МАСС-СПЕКТРОМЕТР
MASS SPECTROMETER

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники и, в частности, к анализаторам масс-спектров.
Основными областями применения анализаторов заряженных частиц по энергиям и массам являются: изучение поверхности твердых тел, исследование структуры вещества и процессов взаимодействия при столкновениях частиц в газах и плазме.
При создании масс-спектрометров преследуют цель создания устройств, позволяющих проводить исследование ионизированных частиц, входящих в состав потоков плазмы и ионных пучков, с высокой точностью. Как известно, для получения масс-спектра, частицы должны быть ионизированы, т.е. пройти через ионизационную камеру, затем они вытягиваются из нее экстрактором, попадают в сепаратор, разделяются в нем по массам и поступают на коллектор, создавая в его цепи ток. Для получения спектра ионной компоненты, учитывая большой энергетический разброс ионов, используется анализатор с комбинацией электрического и магнитного полей.
Так, известен масс-спектрометр с анализатором частиц со скрещенными электрическим и магнитным полями (FR 2695756 A1, МПК H01J 49/48, опубликованный 18.03.1994) - [1], в котором анализатор ионов представляет собой, по меньшей мере, один цилиндрический электрод для создания области электрического поля, электромагнит для создания магнитного поля, перпендикулярного упомянутому электрическому полю, и разворотные линзы для направления частиц в последующий цилиндрический электрод. Данное устройство позволяет увеличивать разрешающую способность путем удлинения области анализатора со скрещенными полями.
Недостатком такого устройства является сложность конструкции и сборки прибора для обеспечения высокой точности исследований. Разворотные линзы неизбежно вызывают рассеяние частиц, что ведет к уменьшению тока на выходе анализатора, а, следовательно, и к снижению разрешающей способности прибора.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является масс-спектрометр (US 4054796 A, МПК H01J 49/28, опубликованный 18.10.1977) - [2], который содержит ионизационную камеру, диафрагму, анализатор частиц, представляющий собой параллельные электроды для создания между ними электрического поля и магнитные полюсные наконечники, для создания магнитного поля, ориентированного перпендикулярно указанному электрическому полю, диафрагму, электростатический сепаратор частиц, обеспечивающий исправление энергетической дисперсии, диафрагму и коллектор.
Недостатком данного устройства является использование магнитных полюсных наконечников, так как постоянные магниты имеют неоднородность магнитного поля, распространяющуюся от центра к их краям, что, как следствие, ведет к аберрациям. Кроме того, использование постоянных магнитов не обеспечивает возможность изменения величины магнитной индукции в зазоре между ними, что ограничивает применение прибора.
В основу предлагаемого технического решения заложена задача создания масс-спектрометра, с высокой разрешающей способностью, позволяющего минимизировать искажения в измерениях, возникающие за счет краевых эффектов, которые присутствуют при использовании постоянных магнитов, и проводить исследования функции распределения ионов по скоростям для разных масс.
Техническим эффектом данного изобретения является:
- повышение точности измерения массового состава ионного потока, т.е. разрешающей способности устройства;
- возможность получения функции распределения для конкретной массы иона по скоростям;
- расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности получения спектра ионного потока изменением магнитного или электрического полей.
