Времяпролетный масс-спектрометр

Впервые использование принципа разделения масс ионов по времени их пролета было предложено Стефенсоном. Приборы, основанные на этом принципе, были первыми динамическими масс-спектрометрами.

Под действием ускоряющего электрического поля с разностью потенциалов V ионы в этом приборе приобретают скорость

(1.1)

где v – скорость ионов;

е – заряд электрона;

V – разность потенциалов ускоряющего электрического поля;

m – масса иона.

Ускоренные ионы попадают в дрейфовое пространство, где поле отсутствует, и проходят расстояние d до коллектора. Время пролета ионами дрейфового пространства составляет

(1.2)

где t – время пролета иона дрейфового пространства;

d – длина дрейфового пространства;

v – скорость ионов;

е – заряд электрона;

V – разность потенциалов ускоряющего электрического поля;

m – масса иона.

Если источником ионов с помощью ускоряющего электрода, на который подается импульсное напряжение, формируется «пакет» ионов, то на коллектор они попадают с разделением по времени и массе в зависимости от скорости. Разрешение такого прибора зависит от степени моноэнергетичности ионов, получаемых в источнике, и от времени пролета, значительно превосходящем длительность исходного импульса.

Время пролета определяется ускоряющим напряжением и длиной пути ионов. Длительность импульса определяется временем, необходимым для создания ионного тока заданной величины, и постоянной времени коллектора. Очевидно, что длительность импульса должна быть как можно более короткой при разумной длине трубки дрейфа.

Первые описания времяпролетных масс-спектрометров были опубликованы еще в начале 1950-х гг. Однако эти приборы либо имели очень низкое разрешение (порядка двух единиц массы для М=20 а.е.м.), либо требовали довольно большой длины трубки дрейфа (до 1 м). Позже были достигнуты более высокие характеристики; так, Уайли и Макларен разработали масс-спектрометр с разрешающей способностью, превышающей 100, в диапазоне масс до 300 а.е.м. при длине трубки дрейфа 0,4 м.

Пространственное распределение определяет время нахождения ионов в ускоряющем поле. При использовании ионного источника с двумя раздельными ускоряющими областями, имеющими оптимальные ускоряющие потенциалы и размеры, а также при введении времени задержки между образованием ионов и приложением ускоряющего импульса удается получить значительно более узкое распределение исходного «пакета» ионов по скоростям по сравнению с фокусировкой в первых приборах. Ионный пучок ускорялся импульсом амплитудой в 100 В при длительности 0,1—1 мкс.

Регистрация и усиление ионного тока осуществлялись при помощи специально сконструированного электронного умножителя с магнитной фокусировкой, обладающего малым временем установления. Устройство этого масс-спектрометра показано на рис. 1.4. С целью дальнейшего усовершенствования времяпролетного анализатора было предложено ввести в пространство дрейфа магнитное или электростатическое секторное поле.

Рис. 1.4. Времяпролетный масс-спектрометр: 1— катод; 2—анодная ловушка; 3— вторично-электронный умножитель с магнитной фокусировкой; 4 — пучок ионов; 5 — осциллограф.

Такое поле позволяет улучшить фокусировку ионов по скоростям. Авторы подсчитали, что спектрометр с радиусом траектории движения ионов 20 см может иметь разрешение, значительно превышающее 600 при условии, что разброс ионов по энергии не превышает 10 эВ.

Основным достоинством времяпролетного масс-спектрометра является высокая скорость развертки спектра; полный масс-спектр может быть получен всего за несколько микросекунд.

Это качество прибора весьма ценно при изучении динамики систем. Кроме того, вследствие малых времен регистрации спектра отпадает необходимость стабилизации пучка электронов и остальных параметров, а также снижаются требования, предъявляемые к точности сборки устройства.

Однако необходимость использования электронных умножителей с высоким разрешением по времени, а также широкополосных усилителей уменьшает конкурентоспособность этих приборов по сравнению с другими спектрометрами. Поэтому времяпролетные масс-спектрометры применяются, главным образом, при необходимости быстрого сканирования спектра.