования заявляемого масс-спектрометра показали, что по сравнению с известными масс-спектрометрами (прототипом) он обеспечивает значительно более высокое разрешение по массе (порядка 500-1000 и более практически) при малых габаритно-массовых характеристиках (l = 270 мм, ⊘ 80 мм и m = 0,7 кг). Для сравнения: разрешение по массе известных масс-спектрометров при тех же габаритно-массовых характеристиках составляет практически ≈ 150-200.
Формула изобретения: ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ГАЗОВ, содержащий ионный источник с сетками, одна из которых подключена к генератору тактовых импульсов, а другая заземлена, пространство дрейфа, приемник ионов, рефлектор и источник напряжения, подключенные к третьей сетке ионного источника и к сеткам рефлектора, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности по массе и уменьшения массогабаритных характеристик, в качестве источников напряжения использованы генераторы разнополярных импульсных напряжений, при этом управляющий вход первого генератора разнополярных импульсных напряжений соединен через дополнительно введенную линию задержки с выходом генератора тактовых импульсов, а выход соединен с второй сеткой ионного источника, управляющие входы второго, третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений соединены с выходом генератора тактовых импульсов, все генераторы разнополярных импульсных напряжений последовательно соединены между собой, выход второго генератора разнополярных импульсных напряжений подключен к третьей сетке ионно-оптической системы, а выходы третьего и четвертого генераторов разнополярных импульсных напряжений подключены к первой и второй сеткам рефлектора соответственно.