зад
Решение поставленной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в масс-спектрометре, содержащем размещенные последовательно в заземленной вакуумной камере по направлению распространения исследуемого потока ионов от ее входного отверстия сепаратор по скоростям ионов, который выполнен в виде двух параллельных друг другу электродов с токовводами и имеет заземленные входную и выходную диафрагмы, сепаратор по массам ионов, выполненный в виде электростатического анализатора, который имеет два параллельных друг другу электрода цилиндрической формы с токовводами и снабжен заземленными входной и выходной диафрагмами с токовводами, а также коллектор с токовводом и присоединенным к нему вне вакуумной камеры регистрирующим устройством, при этом электроды сепаратора по скоростям ионов выполнены в виде коаксиальных внешнего и внутреннего цилиндрических электродов, между которыми в торцах размещены тонкие кольца из диэлектрика, причем в каждом кольце в его продольном направлении выполнено сквозное отверстие, оси сквозных отверстий в кольцах сепаратора по скоростям ионов совпадают с осями входного отверстия вакуумной камеры Z, а также отверстий входной и выходной диафрагм сепаратора по скоростям ионов, при этом сепаратор по скоростям ионов снабжен электромагнитной обмоткой, которая имеет токоввод и охватывает внешний и внутренний цилиндрические электроды сепаратора по скоростям ионов с внешней и внутренней стороны соответственно, а также кольца между ними, причем входная диафрагма сепаратора по скоростям ионов размещена в вакуумной камере у ее входного отверстия, кроме того, устройство снабжено генераторами импульсов напряжений сложной формы для управления напряжением внешнего и внутреннего цилиндрических электродов, а также для управления электромагнитной обмоткой сепаратора по скоростям ионов, и напряжением на электродах сепаратора по массам ионов, токовводы которых присоединены к выходам соответствующих генераторов импульсов напряжений сложной формы, помимо того, устройство снабжено многоканальным импульсным генератором, который имеет независимые каналы по числу генераторов импульсов напряжений сложной формы и выполнен с возможностью формирования импульсов напряжения на выходах независимых каналов, которые соединены с входами генераторов импульсов напряжений сложной формы для управления напряжениями на электродах сепаратора по массам ионов с временной задержкой t более времени пролета ионами расстояния между выходной диафрагмой сепаратора по скоростям ионов и входной диафрагмой сепаратора по массам ионов относительно импульсов напряжения на выходах независимых каналов, которые соединены с входами генераторов импульсов напряжений сложной формы для управления напряжением внешнего и внутреннего цилиндрических электродов, а также для управления электромагнитной обмоткой сепаратора по скоростям ионов.
Предлагаемый в данном устройстве анализатор с комбинацией электрического и магнитного полей выполнен с ортогональной ориентацией напряженностей электрического и магнитного полей и играет роль сепаратора по скоростям поступающих на него частиц потока ионов. В данном масс-спектрометре после сепаратора по скоростям расположен электростатический анализатор, разделяющий поток частиц по величине отношения энергии к заряду. Поскольку, при фиксированной скорости энергия частицы пропорциональна массе, то на выходе электростатического анализатора ионы будут разделены по массам. Таким образом, в предлагаемом устройстве реализуется возможность измерения функции распределения ионов по скоростям для разных масс. Данное обстоятельство расширяет возможности масс-спектрометра, обеспечивает отличительный подход к диагностике заряженных частиц и высокую точность исследований состава ионизированных веществ.
На Фиг.1 - схематично изображен предлагаемый масс-спектрометр в разрезе.
На Фиг.2 - схематично показаны электроды сепаратора по скоростям ионов, изолированные кольцами из диэлектрика и снабженные электромагнитной обмоткой.
На Фиг.3 - приведены эпюры импульсных напряжений с выходов независимых каналов многоканального импульсного генератора для запуска генераторов импульсов напряжений сложной формы (вариант управления масс-спектрометром при постоянном напряжении на электромагнитной обмотке).
На Фиг.4 - приведены эпюры изменения величин электрических потенциалов на электродах сепараторов по скоростям и массам ионов и их разностей от времени;
На Фиг.5 - приведены эпюры импульсных напряжений с выходов независимых каналов многоканального импульсного генератора для запуска генераторов импульсов напряжений сложной формы (вариант управления масс-спектрометром импульсным сигналом на электромагнитной обмотке).
На Фиг.6 - приведены эпюры изменения величин электрических потенциалов на электромагнитной обмотке сепаратора по скоростям, на электродах сепаратора по массам и их разности от времени.
Устройство на Фиг.1 содержит размещенные последовательно в заземленной вакуумной камере - 1 по направлению распространения исследуемого потока ионов от входного отверстия (с осью Z) вакуумной камеры 1 сепараторы ионов по скоростям и по массам.
