МАГНИТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Полезная модель относится к спектрометрическим приборам, точнее - к магнитным масс-спектрометрам, и может использоваться для определения состава газовых смесей, конкретно - легких газов.
+
В настоящее время потребности развития технологий производства и научного поиска при создании, например, современных сплавов с ультрамелкодисперсной (наноразмерной) структурой, сверхчистых монокристаллических полупроводниковых материалов ставят задачу кардинального (до 3-х порядков) повышения чувствительности масс-спектрометра при измерениях временных зависимостей ионных токов компоненты легких газов, например водорода, при анализе легких газов, экстрагированных из твердых проб, в которых они находятся в очень малых количествах. Известна работа [Клявин О.В. Физика твердого тела 35, №3, стр.513-541, 1993 г.], в которой установлена корреляция между структурой временных зависимостей ионного тока, например, водорода  или гелия He, и наличием дефектов кристаллической решетки твердых тел, таких как дислокации различной природы.
Известен магнитный масс-спектрометр [патент США №6815674, 09.11.2004, B01D 59/00], включающий узел напуска газа, источник ионов, камеру анализа с входной и выходной щелями, в которой расположены два параллельных электрода, создающих при приложении разности потенциалов поперечное электрическое поле, источник магнитного поля, перпендикулярного электрическому, приемник ионов, источники питания и узлы создания вакуума. Источник ионов и камера анализа совмещены в объеме, ограниченном параллельными электродами. Прибор позволяет разрешать легкие газы в диапазоне масс от 2 до 20, обладает малыми габаритами по сравнению с другими масс-спектрометрами. Длинна, ширина и высота камеры ионизации-анализа равны, соответственно, (7-14) мм, (4-8) мм, (3,5-7) мм.
2
Недостатком этого прибора является низкая чувствительность при анализе содержания легких газов, например, водорода Н. Широкий пучок ионов, кроме того, заряжает изоляторы между электродами, что приводит к дополнительному снижению чувствительности прибора.
1
2
a
2
3
-3
-3
12
Магнитный масс-спектрометр МИ1201 [паспорт У4.2, ТОЗ.394.018, 1974 г.], взятый за прототип, содержит систему напуска газа с дозирующим вентилем, источник ионов в виде ионизационной камеры, представляющей из себя металлическую коробку с щелями и отверстием для подачи исследуемого газа, щели на боковых стенках коробки служат для входа и выхода пучка электронов, щель на передней стенке коробки предназначена для вытягивания положительных ионов, образующихся внутри коробки под действием пучка электронов, камеру анализа, имеющую входную щель σшириной 0.2 мм и высотой 7.0 мм и выходную щель σ;, шириной 0.2 мм и высотой 7.0 мм, расстояние x между осями щелей равно 603 мм, приемник ионов в виде коллекторной пластины или цилиндра Фарадея, систему высоковакуумной откачки, состоящую из двух диффузионных насосов типа Н-1С-2, систему предварительного разрежения, содержащую вакуумный насос типа ВН-461М, источник питания электронной пушки, обеспечивающий нагрев катода, эмитирующего электроны, и ускорение электронов до энергий 50 эВ и 70 эВ, источник ускоряющего напряжения U=2000 В и 4000 В между источником ионов и входной щелью камеры анализа, источник магнитного поля B в камере анализа, обеспечивающий диапазон измеряемых масс от 2 до 500 а.е.м. Диапазон значений индукции магнитного поля при измерении легких масс (H, m/е=2; H, m/е=3; Нe, m/е=4) составляет 4.6*10 Тл≤B≤9.2 10 Тл, система измерения и регистрации ионных токов выполнена в виде коллекторной пластины, присоединенной к входу усилителя постоянного тока с измерительным сопротивлением 10Ом, система измерения высокого вакуума содержит два магнитно-ионизационных вакуумметра с возможностью измерения вакуума 100 мкПа, система измерения
вакуума предварительного разрежения содержит два термопарных преобразователя ПМТ-4М.
a
i
2
2
12
Работает масс-спектрометр-прототип следующим образом. Поток анализируемых газов через систему напуска газа поступает в источник ионов, где электроны, ускоренные ионизирующим напряжением до энергии 50эВ или 70эВ, ионизуют молекулы газа. Образовавшиеся в источнике ионы вытягиваются и ускоряются напряжением U=2000 В или 4000 В и поступают во входную щель камеры анализа. В камере анализа происходит разделение ионов легких газов по отношению массы иона к его заряду. Ион с заданным отношением m/е, например , попадает на выходную щель шириной σ, высотой h, и в приемник ионов. Ионный ток на измерительном сопротивлении 10Ом создает падение напряжения, которое регистрируется с помощью усилителя постоянного тока и выводится на запись потенциометром КСП-4 модификации 41.130.50.039 или ЭВМ.
