Масс-спектрометр и отклоняющая магнитная система

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, а конкретно к масс-спектрометрам. Полезная модель может быть использована для масс-спектрометрии в радиохимии и аналитической химии, молекулярной и атомной физике, в геологии и геохронологии, в медицине, экологии и других областях.

Задача, на которую направлена полезная модель: оперативное получение достоверной информации о химическом составе вещества, имеющего в своей структуре элементы, отличающиеся по массе более чем в 5 раз.

Масс-спектрометр, содержащий источник ионов, двухполюсную магнитную систему с зазором между полюсами, два приемника ионов, включающие коллекторы ионов, каждый со своим значением радиуса поворота в магнитной системе, отличается тем, что приемник тяжелых масс расположен напротив радиусной грани магнитной системы острым углом к оси расположения источника ионов, центральный коллектор многоколлекторного приемника ионов легких масс расположен на касательной прямой к радиусу поворота ионов в точке фокусировки, остальные коллекторы расположены на линии фокусов параллельно центральному коллектору вне действия магнитного поля магнитной системы.

Отклоняющая магнитная система для масс-спектрометра, содержащая С-образное ярмо, на котором внутрь зазора навстречу друг другу выполнены выступы с закрепленными последовательно на них постоянными магнитами, слоем немагнитного материала и пластинами магнитомягкого материала, отличается тем, что содержит поверхность магнитного полюса в области легких масс большую, чем поверхность полюса в области тяжелых масс, выход ионов из магнитного поля расположен с двух сторон от магнитного полюса, а именно со стороны угла выходной грани угла разворота и со стороны радиусной части траектории движения ионов.

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, а конкретно к масс-спектрометрам. Полезная модель может быть использована для анализа молекулярного, элементного и изотопного состава вещества в радиохимии и аналитической химии, молекулярной и атомной физике, в геологии и геохронологии, в медицине, экологии и других областях.

Масс-спектрометрия используется для определения химического, фазового состава вещества, а также его молекулярной структуры. Масс-спектральный анализ основан на регистрации спектра масс ионов, образованных в результате ионизации атомов или молекул вещества. По совокупности значений массовых единиц и относительных содержаний соответствующих ионов (спектру масс) определяют относительное содержание элементов, изотопов определенного элемента, концентрацию и структуру химических соединений в веществе.

Известны масс-спектрометры, построенные по схеме Маттауха-Герцога, обеспечивающей одновременную фокусировку ионных пучков всех масс в плоскости фокусировки масс-анализатора (Г.Юинг. Инструментальные методы химического анализа. - Москва. «Мир». 1989 г., 607 с.), где может быть установлен ряд независимых коллекторов или пространственно-протяженный детектор. Поскольку ионы той массы, для которой выполняется соотношение , где r_m - радиус поворота ионов с массовым числом М, ускоренных до энергии U в магнитном поле Н, А - константа размерности, поворачиваются в этом магнитном поле на угол _m и выходят из магнитного поля также по касательной к его выходной границе, то радиус поворота иона в магнитном поле пропорционален корню из массы иона RM, и при одновременной регистрации ионов в диапазоне масс всей таблицы Менделеева анализирующий элемент имеет очень большие размеры.

Известен масс-спектрометр Argus VI производства фирмы Thermo Fisher Scientific, США (www.thermoscientific.com). Прибор основан на масс-анализаторе статического типа, представляющем собой секторный электромагнит, в котором происходит детектирование спектра на отдельные коллекторы. Macс-анализатор позволяет проводить анализ веществ в диапазоне масс от 1 до 50 а.е.м., то есть получать масс-спектр вещества, содержащего легкие массы. Применяемость прибора ограничивается тем, что в силу предела в 50 а.е.м. невозможно без использования сканирующего режима получить спектр вещества, содержащего ионы тяжелых и легких масс. В спектрографическом режиме этот прибор позволяет детектировать ионы только пяти легких масс, теряя ионы тяжелых масс.

Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является многоколлекторный магнитный масс-спектрометр, построенный по схеме Маттауха-Герцога, включающий источник ионов, фокусирующее электростатическое устройство, двухполюсный магнит с зазором между полюсами, коллекторы ионов, каждый со своим значением радиуса поворота в магните и установленные в зазоре магнита или за магнитом на линии фокусов масс-анализатора, систему управления масс-спектрометром, соединенную с источником ионов, фокусирующим устройством и магнитом, с возможностью управления индукцией и энергией ионов. Коллекторы ионов представляют собой детекторы ионов с системой электродов и диафрагм и соединены с автоматизированной системой сбора данных (патент RU 2231165, МПК H01J 49/26, от 04.03.2002 г.).

В указанном решении область образования, движения и регистрации ионов располагается в вакуумной системе, где поддерживается низкое давление газа. На источник ионов подается ускоряющий ионы потенциал, а на электроды фокусирующего устройства подаются потенциалы, обеспечивающие фокусировку ионов при всех значениях ускоряющего потенциала. Регистрация масс-спектра осуществляется путем циклического изменения ускоряющего потенциала при одновременном измерении тока ионов каждого коллектора. Каждый коллектор обеспечивает регистрацию ионов в определенном диапазоне масс, представляющем собой часть общего регистрируемого диапазона. Получаемые данные накапливаются и обрабатываются автоматизированной системой сбора данных. Известная система обеспечивает регистрацию заряженных частиц вещества полного масс-спектра в диапазоне масс 11-352 а.е.м.

Введение смешанного режима регистрации позволяет уменьшить размеры магнита по сравнению с классической схемой Маттауха-Герцога. Однако происходящая в масс-спектрометре при регистрации на стационарные коллекторы полного масс-спектра развертка по ускоряющему напряжению вносит существенную ошибку в измеряемые токи. Данная ошибка связана с тем, что интенсивность полного ионного тока, отбираемого из источника ионов, существенно и нелинейно изменяется при изменении ускоряющего напряжения. Изменение ускоряющего напряжения влечет за собой пропорциональное изменение вытягивающего напряжения. Это приводит к изменению положения области образования ионов в камере ионизации, из которой происходит вытягивание ионов и как результат изменение интенсивности ионного пучка, что может сказаться на достоверности результата анализа вещества.

Кроме того, за счет дополнительного электростатического фокусирующего устройства схема Маттауха-Герцога с двойной фокусировкой подразумевает увеличение габаритов масс-спектрометра, наращивание его системы управления, усложняя, таким образом, обслуживание прибора и увеличивая его стоимость.

Помимо этого источником ошибок в известном масс-спектрометре является различная длина траекторий легких и тяжелых масс в масс-анализаторе. Поскольку вакуумная камера, внутри которой двигаются ионы, для ионного пучка представляет собой устройство для получения параллельных пучков частиц, то его протяженность, а, следовательно, и коллимирующие свойства, будут различными для ионов разных масс. Так как радиус поворота для тяжелых и легких ионов различается в разы, то длина пути, который пролетают ионы тяжелых масс, будет значительно больше, чем длина пути ионов легких масс. Это приводит к тому, что за время пролета пучки ионов тяжелых масс успевают разойтись сильнее (сечение пучка становиться больше) и на выходе из камеры анализатора отсекается большее количество ионов тяжелых масс. Поэтому ток ионов тяжелых масс будет значительно меньше.

Наличие двух вышеописанных недостатков не позволяет достоверно и надежно измерять состав вещества, имеющего в своей структуре элементы тяжелых и легких масс.

Задача, на решение которой направлена заявляемая группа полезных моделей, заключается в оперативном получении достоверной информации о химическом составе вещества, имеющего в своей структуре элементы, отличающиеся по массе более чем в 5 раз.

Решение поставленной задачи обеспечивается конструкцией масс-спектрометра, а также использующейся в нем отклоняющей магнитной системы.

Масс-спектрометр, содержащий источник ионов, двухполюсную магнитную систему с зазором между полюсами, два приемника ионов, включающие коллекторы ионов, каждый со своим значением радиуса поворота в магнитной системе, отличается тем, что приемник тяжелых масс расположен напротив радиусной грани магнитной системы острым углом к оси расположения источника ионов, центральный коллектор многоколлекторного приемника ионов легких масс расположен на касательной прямой к радиусу поворота ионов в точке фокусировки, остальные коллекторы расположены на линии фокусов параллельно центральному коллектору вне действия магнитного поля магнитной системы.