Сепаратор по скоростям ионов на Фиг.1 и Фиг.2 содержит: внешний цилиндрический электрод - 2 с токовводом; внутренний цилиндрический электрод - 3 с токовводом; входную диафрагму - 4, которая заземлена; выходную диафрагму - 5, которая заземлена. При этом внешний 2 и внутренний 3 электроды выполнены коаксиальными с осью O.
Сепаратор по массам ионов на Фиг.1 имеет: электрод - 6 цилиндрической формы с радиусом R6; электрод - 7 цилиндрической формы с радиусом R7; входную диафрагму - 8, которая заземлена; выходную диафрагму - 9, которая заземлена.
В вакуумной камере 1 по направлению распространения потока ионов после сепаратора по массам размещен коллектор - 10.
Кроме того, сепаратор по скоростям ионов имеет: тонкое кольцо - 11 из диэлектрика, размещенное во входном по направлению распространения потока ионов торце электродов 2 и 3; тонкое кольцо - 12 из диэлектрика, размещенное в выходном по направлению распространения потока ионов торце электродов 2 и 3.
При этом кольца 11 и 12 имеют выполненные в продольном направлении сквозные отверстия соответственно 13 и 14, оси которых совпадают с осью Z входного отверстия вакуумной камеры 1 и осями входной 4 и выходной 5 диафрагм сепаратора по скоростям ионов.
Кроме того, сепаратор по скоростям снабжен электромагнитной обмоткой - 15, которая имеет токоввод и охватывает внешний электрод 2 с его внешней стороны, а внутренний электрод 3 с его внутренней стороны, и размещенные в их торцах кольца 11, 12.
Вне вакуумной камеры 1 предлагаемый масс-спектрометр содержит: генератор импульсов напряжения сложной формы - 16 для управления напряжением на внешнем 2 электроде сепаратора по скоростям ионов; генератор импульсов напряжения сложной формы - 17 для управления напряжением на внутреннем 3 электроде сепаратора по скоростям ионов; генератор импульсов напряжения сложной формы - 18 для управления напряжением электромагнитной обмотки 15 сепаратора по скоростям; генератор импульсов напряжения сложной формы - 19 для управления напряжением на электроде 6 сепаратора по массам ионов; генератор импульсов напряжения сложной формы - 20 для управления напряжением на электроде 7 сепаратора по массам ионов; многоканальный импульсный генератор - 21 с числом независимых каналов не менее числа генераторов импульсов напряжении сложной формы в устройстве в целом.
Кроме того, к токовводу коллектора 10 вне вакуумной камеры 1 присоединено регистрирующее устройство - 22.
Работает показанный на Фиг.1 и Фиг.2 масс-спектрометр следующим образом.
c
c2
c3
c2
c3
c2
В сепараторе скоростей (Фиг.2) внешний 2 и внутренний 3 цилиндрические электроды длиной l, с радиусами соответственно R и R с общей осью O выполнены из металла (либо из металлической сетки), при этом удовлетворяют условию (R-R)<<R и расположены коаксиально и закреплены между собой при помощи диэлектрических тонких колец 11 и 12.
Вдоль внешней поверхности электрода 2 и внутренней поверхности электрода 3 намотана тороидальная электромагнитная обмотка 15 с равномерным числом витков по азимуту. Через электромагнитную обмотку 15 пропускается постоянный ток, и в зазоре между электродами 2 и 3 создается постоянное магнитное поле азимутального направления величиной индукции В.
