Масс-спектрометрический метод анализа состава газов

При измерении масс-спектрометрами используют основной физический параметр вещества — массу молекулы или атома. Это позволяет определять состав вещества независимо от его химических и физических свойств. Преимущество масс-спектрометрического метода — быстрый и полный анализ многокомпонентных газовых смесей. При этом для анализа требуются ничтожно малые количества вещества.

В условиях глубокого вакуума молекулы или атомы анализируемого вещества ионизируются с образованием положительно заряженных ионов. Ионы, получившие ускорение в электрическом поле, разделяются по своим массам в магнитном поле. Сумма электрических зарядов движущихся ионов образует ионный ток. Измерение силы ионного тока, создаваемого частицами той или иной массы, позволяет судить о концентрации частиц в общем составе анализируемого вещества. В масс-спектрометре любой конструкции основной частью является масс-анализатор, в котором происходят ионизация, формирование ионного луча, разделение его на составляющие ионные лучи, соответствующие строго определенным массам, и последовательное раздельное собирание ионных лучей на коллекторе. Соответственно указанным процессам масс-анализатор любого масс-спектрометра состоит из источника ионов, собственно анализатора и приемника ионов.

По конфигурации и взаимной ориентации магнитных и электрических полей, а также по характеру изменения этих полей во времени масс-спектрометры делятся на четыре группы: с разделением ионов в однородном магнитном поле; с разделением ионов в неоднородном магнитном поле; с разделением ионов по времени пролета; радиочастотные.

Преимущественное применение получили масс-спектрометры с разделением ионов в однородном магнитном поле и по времени пролета.

1. Масс-спектрометр с разделением ионов в магнитном поле

Магнитные поля, с помощью которых ионы разделяются по массам, могут иметь различные конфигурации. Наиболее часто применяют поля с углом развертки 180° и секторные с углом 90 и 60°.

Принципиальная схема масс-спектрометра для анализа газа с разделением ионов однородным магнитным полем (180°) приведена на рис. 1. В ионизационную камеру 1, где создан глубокий вакуум, системой пуска вводится анализируемая газовая смесь. Молекулы газа бомбардируются пучком электронов, испускаемых раскаленным катодом. Получающиеся в результате бомбардировки положительные ионы, обладающие одинаковым положительным зарядом е, но различной массой т (для различных компонентов), имеют незначительную начальную энергию. Под действием электрического поля, обусловленного приложением к стенкам ионизационной камеры разности потенциалов U, ионы получают ускорение и вылетают с определенной скоростью через щель ионизационной камеры.

Рис. 1. Принципиальная схема масс-спектрометра с разделением ионов в магнитном поле

Рис. 2. Схема к определению радиуса траектории ионов

Далее ионы попадают в камеру 2 анализатора, где действует однородное магнитное поле с вектором напряженности H, перпендикулярным плоскости чертежа. В зависимости от величины H, скорости входа ионов (т. е. величины U), а также отношения т/е различные ионы опишут траектории разных радиусов r₁, r₂, r₃ и т. д. При постоянных U, Н и е в выходную щель камеры 2 и далее на коллектор 3 попадают только ионы с определенным значением т. Попав на заземленный через резистор R коллектор, ионы отдают ему свои заряды. Ионный ток создает на резисторе R падение напряжения, которое усиливается усилителем постоянного тока 4 и передается на вторичный измерительный прибор 5.

Изменяя напряженность H магнитного поля или разность потенциалов U либо обе величины одновременно, можно направить на коллектор ионы различных масс (различных компонентов газа) и записать на диаграмме вторичного прибора кривую с пиками, соответствующими ионам определенной массы. Высота отдельных пиков, пропорциональная силе ионного тока, проходящего через резистор R, характеризует концентрацию компонентов в газовой смеси.

Радиус r траекторий ионов, движущихся в магнитном поле, определяют из условий равновесия центробежной силы F₁ и силы F₂, действующей на заряженную частицу со стороны магнитного поля (рис. 2): , , где v — скорость ионов. Силы F₁ и F₂ равны и противоположны по знаку, поэтому

или (1)

Из уравнения (1) видно, что при неизменном количестве движения m v радиус траектории постоянный, т. е. траектория является окружностью.

В масс-спектрометре ионы, приобретающие свою скорость под воздействием электрического поля с потенциалом U, имеют потенциальную энергию e U. Потенциальная энергия, полученная ионом, должна быть равна его кинетической энергии, т. е. , откуда

(2)

Подставив это выражение для v в уравнение (1) и решив его относительно r, получим

(3)

Из уравнения (3) следует, что, изменяя напряженность магнитного поля или потенциал, можно выделить из газовой смеси лишь ионы с определенным отношением m/е, описывающие траекторию определенного радиуса.

Основными характеристиками любого масс-спектрометра являются диапазон масс и разрешающая способность. Диапазон масс — это интервал атомных масс (массовых чисел), в пределах которого осуществляется анализ веществ на данном масс-спектрометре. Диапазон масс зависит от пределов регулирования напряженности Н магнитного поля анализатора и разности потенциалов U.

В спектральных приборах разделение линий спектра возможно лишь до известного предела. Этот предел называется пределом разрешения, а величина, обратная ему, — разрешающей способностью. Например, разрешающая способность 5000 означает, что линии масс-спектра, различающиеся на 1/5000 массы компонента, еще могут быть разделены. Разрешающая способность обычно выражается отношением , где М — максимальное массовое число компонента, регистрируемого раздельно от другого компонента, массовое число которого отличается от максимального на величину , равную единице.

Разрешающая способность масс-спектральных газоанализаторов порядка 50—100.

Обычно в масс-спектрометрах угол поворота радиуса ионов 60°; это упрощает изготовление электромагнита. Радиус траектории в этих масс-спектрометрах.