19201

Магнитные масс-анализаторы. Понятие разрешения по массам. Квадрупольные масс-анализаторы

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 13 Магнитные массанализаторы. Понятие разрешения по массам. Квадрупольные массанализаторы. Для выделения из ионного пучка ионов нужной массы используются массанализаторы массспектрометры. Наиболее часто в установках элементного анализа применяются магнит...

Русский

2013-07-11

155.5 KB

11 чел.

Лекция 13

Магнитные масс-анализаторы. Понятие разрешения по массам. Квадрупольные масс-анализаторы.

Для выделения из ионного пучка ионов нужной массы используются масс-анализаторы (масс-спектрометры). Наиболее часто в установках элементного анализа применяются магнитные и квадрупольные масс-анализаторы.

В магнитном масс-анализаторе разделение по массам происходит в магнитном поле, перпендикулярном плоскости движения ионного пучка. В магнитном поле с индукцией В на ион с кратностью заряда qi действует сила Лорентца qie[vB]/c = qievB/c, поэтому ион массы mi будет двигаться по окружности, радиус R которой определяется из условия

.

Следовательно,

.   (13.1)

Если напряжение на ионном источнике U0, то энергия ионов в пучке независимо от их массы равна qieЕ, поэтому выражение (13.1) можно записать в виде

(13.2)

где R – в см, В – Гс, М – в атомных единицах массы, U0 – в В.

Если В и U0const, то ионы разных масс (более точно с разными значениями mi /qi ) будут двигаться по окружностям разного радиуса. Поставив на их пути приемник ионов в виде, например, фотопластинки, мы получим масс-спектрограф. Зная В, U0 и определив геометрии эксперимента радиусы, по которым двигались ионы, можно определить их массы.

Если менять индукцию магнитного поля В, то по одному и тому же радиусу, который принято называть радиусом магнита, можно будет провести ионы с разными значениями mi /qi и таким образом определить массу ионов. Разной кратности заряда ионов одной и той же массы будут отвечать магнитные индукции Вi и Вi2. На этом принципе действуют все т.н. статические масс-анализаторы или масс-спектрометры, принцип действия которых проиллюстрирован на рис. 13.1. На рисунке красная линия - траектория иона, масса которого удовлетворяет уравнению (13.2), черная линия траектория ионов другой массы. Так как магнитная индукция магнита масс-анализатора должна меняться, то в масс-анализаторах используются электромагниты.

Пусть на вход электромагнита поступают однократно заряженные ионы (q = 1) ионы массой m1 и m2, ускоренные одной и той же разностью потенциалов. Тогда, если масс-анализатор настроен на пропускание ионов m1, то индукция магнитного поля

.

Ионы массы m2 будут при этом двигаться по радиусу

,

который будет отличаться от радиуса поворота данного электромагнита R на величину

.    (13.3)

С величиной R связано такое понятие, как разрешение электромагнита по массам. Так как на выходе магнита стоит диафрагма, имеющая конечную ширину щели, то, приняв эту полуширину этой щели d за R, из (13.3) получим условие

откуда, вычтя из обоих сторон 1, получим

.

Дробь, стоящую в левой части этого равенства, можно рассматривать как М/М, где М – масса, на которую настроен магнит, М – ближайшая к М масса, ионы которой не пройдут через электромагнит (попадут на край щели выходной диафрагмы). Величина, обратная этому отношению называется разрешение масс-анализатора по массам RМ.

В реальных масс-анализаторах на вход электромагнита поступает ионный пучок, имеющий некоторую угловую расходимость, кроме того, входная диафрагма магнита тоже имеет конечную ширину, поэтому радиус окружности, по которой будет двигаться ион при фиксированном В будет отличаться от значения R, вычисленного по формуле (13.2). Поэтому геометрия магнитного поля масс-анализатора должна обеспечить также фокусировку, т.е. свести ионы одной и той же массы в малое пятно на выходе из электромагнита. Для реализации подобной фокусировки используется магнитной поле специальной геометрии, которое создается геометрией полюсных накладок электромагнита.

Естественно, в этом случае для разрешения по массам получится более сложное выражение, чем полученная выше. Однако общая картина останется прежней: разрешение по массам определяется геометрией электромагнита (радиус магнита, ширина щелей входной и выходной диафрагмы), т.е. для конкретного электромагнита RМ константа, не зависящая от того, какие ионы проходят через него.

