Магнитный масс-спектрометр

Магнитный масс-спектрометр имеет высокую чувствительность, позволяющую измерять малые количества легких газов, таких как водород и гелий, содержащихся в твердых пробах. Прибор содержит систему напуска газа, источник ионов, камеру анализа, имеющую входную и выходную щели, приемник ионов, узел измерения и регистрации ионных токов, источник магнитного поля в камере анализа, системы предварительной и высоковакуумной откачки, источники питания узлов масс-спектрометра. Конструктивные параметры масс-спектрометра: расстояние x между осями входной и выходной щелей, ширина входной и выходной щелей и высота h входной и выходной щелей определяются из соотношений:

15 ммx100 мм, где R - разрешающая

способность масс-спектрометра, 4.1R20.8.

1 сам.п. ф-лы, 1илл., 11 п.

Полезная модель относится к спектрометрическим приборам, точнее - к магнитным масс-спектрометрам, и может использоваться для определения состава газовых смесей, конкретно - легких газов.

В настоящее время потребности развития технологий производства и научного поиска при создании, например, современных сплавов с ультрамелкодисперсной (наноразмерной) структурой, сверхчистых монокристаллических полупроводниковых материалов ставят задачу кардинального (до 3-х порядков) повышения чувствительности масс-спектрометра при измерениях временных зависимостей ионных токов компоненты легких газов, например водорода, при анализе легких газов, экстрагированных из твердых проб, в которых они находятся в очень малых количествах. Известна работа [Клявин О.В. Физика твердого тела 35, №3, стр.513-541, 1993 г.], в которой установлена корреляция между структурой временных зависимостей ионного тока, например, водорода или гелия He⁺, и наличием дефектов кристаллической решетки твердых тел, таких как дислокации различной природы.

Известен магнитный масс-спектрометр [патент США №6815674, 09.11.2004, B01D 59/00], включающий узел напуска газа, источник ионов, камеру анализа с входной и выходной щелями, в которой расположены два параллельных электрода, создающих при приложении разности потенциалов поперечное электрическое поле, источник магнитного поля, перпендикулярного электрическому, приемник ионов, источники питания и узлы создания вакуума. Источник ионов и камера анализа совмещены в объеме, ограниченном параллельными электродами. Прибор позволяет разрешать легкие газы в диапазоне масс от 2 до 20, обладает малыми габаритами по сравнению с другими масс-спектрометрами. Длинна, ширина и высота камеры ионизации-анализа равны, соответственно, (7-14) мм, (4-8) мм, (3,5-7) мм.

Недостатком этого прибора является низкая чувствительность при анализе содержания легких газов, например, водорода Н ₂. Широкий пучок ионов, кроме того, заряжает изоляторы между электродами, что приводит к дополнительному снижению чувствительности прибора.

Магнитный масс-спектрометр МИ1201 [паспорт У4.2, ТОЗ.394.018, 1974 г.], взятый за прототип, содержит систему напуска газа с дозирующим вентилем, источник ионов в виде ионизационной камеры, представляющей из себя металлическую коробку с щелями и отверстием для подачи исследуемого газа, щели на боковых стенках коробки служат для входа и выхода пучка электронов, щель на передней стенке коробки предназначена для вытягивания положительных ионов, образующихся внутри коробки под действием пучка электронов, камеру анализа, имеющую входную щель ₁ шириной 0.2 мм и высотой 7.0 мм и выходную щель ₂;, шириной 0.2 мм и высотой 7.0 мм, расстояние x между осями щелей равно 603 мм, приемник ионов в виде коллекторной пластины или цилиндра Фарадея, систему высоковакуумной откачки, состоящую из двух диффузионных насосов типа Н-1С-2, систему предварительного разрежения, содержащую вакуумный насос типа ВН-461М, источник питания электронной пушки, обеспечивающий нагрев катода, эмитирующего электроны, и ускорение электронов до энергий 50 эВ и 70 эВ, источник ускоряющего напряжения U _a=2000 В и 4000 В между источником ионов и входной щелью камеры анализа, источник магнитного поля B в камере анализа, обеспечивающий диапазон измеряемых масс от 2 до 500 а.е.м. Диапазон значений индукции магнитного поля при измерении легких масс (H ₂, m/е=2; H₃, m/е=3; Нe, m/е=4) составляет 4.6*10^-3 ТлB9.2 10^-3 Тл, система измерения и регистрации ионных токов выполнена в виде коллекторной пластины, присоединенной к входу усилителя постоянного тока с измерительным сопротивлением 10¹²Ом, система измерения высокого вакуума содержит два магнитно-ионизационных вакуумметра с возможностью измерения вакуума 100 мкПа, система измерения