c2
c3
c2
c3
cZ
7
6
7
На внутренний электрод 3 подается отрицательное напряжение, а на внешний электрод 2 - положительное относительно земли (корпуса масс-спектрометра). Таким образом, между двумя электродами 2 и 3, при подаче на них напряжений и при пропускании тока через электромагнитную обмотку 15, возникают скрещенные электрическое и магнитное поле. Сепаратор скоростей ионов имеет конструкцию, которая обеспечивает магнитное поле, равномерно распределенное вдоль поверхностей внешнего 2 и внутреннего 3 электродов. Как следствие этого, уменьшение краевых эффектов и снижение аберраций. На входе частиц в сепаратор скоростей расположена входная диафрагма 4, на выходе частиц - выходная диафрагма 5, диаметр отверстий диафрагм 4 и 5 значительно меньше разности радиусов R и R внешнего 2 и внутреннего 3 электродов соответственно. Диэлектрические тонкие кольца 11 и 12 имеют отверстия, диаметр которых также много меньше разности радиусов R и R, а оси расположены строго вдоль оси входного отверстия Z вакуумной камеры 1 по образующей цилиндра с радиусом R и осью O (см. фиг.2). Таким образом, частицы могут проходить через входную 4 и выходную 5 диафрагмы вдоль скрещенных электрического и магнитного полей. Электроды 6 и 7 электростатического анализатора представляют собой два цилиндрических электрода, расположенных коаксиально на расстоянии (R-R)<<R друг от друга. На электрод 7 подается положительное напряжение, а на электрод 6 - отрицательное напряжение относительно земли (вакуумного корпуса 1). Электростатический анализатор (сепаратор по массам ионов) разворачивает частицы на 90° (либо на 180°, либо на 270°).
Многоканальный импульсный генератор 21 служит для синхронизации запуска генераторов импульсных напряжений сложной формы 16, 17, 19, 20. Эпюры импульсов напряжений вырабатываемых генератором 21, используемых для запуска генераторов импульсных напряжений сложной формы 16, 17, 19, 20, представлены на Фиг.3.
пролета
Генератор импульсных напряжений 16 подает сигнал на внешний электрод 2 сепаратора скоростей. Генератор импульсных напряжений сложной формы 17 подает сигнал на внутренний электрод 3 сепаратора скоростей. Генератор импульсных напряжений сложной формы 19 подает сигнал на электрод 6 сепаратора по массам. Генератор импульсных напряжений сложной формы 20 подает сигнал на электрод 7 сепаратора по массам. Период следования импульсов T генераторов импульсных напряжений сложной формы 16, 17, 19, 20 одинаков и должен быть существенно больше времени пролета t частиц ионного пучка вдоль оси Z в сепараторе скоростей равного:
c
где: l - длина сепаратора скоростей;
min
υ - наименьшая скорость частиц в пучке.
зад
зад
При подаче напряжения многоканальным импульсным генератором 21 на генераторы импульсных напряжений сложной формы 16, 17, 19, 20 обеспечиваются временные задержки импульсов (см. Фиг.3). Сначала импульсы подаются генераторами импульсных напряжений сложной формы 16 и 17 на внешний 2 и внутренний 3 электроды соответственно, спустя время t (t - время задержки подачи импульсов между генераторами импульсных напряжений сложной формы 16, 17 и 19, 20, которое должно быть больше времени пролета ионов расстояния между выходной диафрагмой 5 сепаратора скоростей и входной диафрагмой 8 электростатического анализатора - сепаратора по массам) подаются импульсы генераторами импульсных напряжений сложной формы 19 и 20 на электроды 6 и 7 соответственно.
Генератор импульсных напряжений сложной формы 16 воспроизводит сигнал ступенчатой формы. Амплитуды приложенных к внешнему электроду 2 потенциалов увеличиваются со временем. Величина начального потенциала от генератора импульсных напряжений сложной формы 16 - , спустя интервал времени, равный T, сигнал изменится до величины , и так далее до  (см. фиг.4). Генератор импульсных напряжений сложной формы 17 воспроизводит сигналы ступенчатой формы, полярность которых противоположна, а длительность совпадает с сигналами, вырабатываемыми генератором импульсных напряжений сложной формы 16. Величина начального потенциала от генератора импульсных напряжений сложной формы 17 - , спустя интервал времени, равный T, сигнал изменится до величины , и так далее до . Разность потенциалов между внешним 2 и внутренним 3 электродами изначально равна , спустя интервал времени, равный T, разность потенциалов между внешним 2 и внутренним 3 электродами , и так далее. Таким образом, , , …, , где n - количество шагов, определяющих точность измерения распределения ионов по скоростям.
