4.1 (829390)

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

Текст из файла

Лабораторная работа 4.1

Изучение работы масс-спектрометрических приборов. Анализ остаточных газов

Оборудование: масс-спектрометр МХ-1215, АЦП, персональный компьютер

Цель работы: знакомство с методами масс-спектрометрии, изучение принципа работы масс-спектрометра МХ-1215, анализ состава газов масс-спектрометрическим методом.

Контрольные вопросы:

1 Торр = 133, 332 Паскаль = 0,00131579 атм = 0,001333224217500123 бар = 0,019336782439806805833 фунт=сила на дюйм^2

1. Какие ещё виды масс спектрометров Вы знаете, назовите хотя бы еще два?

МС Демпстера, омегатронный масс спектрометр, время – пролетный.

2. Какие принципы лежат в основе этих масс спектрометров?

Магнитный анализ, резонансный метод, время пролета.

3. Как изменяется чувствительность QMS по отношению к разным газам, например к азоту и гелию?

Зависит от сечения ионизации газа электронным пучком с энергией около 70ЭВ и от качества пропускания анализатора.

4. Каком порядок имеет чувствительность данного QMS?

Порядка 10^-3 – 10^-4 Ампер /Торр.

5. Оцените плотность газа в объеме QMS при давлении 10^-6 Торр.

6. Оцените время жизни(до перегорания) вольфрамового катода диаметром 0.1 мм при давлении 10^-6 Торр.

Важно понимать!

Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) — метод исследования вещества, основанный на определении отношения массы к заряду ионов, образующихся при ионизации представляющих интерес компонентов пробы. Один из мощнейших способов качественной идентификации веществ, допускающий также и количественное определение. Можно сказать, что масс-спектрометрия — это «взвешивание» молекул, находящихся в пробе.

Единственное общее требование — чтобы молекула поддавалась ионизации. Однако к настоящему времени придумано столько способов ионизации компонентов пробы, что масс-спектрометрию можно считать практически всеохватным методом. Почти все масс-спектрометры — это вакуумные приборы, поскольку ионы очень нестабильны в присутствии посторонних молекул. Однако существуют некоторые приборы, которые можно условно отнести к масс-спектрометрам, но в которых используется не вакуум, а поток особого чистого газа.

В масс-спектрометрических приборах применяются различные типы масс-анализаторов, которые можно разделить на статические и динамические. В статических масс-анализаторах происходит пространственное разделение ионов по отношению массы к заряду в постоянном (квазистационарном) магнитном поле. В динамических масс-анализаторах для разделения используют зависимость скорости, резонансной частоты колебаний или ускорения ионов от величины отношения массы к заряду. Динамические масс-спектрометры могут быть магнитными и безмагнитными.

Последовательность процесса:

1. Ввод исследуемого вещества в зону ионизации.

2. Превращение атомов (молекул) исследуемого вещества в положительные (реже в отрицательные)

ионы.

3. Формирование ионного пучка или группы ионов.

4. Пространственное или временное разделение ионов по величине отношения массы к заряду.

5. Последовательное или одновременное раздельное измерение (регистрация) компонентов ионного

пучка.

Схема:

Основные характеристики:

1. Диапазон измерения по массовым числам характеризует максимальное и минимальное значение массовых чисел однозарядных ионов, которые могут быть зарегистрированы прибором при определенных значениях регулируемых параметров.

2. Разрешающая способность, характеризует возможность раздельной регистрации ионов, близких по массовым числам. Численно она выражается отношением массы иона M к ширине пика в наблюдаемом спектре δM, R = M / δM. Вообще говоря, величина R может зависеть и от M, и от интенсивности ионного тока.

3. Чувствительность масс-спектрометра характеризуют рядом величин. Если вещество вводится в ионный источник масс-спектрометра в виде газовой пробы, то чувствительность определяют (чаще всего для азота или аргона) как отношение тока ионов данной массы изучаемого вещества M I (А) к парциальному давлению этого вещества в источнике M P (Па). Обычно подобная величина лежит в пределах 10-4¸10-1 А/Па. Относительной чувствительностью называют минимальное содержание вещества в смеси, которое может быть обнаружено данным прибором.

4. Быстродействие масс-спектрометра принято определять минимальным временем, необходимым для регистрации масс-спектра в пределах так называемой декады атомных единиц массы.

Где применяются?

Квадрупольные масс-спектрометры1 стали рутинным прибором для измерения остаточного вакуума, исследования его масс-спектра и поиска течей в вакуумных системах (установка, проверяемая на вакуум, обдувается снаружи струей гелия и регистрируется динамика пика гелия в масс-спектре).

Формулы:

Любой масс-спектрометр производит анализ состава газа, находящегося в области ионизатора, не различая, какая его часть подана в виде пробы, а какая существует в масс-спектрометре независимо от подаваемой в него смеси. Состав собственной остаточной газовой среды масс-спектрометра определяется, во-первых, особенностями конкретной вакуумной системы, во-вторых, составом рабочих жидкостей, используемых в вакуумных насосах (чаще всего именно они обеспечивают в масс-спектре остаточные следы органического происхождения), и в-третьих, составом веществ, адсорбированных на стенках аналитической части масс-спектрометра, либо в достаточной степени летучих, либо испаряющихся при электронной бомбардировке стенок.