вакуума предварительного разрежения содержит два термопарных преобразователя ПМТ-4М.

Работает масс-спектрометр-прототип следующим образом. Поток анализируемых газов через систему напуска газа поступает в источник ионов, где электроны, ускоренные ионизирующим напряжением до энергии 50эВ или 70эВ, ионизуют молекулы газа. Образовавшиеся в источнике ионы вытягиваются и ускоряются напряжением U_a=2000 В или 4000 В и поступают во входную щель камеры анализа. В камере анализа происходит разделение ионов легких газов по отношению массы иона к его заряду. Ион с заданным отношением m_i/е, например , попадает на выходную щель шириной ₂, высотой h₂ , и в приемник ионов. Ионный ток на измерительном сопротивлении 10¹²Ом создает падение напряжения, которое регистрируется с помощью усилителя постоянного тока и выводится на запись потенциометром КСП-4 модификации 41.130.50.039 или ЭВМ.

Масс-спектрометр-прототип МИ1201 может быть использован для измерения относительного массового содержания компонентов легких газов (например, водорода). Вследствие высокого разрешения масс-спектрометра при анализе легких газов отсутствует явление интерференции масс, как в [патент США №6815674, 09.11.2004, B01D 59/00]. Разрешение масс-спектрометра по массам составляет R=754, что позволяет разрешать массы ионов в диапазоне от 2-х до 500 а.е.м.

Однако, минимальное относительное содержание компонентов легких газов, например водорода, которое может быть измерено масс-спектрометром-прототипом, составляет по оценке авторов , и для обеспечения измерений содержания легких газов в твердых пробах чувствительность масс-спектрометра-прототипа нужно повысить в 1500 раз. Кроме того, габариты и масса прибора велики.

Заявляемый масс-спектрометр решает задачу определения количественного состава легких газов, например, водорода и гелия, выделяющихся из твердых проб, при уменьшении массы и габаритов прибора.

Задача решается магнитным масс-спектрометром, включающим систему напуска газа, источник ионов, камеру анализа, имеющую входную и выходную щели, приемник ионов, узел измерения и регистрации ионных токов, источник магнитного поля в камере анализа, системы предварительной и высоковакуумной откачки, источники питания узлов масс-спектрометра, причем конструктивные параметры масс-спектрометра определяются из соотношений:

;

;

15 ммx100 мм.

где:

R - разрешающая способность масс-спектрометра,

4.1<R<20.8;

х - расстояние между осями входной и выходной щелей;

- ширина входной и выходной щелей;

h - высота входной и выходной щелей.

Авторами установлено, что для определения относительного содержания компоненты Q выделяющихся из дефектов твердых проб легких газов, например, водорода, необходим такой минимальный уровень чувствительности масс-спектрометра, когда прибор может измерить значение Q не более:

Минимальное измеряемое масс-спектрометром значение относительного содержания компоненты газа Q_min , характеризующее чувствительность масс-спектрометра, определяется величиной его конструктивных параметров: шириной ₁, и высотой h₁ входной щели камеры анализа, шириной ₂, и высотой h₂ выходной щели и расстоянием x между их осями.

Второй важной характеристикой масс-спектрометра является разрешение по массам R. Разрешение масс-спектрометра R по массам определяется ширинами щелей ₁ и ₂;, и расстоянием между ними x [Физическая энциклопедия, ТЗ, стр.55, М-1992]:

Анализ формулы показывает, что максимальное разрешение достигается при равенстве ширин щелей: ₁=₂=.

