Масс-спектрометр. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Масс-спектрометр - прибор для разделения ио-низов. частиц (атомов, молекул, кластерных образований) по их массам (точнее, по отношению массы иона m к его заряду е)путём воздействия магн. и электрич. полей, а также для определения их масс и относит, содержания, т. е. спектра масс. M.-с. включает: систему подготовки и ввода вещества в прибор (рис. 1);

Рис. 1. Блок-схема масс-спектрометра (пунктиром обведена вакуумированная часть прибора).

источник ионов, где это вещество частично ионизуется и осуществляется формирование ионного пучка; масс-анализатор, в к-ром происходят разделение ионов по величине

и фокусировка ионов, вылетевших в разных направлениях в небольшом телесном угле; приёмник ионов (коллектор), где ионный ток измеряется или преобразуется в электрич. сигнал, к-рый далее усиливается и регистрируется выходным устройством. В регистрирующее устройство помимо информации о кол-ве ионов (ионный ток) поступает информация о массе ионов. M.-с. содержит также питающие и измерит, устройства, а также вакуумную систему, создающую, поддерживающую и контролирующую достаточно глубокий вакуум (10^-3-10^-7 Па) в источнике ионов, камере масс-анализатора и приёмнике ионов. ЭВМ контролирует режим работы всего прибора, а также осуществляет сбор и обработку получаемых данных.

Основные параметры. Регистрируемый с помощью M.-с. масс-спектр представляет собой зависимость ионного тока / от массы т (точнее, от

. Напр., в масс-спектре Hg каждый из пиков ионного тока соответствует однозарядным ионам изотопов ртути (рис. 2). Высота пика пропорциональна содержанию данного изотопа. Отношение массы иона к ширине пика

(в а. е. м.) наз. разрешающей способностью (R)M.-с.:

T. к.

на разных уровнях интенсивности ионного тока различна, то Л также различна. В приведённом примере в области изотопа

на уровне 10% относительно вершины пика R = 940, на полувысоте R = 1600. Для полной характеристики разрешающей способности прибора необходимо знать форму ионного пика, к-рая зависит от MH. факторов. Иногда разрешающей способностью наз. значение той наиб, массы, при к-рой два пика, отличающихся по массе на единицу, разрешаются до заданного уровня. Для тех M.-с., у к-рых R не зависит от отношения

оба приведённых определения совпадают. Считается, что M.-с. с

имеет низкую разрешающую способность, с

- среднюю, с

- высокую, с R ~ 10⁵ - очень высокую.

Если вещество вводится в ионный источник в виде газа, то чувствительностью M.-с. наз. отношение тока, создаваемого ионами данной массы заданного вещества, к парциальному давлению этого вещества в источнике. Эта величина в M.-с. разных типов лежит в диапазоне 10^-4-10^-1 А/Па. Относит, чувствительностью называют мин. содержание вещества в смеси веществ, к-рое ещё может быть обнаружено с помощью M.-с. Для разных M.-с. и разл. веществ она лежит в диапазоне 10^-3-10^-7%. За абс. чувствительность иногда принимают мин. кол-во вещества (в г), к-рое необходимо ввести в M.-с. для обнаружения этого вещества. Она также зависит от типа M.-с. и может достигать 10^-15 г.

Рис. 2. Масс-спектр Hg;

- ширина пика на полувысоте,

- на уровне 10% от максимальной интенсивности.

Наряду с разрешающей способностью и чувствительностью важными характеристиками M.-с. являются диапазон масс и быстродействие. Диапазон масс у приборов для анализа органич. веществ превышает 10⁴ а. е. м. (см. Mасс-спектроскопия ).Быстродействие, под к-рым принято подразумевать мин. время, необходимое для регистрации масс-спектра в пределах т. н. декады а. е. м. (1 - 10, 10 - 100 и т. д.) без потери информации, составляет 0,1-0,5 с для статич. приборов и 10^-3 с для время-нродётных (динамических; см. ниже).

Система ввода вещества. Ионный источник. Образец вводится в M.-с. с помощью т. н. молекулярных или вязкостных натекателей, устройств шлюзования с последующим вводом твёрдого или жидкого образца в источник ионов, ячейку Кнудсена и т. д.

