1.7.3.3. Времяпролетный масс-спектрометр

Безмагнитный масс-анализатор по времени пролета применяется при исследовании быстропротекающих процессов длительностью порядка 1 микросекунды. В этом анализаторе из-за импульсного характера ионного тока можно производить регистрацию масс-спектра на экране электронно-лучевой трубки. Впервые прибор такого типа был описан Стефенсом и Зейсом в 1946 году [59], принципиальная схема его представлена на рисунке 35.

1-ионизационная камера. 2, 5-электроды ионизационной камеры. 3-управляющая сетка. 4- катод. 6-ускоряющий электрод. 7-пространство дрейфа. 8-коллектор.

Пакеты ионов образуются в ионизационной камере между электродами 2 и 5 в результате ионизации атомов и молекул газа кратковременными импульсами электронного потока, эмитируемого катодом. Электронный пучок проходит через ионизационную камеру, перпендикулярно к направлению движения ионов. На электроды 2 и 5 подаются постоянные напряжения, которые в ионизационной камере и ускоряющем пространстве между электродами 5 и 6 создают электрические поля напряженностью E₁ и E₂. На электрод 2 поступает выталкивающий импульс, U_выт, положительной полярности с частотой, равной частоте ионизирующего импульса, U_ин, подаваемого на управляющую сетку. Образующиеся в ионном источнике ионы накапливаются в ионизационной камере до момента начала действия выталкивающего импульса. Под действием электрического поля выталкивающего импульса все ионы, образовавшиеся в ионизационной камере, вылетают через выходное отверстие в электроде 5, ускоряются электрическим полем E₂ с ускоряющим потенциалом U_уск и через выходное отверстие в электроде 6 попадают в пространство дрейфа, экранированное от воздействия внешних электрических и магнитных полей. При этом скорость υ, с которой пакет ионов движется по инерции в пространстве дрейфа, а следовательно, и время его пролета от источника к коллектору t_m, зависят от величины отношения массы ионов к его заряду и определяются следующим соотношением

(81)

где L-длина пространства дрейфа

Отсюда

(82)

Таким образом, имеем основное уравнение времяпролетного масс-спектрометра.

В пространстве дрейфа по мере движения от источника к коллектору ионы разделяются на группы соответственно величине отношения массы к заряду иона, т.е. m/q. Первыми достигают коллектора легкие ионы, за ними последовательно более тяжелые. Ионы, попадая последовательно на коллектор, создают в его цепи импульс электрического тока, по амплитуде пропорциональный числу ионов в группах каждого пакета, приходящего на коллектор.

Проходя через высокоомное сопротивление, ионный ток дает малый импульс напряжения, которое усиливается и подается на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, на экране которой сразу регистрируется весь масс-спектр ионов, вышедших из источника (рисунок 36). Здесь t_M -время регистрации всего спектра, δt-время регистрации отдельного ионного пика.

δt

t_M

t, мкс

Разрешающая способность прибора с учетом соотношения (81) определяется следующим образом

(83)

Она зависит в свою очередь от параметров и длины пространства дрейфа, а также от величины ускоряющего напряжения.