Циклотронный масс-спектрометр

Дальнейшее развитие принцип разделения масс ионов по времени их пролета получил при использовании магнитного поля, перпендикулярного направлению движения ионов. При этом вместо прямолинейного дрейфа ионы перемещаются по круговой орбите. Ионы, обладающие одинаковым количеством движения, будут двигаться по орбитам одинакового радиуса, который определяется уравнением:

(1.3)

где r – радиус орбиты иона, под действием магнитного поля;

v – скорость ионов;

е – заряд электрона;

Н – напряженность магнитного поля;

m – масса иона.

Период вращения иона равен:

(1.4)

где t – период вращения иона в магнитном поле;

ω_С – круговая частота иона;

е – заряд электрона;

Н – напряженность магнитного поля;

m – масса иона.

Таким образом, период вращения зависит от массы иона, вследствие чего происходит разделение пучка ионов по массам. Измеряя период вращения ионов с помощью специальных электронных устройств, можно получить искомый масс-спектр.

Омегатрондействует примерно так же, как описанный выше масс-спектрометр циклотронного типа. Из уравнений (1.3) и (1.4) следует, что радиус орбиты движущегося в магнитном поле иона зависит от его скорости, но время пролета (период вращения) от скорости не зависит. В результате воздействия прилагаемого в омегатроне высокочастотного поля ионы, период вращения которых равен периоду высокой частоты, ускоряются так, что они перемещаются по раскручивающейся спирали к коллектору. Остальные ионы с иной массой не ускоряются в той же степени, и, следовательно, имея меньший радиус орбиты, они не смогут достичь коллектора. Сканирование масс-спектра осуществляется путем изменения частоты ВЧ-поля.

Впервые этот принцип разделения масс был использован в масс-спектрометре, изображенном на рис. 1.5. Ионы образуются внутри камеры анализатора с помощью осевого пучка электронов, распространяющегося вдоль направления магнитного поля. К отражающим электродам, имеющим форму прямоугольной рамки, прикладывается положительный потенциал для создания поля, препятствующего гибели ионов в осевом направлении. В результате воздействие ВЧ-поля на ионы может продолжаться в течение большого числа циклов. Переменное напряжение, создающее ВЧ-поле, с помощью потенциометра прикладывается к двум параллельным электродам (верхнему и нижнему), а также к отражающим электродам, которые позволяют сделать поле внутри камеры более равномерным.

а) б)

Рис. 1.5. Омегатрон: а) – конструктивная схема; б) – электрическая схема;

1 – катод; 2 – отражающие электроды; 3 – анод; 4 – коллектор ионов

Анализ движения заряженной частицы из состояния покоя под действием ВЧ-поля, направленного перпендикулярно постоянному магнитному полю, показывает, что частица будет описывать спиральную траекторию, радиус которой зависит от времени следующим образом:

(1.5)

где r – радиус орбиты иона, под действием магнитного поля;

E₀ – напряженность электрического поля;

Н – напряженность магнитного поля;

ω_С – круговая частота иона;

ω – частота ВЧ-поля, прикладываемого к иону;

t – время движения иона в магнитном поле.

Таким образом, радиус спирали будет «колебаться», принимая последовательно максимальное и минимальное значения. При приближении частоты ω к ω_с максимальное значение r будет возрастать до тех пор, пока не наступит условие резонанса. В этом предельном случае уравнение (1.5) принимает вид:

(1.6)

где r – радиус орбиты иона, под действием магнитного поля;

E₀ – напряженность электрического поля;

Н – напряженность магнитного поля;

t – время движения иона в магнитном поле.

Из (1.6) следует, что радиус траектории иона r возрастает неограниченно. Если коллектор ионов расположен на расстоянии R от оси электронного пучка, то на него будут попадать только те ионы, для которых выполняется ряд условий. Другими словами, будет наблюдаться довольно острый резонанс. Из разрешающей способности можно получить следующее выражение:

(1.7)

где M – атомная масса элемента;

∆M – ширина пика полученного спектра для атома с массой М;

ω_С – круговая частота иона;

R – расстояние от коллектора до оси ионного луча;

Н – напряженность магнитного поля;

E – напряженность электрического поля;

Н – напряженность магнитного поля.

Разрешающая способность омегатрона обратно пропорциональна массе, т. е. ухудшается для больших масс. Из уравнения (1.7) было получено, что разрешение в одну единицу массы достигается вплоть до М~30 а.е.м. при R=1 см.

Омегатрон может быть весьма компактным и, следовательно, легко подвергающимся обезгаживанию, что очень важно, особенно при использовании в условиях сверхвысокого вакуума. Первые приборы этого типа обладали все же ограниченной разрешающей способностью и чувствительностью. Низкая чувствительность (порядка 10^-5 А/Па) объяснялась в первую очередь необходимостью поддержания малого электронного тока. Кроме того, оптимальные характеристики приборов сильно зависели от расположения магнитов.

Дальнейшие усовершенствования конструкции масс-спектрометра были предложены в ряде последних работ. В результате характеристики прибора, в особенности его разрешающая способность, были значительно улучшены. Из уравнения (1.7) следует, что разрешение возрастает с ослаблением радиочастотного поля. Однако необходимость сообщения ионам значительной кинетической энергии и существенная при слабых полях контактная разность потенциалов (вследствие различных загрязнений поверхностей электродов) определяют нижнюю границу этого поля.

Возникновение контактной разности потенциалов может нарушать равномерность электрического поля и влиять на стабильность работы прибора. Для устранения этой проблемы используют платиновые электроды. В процессе совершенствования масс-спектрометров из них были исключены отражающие электроды, но введены боковые стенки, электрически соединенные с нижним электродом, а также внесены другие изменения.

В 1960-х и начале 1970-х гг. омегатрон получил широкое распространение. Типичный серийный прибор имел диапазон анализируемых масс 1-250 а.е.м. и разрешающую способность в одну единицу массы при 1%-ной седловине вплоть до 40 а.е.м. Хотя масс-спектрометрический датчик сам по себе достаточно компактен, для достижения необходимой магнитной индукции в 4000 Гс требуется крупный магнит (30-40 кг).

При этом блок управления представляет собой довольно сложное и дорогое устройство. Однако, поскольку чувствительность омегатрона ограничена, а также ввиду невозможности использования электронного умножителя он был постепенно вытеснен приборами других типов.