В M.-с. используются разл. способы ионизации: 1) ионизация электронным ударом (см. Электронно-ионная эмиссия; 2))фотоионизация; 3) ионизация за счёт ионно-молекулярных реакций (хим. ионизация); 4) ионизация в сильном электрич. поле (полевая ионная эмиссия); 5) ионизация ионным ударом (ионно-ионная эмиссия ,см. также Ионная бомбардировка; )6) ионизация быстрыми атомами (атомно - ионная эмиссия);7) поверхностная ионизация' ,8) искровой разряд (вакуумная искра); 9) десорбция ионов под действием лазерного излучения, электронных пучков, продуктов деления тяжёлых ядер (напр.,

; 10) плазменные источники. Наиб, часто применяются: способы 1, 2 и 3 - при анализе газов и легко испаряемых веществ; 4 - для ионизации газов и органич. соединений, наносимых на поверхность электрода (десорбция полем); 5 - для анализа состава поверхности твёрдых тел; 6 и 9 - для анализа термонестабильных сложных органич. веществ; 7 - для изотопного анализа элементов с низкой энергией ионизации; 8 и 10 для анализа микропримесей в твёрдом и жидком веществах. Если анализируют ионную составляющую газа (плазма, ионосфера, пламена), источник ионов выполняет лишь функцию фокусировки ионов и формирования ионного пучка (см. также Ионный источник).

Масс-анализаторы. По типу анализаторов различают статич. и динамич. M.-с. В статич. масс-анализа-торах для разделения ионов используются электрич. и магн. поля, постоянные или практически не изменяющиеся за время пролёта иона через прибор. Ионы с разл. значениями

движутся в анализаторе по разл. траекториям (см. Электронная и ионная оптика).

В масс-спектрографах, отличающихся от M.-с. фотогр. регистрацией масс-спектра, пучки ионов с разными

фокусируются в разных местах фотопластинки, расположенной в фокальной плоскости прибора, образуя после проявления следы в виде полосок (выходное отверстие ионного источника обычно имеет форму прямоугольника - щели). В статич. масс-спектрометре пучок ионов с заданным

фокусируется на щель приёмника ионов. При плавном изменении магн. или электрич. поля в приёмную щель последовательно попадают пучки ионов с разными

При непрерывной записи ионного тока получается график с ионными пиками масс-спектра (рис. 2); фотопластинка, используемая в масс-спектрографе, после проявления фотометрируется.

Рис. 3. Схема статического масс-спектрометра с однородным магнитным полем; S₁, S₂ - щели ионного источника и приёмника ионов; треугольник - область однородного магнитного поля H, перпендикулярного плоскости рисунка; тонкие сплошные линии - границы пучков ионов с разными

r - радиус центральной траектории ионов.

В статич. M.-с. с однородным магн. полем H (рис. 3) ионы, образованные в источнике, выходят нз щели шириной S₁ в виде расходящегося пучка, к-рый в магн. поле разделяется на пучки ионов с разными

. Пучок ионов с массой

фокусируется на щель шириной S₂ приёмника ионов. Величина

определяется выражением

где

- масса иона в а. е. м.; е - его заряд в единицах элементарного электрич. заряда; r - радиус центр, траектории в см; V - ускоряющий потенциал в В; H - напряжённость магн. поля в Э. Развёртка масс-спектра производится изменением H или V. Первый метод предпочтительнее, т. к. в этом случае по ходу развёртки не изменяются условия "вытягивания" ионов из источника.

Разрешающая способность статич. M.-с. определяется из соотношения

где

- ширина пучка в месте, где он попадает в щель приёмника S₂. Если бы фокусировка ионов была идеальной, то в случае

(рис. 3) si была бы в точности равна S₁. В действительности

что уменьшает разрешающую способность M.-с. Одна из причин уширения пучка - неизбежный разброс по кинетич. энергии у ионов, вылетающих из источника. Др. причины - рассеяние ионов из-за столкновений с молекулами остаточного газа, а также эл--статич. "расталкивание" ионов в пучке. Для ослабления влияния этих факторов применяют т. н. наклонное вхождение пучка в анализатор и криволинейные границы магн. поля. В нек-рых M.-с. используют неоднородные магн. поля, а также ионные призмы (см. Электронные призмы ).Для уменьшения рассеяния ионов стпемятся к созданию высокого вакуума (давление

Па

рт. ст.) на всём пути ионов от источника до коллектора. Для ослабления влияния разброса по энергии применяют M.-с. сдвойно и фокусировкой, в к-рых в щель .S₂ фокусируются ионы с одинаковыми

вылетающие не только по разным направлениям, но и с разными энергиями. Для этого ионный пучок пропускают через магнитное и отклоняющее электрич. поля спец. формы (рис. 4).

Рис. 4. Схема масс-спектрометра с двойной фокусировкой. Пучок ускоренных ионов, вышедших из щели источника ионов, проходит через электрическое поле E цилиндрического конденсатора, который отклоняет ионы на 90°, затем через магнитное поле Н, отклоняющее ионы ещё на 60°, и фокусируется в щель коллектора.

