Файл: umr.umr_download.doc

1. Масс-анализаторы

В основе классификации масс-спектрометров лежит принцип устройства масс-анализатора. Различают статические и динамические масс-спектрометры. В статических масс-анализаторах для разделения ионов используются электрические и магнитные поля, постоянные или практически не изменяющиеся за время пролета иона через прибор. Разделение ионов является в этом случае пространственным: ионы с разными значениями движутся в анализаторе по разным траекториям. В масс-спектрографах пучки ионов с разными величинамифокусируются в разных местах фотопластинки, образуя после проявления следы в виде полосок (выходное отверстие ионного источника обычно делается в форме прямоугольной щели). В статических масс-спектрометрах пучок ионов с заданнымфокусируется на щель приемника ионов. Масс-спектр образуется (развертывается) при изменении магнитного или электрического поля, в результате чего в приемную щель последовательно попадают пучки ионов с разными величинами. При непрерывной записи ионного тока получается график с ионными пиками (рис. 2). Для получения в такой форме масс-спектра, зарегистрированного масс-спектрографом на фотопластинке, используются микрофотометры.

На рис. 3 приведена схема распространенного статического масс-анализатора с однородным магнитным полем. Ионы, образованные в ионном источнике, выходят из щели шириной S₁ в виде расходящегося пучка, который в магнитном поле разделяется на пучки ионов с разными :,причем пучок ионов с массой фокусируется на щельS₁ приемника ионов. Величина определяется выражением:

=472·10^-5 ,

где – масса иона (в атомных единицах массы),е – заряд иона (в единицах элементарного электрического заряда), r – радиус центральной траектории ионов (в см), Н – напряженность магнитного поля (в э), V – приложенная разность потенциалов (в В), с помощью которой ускорены ионы в ионном источнике (ускоряющий потенциал).

---

Рис. 3. Схема статического магнитного анализатора с однородным магнитным полем; S₁ и S₂ - щели источника и приемника ионов; ОАВ – область однородного магнитного поля Н, перпендикулярного плоскости рисунка, тонкие сплошные линии – границы пучков ионов с разными m/е; r – радиус центральной траектории ионов.

Развертка масс-спектра производится изменением Н или V. Первое предпочтительнее, т. к. в этом случае по ходу развертки не изменяются условия «вытягивания» ионов из ионного источника. Разрешающая способность такого масс-спектрометра: ,

где – ширина пучка в месте, где он попадает в щель приемникаS₂.

Если бы фокусировка ионов была идеальной, то в случае масс-анализатора, у которого Х₁ = Х₂ (рис. 3), было бы в точности равно ширине щели источникаS₁. В действительности >S₁, что уменьшает разрешающую способность масс-спектрометра. Одной из причин уширения пучка является разброс в кинетической энергии у ионов, вылетающих из ионного источника. Это в большей или меньшей степени неизбежно для любого ионного источника. Другими причинами являются: наличие у данного пучка значительной расходимости, рассеяние ионов в анализаторе из-за столкновения с молекулами остаточного газа, «расталкивание» ионов в пучке из-за одноименности их зарядов. Для ослабления влияния этих факторов применяют «наклонное вхождение» пучка в анализатор и криволинейные границы магнитного поля. В некоторых масс-спектрометрах применяют неоднородные магнитные поля, а также так называемую призменную оптику. Для уменьшения рассеяния ионов стремятся к созданию в анализаторе высокого вакуума. Для ослабления влияния разброса по энергиям применяют масс-спектрометры с двойной фокусировкой, которые фокусируют на щель S₂ ионы с одинаковыми , вылетающие не только по разным направлениям, но и с разными энергиями. Для этого ионный пучок пропускают не только через магнитное, но и через отклоняющее электрическое поле специальные формы (рис. 4).

---

Сделать S₁ и S₂ меньше на несколько мкм технически трудно. Кроме того, это привело бы к очень малым ионным токам. Поэтому в приборах для получения высокой и очень высокой разрешающей способности приходится использовать большие величины r и соответственно длинные ионные траектории (до нескольких м).

