4_1_quadrupole (829276), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Статические масс-спектрометры, а к ним относятся магнитный и панорамный масс-спектрометры, имеют широкое применение в науке и технике. Большинство аналитических задач решается на статических приборах. Однако такие приборы имеют и некоторые недостатки: низкое быстродействие, высокие требования к стабильности источников питания, большие габариты и массу, высокую стоимость и пр. Эти недостатки в меньшей степени присущи классу динамических масс-спектрометров. Кроме того, имеются задачи, решение которых затруднено, а иногда и невозможно с помощью статических анализаторов.

В настоящее время предложено много оригинальных способов разделения ионов в переменных полях, однако лишь некоторые из них нашли практическое применение. Все динамические приборов можно разделить на 4 группы: времяпролетные, радиочастотные (синхронные), резонансные (омегатронный масс-спектрометр), антирезонансные.

4. Квадрупольный масс-спектрометр

Квадрупольные масс-спектрометры относятся к группе антирезонансных масс-спектрометров. Они обладают высокой разрешающей способностью и чувствительностью. Основное их преимущество – отсутствие магнитных полей. Схематическая конструкция масс-спектрометра приведена на рис. 1. Исследуемый

Рис. 1. Схематический вид квадрупольного масс-спектрометра.

газ ионизируется пучком электронов, эмиттируемых накальным катодом и проходящих к коллектору электронов, находящихся в коробке ионизатора. Из ионизатора ионы выталкиваются через отверстие в диафрагме в анализатор, представляющий собой высокочастотный электрический квадруполь, образованный четырьмя параллельными стержнями-электродами круглого сечения. Противоположные электроды попарно соединены, и между ними прикладывается высокочастотное напряжение +-( + cos(wt)). Ионы, летящие вдоль оси стержней, раскачиваются высокочастотным полем. Амплитуда колебаний ионов зависит от массового числа иона и значения напряжений на стержнях. Траектории ионов могут быть устойчивыми и неустойчивыми. Ионы с устойчивыми траекториями (когда амплитуда их колебаний меньше расстояния от центральной оси прибора до стержня) проходят через анализатор и достигают коллектора ионов, создавая в цепи коллектора ионный ток, пропорциональный парциальному давлению газа. Амплитуда ионов с неустойчивыми траекториями возрастает по мере их продвижения вдоль оси квадруполя. Сталкиваясь со стержнями анализатора, ионы нейтрализуются.

Развертка масс-спектра осуществляется изменением напряжений на стержнях анализатора. Чтобы зарегистрировать ионы с разными массами, параметры и изменяют одновременно, оставляя соотношение / постоянным. Массовые числа ионов, имеющих устойчивые траектории, связаны с параметрами напряжения следующим соотношением

М/q = 1.39*10^-5* /(n²r₀²)

где n - частота в МГц, а r – расстояние от оси анализатора до стержня.

Разрешающая способность квадрупольного масс-спектрометра определяется соотношением

R = 0.75/(1 – g/g_max)

где g/g_max= / - отношение, определяющее диапазон масс ионов, имеющих одновременно устойчивые траектории, g_max = 0.168. Точность определения значения g должна быть очень высокой, поскольку от нее зависит разрешающая способность масс-спектрометра. При типичных размерах анализатора около 10 см и частоте 1 МГц для получения в квадрупольном масс-спектрометре разрешения R ~ 100 районе масс М ~ 100 энергия ионов должна быть не более нескольких десятков электронвольт. Для получения более высокого разрешения необходимо ускорять ионы до более низких энергий. Более подробное теория работы квадрупольного масс-спектрометра дана в приложении.

5. Описание установки и получение спектра воздуха

Схема установки с квадрупольным масс-спектрометром приведена на рис.2.

Рис.2. Схема установки.