Масс-спектрометр состоит из последовательно соединенных посредством вакуумных камер источника ионов, масс-анализатора, приемников ионов. Взаимное расположение источника ионов, масс-анализатора и приемников ионов определяется параметрами, одновременно удовлетворяющими основному соотношению для статических масс-спектрометров , а также условию фокусировки пучка ионов по углу первого порядка. ,

где и - расстояния, на которых располагается источник и коллектор ионов от «эффективных границ» магнитного поля, r _m - радиус поворота ионов с массовым числом М, ускоренных до энергии eU в магнитном поле Н (А - константа размерности), _m - угол, на который ионы поворачиваются в этом магнитном поле (Барнард Дж. - Современная масс-спектрометрия. - М.: Изд-во иностранная литература, 1957. - 416 с.).

Установлено, что для решаемой задачи наиболее оптимальными для указанных соотношений являются параметры: =100 мм - расстояние от входной границы магнитного поля до выходной линзы источника, =108.4 мм - расстояние до точки фокусировки центрального пучка от выходной границы магнита, при радиусе разворота ионов R=125 мм, угле наклона линии фокусов 38°, величине магнитного поля Н=0,36 Тл, ускоряющем напряжении источника ионов U=3 кэв.

Конструкция вакуумных камер обеспечивает пропускание ионного пучка, созданного в источнике ионов, через магнитный зазор масс-анализатора к детекторам приемников ионов без столкновения с молекулами воздуха. Для обеспечения разряжения внутри вакуумных камер прибора масс-спектрометр оснащен средствами откачки. Электронные блоки масс-спектрометра обеспечивают питание источника ионов, регистрацию ионных токов на детекторах приемников ионов.

В результате реализации заявляемой конструкции для одновременной регистрации ионов частиц, отличающихся по массе более чем в 5 раз, нет необходимости в использовании сканирующего режима, что позволяет уменьшить различия в интенсивности ионных токов частиц. Кроме того за счет отсутствия энергоанализатора, а также системы питания и управления магнитным анализатором масс-спектрометр становится проще в реализации и надежнее в эксплуатации.

Отклоняющая магнитная система для масс-спектрометра, содержащая С-образное ярмо, на котором внутрь зазора навстречу друг другу выполнены выступы с закрепленными последовательно на них постоянными магнитами, слоем немагнитного материала и пластинами магнитомягкого материала, отличается тем, что содержит поверхность магнитного полюса в области легких масс большую, чем поверхность полюса в области тяжелых масс, выход ионов из магнитного поля расположен с двух сторон от магнитного полюса, а именно со стороны угла выходной грани угла разворота и со стороны радиусной части траектории движения ионов.

Отклоняющая магнитная система создает магнитное поле заданной формы в зазоре между полюсами. Форма магнитного поля обеспечивает фильтрацию спектра анализируемого вещества, при этом из всего спектра вещества выделяются ионы, отличающиеся друг от друга в заданном соотношении. Пучок ионов, пролетая через начальное магнитное поле, претерпевает магнитное воздействие, достаточное для отделения ионов тяжелых масс от ионов легких масс. Благодаря большей площади магнитного поля в области легких масс происходит разделение легких масс, достаточное для их раздельного детектирования. При этом ионы тяжелых масс, отделившись от основного пучка, продолжают свое движение и детектируются со второй стороны магнитного полюса.

Помимо этого, за счет незначительной площади магнитного поля в области тяжелых масс, уменьшается общая протяженность пути пролета ионов тяжелых масс, что сокращает потери ионного тока тяжелых частиц.

Конструктивно магнитная система представляет собой С-образный корпус, который является несущей основой и замыкает магнитный поток, являясь магнитопроводом. На нижней и верхней горизонтальной части магнитопровода навстречу друг другу закреплены магнитодвижущие слои, создающие магнитный поток требуемой напряженности. Форма движущего слоя определяет форму магнитного поля. На каждый магнитодвижущий слой навстречу друг другу закрепляется наконечник, выполненный по форме магнитного поля и обеспечивающий окончательное формирование магнитного потока заданной формы и величины напряженности в зазоре между наконечниками.

При этом конструкция всех элементов магнитной системы, а также технология сборки обеспечивает несовмещение контуров наконечников в пределах 0.01 мм и однородность поля в зазоре между наконечников порядка 10^-3.