Масс-спектрометр-прототип МИ1201 может быть использован для измерения относительного массового содержания компонентов легких газов (например, водорода). Вследствие высокого разрешения масс-спектрометра при анализе легких газов отсутствует явление интерференции масс, как в [патент США №6815674, 09.11.2004, B01D 59/00]. Разрешение масс-спектрометра по массам составляет R=754, что позволяет разрешать массы ионов в диапазоне от 2-х до 500 а.е.м.
Однако, минимальное относительное содержание компонентов легких газов, например водорода, которое может быть измерено масс-спектрометром-прототипом, составляет по оценке авторов , и для обеспечения измерений содержания легких газов в твердых пробах чувствительность масс-спектрометра-прототипа нужно повысить в 1500 раз. Кроме того, габариты и масса прибора велики.
Заявляемый масс-спектрометр решает задачу определения количественного состава легких газов, например, водорода и гелия, выделяющихся из твердых проб, при уменьшении массы и габаритов прибора.
Задача решается магнитным масс-спектрометром, включающим систему напуска газа, источник ионов, камеру анализа, имеющую входную и выходную щели, приемник ионов, узел измерения и регистрации ионных токов, источник магнитного поля в камере анализа, системы предварительной и высоковакуумной откачки, источники питания узлов масс-спектрометра, причем конструктивные параметры масс-спектрометра определяются из соотношений:
;
;
15 мм≤x≤100 мм.
где:
R - разрешающая способность масс-спектрометра,
4.1<R<20.8;
х - расстояние между осями входной и выходной щелей;
σ - ширина входной и выходной щелей;
h - высота входной и выходной щелей.
Авторами установлено, что для определения относительного содержания компоненты Q выделяющихся из дефектов твердых проб легких газов, например, водорода, необходим такой минимальный уровень чувствительности масс-спектрометра, когда прибор может измерить значение Q не более:
min
1
1
2
2
Минимальное измеряемое масс-спектрометром значение относительного содержания компоненты газа Q, характеризующее чувствительность масс-спектрометра, определяется величиной его конструктивных параметров: шириной σ, и высотой h входной щели камеры анализа, шириной σ, и высотой h выходной щели и расстоянием x между их осями.
1
2
Второй важной характеристикой масс-спектрометра является разрешение по массам R. Разрешение масс-спектрометра R по массам определяется ширинами щелей σ и σ;, и расстоянием между ними x [Физическая энциклопедия, ТЗ, стр.55, М-1992]:
1
2
Анализ формулы показывает, что максимальное разрешение достигается при равенстве ширин щелей: σ=σ=σ.
2
1
0
0
1
2
Действительно, пусть σ=σ(1+ε), a σ=σ; ε - параметр меньше 1. Тогда  и при всех значениях ε>о, R(ε)<R, где R=R(σ=σ=σ). Таким образом, разрешение по массам R определяется формулой:
Многочисленные эксперименты и расчеты, позволили авторам установить, что необходимый уровень чувствительности (1) может быть достигнут, когда разрешение R масс-спектрометра будет удовлетворять условию:
2
3
Нижняя граница заявляемого диапазона (3) обусловлена минимальным значением разрешения, необходимого для разделения легких газов, например, H, H и Не. Верхняя граница заявляемого диапазона (3), как определили авторы, соответствует требуемой минимальной чувствительности (1).
min
Авторами выявлена связь между величиной минимального измеряемого значения содержания компоненты исследуемого газа Q, разрешением масс-спектрометра R и параметрами, определяющими конструкцию камеры анализа масс-спектрометра.
Авторами установлено, что во всем заявленном диапазоне значений R (3) значения параметров /?и а связано с разрешением прибора R соотношением:
Расстояния x следует выбирать из соотношения
Выбор величин расстояний x между осями щелей камеры анализа обусловлен тем, что при x меньших 15 мм невозможно конструктивно совместить источник и приемник ионов, обеспечивающие требуемый уровень ионных токов и их измерения (необходимо учесть габариты таких узлов), а при x больших 100 мм габариты прибора становятся соразмерными с прототипом (имеют большие величины).
Из неравенства (3) и соотношений (2) и (4) и (5) получаем набор значений конструктивных параметров прибора, обеспечивающих решение задачи.
2
2
3
Соотношения (2), (3), (4), и (5), полученные авторами, позволяют более чем в 1000 раз повысить чувствительность прибора при анализе легких газов, например водорода Н при сохранении R необходимого для разрешения легких газов (H, H и Не). Из этих соотношений можно определить конструктивные параметры масс-спектрометра - ширину и высоту щелей и расстояние x между осями щелей, причем масс-спектрометр будет иметь меньшие, чем у прототипа, габариты и массу.