Действительно, пусть ₂=(1+), a ₁=; - параметр меньше 1. Тогда и при всех значениях >о, R()<R₀, где R₀ =R(₁=₂=). Таким образом, разрешение по массам R определяется формулой:

Многочисленные эксперименты и расчеты, позволили авторам установить, что необходимый уровень чувствительности (1) может быть достигнут, когда разрешение R масс-спектрометра будет удовлетворять условию:

Нижняя граница заявляемого диапазона (3) обусловлена минимальным значением разрешения, необходимого для разделения легких газов, например, H₂, H ₃ и Не. Верхняя граница заявляемого диапазона (3), как определили авторы, соответствует требуемой минимальной чувствительности (1).

Авторами выявлена связь между величиной минимального измеряемого значения содержания компоненты исследуемого газа Q_min, разрешением масс-спектрометра R и параметрами, определяющими конструкцию камеры анализа масс-спектрометра.

Авторами установлено, что во всем заявленном диапазоне значений R (3) значения параметров /?и а связано с разрешением прибора R соотношением:

Расстояния x следует выбирать из соотношения

Выбор величин расстояний x между осями щелей камеры анализа обусловлен тем, что при x меньших 15 мм невозможно конструктивно совместить источник и приемник ионов, обеспечивающие требуемый уровень ионных токов и их измерения (необходимо учесть габариты таких узлов), а при x больших 100 мм габариты прибора становятся соразмерными с прототипом (имеют большие величины).

Из неравенства (3) и соотношений (2) и (4) и (5) получаем набор значений конструктивных параметров прибора, обеспечивающих решение задачи.

Соотношения (2), (3), (4), и (5), полученные авторами, позволяют более чем в 1000 раз повысить чувствительность прибора при анализе легких газов, например водорода Н ₂ при сохранении R необходимого для разрешения легких газов (H₂, H₃ и Не). Из этих соотношений можно определить конструктивные параметры масс-спектрометра - ширину и высоту щелей и расстояние x между осями щелей, причем масс-спектрометр будет иметь меньшие, чем у прототипа, габариты и массу.

Пример предлагаемого масс-спектрометра схематически показан на Фиг., где:

1- система напуска газа;

2- источник ионов;

3- камера анализа;

4- входная щель камеры анализа;

5 - выходная щель камеры анализа;

6 - приемник ионов;

7 - система высоковакуумной откачки;

8 - система предварительной откачки;

9 - источник питания электронной пушки источника ионов;

10 - источник ускоряющего напряжения;

11 - источник магнитного поля в камере анализа;

12 - узел измерения и регистрации ионных токов;

13 - источники питания систем высоковакуумной и предварительной откачки.

Магнитный масс-спектрометр для измерения состава газовых смесей содержит систему напуска газа 1, источник ионов 2, камеру анализа 3 с входной щелью 4 шириной и высотой h, выходной щелью 5 шириной и высотой h, расстояние между осями щелей x, приемник ионов 6, систему высоковакуумной откачки 7, систему предварительной откачки 8, источник питания 9 электронной пушки источника ионов 2, источник 10 ускоряющего напряжения U_a между источником ионов 2 и входной щелью 4 камеры анализа 3, источник 11 магнитного поля В в камере анализа 3, узел 12 измерения и регистрации ионных токов, источники питания 13 систем высоковакуумной и предварительной откачки.