В динамических масс-анализаторах для разделения ионов с разными используют, как правило, разные времена пролета ионами определенного расстояния. Существуют динамические анализаторы, в которых используется сочетание электрического и магнитного полей, и чисто электрические анализаторы. Для динамических масс-анализаторов общим является воздействие на ионные пучки импульсных или радиочастотных электрических полей с периодом, меньшим или равным времени пролета ионов через анализатор. Предложено более 10 типов динамических масс-анализаторов, в том числе время-пролетный (1), радиочастотный (2), квадрупольный (3), фарвитрон (4), омегатрон (5), магниторезонансный (6), циклотронно-резонансный (7). Первые четыре анализатора являются чисто электрическими, в последних трех используется сочетание постоянного магнитного и радиочастотного электрических полей.

Рис. 4. Пример масс-анализатора с двойной фокусировкой. Пучок ускоренных ионов, вышедших из щели S₁ источника ионов, последовательно проходит через электрическое поле цилиндрического конденсатора, который отклоняет ионы на 90°, затем через магнитное поле, отклоняющее ионы еще на 60°, и фокусируется в щель S₁ приемника коллектора ионов

---

2. Ионные источники

Масс-спектрометры классифицируются также по способам ионизации, в качестве которых используются: 1) ионизация электронным ударом; 2) фотоионизация; 3) ионизация в сильном электрическом поле (полевая ионная эмиссия); 4) ионизация ионным ударом (ионно-ионная эмиссия); 5) поверхностная ионизация; электрическая искра в вакууме (вакуумная искра); 6) ионизация под действием лазерного луча.

В аналитической масс-спектроскопии наиболее часто применяются благодаря относительной технической простоте и достаточно большим создаваемым ионным токам способы: 1 – при анализе испаряемых веществ; 2 – при работе с трудноиспаряемыми веществами и 3 – при изотопном анализе веществ с низкими потенциалами ионизации. Способ 2 благодаря большому энергетическому разбросу ионов обычно требует анализаторов с двойной фокусировкой даже для достижения разрешающей силы в несколько сотен единиц. Значения средних ионных токов, создаваемых ионным источником с ионизацией электронным ударом при энергии ионов в 40–100 эВ и ширине щели источника несколько десятков мкм, составляют 10^-10–10^-9 А. Для других способов ионизации эти токи обычно меньше. «Мягкая» ионизация, т.е. ионизация молекул, сопровождаемая незначительной диссоциацией ионов, осуществляется с помощью электронов, энергия которых лишь на 1–3 эВ превосходит энергию ионизации молекулы. Получаемые при «мягкой» ионизации токи обычно 10^-12–10^-14 А.

3. Регистрация ионных токов

Величины ионных токов, создаваемых в масс-спектрометрах, определяют требования к их усилению и регистрации. Чувствительность применяемых усилителей 10^-15–10^-16 А при постоянной времени от 0,1 до 10 сек. Дальнейшее повышение чувствительности или быстродействия достигается применением электронных умножителей, которые повышают чувствительность измерения токов до 10^-18–10^-19 А.

Примерно те же значения чувствительности достигаются при использовании фотографической регистрации ионов за счет длительной экспозиции. Однако из-за малой точности измерения ионных токов и громоздкости устройств введения фотопластинок в вакуумную камеру анализатора фоторегистрация масс-спектров сохранила определенной значение лишь при очень точных измерениях масс, а также в тех случаях, когда необходимо одновременно регистрировать все линии масс-спектра из-за нестабильности источника ионов, например при элементном анализе в случае ионизации вакуумной искрой.

---

В России разрабатывается и выпускается много различной масс-спектральной аппаратуры. Принятая система индексов для масс-спектрометров классифицирует приборы в основном не по типу устройства, а по назначению. Индекс состоит из двух букв (МИ – масс-спектрометр изотопный, МХ – для химического анализа, МС – для физико-химических, в том числе структурных, исследований, МВ – прибор с высокой разрешающей способностью) и четырех цифр, из которых первая указывает на используемый метод разделения ионов по массам (1 – в магнитном однородном поле, 2 – в магнитном неоднородном поле, 4 – магнито-динамический, 5 – время-пролетный, 6 – радиочастотный), вторая – на условия применения (1 – индикаторы, 2 – для производств, контроля, 3 – для лабораторных исследований, 4 – для специальных условий), а последние две – являются номером модели.

---