Пример предлагаемого масс-спектрометра схематически показан на Фиг., где:
1- система напуска газа;
2- источник ионов;
3- камера анализа;
4- входная щель камеры анализа;
5 - выходная щель камеры анализа;
6 - приемник ионов;
7 - система высоковакуумной откачки;
8 - система предварительной откачки;
9 - источник питания электронной пушки источника ионов;
10 - источник ускоряющего напряжения;
11 - источник магнитного поля в камере анализа;
12 - узел измерения и регистрации ионных токов;
13 - источники питания систем высоковакуумной и предварительной откачки.
a
Магнитный масс-спектрометр для измерения состава газовых смесей содержит систему напуска газа 1, источник ионов 2, камеру анализа 3 с входной щелью 4 шириной σ и высотой h, выходной щелью 5 шириной σ и высотой h, расстояние между осями щелей x, приемник ионов 6, систему высоковакуумной откачки 7, систему предварительной откачки 8, источник питания 9 электронной пушки источника ионов 2, источник 10 ускоряющего напряжения U между источником ионов 2 и входной щелью 4 камеры анализа 3, источник 11 магнитного поля В в камере анализа 3, узел 12 измерения и регистрации ионных токов, источники питания 13 систем высоковакуумной и предварительной откачки.
а
i
Работает масс-спектрометр следующим образом. Поток анализируемых легких газов через систему напуска газа 1 попадает в источник ионов 2, где молекулы газовой смеси частично ионизируются пучком электронов. Ионы, образовавшиеся в источнике ионов 2, ускоряются разностью потенциалов U, приложенной между источником ионов 2 и входной щелью 4 камеры анализа 3. В магнитном поле индукции В, перпендикулярном направлению начальных скоростей ионов, поступающих на анализ через щель 4, происходит разделение молекулярных ионов по отношению массы иона к заряду (m/e). Ток ионов данной массы через выходную щель 5 камеры анализа 3 поступает в приемник ионов 6, усиливается и регистрируется в узле 12. Возможны два режима измерений с помощью масс-спектрометра: измерение зависимости тока ионов от их массы - спектр масс, и измерение временной зависимости
газаw
пробы
I(t) тока ионов данной массы. Результатом измерения спектра масс является качественный и количественный состав газовой смеси (определение состава химических соединений, изотопных соотношений данного вещества). Результатом измерения временной зависимости тока ионов данной массы является исследование динамики газовыделения, например, при изучении состава и содержания легких газов в твердых пробах. Интегрирование временной зависимости I(t) позволяет определить относительное массовое содержание данного газа в твердой пробе (m,/m).
Пример 1.
а
12
Создан прибор с разрешением R=12.45, соответствующим формуле полезной модели. Расстояние x между осями щелей 4 и 5 взято равным 50 мм. Масс-спектрометр для измерения состава легких газов содержит систему напуска газа 1, источник ионов 2, камеру анализа 3 с входной щелью 4 шириной σ=3.15 мм, определенной из условия (2) и высотой h, определенной из условия (4) и равной 19.65 мм, выходной щелью 5 с такими же шириной и высотой, приемник ионов 6 в виде коллекторной пластины, систему высоковакуумной откачки 7, состоящую из диффузионного насоса типа ПМН-0.025, систему предварительной откачки 8, содержащую вакуумный насос типа НВР - 1.25 Д, источник питания электронной пушки 9, обеспечивающий нагрев катода и ускорение электронов до энергии 11ОВ, источник 10 ускоряющего напряжения U между источником ионов 2 и входной щелью 4 камеры анализа 3 с диапазоном напряжений от 390В до 410В, источник 11 магнитного поля в, обеспечивающий в камере анализа 3 поле B=0.163Тл, узел 12 измерения и регистрации ионных токов, выполненный как и в прототипе в виде усилителя постоянного тока с измерительным сопротивлением 10Ом, источники 13 питания систем высоковакуумной и предварительной откачки и измерения вакуума: один магниторазрядный вакуумметр с возможностью измерения вакуума 100 мкПа и два преобразователя ПМТ-4М.
а
12
-12
Работает масс-спектрометр следующим образом. Поток анализируемых газов через систему напуска газа 1 поступает в источник ионов 1, где электроны, ускоренные ионизирующим напряжением НОВ, ионизуют молекулы газа. Ионы из источника 2 вытягиваются и ускоряются напряжением U=400B и через входную щель 4 попадают в камеру анализа 3. В камере анализа 3 магнитное поле индукции B=0.163Тл выделяет компонент легких газов - водород , который попадает в выходную щель 5 приемника ионов 6 шириной 3.15 мм и высотой 19.65 мм. Ток ионов на измерительном сопротивлении 10Ом создает падение напряжения, которое регистрируется с помощью усилителя постоянного тока и выводится на запись в ПЭВМ. Были проанализированы пробы алюминиевых и титановых сплавов. При этом проведено измерение минимального относительного содержания водорода  на уровне Q=5.75 •10.