В динамич. масс-анализаторах для разделения ионов с разными

используют, как правило, разные времена пролёта определ. расстояния, а также воздействие на ионы импульсных или радиочастотных электрич. полей с периодом, меньшим или равным времени пролёта ионов через анализатор. Наиб, применение нашли время-пролётные, радиочастотные, квадрупольные, магниторезонансиые M.-с. и M.-с. ионно-циклотрон-ного резонанса.

Во время-пролётном M.-с. (рис. 5) ионы, образованные в источнике, коротким электрич. импульсом "впрыскиваются" в виде ионного пакета через сетку 1 в анализатор 2, представляющий собой эквипотенциальное пространство. В процессе дрейфа к коллектору 3 исходный пакет "расслаивается" на неск. пакетов, каждый из к-рых состоит из ионов с одинаковыми

Расслоение обусловлено тем, что в исходном пакете энергии всех ионов одинаковы, а их скорости и, следовательно, времена пролёта t через анализатор длиной L обратно пропорциональны

Последовательность ионных пакетов, приходящих на коллектор, образует масс-спектр, к-рый регистрируется. Разрешающая способность R с таким анализатором пропорциональна L и невелика

Рис. 5. Схема время-пролётного масс-спектрометра. Пакет ионов с массами m₁ и m₂ (чёрные и белые кружки) движется в дрейфовом пространстве анализатора так, что тяжёлые ионы (m₁) отстают от лёгких.

Вариантом время-пролётного анализатора является т. н. масс-рефлектрон, позволяющий существенно увеличить разрешающую способность за счёт применения эл--статич. зеркала 3 (рис. 6). Ионы в пакете обладают тепловым распределением по энергии, соответствующим температуре исходного газа. Это приводит к уширению пиков на коллекторе. Эл--статич. зеркало 3 масс-рефлектрона компенсирует это уширение, увеличивая в каждом пакете время прихода на коллектор более медленных ионов и уменьшая- более быстрых. При тех же длинах дрейфа разрешающая способность (R)масс-рефлектрона в неск. раз лучше R обычного время-пролётного M.-с.

Рис. 7. Схема радиочастотного масс-анализатора. Ионы с определённой скоростью и, следовательно, определённой массой, ускоряясь внутри каскада ВЧ-полем, получают прирост кинетической энергии, достаточный для преодоления тормозящего поля и попадания на коллектор.

В радиочастотном масс-анализаторе (рис. 7) ионы приобретают в ионном источнике энергию eV и проходят через систему последовательно расположенных сеточных каскадов. Каждый каскад представляет собой три плоскопараллельныо сетки 1, 2, 3, расположенные на равном расстоянии друг от друга. К ср. сетке относительно двух крайних приложено электрич. ВЧ-поле U_ВЧ. При фиксированных частоте

этого поля и энергии ионов eV только ионы с определённым

имеют такую скорость v, что, двигаясь между сетками 1 и 2 в полупериоде, когда поле между ними ускоряет ионы, они пересекают сетку 2 в момент смены знака поля и проходят между сетками 2 и 3 также в ускоряющем поле. T. о., они получают макс, прирост энергии и попадают на коллектор. Ионы др. масс, проходя эти каскады, либо тормозятся полем, т. е. теряют энергию, либо получают недостаточный прирост энергии и отбрасываются в конце пути от коллектора высоким тормозящим полом U₃. В результате на коллектор попадают только ионы с определ. значением

Масса таких ионов определяется из соотношения

где a - постоянная прибора, s - расстояние между сетками.

Перестройка анализатора на регистрацию ионов др. масс осуществляется изменением либо нач. энергии ионов (V), либо частоты w поля.

В квадрупольном масс-анализаторе (рис. 8) разделение ионов осуществляется в попе-

Рис. 8. Схема квадрупольного масс-анализатора.

речном электрич. поле с гишерболич. распределением потенциала. Поле создаётся квадрупольным конденсатором, между парами стержней к-рого приложены постоянное и ВЧ-напряжения. Пучок ионов вводится в вакуумную камеру анализатора вдоль оси квадру-нольного конденсатора через отверстие 1. При фикси-ров. значениях частоты

и амплитуды

перем. напряжения только у ионов с определ. значением

амплитуда колебаний в направлении, поперечном оси анализатора, не превышает расстояния между стержнями. Такие ионы за счёт нач. скорости проходят через анализатор и, выходя из него через отверстие 2, регистрируются, попадая на коллектор ионов. Сквозь квадруполь проходят ионы, масса к-рых удовлетворяет условию

где а - постоянная прибора. Амплитуда колебаний ионов др. масс нарастает по мере их движения в анализаторе так, что эти ионы достигают стержней и нейтрализуются. Перестройка на регистрацию ионов др. масс осуществляется изменением амплитуды

или частоты

перем. напряжения. Разрешающая способность квадрупольных M.-с.

