ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Масс-спектрометр с двойной фокусировкой и искровым ионным источником из "Аналитические возможности искровой масс-спектрометрии" Масс-спектрометр — прибор, разделяющий заряженные частицы (обычно ионы) по величине отношения их массы к заряду. Ионы в зависимости от свойств анализируемых веществ и характера решаемых задач могут быть получены несколькими способами, в том числе электронным ударом, бомбардировкой поверхности пробы пучком электронов и ионов, ионизацией на накаленных металлических поверхностях, фотоионизацией, в газовом разряде, высоковольтным полем, в вакуумном высоковольтном и низковольтном разрядах. [c.9] Основные требования, предъявляемые к ионным источникам, состоят в высокой эффективности ионообразования исследуемого вещества, малом разбросе образуемых ионов по энергиям, высокой светосиле источника и в наилучшем отношении полезного сигнала к фону. Эти требования, как правило, полностью не соблюдаются ни в одном нз известных в настоящее время источников ноиов, с которыми приходится иметь дело на практике. [c.9] Образовавшиеся ионы могут быть разделены пространственно в соответствии с отношением т/е в постоянных магнитных и электрических полях. Приборы такого типа называются статическими. Для разделения ионов по массам также используются зависимости скорости, резонансной частоты колебаний или их ускорение от величины отношения т/е. На этих принципах основаны приборы динамического типа. Они могут быть как магнитными, так и безмагнитными. [c.9] Статические масс-спектрометры основаны на использовании аксиально симметричного магнитного поля, в котором ионный пучок, предварительно сформированный и ускоренный электрическим полем источника, разделяется на составляющие, отличающиеся по отношению т/е, и каждая из них фокусируется по направлению. Масс-спектрометры с аксиально симметричным магнитным полем бывают двух типов с однородным и неоднородным полем в зазоре между полюсами магнита. [c.9] Теория магнитных масс-спектрометров с однородным полем была разработана Герцогом [1], а с неоднородным — А. Ф. Ма-ловым [2]. [c.9] Динамические масс-спектрометры основаны на безмагнит-ном илн магнитном разделении ионов по отношению массы к заряду. В радиочастотных приборах этого типа во время дрейфа заряженных частиц из ионного источника к коллектору имеет место приращение энергии для ионов различных масс в зависимости от фазового угла высокочастотного напряжения, приложенного к сеткам, установленным на пути прохождения ионного луча. Теория радиочастотных масс-спектрометров рассматривается в работах [3, 4]. [c.10] Динамический масс-спектрометр времяпролетного типа основан на способности ионов различных масс проходить различные пути в единицу времени в пространстве дрейфа между ионным источником и приемником. Это значит, что если в ионном источнике образовался короткий пакет ионов, то во время его движения в анализаторе ионы разделяются на отдельные пакеты в соответствии с отношением т/е, к приемнику первыми приходят ионы легких масс, а затем — более тяжелых [5—9]. [c.10] Разделение ионов, движущихся во взаимно перпендикулярных постоянном магнитном и переменном электрическом полях, осуществлено в масс-спектрометре циклотронного типа — омего-троне, который впервые был применен для анализа газов [10, 11]. Возможность синхронного вращения ионов данной массы в однородном магнитном поле реализована в магнитоимпульсном масс-спектрометре [12—17]. Достоинствами этого прибора является высокая разрешающая способность и простота конструкции. [c.10] К приборам динамического типа также относится квадру-польный масс-спектрометр, предложенный Паулем и др. [18, 19]. В анализаторе этого спектрометра ионы разделяются фильтром масс в поле квадрупольного конденсатора постоянным и высокочастотным напряжением, приложенным к четырем металлическим стержням, располагаемым вдоль камеры прибора. Ионы, получающие наименьшее ускорение в квадрупольном конденсаторе, попадают на коллектор и регистрируются. [c.10] Особенности перечисленных здесь масс-спектрометров, их основные аналитические и технические характеристики, а также области преимущественного использования подробно рассмотрены в работе [20]. [c.10] Наряду с ионным источником и масс-анализатором основным устройством всякого лгасс-спектрометра является приемник ионов, используемый