-11
Масс-спектрометр, реализованный авторами, имеет массу 80 кг при массе прибора-прототипа около 2000 кг. Максимумы, соответствующие содержанию, например, водорода, на уровне 10 надежно регистрируются и интегрируются системой цифровой регистрации прибора.
а
-3
Создание прибора с менее жесткой геометрией (большие ширины щелей 4 и 5, малое значение расстояния x) по сравнению с масс-спектрометром-прототипом позволяет также снизить требования к стабильности источников питания, определяющих траектории ионов в камере анализа 3 между щелями 4 и 5. Так, при стабильности источника ускоряющего напряжения U в приборе-прототипе , для предлагаемого прибора оказалось достаточно стабильности этого параметра на уровне l*10. Это позволило существенно уменьшить массу, габариты и стоимость источника, и, следовательно, всего масс-спектрометра.
Пример 2.
Взято разрешение R=12.45, х=15 мм.
1
2
1
2
a
Тогда масс-спектрометр имеет другие конструктивные параметры: σ=σ=σ=1.0 мм, h=h=h=6.30 мм. Ускоряющее ионы напряжение U, и
a
min
-12
индукция В равны: U=200В, В=0.384Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q=5.75-10.
Пример 3.
Разрешение прибора R=12.45, х=100 мм.
1
2
1
2
a
а
а
min
-12
Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: σ=σ=σ=6.30 мм, h=h=h=39.25 мм. Ускоряющее ионы напряжение U, и индукция B равны: U=800В, U=0.115 Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q=5.75-10.
Пример 4.
1
2
1
2
а
Uа
min
-12
Рассмотрим разрешение R=4.10, д:=15 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: σ=σ=σ=2.9 мм, h=h=h=5.95 мм. Ускоряющее ионы напряжение U и индукция B равны: =200В, В=0.384Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q=1.89-10.
Пример 5.
Рассмотрим разрешение R=4.10, x=50 мм.
1
2
1
2
а
а
min
-12
Масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: σ=σ=σ=9.60 мм, h=h=h=l9.6 мм. Ускоряющее ионы напряжение U, и индукция В равны: U=400B, B=0.163Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q=1.89-10.
Пример 6.
1
2
1
2
а
Рассмотрим разрешение R=4.10, x=100 мм. Масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: σ=σ=σ=l9.l5MM, h=h=h=39.25 мм. Ускоряющее ионы напряжение U и индукция B равны:
а
min
-12
U=800B, В=0.115Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q=1.89-10.
Пример 7.
1
2
1
2
а
а
min
-11
Рассмотрим разрешение R=20.8, x-=15 мм. Масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: σ=σ=σ=0.6 мм, h=h=h=6.24 мм. Ускоряющее ионы напряжение U и индукция В равны: U=200В, В=0.384Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q=0.96-10.
Пример 8.
1
2
1
2
а
а
min
-11
Рассмотрим разрешение R=20.8, х=50 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: σ=σ=σ=1.90 мм, h=h=h=19.6 мм. Ускоряющее ионы напряжение U и индукция В равны U=400В, B=0.163Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q=0.96-10.
Пример 9.
1
2
1
2
а
а
Рассмотрим разрешение R=20.8, х=100 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: σ=σ=σ=3.80 мм, h=h=h=39.25 мм. Ускоряющее ионы напряжение U и индукция B равны: U=800В, B=0.115Тл. Минимальное измеренное содержание водорода
Рассмотрим параметры масс-спектрометра, разрешение которого выходит за диапазон заявленных значений.
Пример 10.
1
2
1
2
а
Uа
min
12
Рассмотрим разрешение R=2, х=50 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: σ=σ=σ=19.6 мм, h=h=h=l9.6 мм. Ускоряющее ионы напряжение U и индукция В равны: =400В, В=0.163Тл. Минимальное измеренное содержание легких газов Q=0.24-10-, но наблюдается интерференция
масс, как в [патент США №6815674, 09.11.2004, B01D 59/00] - водород и гелий не разделяются.
Пример 11.
1
2
1
2
а
а
min
-11
Рассмотрим разрешение R=40, х=50 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: σ=σ=σ=1 мм, h=h=h=20 мм. Ускоряющее ионы напряжение U и индукция В равны: U=400В, В=0.163Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q=2·10, что превышает заявленное значение (1).
Аналогичные результаты получены для конструктивных параметров приборов, рассмотренных в примерах 10 и 11, при подстановке значений х=15 мм и х=100 мм.
Таким образом, заявленный масс-спектрометр обладает реальными параметрами во всем заявленном диапазоне значений R (3) и x (5).