Радиочастотный масс-спектрометр

Принцип действия радиочастотного масс-спектрометра, предложенного Беннетом в 1954 г. 115, удобно рассмотреть на примере действия одного каскада (рис. 8. 11). Электроны, эмитти-руемые катодом А, ускоряются разностью потенциалов, приложенной между катодом и сеткой а, и, попадая в пространство между сетками а и б, создают в нем (в результате соударения с молекулами газа) положительные ионы. Образовавшиеся ионы ускоряются в направлении сетки б разностью потенциа установить частоту окончания автоматической развертки по шкале «Установка конца развертки» при помощи выступающего диска с накаткой.

При записи отдельного участка спектра на шкале «Установка конца развертки» необходимо устанавливать значение разности между частотами конца и начала развертки. Например, необходимо записать участок спектра масс между частотами А = 300 и /₂ = 800 кгц. По основной шкале генератора устанавливается частота 300 кгц, затем по шкале «Установка конца развертки» — частота /₂—Д = 800—300 = 500 кгц.

Для пуска развертки и записи спектра на ленте ЭПП-09 нажать кнопку «Автоматическая развертка». При необходимости записи изменений ионного тока любого массового числа во времени следует переключатель «Развертка» поставить в положение «Ручная», затем, вращая ручку настройки генератора, установить частоту, соответствующую максимуму ионного тока данного массового числа. Пуск записи на ленте ЭПП-09 также производится кнопкой «Автоматическая развертка».

Все ионы при подходе к сетке б имеют одну и ту же энергию, но в соответствии с формулой (8. 15) разные скорости и, следовательно, проходят сетку б в разные моменты времени. При дальнейшем движении ионов в пространстве между сетками б и г в зависимости от момента прихода иона в это пространство и фазы высокочастотного поля некоторые ионы будут испытывать дополнительное ускорение, а некоторые, наоборот, будут тормозиться.

Задачу о движении заряженной частицы в высокочастотном электромагнитном поле, сделав ряд допущений, можно решить приближенно. Для этого следует предположить, что амплитуда высокочастотного потенциала сетки в мала по сравнению с ускоряющей ионы разностью потенциалов U_a6. Поэтому влиянием переменного поля на время прохождения иона между сетками б и г можно пренебречь. Кроме того, в расчетах не учитывается влияние пространственного заряда на движение частиц.

Исходя из условий, что скорость ионов в пространстве между сетками биг постоянная (и = const), пределы интегрирования выражения (8. 16) определяются следующим образом:

где F — сила, действующая на ион с массой т между сетками биг.

В пространстве между сетками бив сила F равна

а сила, действующая между сетками виг,

Это выражение получено из уравнений (8. 15) и (8. 19) при исключении из них скорости v и подстановки соответствующих констант.

Таким образом, при данной частоте высокочастотного поля и данном ускоряющем напряжении U максимальное значение энергии могут иметь ионы вполне определенной массы. Если после сетки г поставить коллектор ионов (см. рис. 8. 11) с тормозящей разностью потенциалов, которая лишь немного меньше потенциала, соответствующего максимально приобретаемой энергии ионов, то коллектора будут достигать только те ионы, для которых соблюдается условие приобретения максимальной энергии. Поэтому данный прибор можно использовать в качестве измерителя парциальных давлений. Кроме того, из полученной формулы (8. 23) видно, что при постоянных расстояниях S, изменяя ускоряющее напряжение U или частоту высокочастотного поля f, можно создавать условия для собирания ионов с тем или другим массовым числом. Поэтому рассматриваемый прибор может иметь две шкалы: в первом случае — линейную, а во втором — гипербо-частотного поля от числа N периодов изменения потенциала на сетке в. Положение главного максимума соответствует значению

Однократно заряженный ион будет иметь максимальную энергию после прохождения системы электродов и электрических полей в случае выполнения условия

Условие (8. 21) имеет следующий физический смысл: ион, получающий максимальное приращение энергии, должен проходить сетку в в момент смены знака высокочастотного поля.

Значение 0 может быть определено, если продифференцировать выражение (8. 19) по со с учетом условия (8. 21). В результате получим, что 0 = 46° 26, = 133° 34.