6
7
7-6
7-6
7
6
Генератор импульсных напряжений сложной формы 19 воспроизводит сигнал пилообразной формы с амплитудой потенциала, приложенного к электроду 6 и убывающего до величины Ф. Генератор импульсных напряжений сложной формы 20 воспроизводит сигнал пилообразной формы потенциала, приложенного к электроду 7 и возрастающего до величины Ф, противоположной полярности с амплитудой потенциала, приложенного к электроду 6 спектрометра по массам. Распределение потенциала между электродами 6 и 7 имеет пилообразную форму и возрастает до величины, равной U, которая определяется разностью потенциалов, приложенных к электродам 7 и 6, U=Ф-Ф.
При этом от генератора импульсов напряжений сложной формы 18 на электромагнитную обмотку 15 подается напряжение постоянной величины (см. фиг.3).
Масс-спектрометр работает следующим образом.
Исследуемый поток ионов проходит через заземленную входную диафрагму 4, затем попадает в сепаратор скоростей. Сепаратор скоростей действует на заряженные частицы (ионы) подобно фильтру Вина, физический принцип действия которого таков: начальная скорость  заряженных частиц направлена перпендикулярно взаимно ортогональным векторам напряженности электрического  поля и индукции магнитного  поля. На частицу, движущуюся в скрещенных электрическом и магнитном полях, действуют электрическая сила , равная  (где q - заряд иона), и магнитная сила Лоренца  (см. Фиг.2). Электрическая сила  направлена от внешнего электрода 2 к внутреннему электроду 3, как показано на Фиг.2, магнитная сила Лоренца  направлена от внутреннего электрода 3 к внешнему электроду 2, так как в выражении  присутствует векторное произведение скорости частицы и индукции магнитного поля, следовательно, результирующий вектор, то есть сила Лоренца, направлен взаимно ортогонально двум указанным векторам. При условии, когда , эти силы точно уравновешивают друг друга. Если это условие выполняется, частица будет двигаться равномерно и прямолинейно. При заданных значениях электрического и магнитного полей сепаратор скоростей выделит частицы, движущиеся с определенной скоростью , независимо от величины их массы. Для частиц с иной скоростью сепаратор скоростей является ионной ловушкой.
В предлагаемом сепараторе скоростей направление скорости  влетающих в него ионов параллельно направлению оси Z, а напряженность электрического поля перпендикулярна направлению скорости ионов в направлении от внешнего электрода 2 к внутреннему 3, индукция магнитного поля ортогональна направлению скорости ионов и напряженности электрического поля.
В работе («Особенности движения заряженных частиц в трансляционно-симметричных взаимно ортогональных электрическом и магнитном полях», П.М. Тюрюканов // Журнал технической физики, том LI // 1981) - [3] подробно описаны условия движения заряженных частиц в трансляционно-симметричных электромагнитных полях. Приведены расчеты для продольной и поперечной составляющих скоростей ионов в скрещенных полях. А также получено выражение для границы области, возможной для движения частиц. Из приведенных расчетов видны условия движения ионов в скрещенных полях. Распределение электростатического потенциала в пространстве между электродами 2 и 3 имеет логарифмическую зависимость. Приведенные в работе [3] расчеты показывают важность того факта, что напряженность электрического поля  и индукция магнитного поля  распределены по одинаковому закону. Учитывая расчеты в работе [3], можно утверждать, что в предлагаемой конструкции сепаратора скоростей обеспечивается условие, когда E(r)~1/r и B(r)~1/r (где: r - расстояние, которое пролетает ион вдоль оси Z при заданных значениях E и B), а это способствует отсутствию искажений и высокой точности прибора.
1
2
n
Так как на генераторы импульсных напряжений сложной формы 16 и 17 подаются ступенчатые сигналы разной полярности, а от генератора импульсов напряжений сложной формы 18 подается постоянное напряжение на электромагнитную обмотку 15, сепаратор по скоростям выделяет частицы с определенной скоростью  на участке длительностью T и величиной разности потенциалов . После увеличения потенциала до величины , в течение времени T сепаратор по скоростям выделяет из ионного пучка частицы со скоростью . Аналогично при возрастании потенциала до  в течение времени T сепаратор скоростей выделит частицы со скоростью .