для детектирования ионных пучков. Требования, предъявляемые к системам регистрации разделенных в анализаторах ионов, вытекают из решаемой задачи, а также зависят от конструкции и назначения масс-спектрометра. Системы регистрации, используемые в масс-спектрометрии, бывают двух типов. [c.10] Фотопластинка автоматически производит усреднение нестабильных ионных токов благодаря ее свойству кумулятивности к измерениям. [c.11] Чувствительность фотографического слоя специальных пластинок, применяемых в масс-спектрометрии (Ilford Q2, SWR, ORWO, U-2 и др.) в среднем составляет около Ю ион/мм . С помощью фотографического метода регистрации удается зарегистрировать микропримеси в исследуемых веществах с относительной чувствительностью до 5-10 ат. %, а вследствие высокой однородности эмульсионного слоя пластинки погрешность за ее счет составляет 1,5—2%. [c.11] Наряду с указанными достоинствами фотопластинка обладает и рядом существенных недостатков. При использовании фоторегистрации масс-спектра имеет место разрыв во времени между съемкой экспозиции и получением данных об исследуемых веществах. С помощью пластинки измеряется не прямой параметр, а лишь фактор пропускания, связанный нелинейно с интенсивностью ионных токов, вследствие чего приходится строить калибровочные кривые. При регистрации масс-спектра чувствительность фотоэмульсий изменяется от энергии иона и массы, кроме того, ширина линий на фотопластинке зависит от массы иона. Фотопластинка обладает малым динамическим диапазоном (около 3O) при регистрации экспозиций и относительно высоким фоном, интерференционными эффектами, плохими вакуумными характеристиками. [c.11] Ко второму типу регистрации относятся электрометрические методы детектирования ионов. Эти методы обеспечивают детектирование ионных токов до 10 5—10 а. Регистрация таких слабых сигналов осуществляется с помощью усилителей постоянного тока, усилителями с динамичеким конденсатором, логарифмическими усилителями, цифровыми вольтметрами, многошлейфовыми осциллографами и т. п. [c.11] В целом для масс-спектрометрии характерно применение электрической регистрации ионных токов. Однако, как уже было сказано, вследствие особенностей искрового разряда в искровой масс-спектрометрии в качестве детектора ионов преимущественно применяется фотопластинка. [c.11] Основные достоинства электрической регистрации составляющих масс-спектра — высокая чувствительность (около 1X X 10- ат. %), с ее помощью измеряется прямой параметр (число заряженных частиц) при определении любой примеси расходуется практически один и тот же объем материала, реализуется большой динамический диапазон 1 10 —10 измеряемого тока или напряжения. Основной недостаток электрической регистрации в искровой масс-спектрометрии — неодновременное детектирование всего масс-спектра исследуемого вещества. [c.12] Аналитические возможности фотографической и электрической регистрации в искровой масс-спектрометрии будут изложены в гл. 3. [c.12] Области использования масс-спектрометрических методов многообразны. С помощью масс-спектрометрии были открыты изотопы, а впоследствии был установлен изотопный состав всех элементов периодической системы, измерены с высокой точностью массы атомов, молекул и их дефекты, исследованы изменения изотопного состава легких элементов, происходящие под влиянием физико-химических процессов в природе, измерен абсолютный возраст геологических образований по накоплению изотопов свинца, стронция и аргона, выявлена тождественность изотопного состава элемента в земных и космических веществах, в отдельных случаях были определены периоды полураспада радиоактивных изотопов. Этн методы сыграли важную роль в становлении технологии искусственного разделения изотопов и степени их обогащения в связи с задачами атомной энергетики. Масс-спектрометрические методы используются в количественном химическом анализе при исследовании много-компонеитных газовых смесей, для определения микросодержания газовых примесей в твердых веществах, а в сочетании с изотопным разбавлением с их помощью удается обнаружить примеси инородных атомов в чистых веществах с высокой чувствительностью и точностью. [c.12] Наиболее широкая область применения масс-спектрометрии открылась в связи с возможностями получения ионов исследуемых веществ с помощью искрового источника. [c.13] Вернуться к основной статье