Работает масс-спектрометр следующим образом. Поток анализируемых легких газов через систему напуска газа 1 попадает в источник ионов 2, где молекулы газовой смеси частично ионизируются пучком электронов. Ионы, образовавшиеся в источнике ионов 2, ускоряются разностью потенциалов U _а, приложенной между источником ионов 2 и входной щелью 4 камеры анализа 3. В магнитном поле индукции В, перпендикулярном направлению начальных скоростей ионов, поступающих на анализ через щель 4, происходит разделение молекулярных ионов по отношению массы иона к заряду (m_i/e). Ток ионов данной массы через выходную щель 5 камеры анализа 3 поступает в приемник ионов 6, усиливается и регистрируется в узле 12. Возможны два режима измерений с помощью масс-спектрометра: измерение зависимости тока ионов от их массы - спектр масс, и измерение временной зависимости

I(t) тока ионов данной массы. Результатом измерения спектра масс является качественный и количественный состав газовой смеси (определение состава химических соединений, изотопных соотношений данного вещества). Результатом измерения временной зависимости тока ионов данной массы является исследование динамики газовыделения, например, при изучении состава и содержания легких газов в твердых пробах. Интегрирование временной зависимости I(t) позволяет определить относительное массовое содержание данного газа в твердой пробе (m_газаw,/m_пробы).

Пример 1.

Создан прибор с разрешением R=12.45, соответствующим формуле полезной модели. Расстояние x между осями щелей 4 и 5 взято равным 50 мм. Масс-спектрометр для измерения состава легких газов содержит систему напуска газа 1, источник ионов 2, камеру анализа 3 с входной щелью 4 шириной =3.15 мм, определенной из условия (2) и высотой h, определенной из условия (4) и равной 19.65 мм, выходной щелью 5 с такими же шириной и высотой, приемник ионов 6 в виде коллекторной пластины, систему высоковакуумной откачки 7, состоящую из диффузионного насоса типа ПМН-0.025, систему предварительной откачки 8, содержащую вакуумный насос типа НВР - 1.25 Д, источник питания электронной пушки 9, обеспечивающий нагрев катода и ускорение электронов до энергии 11ОВ, источник 10 ускоряющего напряжения U _а между источником ионов 2 и входной щелью 4 камеры анализа 3 с диапазоном напряжений от 390В до 410В, источник 11 магнитного поля в, обеспечивающий в камере анализа 3 поле B=0.163Тл, узел 12 измерения и регистрации ионных токов, выполненный как и в прототипе в виде усилителя постоянного тока с измерительным сопротивлением 10¹²Ом, источники 13 питания систем высоковакуумной и предварительной откачки и измерения вакуума: один магниторазрядный вакуумметр с возможностью измерения вакуума 100 мкПа и два преобразователя ПМТ-4М.

Работает масс-спектрометр следующим образом. Поток анализируемых газов через систему напуска газа 1 поступает в источник ионов 1, где электроны, ускоренные ионизирующим напряжением НОВ, ионизуют молекулы газа. Ионы из источника 2 вытягиваются и ускоряются напряжением U_а=400B и через входную щель 4 попадают в камеру анализа 3. В камере анализа 3 магнитное поле индукции B=0.163Тл выделяет компонент легких газов - водород , который попадает в выходную щель 5 приемника ионов 6 шириной 3.15 мм и высотой 19.65 мм. Ток ионов на измерительном сопротивлении 10¹²Ом создает падение напряжения, которое регистрируется с помощью усилителя постоянного тока и выводится на запись в ПЭВМ. Были проанализированы пробы алюминиевых и титановых сплавов. При этом проведено измерение минимального относительного содержания водорода на уровне Q=5.75 10^-12.

Масс-спектрометр, реализованный авторами, имеет массу 80 кг при массе прибора-прототипа около 2000 кг. Максимумы, соответствующие содержанию, например, водорода, на уровне 10^-11 надежно регистрируются и интегрируются системой цифровой регистрации прибора.

Создание прибора с менее жесткой геометрией (большие ширины щелей 4 и 5, малое значение расстояния x) по сравнению с масс-спектрометром-прототипом позволяет также снизить требования к стабильности источников питания, определяющих траектории ионов в камере анализа 3 между щелями 4 и 5. Так, при стабильности источника ускоряющего напряжения U_а в приборе-прототипе , для предлагаемого прибора оказалось достаточно стабильности этого параметра на уровне l*10^-3. Это позволило существенно уменьшить массу, габариты и стоимость источника, и, следовательно, всего масс-спектрометра.

