Циклотронний мас-спектрометр (омегатрон)

Омегатрон є одним з найбільш поширених мас-спектрометрів.

Принцип дії омегатрона базується на використанні особливостей руху іонів під дією взаємно перпендикулярних постійного магнітного поля з напруженістю Н від зовнішнього магніту та високочастотного електричного поля напруженістю .

На рис. 2.7 наведено схему циклотронного мас-спектрометра.

Рис. 2.7. Схема циклотронного мас-спектрометра (омегатр она)

Пучок електронів, емітованих катодом 5, прискорений до енергії в декілька сотень електрон-вольт та сфокусований осьовим магнітним полем, проходить через камеру іонізації та потрапляє на колектор електронів 2. Позитивні іони з різними масовими числами, які утворилися на шляху електронного пучка потрапляють під одночасну дію взаємно перпендикулярних полів – постійного магнітного з напруженістю Н та високочастотного електричного поля , прикладеного між пластинами 1 та 3. Під дією цих полів іони рухаються в площинах, перпендикулярних осі Z.

Рівняння руху іонів в ідеальному омегатроні можна записати у вигляді

(2.14)

Розв′язок рівнянь руху іонів, які вилітають з різних точок осі з швидкостями, близькими до нуля (t =0, v =0), дає рівняння траєкторії іонів , (2.15)

де ω _ц – так звана циклотронна частота, яка визначається рівнянням

, (2.16)

де

(2.17)

це час пробігу (період обертання) іона, який має масу М та швидкість v, по колу довжиною 2π r з радіусом

. (2.18)

Підстановка виразів (2.17) та (2.18) в формулу (2.16) дає

. (2.19)

При ω=ω ц рівняння (2.15) приймає вигляд

. (2.20)

В цьому випадку траєкторії іонів мають форму спіралі, яка розкручується; це означає, що радіус їх траєкторії росте з часом t, а іон споживає енергію високочастотного електричного поля.

Якщо на нижній пластині 3 встановлено колектор 4 (він має вигляд металевої смужки, перпендикулярної до площини спіралі), то іони, які рухаються з циклотронною частотою, будуть ним реєструватися. Такі іони називаються резонансними. Траєкторії нерезонансних іонів змінюються з часом, а їх максимальний радіус описується виразом

. (2.21)

Якщо колектор розміщено на відстані r > r _max, то ці іони на нього не потраплять. Вони не споживають енергію високочастотного поля, а їх траєкторії замикаються поблизу осі, біля якої вони утворилися (на відстані від колектора). Просторовий заряд, утворений нерезонансними іонами, поступово розсіюється та рекомбінує на пластинах діелектрика (уловлюючі пластини 6).

Замінивши в формулі (2.19) кутову частоту ω ц на лінійну частоту fц, отримаємо .

В постійному магнітному полі , тому шкала масових чисел при розгортці по частоті - гіперболічна.

Плавно змінюючи частоту f високочастотного поля, можна створювати умови резонансу для іонів різної маси та отримати таким чином спектр мас.

Вимірювання іонного струму, що проходить через колектор, здійснюється електрометричним підсилювачем.

Роздільна здатність омегатрона обернено пропорційна масі іона М

, (2.22)

де r_кол – відстань від осі приладу (електронного променя) до колектора іонів; Е ₀ – амплітудне значення напруженості високочастотного електричного поля.

Таким чином, чим менша маса іона, тим вища роздільна здатність омегатрона, і навпаки. При зростанні М реально вдається досягнути для Δ М =1 а.о.м. значення роздільної здатності 35 – 41.

Рис. 2.8. Залежність роздільної здатності та струму резонансних іонів омегатрона від амплітуди напруженості високочастотного поля

Типова залежність роздільної здатності та струму резонансних іонів Іі від амплітудного значення напруженості високочастотного поля Е 0 має вигляд, наведений на рис. 2.8.

Повна довжина шляху L резонансного іона до його попадання на колектор визначається виразом

. (2.23)

При роздільній здатності ~20 та відстані від осі електронного променя до колектора іонів r ₀=1.5 см шлях L досягає значення ~60 см. Тому омегатрон стійко працює тільки при тисках, нижчих за 10^-5 мм рт. ст., коли середня довжина вільного пробігу іона λ і перевищує L. При більш високих тисках можуть мати місце зіткнення іонів з атомами залишкових газів, що призводить до розсіювання іонів і викривлення показів приладу.