Кроме того для компенсации эффектов краевых полей на наконечниках внутрь зазора вдоль входной и выходной границ могут быть выполнены приливы.

Кроме того магнитодвижущие слои могут быть выполнены как цельным элементом, так и составлены из более мелких частей.

Кроме того для компенсации неоднородности магнитного поля между наконечниками и движущими слоями могут быть установлены пластины из магнитомягкого материала, не имеющего собственной остаточной намагниченности.

Технический эффект от использования заявляемого анализатора заключается в возможности одновременного детектирования ионов различных масс, отличающихся более чем в пять раз, без использования сканирующего режима, а также в получении сигнала тяжелых и легких масс без потери интенсивности ионного тока. Кроме того в результате использования анализатора заявляемой конструкции нет необходимости использовать сложный электромагнит и энергоанализатор, что существенно упрощает прибор в целом.

Возможность осуществления заявляемой группы полезных моделей подтверждена конструкцией масс-спектрометра и его отклоняющей магнитной системы для одновременной регистрации масс-спектра смеси, содержащей тяжелые и легкие вещества.

Магнитный масс-спектрометр (Фиг.1) включает вакуумную камеру 1, внутри которой расположены источник ионов 2, приемник ионов тяжелых масс 3 и многоколлекторный приемник ионов легких масс 4, внутренняя часть, которой размещается в зазоре отклоняющей магнитной системы 5.

Источник ионов 2 (Фиг.2) расположен напротив входной грани отклоняющей магнитной системы 5, приемник ионов тяжелых масс 3 расположен напротив радиусной грани магнитной системы под острым углом к оси расположения источника ионов 2, центральный коллектор многоколлекторного приемника ионов легких масс 4 расположен на касательной прямой к радиусу поворота ионов в точке фокусировки, остальные коллектора 8 расположены на линии фокусов параллельно центральному коллектору вне действия магнитного поля магнитной системы.

Магнитная система (фиг.3) состоит из С-образного ярма 1, на котором внутрь зазора навстречу друг другу выполнены выступы 2. Точность сборки и изготовления ярма обеспечивает несовпадение контуров выступов в пределах 0,01 мм и параллельность плоскостей выступов пределах 0.01 мм. Выступы 2 служат базой для закрепления магнитодвижущих частей (постоянный магнит) 3 магнитной системы. Каждый постоянный магнит 3 отклоняющей магнитной системы закреплен с помощью клеящего состава на ярме 1. На каждый постоянный магнит 3 последовательно закреплены с помощью клеящего состава пластина 4 из немагнитного материала для уменьшения неоднородности поля, а затем пластина 5 из магнитомягкого материала, являющаяся концентратором магнитного поля.

1. Масс-спектрометр, содержащий источник ионов, двухполюсную магнитную систему с зазором между полюсами, два приемника ионов, включающие коллекторы ионов, каждый со своим значением радиуса поворота в магнитной системе, отличающийся тем, что приемник тяжелых масс расположен напротив радиусной грани магнитной системы острым углом к оси расположения источника ионов, центральный коллектор многоколлекторного приемника ионов легких масс расположен на касательной прямой к радиусу поворота ионов в точке фокусировки, остальные коллекторы расположены на линии фокусов параллельно центральному коллектору вне действия магнитного поля магнитной системы.

2. Отклоняющая магнитная система для масс-спектрометра, содержащая С-образное ярмо, на котором внутрь зазора навстречу друг другу выполнены выступы с закрепленными последовательно на них постоянными магнитами, слоем немагнитного материала и пластинами магнитомягкого материала, отличающаяся тем, что содержит поверхность магнитного полюса в области легких масс, большую, чем поверхность полюса в области тяжелых масс, выход ионов из магнитного поля расположен с двух сторон от магнитного полюса, а именно со стороны угла выходной грани угла разворота и со стороны радиусной части траектории движения ионов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на наконечниках внутрь зазора вдоль входной и выходной границ могут быть выполнены приливы.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магнитодвижущие слои могут быть выполнены как цельным элементом, так и составлены из более мелких частей.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что между наконечниками и движущими слоями установлены пластины из магнитомягкого материала, не имеющего собственной остаточной намагниченности.