Масс-анализатор со схемой Демпстера

Главные их достоинства – простота конструкции и юстировки, отсутствие на пути движения ионов области рассеянного поля (краевых эффектов), небольшая длина пути ионов, а следовательно, меньшее влияние объемного заряда. Последнее обстоятельство позволяет уменьшить энергию ионов и радиусы траекторий, что снижает габариты камеры и допускает использование постоянных магнитов. Кроме того, из-за малой длины пути ионов малы и потери ионов, что повышает чувствительность прибора.

Общим недостатком всех магнитных спектрометров является наличие хроматической аберрации, т. е. уширения линий спектра из-за энергетического разброса ионов. Это существенно повышает требования к ионной оптике источника ионов. Кроме того, анализаторам со схемой Демпстера присущи еще несколько недостатков: 1) источник ионов находится в магнитном поле, что вызывает дискриминацию ионов по массе; 2) магнитное поле в области регистрации ионов исключает применение вторичных электронных умножителей; 3) нельзя устранить сферическую аберрацию, снижающую разрешающую способность анализатора.

Масс-спектрометр МХ-1215

Откачка камеры анализатора осуществляется магниторазрядным насосом МРН через высоковакуумный вентиль ВВ. Измерение вакуума осуществляется термопарным и магнито-ионизационными преобразователями.

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.

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.

+-(U + V cos(wt))

Обработанные данные:

Сухой воздух

Остаточный вакуум

Контрольные вопросы в методичке:

1. Объясните, в каких единицах измеряется масса иона, в чём физический смысл этой величины. Каков смысл массовых чисел, приводимых обычно в клетках таблицы Менделеева?

Атомная единица массы - углеродная единица — внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Атомная единица массы определяется как ¹⁄₁₂ массы свободного покоящегося атома углерода ¹²C, находящегося в основном состоянии.

2. Что такое изотопы, чем отличаются изотопы одного элемента с разной массой? Почему массы изотопов в таблице из прил. 4 не являются целыми числами?

Изото́пы — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N).

Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, ¹²C, ²²²Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222).

3. Каково примерное содержание изотопов в природной смеси для углерода, азота, кислорода?

Изото́пы углеро́да — разновидности атомов (и ядер) химического элемента углерода, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Углерод имеет два стабильных изотопа — ¹²C и ¹³C. Содержание этих изотопов в природном углероде равно соответственно 98,93 % и 1,07 %. Известны также 13 радиоактивных изотопов углерода (от ⁸C до ²²C), из которых один — ¹⁴C — встречается в природе (его содержание в атмосферном углероде около 10⁻¹²). Углерод — лёгкий элемент, и его изотопы значительно различаются по массе, а значит и по физическим свойствам, поэтому во многих природных процессах происходит их разделение (фракционирование).

Кислород в атмосфере Земли на 99,759 % состоит из ¹⁶O, на 0,037 % из ¹⁷O и на 0,204 % из ¹⁸O. Природный кислород состоит из трёх стабильных изотопов, ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O, из них изотоп ¹⁶O является наиболее распространенным (99,762 %) изотопом кислорода.

4. Устройство и принцип действия масс-спектрометра типа Демпстера.

5. Откуда берутся ионы? Чему равна температура ионов в начале ускорения? В конце ускорения, на влете в магнитное поле? Оцените угловую расходимость пучка ионов на входе в камеру анализатора.

6. Что вылетает из источника ионов в случае, если в систему подаётся газ со сложным химическим составом?

7. Каким образом можно различить газы с одинаковой молекулярной массой, но разного химического состава?

Смотрим по спектру, разное количество пиков.

8. Могут ли в этой системе образовываться ионы с зарядом, большим единицы? Тот же вопрос для молекулярных ионов.

Зависит от ионизатора.

9. Почему сканирование по радиусу орбиты ведётся путём изменения ускоряющего напряжения, а не путём изменения величины магнитного поля?

В масс-спектрометре, используемом в данной работе, магнитное поле постоянно, и изменение траектории ионов осуществляется за счет изменения ускоряющего напряжения уск U . Если напряжение уск U , начиная с нуля, непрерывно увеличивать, то на коллектор сначала попадут более тяжелые ионы, а затем более легкие.

10. Какая точность поддержания однородности магнитного поля во времени и в пространстве нужна в масс-спектрометре типа Демпстера и почему?

Магнитные масс-спектрометры со схемой Демпстера имеют невысокую, до 200–300, разрешающую способность.

11. Почему ионы в масс-спектрометре разворачиваются на 180°, а не на иной угол?

В масс-спектрометре со схемой Демпстера 2 используется фокусировка ионов поперечным однородным магнитным полем на коллекторе ионов, который расположен под углом 180 ° к источнику ионов.

12. Зачем нужен вакуум в приборе? Приведите физическое условие, при выполнении которого вакуум можно считать достаточно хорошим.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы