Динамічні мас-аналізатори

Недолік магнітних статичних мас-аналізаторів – це складність приєднання їх до вакуумної системи. Датчик такого приладу повинен не лише не змінювати склад газу в робочому об’ємі, але й правильно вимірювати його. Для цього мас-спектрометр потрібно приєднувати до вакуумної системи безпосередньо, не використовуючи під’єднувальних комунікацій, на яких можуть бути перепади тиску. При використанні статичних мас-аналізаторів такі вимоги не завжди вдається здійснити. Тому були розроблені спеціальні пристрої, які із-за наявності високочастотного електричного поля отримали назву – динамічні. Основні переваги динамічних мас-аналізаторів – портативність, простота конструкції та надійність в роботі. Розглянемо принцип роботи динамічного мас-аналізатора на прикладі квадрупольного мас-аналізатора та його різновиду – монопольного мас-аналізатора.

Квадрупольний мас-аналізатор займає друге місце за розповсюдженням після магнітних мас-аналізаторів. Даний метод винайдено в 1953 році вченим В. Паулем (цей вчений отримав Нобелевську премію в 1989 р.)

Квадруполь складається з чотирьох стержнів, до яких попарно з протилежною полярністю подається певна комбінація постійної та радіочастотної змінної напруг.

Розглянемо принцип роботи квадрупольного мас-аналізатора (рис.6.3). Досліджуваний газ іонізується в джерелі іонів (1) і витягується у вигляді пучка іонів через діафрагму в об’єм мас-аналізатора. Для іонізації молекул та атомів у даних приладах в основному використовують джерело іонів з іонізацією електронним бомбардуванням.

Рисунок 6.3 – Принцип роботи квадрупольного мас-аналізатора: 1 – джерело іонів; 2, 4 – траєкторії руху іонів; 3 – колектор іонів; 5 – циліндричні електроди

У камері аналізатора, внаслідок прикладеної до електродів (5) постійної U₀ та змінної U_m×cos(wt) напруги, створюється поле, потенціал j якого змінюється за параболічним законом:

, (6.6)

де r₀ – відстань від осі траєкторії іонного пучка до поверхні електроду;

U_m та w - амплітуда та частота змінної напруги електричного поля.

Під впливом високочастотної складової електричного поля іони здійснюють коливальні рухи, причому амплітуда коливання залежить від масового числа М та величини напруги U₀ та U_m. При певному співвідношенні величини U₀ до амплітудного значення U_m можна реалізувати умови, при яких однозарядні іони однакової маси будуть здійснювати коливання з обмеженою амплітудою відносно осі системи і, рухаючись поступово досягнуть колектора іонів (3). При цьому, амплітуда коливань іонів з іншими масовими числами М буде збільшуватися, і рано чи пізно такі іони потраплять на електродні стержні (5), так і не досягнувши колектора.

Розрахунок показує, що у випадку, коли U₀/U_m<0,167, масове число іонів М, що проходять через квадрупольний аналізатор, визначається співвідношенням

, (6.7)

де a - постійна величина.

Як видно із співвідношення (6.7), настройку квадрупольного мас-аналізатора на пропускання певної маси М можна здійснювати підбором відповідної амплітуди U_m високочастотної напруги при незмінному відношенні U₀/U_m в усьому діапазоні масових чисел М.

Іони (4) амплітуда коливань яких залишається меншою за відстань від осі до електрода (5), можуть без перешкоди проходити через поле квадруполя і досягати колектора іонів (3), на відміну від іонів (2) амплітуда коливань яких більша за відстань від осі до електрода (5).

В квадрупольному мас-аналізаторі для створення гіперболічного поля слід використовувати чотири електроди гіперболічної форми, що розміщені між собою на відстані 2r₀ (рис.6.4). Через технічну складність виготовлення електродів гіперболічної форми використовують циліндричні електроди радіусом r₀, які при певному співвідношенні радіусів r/r₀=1,114÷1,17 утворюють гіперболічне поле.

Рисунок 6.4 – Гіперболічне поле квадруполя утвореного чотирма стержнями квадрупольного поля

Використання квадрупольного мас-аналізатора набуло широкої розповсюдженості завдяки таким перевагам:

1. Відсутність високих напруг, що спрощує конструкцію мас-аналізатора, його вакуумну систему та зменшує масу приладу.

2. Відсутність магніту.

3. Менша вартість приладу порівняно з магнітним статистичним мас-аналізатором.

Недолік даного мас-аналізатора – це мала роздільна здатність, малий діапазон досліджуваних мас, нестабільність роботи.

У 1963 році було запропоновано конструкцію монопольного мас-аналізатора. У монопольного аналізатора, як відомо, поле створюється за допомогою одного полюсного електрода з гіперболічним або круговим перерізом та кутового заземленого електрода (рис.6.5 а, б). Введення іонів в аналізатор здійснюється через отвір у вхідній діафрагмі, що знаходиться поблизу вершини кутового електрода.

а	б
Рисунок 6.5 – Зовнішній вигляд (а) та схема (б) монопольного мас-аналізатора: 1 – корпус; 2 – круглий електрод; 3 – кутовий електрод

Перевагою монопольного мас-аналізатора є те, що порівняно із квадрупольним, він має простішу будову, тому що складається всього із двох електродів. Також перевагою монопольного мас-аналізатора є більша розділювальна здатність (більше 100), ніж у квадрупольного мас-аналізатора при менших значеннях U_o та U_m. Висота піків мас практично не залежить від відношення U_o та U_m.

Дата добавления: 2014-01-06