Нижня границя вимірюваних омегатроном парціальних тисків окремих газів в умовах високого вакууму досягає 10^-12 мм рт. ст., а роздільна здатність може бути доведена до 100 і більше.

Коефіцієнт чутливості по азоту при електронному струмі 10 мкА лежить в межах (4 ÷ 10)*10^-9 А/мм рт. ст.

При великих електронних струмах чутливість зменшується, бо зростає просторовий заряд нерезонансних іонів. Відносна чутливість приладу (по азоту) залежить від роду газу.

Максимальний робочий тиск омегатрона (1 ÷ 4)*10^-5 мм рт. ст, мінімальний –

10^-10 мм рт. ст.

На рис. 2.9 наведено спектр мас залишкових газів, отриманий за допомогою омегатрона.

Рис. 2.9. Спектр мас залишкових газів, отриманий за допомогою омегатрона

Як видно з рисунка, омегатрон іноді реєструє фальшиві піки на масах М /2. Наприклад пара води, крім піку з масою 18 дає пік з масою 9. Для відокремлення фальшивих піків використовують їх монотонну залежність від амплітудного значення напруженості високочастотного електричного поля, в той час, як істинні піки залежать від Е ₀ резонансно.

2.3.3. Часпролітний мас-спектрометр (хронотрон)

Робота часпролітного мас-спектрометра базується на принципі розділення іонів різної маси за часом прольоту в вільному від електричного та магнітного полів просторі. Часпролітний мас-спектрометр часто називають також імпульсним мас-спектрометром або хронотроном.

Принципова схема будови камери-датчика хронотрона наведена на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Камера час-пролітного мас-спектрометра (хронотрона)

а- іони масою М 1; б – іони масою М 2; в – іони масою М 3; Д – джерело іонів;

П – приймач іонів; А – аналізатор; К – катод; КЕ – колектор електронів;

Uвит – витягуюча напруга; Uвідкр – відкриваюча напруга; 1 – колектор іонів;

2 – антидинатронна сітка; 3 – супресорна сітка; 4 – витягуюча сітка;

5 – прискорююча сітка

Джерело іонів Д видає в аналізатор – простір дрейфу А – пакети іонів. Пакет іонів можна отримати як імпульсною іонізацією електронним потоком шляхом подачі імпульсу U_іон тривалістю 10^-7 – 10^-8 с та частотою до 10 кГц, так і подачею на виштовхуючий електрод або витягаючу діафрагму 4 імпульсу напруги U_м тієї ж тривалості при постійному електронному потоці. Пройшовши прискорюючу напругу U_приск, яка подається на сітку 5, іони рухаються в аналізаторі А в бік колектора іонів 1 за інерцією, при цьому швидкість v руху окремих іонів залежить від їх енергії та масового числа. Час прольоту іонів t від джерела іонів Д до приймача іонів П вздовж всього простору дрейфу А довжиною l визначається з рівняння

, (2.24)

В аналізаторі, рухаючись від джерела Д до колектора 1, іони розділяються на групи у відповідності з їх масовими числами. Першими на колектор іонів прийдуть іони легких газів, а за ними послідовно групи іонів більш важких газів. Попадаючи на колектор іонів 1 пакети іонів створюють в його колі струм, пропорційний кількості іонів, тобто парціальному тиску. Приймачем іонів служить вторинний електронний помножувач. Тривалість імпульсу, що створює мас-спектр, дуже мала (0,1 мкс), а частота може сягати 10 кГц. Помножувач зв′язаний з широкополосним підсилювачем, вихідний сигнал якого подається на вертикально відхиляючі пластини осцилографа, частота розгортки якого синхронна з частотою повторювання іонізуючих імпульсів.

Як правило в приймачі іонів перед колектором 1 встановлюється система сіток, найближча з яких є антидинатронною (сітка 2). Інші сітки дозволяють при необхідності із всього потоку іонів вибирати та пропускати на колектор 1 тільки іони з певним масовим числом або діапазон масових чисел. Це здійснюється подаванням на сітки відкриваючих та закриваючих імпульсів, зфазованих з іонізуючим імпульсом. Супресорна сітка 3 не пропускає на колектор розсіяні іони, енергія яких нижча за енергію іонів в пакеті.