Пример 2.

Взято разрешение R=12.45, х=15 мм.

Тогда масс-спектрометр имеет другие конструктивные параметры: ₁=₂==1.0 мм, h₁=h₂ =h=6.30 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_a , и

индукция В равны: U_a=200В, В=0.384Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q_min =5.75-10^-12.

Пример 3.

Разрешение прибора R=12.45, х=100 мм.

Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: ₁=₂==6.30 мм, h₁=h₂ =h=39.25 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_a , и индукция B равны: U_а=800В, U _а=0.115 Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q_min=5.75-10^-12.

Пример 4.

Рассмотрим разрешение R=4.10, д:=15 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: ₁=₂==2.9 мм, h₁=h₂ =h=5.95 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_а и индукция B равны: _Uа=200В, В=0.384Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q_min =1.89-10^-12.

Пример 5.

Рассмотрим разрешение R=4.10, x=50 мм.

Масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: ₁=₂==9.60 мм, h₁=h₂ =h=l9.6 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_а , и индукция В равны: U_а=400B, B=0.163Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q_min =1.89-10^-12.

Пример 6.

Рассмотрим разрешение R=4.10, x=100 мм. Масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: ₁=₂==l9.l5MM, h₁=h₂ =h=39.25 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_а и индукция B равны:

U_а=800B, В=0.115Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q_min =1.89-10^-12.

Пример 7.

Рассмотрим разрешение R=20.8, x-=15 мм. Масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: ₁=₂==0.6 мм, h₁=h₂ =h=6.24 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_а и индукция В равны: U_а=200В, В=0.384Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q_min =0.96-10^-11.

Пример 8.

Рассмотрим разрешение R=20.8, х=50 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: ₁=₂==1.90 мм, h₁=h₂ =h=19.6 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_а и индукция В равны U_а=400В, B=0.163Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q_min =0.96-10^-11.

Пример 9.

Рассмотрим разрешение R=20.8, х=100 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: ₁=₂==3.80 мм, h₁=h₂ =h=39.25 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_а и индукция B равны: U_а=800В, B=0.115Тл. Минимальное измеренное содержание водорода

Рассмотрим параметры масс-спектрометра, разрешение которого выходит за диапазон заявленных значений.

Пример 10.

Рассмотрим разрешение R=2, х=50 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: ₁=₂==19.6 мм, h₁=h₂ =h=l9.6 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_а и индукция В равны: _Uа=400В, В=0.163Тл. Минимальное измеренное содержание легких газов Q _min=0.24-10-¹², но наблюдается интерференция

масс, как в [патент США №6815674, 09.11.2004, B01D 59/00] - водород и гелий не разделяются.

Пример 11.

Рассмотрим разрешение R=40, х=50 мм. Тогда масс-спектрометр будет иметь следующие конструктивные параметры: ₁=₂==1 мм, h₁=h₂ =h=20 мм. Ускоряющее ионы напряжение U_а и индукция В равны: U_а=400В, В=0.163Тл. Минимальное измеренное содержание водорода Q_min =2·10^-11, что превышает заявленное значение (1).

Аналогичные результаты получены для конструктивных параметров приборов, рассмотренных в примерах 10 и 11, при подстановке значений х=15 мм и х=100 мм.

Таким образом, заявленный масс-спектрометр обладает реальными параметрами во всем заявленном диапазоне значений R (3) и x (5).

Магнитный масс-спектрометр, включающий систему напуска газа, источник ионов, камеру анализа, имеющую входную и выходную щели, приемник ионов, узел измерения и регистрации ионных токов, источник магнитного поля в камере анализа, системы предварительной и высоковакуумной откачки, источники питания узлов масс-спектрометра, причем конструктивные параметры масс-спектрометра определяются из соотношений:

15ммx100мм,

где R - разрешающая способность масс-спектрометра, 4,1R20,8;

x - расстояние между осями входной и выходной щелей;

- ширина входной и выходной щелей;

Н - высота входной и выходной щелей.