На рис. 13.2 для примера приведен масс-спектр ионов изотопов свинца, представляющий собой зависимость ионного тока в детектор, установленный за выходной щелью электромагнита, от массы ионов. В эксперименте измеряется зависимость от индукции магнитного поля, которая затем в соответствие с формулой (13.2) пересчитывается в массу ионов. Из приведенного масс-спектра видно, что данный электромагнит способен разделить ионы изотопов свинца.

       Рис. 13.2

На основании измеренных масс-спектров вводится альтернативное определение разрешения по массам, как отношение массы иона к ширине δm пика (в единицах массы) на полувысоте пика. Для электромагнита, с помощью которого снят данный спектр RМ = 380.

Используется следующая классификация масс-анализаторов в соответствие с их разрешением по массам. Масс-анализатор с RМ до 102 имеет низкое разрешение, с RМ = 102-103 — среднее, с RМ = 103-104 — высокое, с RМ > 104— очень высокое.

Конструкция квадрупольного масс-анализатора приведена на рис.13.3.

Рис. 13.3

В квадрупольном масс-спектрометре разделение ионов осуществляется в поперечном электрическом поле с гиперболическим распределением потенциала. Поле создаётся квадрупольным конденсатором (квадруполем), состоящим из четырёх стержней круглого или квадратного поперечного сечения, расположенных симметрично относительно центральной оси и параллельно ей. Противолежащие стержни соединены попарно, и между парами приложены постоянная и переменная высокочастотная разности потенциалов. Пучок ионов вводится в анализатор вдоль оси квадруполя через отверстие 1. При фиксированных значениях частоты ω и амплитуды переменного напряжения U0 только у ионов с определённым значением m/q амплитуда колебаний в направлении, поперечном оси анализатора, не превышает расстояния между стержнями. Такие ионы за счёт начальной скорости проходят через анализатор и, выходя из него через выходное отверстие 2, регистрируются, попадая на коллектор ионов.

Можно провести следующую механическую аналогию прохождения ионов через квадрупольный масс-анализатор. Представим катящийся по инерции вдоль образующей цилиндра шарик. Если на него не действуют никакие силы, то он скатится с образующей цилиндра. Если же его слегка подтолкнуть в момент скатывания, то шарик вернется наверх и начнет скатываться в другую сторону. Толчок с этой стороны снова перебросит шарик на другую сторону и т.д. Для шарика заданной массы можно подобрать силу и периодичность толчков таким образом, что шарик будет катиться по образующей цилиндра бесконечно долго.

В квадрупольном масс-анализаторе режим развертки по массам осуществляется синхронным увеличением амплитуд постоянного и переменного напряжений, частота при этом не меняется. Современные квадрупольные масс-анализаторы обладают высоким разрешением по массам ~ 103 при длине стержней от 150 до 250 мм и рабочих частотах ~ МГц.

Квадрупольные масс-анализаторы в настоящее время все более вытесняют электромагнитные в установках элементного анализа. Связано это с тем, что при высоком разрешении по массам конструктивно они намного проще (соответственно, дешевле) электромагнитных масс-анализаторов. Кроме того, важным достоинством этого типа масс-анализаторов является отсутствие инерционных элементов, что позволяет осуществлять быстрое сканирование спектра, что, в принципе, недоступно электромагнитным масс-анализаторам.