Следовательно, ионы, проходящие сетку б при других значениях 0 или со скоростью, отличной от оптимальной, приобретают меньшую добавочную энергию. Наибольшее значение энергии, которой может обладать ион при прохождении сетки г, равно

Решением этого уравнения является

Условие максимального приращения энергии движущегося иона может быть определено, если взять производную от выражения (8. 19) по 0 и приравнять ее нулю:

После интегрирования выражения (8. 16) в указанных пределах получим

Так как максимум рассматриваемой кривой не является острым, то вполне понятно, что на коллектор ионов будут одновременно попадать ионы с различными массовыми числами. Разрешающая способность такого однокаскадного анализатора весьма низка. Однако она может быть значительно повышена последовательным применением ряда подобных устройств. С этой целью располагают друг за другом несколько групп тройных электродов с подачей на каждый средний электрод переменного потенциала той же частоты.

На рис. 8. 12, б, в приведены зависимости добавочной энергии A1F, которую приобретает ион в двухкаскадном и трехкаскадном анализаторах. Увеличивая число каскадов, можно повысить разрешающую способность. Однако в этом случае ухудшается «светосила» прибора, определяемая мощностью ионного пучка, которая, в свою очередь, ограничивается прозрачностью сеток. Так, например, при прозрачности одной сетки 65% общая прозрачность всей системы трехкаскадного анализатора составит всего 0,5%. Беннет изготовлял сетки из вольфрамовой проволоки диаметром 12,5 мкм, с размером отверстий около 0,75 мм. Площадь отверстий каждой сетки в этом случае составляла 95%, а прозрачность трехкаскадного анализатора достигала 50%. Разрешающая способность трехкаскадного радиочастотного масс-спектрометра около 20, минимальное измеряемое давление 10⁸-н10~⁹ мм рт. ст. В литературе описывается применение радиочастотного масс-спектрометра в исследованиях космического пространства 116—118 и в электровакуумной промышленности для анализа остаточных газов в электронных лампах 119.

В России разработано несколько лабораторных приборов такого типа. Радиочастотный масс-спектрометр МХ-6401 116 имеет минимальное измеряемое парциальное давление 5-10~⁹лл рт. ст. и разрешающую способность 50. Диапазон рабочих давлений 10~⁴-н10^-8 мм рт. ст.

Редхедом 120, 121 описан радиочастотный масс-спектрометр для измерения общего и парциального давления, названного им топатроном (рис. 8. 13). Все 14 сеток топатрона расположены равномерно по его длине. Диаметр датчика 40 мм, длина 210 мм. Сетка с_х служит для вытягивания положительных ионов из камеры ионизатора и имеет отрицательный относительно катода потенциал 300 в. Ионный ток в цепи этой сетки пропорционален общему давлению газов в вакуумной системе. Сетки с₂ — с₁₂ образуют пять трехсеточных каскадов, позволяющих получить от

Принцип действия прямопролетного масс-спектрометра состоит в следующем 122. Ионы, образованные в ионизационной камере, выталкиваются из нее под действием импульса напряжения и попадают в ускоряющее электрическое поле. В дальнейшем ускоренный пакет ионов попадает в область дрейфа, представляющую собой эквипотенциальное пространство, при движении в котором происходит разделение ионов по массам. Это разделение вызывается тем, что для моноэнергетических ионов время пролета t расстояния L зависит от массы иона.

Оказывается функцией массы ионов, т. е. более легкие ионы пройдут путь L быстрее тяжелых. На выходе области дрейфа образуются пакеты ионов одинаковых масс, которые через различные промежутки времени поступают на коллектор ионов и создают на сопротивлении нагрузки последнего кратковременные импульсы напряжения. Напряжение, снимаемое с нагрузки коллектора ионов, усиливается широкополосным усилителем до величины, достаточной для получения необходимого отклонения луча на экране электроннолучевой трубки. Запуск горизонтальной развертки этой трубки осуществляется от генератора задержки, синхронизированного задающим генератором. Это дает возможность получать на экране электроннолучевой трубки весь спектр масс ионов и любую его часть. Для получения пучка положительно заряженных ионов в имульсном масс-спектрометре используется источник ионов с ионизацией исследуемого газа медленными электронами. Схематическое изображение одной из конструкций масс-спектрометра приведено на рис. 8. 14.