Роздільна здатність час-пролітного мас-спектрометра визначається за формулою , (2.25)

де Δ t – час, протягом якого іони однієї маси приходять на колектор. Цей час визначається шириною пакета іонів біля колектора, тривалістю іонізуючого або витягуючого імпульсів та розкидом початкових швидкостей іонів, її збільшення пов′язане з необхідністю зменшення Δ t.

Роздільна здатність часпролітного мас-спектрометра 10 – 100, діапазон мас, що реєструються – 1 – 600 а.о.м., діапазон робочих тисків – 10^-4 – 10^-9 мм рт. ст. Недоліком такого мас-спектрометра є велика довжина простору дрейфу – l ≥0,5м.

Час-пролітний мас-спектрометр знайшов широке застосування для аналізу складу газів в високовакуумних системах, де він швидко змінюється. Суттєвою перевагою цього приладу є відсутність магнітного поля.

2.3.4. Радіочастотний мас-спектрометр

В радіочастотному мас-спектрометрі розділення іонів за масами відбувається при проходженні ними системи електродів-сіток, до яких прикладена високочастотна напруга (рис. 2.11). Іони, які вийшли з джерела 1 та мають початкову енергію U 0, потрапляють в простір з декількома групами сіток 2, по три в кожній групі.

Рис. 2.11. Схематична будова датчика радіочастотного мас-спектрометра

Між крайніми та центральною сіткою кожної групи прикладена високочастотна напруга. При русі іонів в області дії високочастотного поля, в залежності від початкової фази поля одна їх частина буде отримувати додаткове прискорення, а інша, навпаки, буде гальмуватися. Пройти через всю систему сіток та перебороти затримуюче поле поблизу колектора 3 зможуть лише іони, які в високочастотному полі накопичили певної додаткової енергії. Розрахунок показує, що додаткова енергія має різкий максимум для іонів певної (резонансної) маси, яка відповідає співвідношенню

, (2.26)

де М – масове число іона; U ₀ – початкова енергія іона; ω - кутова частота змінної напруги; S – відстань між крайніми та середньою сіткою.

З виразу (2.26) випливає, що розгортка спектру мас в радіочастотному мас-спектрометрі може здійснюватися шляхом плавної зміни частоти або шляхом зміни початкової енергії іонів.

Для збільшення роздільної здатності приладу між групами сіток вводиться простір дрейфу, вільний від поля. Це призводить до того, що нерезонансні іони з масами, близькими до резонансної, які в першій групі сіток накопичили достатньо енергії, в наступні групи сіток потрапляють не в фазі і не досягають колектора.

Роздільна здатність радіочастотного мас-спектрометра визначається, в основному, розкидом початкових швидкостей іонів і в трьохкаскадному варіанті

змінюється від 20 до 100, діапазон робочих тисків приладу – 10^-4 – 10^-8 мм рт. ст.

Різновидом резонансного радіочастотного мас-спектрометра є прилад, який отримав назву топатрона (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Електродна система та розподіл потенціалу

вздовж осі датчика топатрона

Тут всі 14 сіток розміщені рівномірно по довжині між іонізаційною камерою А та колектором іонів Т. Корпус камери А знаходиться під позитивним потенціалом по відношенню до катода К (~ 160 В), а сітка С₁ має негативний потенціал ~300 В. Тому іонний струм в колі цієї сітки буде пропорційний загальному тиску газу в системі, аналогічно до того, як це має місце в датчику іонізаційного манометра з позитивною сіткою. Сітка С₁ має значну прозорість, і частина іонів проходить в простір аналізатора, сітки якого С₂ – С₁₂ утворюють п′ять трисіткових каскадів; до них можна прикладати регульовану високочастотну напругу для розділення іонів за масовими числами. Позитивно заряджена сітка С₁₃ пропустить резонансні іони, які отримали максимальну енергію від змінного електричного поля, а також вторинні електрони, вибиті швидкими іонами з сітки С₁₂. Щоб запобігти попаданню на колектор іонів Т вторинних електронів, сітка С₁₄ має негативний потенціал (~ 400 В).

Змінюючи частоту змінної напруги можна отримати повний спектр аналізованої суміші газів (по струмі в колі колектора). Крім того, прилад дозволяє вимірювати інтегральний тиск газу по величині іонного струму в колі сітки С₁. Таким чином, топатрон можна використовувати як мас-спектрометр і термоелектронний іонізаційний манометр.

Роздільна здатність топатрона сягає 40 – 50, діапазон вимірюваних мас – від 2 до 100, область робочих тисків – 10^-3 – 10^-9 мм рт. ст.