Другие масс-анализаторы, в частности, времяпролетные в настоящее время применения методах анализа не находят.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84158. Предмет философии и специфика философского мышления. Основные содержательные аспекты философского знания и главные мировоззренческие направления в его развитии 37.34 KB
  Основной особенностью философии её отличием от других видов знания является то что она пытается создать целостную картину мира стремится к максимальному обобщению результатов познания. Таким образом объектом изучения то есть предметом философии в самом широком не конкретном смысле является непосредственно сам мир как таковой. Главный метод философии состоит в том что она изучает не мир в целом то есть не мир как простую совокупность фактов и явлений у каждого из которых есть своя сущность а мир как целое то есть мир как единый...
84159. Общая характеристика античной философии. Ее космоцентризм. Основные натурфилософские школы и виднейшие их представители 63.92 KB
  Слово космос для эллинов не было названием какойлибо природной сферы окружающего мира наоборот этим термином древние греки характеризовали некую неприродную суть мира. Поэтому естественно что понимая мир как космос античные философы пытались выявить источники космической разумности порядка и гармонии мира. И начали они эти попытки с наиболее наглядной данности мира – с окружающей природы. Именно на этом этапе древнегреческая мысль стала философией поскольку отказалась от мифологических объяснений возникновения мирового порядка из...
84160. Античная классика: моральная философия сократа; проблема «эйдосов-идей» в философии платона; Аристотель о материи и форме 42.93 KB
  Поэтому чувственно воспринимаемые вещи обязаны своим существованием только приобщением к идеям. Но в этом приобщении вещи не могут брать от идей всё их совершенство поскольку являясь миром вещей они не истинны а поэтому они – бледные несовершенные копии этих идей. Они не верят тому из них кто сумев вырваться из подземелья и увидев реальные вещи возвращается к ним и говорит им о мире за пределами пещеры. В своём учении о материи и форме Аристотель пытается ответить на вопрос почему существуют вещи : 1.
84161. Общая характеристика средневековой философии. Ее основные направления и виднейшие представители. Теоцентризм средневековой философии 43.24 KB
  Так за счет чего же возникает эта реальная общность некоей группы единичных вещей Только за счет того что в каждой из единичной вещи растворено нечто реально общее которое и образует их реальную общность и это реально общее во всех единичных вещах – есть универсалии; – универсалии существуют после вещей в человеческом разуме как понятия как результат абстракции. В природе же их уже нет потому что в природе онтологически существуют только единичные вещи. Нет реально универсалий и в голове человека поскольку даже при всплывании из...
84162. Характеристика философии эпохи возрождения. Социально-исторические и научные предпосылки ее становления. Антропоцентризм и гуманизм в философии возрождения 40.06 KB
  Гуманизм то есть признание человека главной ценностью жизни. Антропоцентризм то есть тип мышления который центром и смыслом исследования содержит человека и его жизнь. Как возрождение приоритета человека в социальном укладе и в общем смысле жизни. Мировоззрение таким образом приобрело в эту эпоху ярко выраженный гуманистический характер где главной ценностью мира признавались личность человека его права на свободу и счастье.
84163. Характеристика философии нового времени (XVI-ХVIII). Ее основные направления и виднейшие представители (Бэкон, Декарт, Гоббс, Локк, Спиноза, Лейбниц, Беркли, Юм) 58.21 KB
  Активный процесс философского осмысления новых проблем и новых знаний пробудил интерес к разработкам в методологии познания. Исходя из этого опыт имеет три преимущества перед рациональными способами познания: 1. Следовательно опыт объективен в отличие от рационального познания и вследствие этого полученные из него знания имеют общепринимаемую обязательность. Потому что сами чувства которыми человек воспринимает природу это не чистый инструмент познания собирающий в себя сведения таковыми каковы они есть в природном виде.
84164. Философия французского просвещения XVIII века и ее представители 41.15 KB
  Таким образом жизнь человека определяется не Богом а его собственными делами и поэтому у церкви нет никаких оснований и никакого права насаждать предрассудки суеверия и страхи перед Богом. Равенство между людьми возможно поразному например с точки зрения естественного права равенство людей несомненно и обязательно поскольку естественные права человека проистекают из природы человека а она у всех людей одна. Но с появлением частной собственности возникла цивилизация основанная на неравенстве жестокости и эксплуатации народа и она же...
84165. Немецкая классическая философия и ее главные проблемы. Философия Канта: понятие «вещи в себе» и трансцендентального знания. Антиномии чистого разума 40.59 KB
  Поскольку познание вещи есть результат рассудочной деятельности а не просто суммой ощущений органов чувств то на первый взгляд проблема познания состоит в том насколько корректно взаимодействуют категории рассудка с чувственным сознанием снимающим информацию с вещи. В этом случае вопрос познавательной способности человека сводился бы только к тому насколько категории рассудка адекватно схватывают суть результатов чувственного познания. Вещь лишь провоцирует всплеск активности разума ощущениями которые мгновенно преобразуются в...
84166. Философия Фихте и Шеллинга. Основоположения «наукоучения» в философии Фихте. Понятие «абсолютного тождества» в философии Шеллинга 42.24 KB
  Кроме того следует признать недостаточным у Канта и то что он всего лишь только описал формы мышления умственные категории и законы мысли но не выявил основного единого общего принципа познания. Ведь только наличием подобного единого общего принципа познания можно объяснить не только слаженность форм мышления умственных категорий и законов мысли но и само их внутреннее единство между собой. И это есть вопрос не только выявления недостаточности кантовской философии это вопрос концептуальный потому что задача раскрытия данного единого...