Далее частицы с одним и тем же значением скорости, проходя заземленную выходную диафрагму 5 сепаратора по скоростям, а затем диафрагму 8, попадают в поле сепаратора по массам (электростатического анализатора) между электродами 6 и 7.
0
Движение иона в зазоре между электродами 6 и 7 происходит по окружности, радиус траектории R которой определяется выражением:
где: m - масса иона;
υ - скорость иона;
q - заряд иона;
U - величина напряжения электрического поля между электродами 6 и 7 сепаратора по массам.
Следовательно, прошедшие сепаратор по скоростям ионы имеют фиксированную скорость υ и различные массы m. При заданном напряжении U в сепараторе по массам будут двигаться по соответствующим их массам траекториям. Таким образом, при определенном значении напряжения U, будут выделены частицы с определенной массой m. Задавая различные значения напряжения U, можно получить весь масс-спектр при фиксированной скорости υ.
7-6
7
6
1
2
3
4
n
Подача сигналов пилообразной формы от генераторов импульсных напряжений сложной формы 19 и 20 на электроды 6 и 7 обеспечивает развертку масс-спектрометра. Амплитуда разности потенциалов U=Ф-Ф выбирается в зависимости от того, какова масса самой тяжелой частицы в спектре. Частицы со скоростью , выделенные сепаратором скоростей в течение времени T при величине потенциала  (см. Фиг.4), попадая в поле сепаратора по массам электродов 6 и 7, благодаря сигналу пилообразной формы на них, сепарируются по массам. Поскольку при фиксированной скорости энергия частицы пропорциональна массе, то на выходе сепаратора по массам ионы будут разделены в соответствии с их массовыми числами. В течение второго интервала времени T частицы со скоростью , прошедшие сепаратор скоростей, когда напряжение между его электродами принимает величину , также сепарируются по массам, попадая в поле сепаратора по массам между электродами 6 и 7. Аналогично в последующие интервалы времени Т, Т… T при величинах напряжений на сепараторе скоростей ,  … , сепаратором по скоростям будут выделяться частицы с фиксированными скоростями , , … , а затем сепарироваться по массам в поле сепаратора по массам.
Затем выделенные по массам ионы проходят заземленную диафрагму 9 и попадают на коллектор 10, создавая в его цепи ток, который регистрируется устройством 22 в виде ряда пиков.
1
1
2
2
n
зад
Так же развертка спектра по скоростям может быть получена путем изменения магнитного поля электромагнитной обмотки 15 (см. Фиг.5), что расширяет функциональные возможности масс-спектрометра. При этом электрическое поле между электродами 2 и 3 должно быть постоянным, что обеспечивается подачей на электроды 2 и 3 от генераторов импульсных напряжений сложной формы 16 и 17 потенциалов постоянной величины, таким образом, электрическое поле в зазоре между внешним электродом 2 и внутренним электродом 3 постоянно. От генератора импульсов напряжений сложной формы 18 подается ступенчатый сигнал на электромагнитную обмотку 15 (см. Фиг.6), сепаратор скоростей выделяет частицы с определенной скоростью  на участке длительностью T и величиной создаваемой магнитной индукции В. Затем сигнал на электромагнитной обмотке 15 увеличивают и создают индукцию магнитного поля величиной В, при этом в течение времени Т сепаратор частиц выделяет из ионного пучка частицы со скоростью . Аналогично при возрастании индукции магнитного поля до B сепаратор скоростей выделит частицы со скоростью . Временная задержка t импульсов на электромагнитную обмотку 15, электрод 6 и электрод 7 показаны на Фиг.5.
Далее принцип работы масс-спектрометра схож с ранее описанным вариантом работы устройства.
n
Использование предлагаемой конструкции масс-спектрометра позволит реализовать задачу получения распределения ионов исследуемого вещества по скоростям  для каждой определенной массы m.