Рис. 9. Трёхмерная квадруполь-ная ионная ловушка: 1 - гиперболический электрод с отверстием для ввода ионизирующих электронов е; 2 - гиперболический электрод с сеткой; 3 - кольцевой гиперболический

Вариантом квадрупольного анализатора служит т. н. трёхмерная квадрупольная л о в у ш-к а (рис. 9), представляющая собой два гиперболоида вращения, ограниченных по бокам кольцевым электродом 3, также с гиперболич. сечением внутр. поверхности. Электроды 1 и 2 заземлены, на электрод 3 подаётся ВЧ-напряжение. В электроде 1 имеется отверстие для ввода ионизирующих электронов; электрод 2 выполнен в виде сетки, за к-рой расположен коллектор 4. Ионы образуются внутри ловушки электронным ударом (импульсно включается электронный пучок). После импульса прикладывается ВЧ-напряжение, изменением амплитуды к-рого осуществляют развёртку масс-спектра. Из-за симметрии ловушки ионы попадают как на верхний, так и на нижний электроды. В приведённой на рис. 9 конструкции регистрируется V₂ сигнала.

Трёхмерная ловушка объединяет в себе ионизатор и анализатор.

Рис. 10. Магниторезонансный масс-анализатор (магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка).

В магниторезонансном масс-анализаторе (рис. 10) используется постоянство времени облёта ионами массы m круговой траектории. Из ионного источника 1 близкие по массе ионы (область траекторий к-рых заштрихована), двигаясь в однородном магн. поле, попадают в модулятор 2, где формируется тонкий пакет ионов, к-рые за счёт полученного в модуляторе ускорения начинают двигаться по окружности большего радиуса. Разделение по массам осуществляется в результате ускорения "резонансных" ионов, циклотронная частота к-рых

равна частоте

поля модулятора или

(п - целое число). Такие

ионы в течение неск. оборотов ускоряются модулятором и, двигаясь по окружностям всё большего радиуса, попадают на коллектор 3. Масса регистрируемого иона обратно пропорциональна

Разрешающая способ-

В M.-с. ионно-циклотронного резонанса (рис. 11) происходит резонансное поглощение ионами эл--магн. энергии при совпадении циклотронной частоты ионов с частотой перем. электрич. поля в анализаторе. Это позволяет идентифицировать ионы с данной величиной

по резонансному поглощению. Ионы движутся в однородном магн. поле H по спирали с циклотронной частотой орбитального движения

и попадают на коллектор.

Рис. 11. Масс-спектрометр ионно-циклотронного резонанса.

Для улучшения характеристик применяют сверхпроводящие соленоиды, в к-рых поглощающая ячейка с источником ионов и коллектором находится в магн. поле напряжённостью до 10⁵ Э. Разрешающая способность

При

исследованиях, в к-рых требуется сочетание-высокой разрешающей способности с большой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых масс и воспроизводимостью результатов измерений, применяют статич. масс-анализаторы. Динамич. M.-с. используются в след, случаях: время-пролётные - для регистрации процессов длительностью от 10² до 10^-3 с; радиочастотные (малые масса, размеры и потребляемая мощность) - в космич. исследованиях; квадру-польные (высокая чувствительность) - при работе с молекулярными пучками; магниторезонансные - для измерения очень больших изотопных отношений; M.-с. ионно-циклотронного резонанса - для изучения ион-

но-молекулярных реакций (подробнее см. в ст. Mace-спектроскопия).

Регистрация ионных токов. Величины ионных токов 1, создаваемых в M.-с., определяют требования к их усилению и регистрации. При ионизации электронным ударом (при энергии электронов 40-100 эВ и ширине щели источника Si в неск. десятков мкм)

А. Чувствительность применяемых в M.-с. усилителей

А при постоянной вре-

мени от 0,1 до 10 с. Дальнейшее повышение чувствительности или быстродействия M.-с. достигается применением вторично-электронных умножителей, повышающих чувствительность до

А, а также систем, позволяющих регистрировать отд. ионы (см. Вторичная электронная эмиссия).

Такая же чувствительность достигается в масс-спектрографах за счёт длит, экспозиции. Однако из-за малой точности измерения ионных токов и громоздкости устройств введения фотопластинок в вакуумную камеру анализатора фоторегистрация уступает место координатным детекторам частиц, особенно в тех случаях, когда необходимо одновременно регистрировать большой участок масс-спектра (из-за нестабильности источника ионов, напр, при элементном хим. анализе в случае ионизации вакуумной искрой).

Литература по масс-спектрометрам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.