Что такое Масс-спектрометр.

Масс-спектрометр представляет собой измерительное устройство, позволяющее провести разделение ионизованных частиц (атомов, молекул и кластерных образований) в соответствии с отношением массы иона к его электрическому заряду в результате воздействия на заряженные частицы электрического и магнитного полей. Конструкции и принципы действия и области использования масс-спектрометров достаточно разнообразны. Масс-спектрометр состоит из системы подготовки и ввода в прибор исследуемого вещества, устройства генерации и формирования пучка ионов исследуемого вещества, масс-анализатора, в котором осуществляется фокусировка пучка ионов и разделение пучка по отношению , приёмника ионов (коллектора), где ионный ток измеряется или преобразуется в электрический сигнал, системы обработки и регистрации результатов измерений. Ионные пучки исследуются в вакууме, поэтому необходимой составной частью масс-спектрометра является вакуумная откачная система, которая обеспечивает остаточное давление газов в установке на уровне 10^-3 - 10^-7 Па (10^-6 – 10^{-10 мм. рт. ст.), что является не простым делом.}

«Главной» частью масс-спектрометра является масс-анализатор. Наиболее простым устройством отличается статический масс-анализатор с поперечным однородным магнитным полем. Более сложны по устройству время-пролётные, радиочастотные, квадрупольные, магниторезонансные, масс-спектрометры ионно-циклотронного резонанса. Они сильно различаются по разрешающей способности, диапазону масс ионов и быстродействию. Области применения масс-спектрометров – электронная промышленность, ядерная физика, физика элементарных частиц.

На рис. 1 приведена принципиальная схема простейшего статического масс-спектрометра, представляющего собой замкнутый объём, откачанный до «высокого вакуума» высоковакуумной системой откачки. Источник ионов поставляет ионы в ускорительное устройство 1 с фиксированным ускоряющим напряжением между электродами и системой формирования узкого пучка. Ионы по траектории 3 в форме окружности (циклотронная окружность) поступают в вакуум-провод 2, испытывают действие поперечного однородного магнитного поля 4 и, смещаясь по горизонтали на расстояние двух (для данного рисунка) циклотронных радиусов, попадают в коллектор ионов 5. Величина ионного тока, снимаемого с того или иного участка коллектора, зависит от интенсивности потока ионов и отношения массы иона к его заряду. Если в составе ионного пучка находятся ионы только одного вида, если поперечная по отношению к магнитному полю скорость ионов одинакова, а пучок ионов хорошо сфокусирован, все ионы попадут на одну и ту же пластинку коллектора. На ней будет зафиксирован ионный ток, остальные пластинки воспринимать ионный ток не будут. По величине тока и месту поступления на коллектор при известных параметрах ускорителя и магнитной системы можно определить величину удельного заряда иона.

На рис. 2 в качестве примера приведён масс-спектр ртути. По горизонтальной оси отложены значения массового числа, по вертикали – относительная величина интенсивности сигнала масс-спектрометра. Заглянем в справочник. Природная ртуть – смесь семи стабильных изотопов с массовыми числами от 196 до 204, преобладающее содержание – изотопы с массовыми числами 202 (содержание 29,8%) и 200 (содержание 23,13%). Наименьшее содержание имеет изотоп с массовым числом 196 – 0,14%. На приведенном спектре его проявление не обнаружено.

В вакуумной технике масс-спектрометры используют для определения состава смеси остаточных газов в откачиваемом объёме.