Принцип работы масс-спектрометра

Общий вид масс-спектрометра показан на рис.1. Вакуумная система предназначена для откачки анализатора до начального давления 5∙10^-5 Па. В анализаторе осуществляется ионизация исследуемого газа, формирование ионных пакетов с данным отношением массы к заряду (M/q) и предварительное усиление сигналов масс-спектра.

Стойка индикатора обеспечивает регистрацию сигналов масс-спектра исследуемых газов на экране электронно-лучевой трубки.

Функциональное построение масс-спектрометра показано на рис. 2.

Объем анализатора откачивается вакуумной системой до давления 5∙10^-5 Па. Контроль вакуума осуществляется магнито-ионизационным датчиком (МИД) с блоком измерения давления.

Исследуемый газ напускается в баллон напуска и через дозирующий вентиль поступает в область ионизации ионного источника анализатора. Катод источника ионов эмитирует электроны, которые фокусируются в плоскопараллельный пучок и направляются в пространство ионизации, ограниченное эквипотенциальными сетками.

Молекулы исследуемого газа, находящиеся между сетками, ионизируются под действием электронного пучка и образовавшиеся ионы удерживаются в накопительной части источника до прихода выталкивающего импульса от генератора выталкивающих импульсов.

С приходом выталкивающего импульса ионный пучок направляется в ускоряющий промежуток источника ионов и далее попадает в поле отклоняющих пластин, где под действием импульса отклонения меняет направление своей траектории на угол α.

Для фокусировки ионных пакетов в плоскости приемника ионов необходимо, чтобы время движения в анализаторе ионов с данным отношением M/q было одинаковым. С этой целью в конце первого участка дрейфа L₁ расположена отражающая система в виде однородного электростатического поля, в которой время движения ионов Т₀ ~ .

Пролетев первый участок дрейфа L₁ и попав в поле отражающей системы анализатора, ионы меняют направление своей траектории и проходят второй участок дрейфа L₂; в конце которого размещен приемник ионов, представляющий собой вторичный электронный умножитель (ВЭУ), выход которого через широкополосный усилитель связан с вертикально - отклоняющими пластинами электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) индикатора.

На экране ЭЛТ будут наблюдаться узкие импульсы масс-спектра исследуемого газа. Причем, ближе к началу развертки размещаются массы более легких ионов и далее от начала развертки – массы более тяжелых ионов.

Амплитуда импульсов на экране ЭЛТ пропорциональна концентрации газа в области ионного источника.

Регистрация спектра масс исследуемых газов возможна и с помощью стробоскопического преобразователя, позволяющего получить значительный выигрыш в отношении сигнала к шуму. Это позволяет существенно повысить чувствительность масс-спектрометра, однако, при этом увеличивается инерционность регистрации масс- спектра. Использование стробоскопического преобразователя целесообразно при исследовании остаточных газов или медленно изменяющихся газодинамических процессов.

При регистрации с помощью стробоскопического преобразователя спектр масс записывается на ленте автоматического потенциометра.

Сущность метода определения массы сводится к тому, что время пролета ионов исследуемого газа от источника ионов до приемника ионов зависит от массы и в общем виде определяется формулой:

, (1)

где - время пролета ионов данной массы от ионного источника до отражающей системы и от отражающей системы до входа ВЭУ; - время пролета ионов в тормозящем промежутке отражающей системы; - время пролета ионов в отражателе отражающей системы.

В результате формула (1) примет вид:

, (2)

где t – полное время пролета ионов данной массы, мкс; М – масса ионов, а.е.м.; U₀ - ускоряющее напряжение, В; U_T – тормозящее напряжение, В; U_K – отражающее напряжение, В; L – суммарное расстояние от выходной сетки ионного источника до входной сетки отражающей системы (L₁) и от входной сетки отражающей системы до входного окна ВЭУ (L₂): L = L₁ + L₂ = 130 см; d_T – длина тормозящего промежутка отражающей системы, см (d_T =1 см); d_K - длина отражающего промежутка отражающей системы, см (d_K = 9см); q – заряд иона.