Времяпролетный масс-смектрометр

Одним из наиболее простых и самым быстродействующим прибором является время-пролетный масс-спектрометр. В нем разделение ионов в спектр масс осуществляется с помощью импульсных электростатичес­ких полей, которые сообщают ионам любых масс, образуемым в источ­нике ионов, одну и ту же энергию. Поскольку моноэнергетические ионы различных масс обладают различными скоростями, то пролетая по инерции в пространстве дрейфа одно и то же расстояние, они бу­дут проходить на вход системы регистрации в разное время и раз­дельно регистрироваться, т.е. будет осуществляться разделение по массам.

Рассмотрим более подробно принцип действия прибора (рис.6.14). В источнике ионов 1 ионизация газа осуществляется импульсным электронным пучком 15, эмиттируемым катодом 14 и проходящим на анод 3. После окончания импульса ионизации на выталкивающий элек­трод 2 подается короткий (меньше 1 мкс) положительный импульс U_g, выталкивающий ионы из источника за сетку 4. После этого между сет­ками 4 и 5 прокладывается короткий отрицательный импульс U_y, = 2-5 кВ, разгоняющий ионы всех масс до энергии е U_y, с которой они входят в пространство дрейфа длиной 0,5-1,0 м между сетками 5 и 7, в котором электрическое поле отсутствует и ионы двигаются по инерции. От сетки 5 ионы 13 начинают двигаться с постоянными ско­ростями к сетке 7. Вследствие разных скоростей более тяжелые ионы 12 отстанут от более легких ионов 11. Пройдя пространство дрейфа, наиболее легкие ионы первыми попадут на вход ВЭУ 16 и создадут на его выходе импульс тока. Затем в порядке возрастания массовых чи­сел на вход ВЭУ будут приходить ионы других масс. Усиленные широ­кополосным усилителем 17 импульсы регистрируются на осциллографе.

Высота импульсов на экране осциллографа характеризует парциаль­ные давления компонент газов, находящихся в исследуемом объеме.

Время пробега ионов от источника до приемника (ВЭУ) определит­ся как t = L/v_i. Выражая скорость ионов v_i через напряжение уско­ряющего импульса U_y, получим m_iv_i2=2eU. Комбинируя эти два выражения, получим

, (6.15)

Рисунок 6.14 – Схема время-пролетного масс-спектрометра: (U_в ≈ + 100 В; U_у ≈ –(2–5) кВ).

где L – длина пространства дрейфа ионов (расстояние от источника до приемника ионов).

Из рис.6.14 видно, что первыми придут на коллектор самые легкие ионы, а затем поочередно все остальные. В результате на экране ос­циллографа с частотой f=1/T, равной частоте повторения выталки­вающих импульсов (где Т – период следования импульсов)будут появ­ляться масс-спектры. Ориентировочно Т ≈ 200 мкс, то тогда частота появления масс-спектра на экране будет равна f = 0.5∙10^-4 с = 5000 Гц, т.е. используя скоростную кинокамеру можно зарегистри­ровать до 5000 масс-спектров в секунду. Как видно из (1.8), масса регистрируемого иона однозначно определяется через время пролета t.

Таким образом, время-пролетный масс-спектрометр позволяет ре­гистрировать как статические, так и быстро меняющиеся процессы, как, например, изменение состава остаточной атмосферы при взрыв­ном испарении, импульсных разрядах и т.д. Время-пролетный масс-спектрометр может быть легко встроен в ва­куумную систему, поскольку не требуется создание магнитных полей. Некоторым недостатком прибора является то, что анализатор (про­странство дрейфа) имеет слишком большую длину (порядка 0,5–1,0 м).

Серийный время-пролетный масс-спектрометр МСХ-4 имеет диапа­зон регистрируемых масс 1-600. Разрешающая способность по массам менее 100, чувствительность по аргону 1,3∙10^-8 Па на 1 мм шкалы. Диапазон рабочих давлений 1,3∙10^-7 Па.