Установка снабжена безмасляной станцией откачки TSH 071E Economy Pumping Station, включающей турбомолекулярный насос со скоростью откачки 60 л/сек. Станция отсекается от камеры, содержащей масс-спектрометр сверхвысоковакуумным затвором с ручным приводом. Для регистрации спектра используется квадрупольный масс-спектрометр Pfieffer QMS 200 Prisma с диапазоном регистрирующих масс 1-100. Рядом с ним расположен измеритель полного давления фирмы Pfieffer PKR 251 Compact Full Range Pirani/Gold Cathode Gauge, измеряющий давление от атмосферного до высокого вакуума. Здесь же установлен игольчатый натекатель газа фирмы Granville-Phillips, Series 203 Variable Leak Valves, позволяющий регулировать поступление исследуемого газа в установку.

Рис.3. Фотография установки.

Следуя инструкциям, студенту следует включить установку и получить рабочее давление в установке менее 10^-6 мбар. Затем включается квадрупольный масс-спектрометр и определяется состав остаточного газа в установке. Спектр остаточного газа можно наблюдать на мониторе компьютера, он также может быть сохранен в виде текстового файла для дальнейшей обработки, например программой Microsoft Office Excel. Затем с помощью игольчатого натекателя в установку напускается воздух до давления порядка 10^-5 мбар и измерения проводятся еще раз. Предлагается из полученного спектра вычесть спектр остаточного газа и сравнить с табличным составом воздуха.

Таблица 2.

Рис.4. Спектр воздуха в присутствие остаточного газа.

Приложение.

В антирезонансных масс-спектрометрах движение ионов описывается уравнением Матье. Для распределения потенциала вида:

компоненты электрического поля равны:

Произведя соответствующие замены в уравнениях движения, записанных для каждой координаты, можно свести их к уравнению Матье. Так для координаты имеем:

где

Общее решение этого уравнения, характеризующее амплитуду колебаний ионов, может быть найдено в виде:

,

где - мнимая единица; , - постоянные, зависящие от начальных условий.

Для действительного и комплексного амплитуда колебаний ионов будет неограниченно возрастать с течением времени . Если - мнимое, , где - целое число, а , амплитуда колебаний ионов ограничена. Колебания ионов периодичны, если - рациональная дробь, и не периодичны, если - иррационально. Значения зависят от параметров уравнения и . Если выбрать систему координат с осями и , то всю плоскость можно разделить на две области: с устойчивым (заштрихованным) и неустойчивым решениями уравнения Матье.

Рис.5. Диаграмма стабильности.

Масс-анализатор

Квадрупольный масс-анализатор состоит из четырех параллельно расположенных электродов. Для получения строго гиперболического поля целесообразно выбирать электроды с гиперболическим профилем рабочей поверхности (рис.1).

Тогда потенциал внутри анализатора определяется формулой:

,

а уравнения движения ионов можно преобразовать к виду:

;

;

,

где ; .

Рис.6. Схематический вид квадрупольного масс-спектрометра. Пояснение к решению уравнений движения в анализаторе.

Решения первых двух уравнений в устойчивой области могут быть сведены к виду:

;

.

Для того чтобы ионы прошли через анализатор, проекции траекторий на оси и должны иметь ограниченную амплитуду колебаний. Уравнение по оси можно переписать в виде:

,

Оно отличается от уравнения движения по знаком перед . Решения для - проекции соответствуют точкам в первом квадранте на диаграмме стабильности (положительным и ), а для - проекции – точкам в четвертом квадранте (отрицательные и положительные ). Следовательно, для параметров и в областях стабильности первого и четвертого квадрантов имеем ограниченную амплитуду колебаний ионов вдоль осей и соответственно. Поэтому для того чтобы ионы с фиксированной массой при постоянных электрических и геометрических параметрах анализатора , , , имели ограниченную амплитуду колебаний вдоль осей и , необходимо, чтобы рабочие точки , и - , находились в заштрихованных областях диаграммы стабильности. Для удобства отыскания таких рабочих точек нижнюю полуплоскость отображают на верхнюю. Там, где происходит наложение областей стабильности, имеются рабочие точки, для которых амплитуда колебаний ионов ограничена как , так и по . Часто для выбора параметров квадрупольных масс-спектрометров используется криволинейный треугольник стабильности.

Рис. 7. Криволинейный треугольник стабильности решений уравнений.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы