Введение к работе
Актуальность темы. Масс - спектрометрия, развитие которой началось в 20-х годах нашего столетия с работ по определению масс ядер стабильных изотопов, в настоящее время вносит закатный вклад в развитие физики, химии, геологии, биологии и других отраслей знаний. Прецизионное измерение масс ионоз, изотопный анализ, идентификация и установление структуры многоатомных органических соединений, анализ химического состава веществ, термодинамические исследования и исследования элементного состава ряда космических объектов - такой краткий перечень областей применения масс - спектрометрии. Важно отметать, что масс - спектрометрия с каждым годом все шире используется ййк метод контроля в различных отраслях промышленности.
Вполне естественно, что дальнейшее развитие масс - спектрометрии и расширение областей ее применения неразрывно связано с необходимостью всестороннего совершенствования соответствующей аппаратуры. При атом, в зависимости от характера научной или технологической задачи, требуется обеспечение тех или иных параметров масс - спектрометров. 3 одних случаях (например, определение анергии химической связи в молекулах) необходима очень высокая точность определения массы иона, в других-- обеспечение идентификации веществ в широком диапазоне масс регистрируемых ионов и т.п. В случае применения масс -спектрометра для целей промышленного контроля часто' наиболее сложными для выполнения оказываются требования относительной дешевизны и малогаОаритносги прибора, его хороаей устойчивости к механическим нагрузкам (вибрациям, ускорениям и толчкам при транспортировке и т.п.), простоты обслуживания и т.д.
К настоящему времени в масс - спектрометрии сформировалось два основных направления. Одно из них, традиционное, связано с использованием секторных электрических и магнитных полей, второе, сравнительно молодое, основано на применении магнитных и електростатических призм в сочетании с электростатическими линзами. Призменные ионно-оптичвские системы обладают рядом существенных преимуществ перед секторными. Так, в пр'из-менном магнитном поле дисперсия не зависит от радиуса ионных траекторий и размеры магнитных полюсов даке в приборах с очень
большой дисперсией могут оставаться сравнительно небольшими. То жэ можно сказать при сравнении электростатических призмен-ных полей с полями отклоняющих конденсаторов. Аберрации электростатических и магнитных призм, трансаксиальных линз могут быть сделаны очень малыми.
Теоретически ионная призменная оптика хорошо разработана,
однако лишь только отдельные ее элементы прошли стадию экспе
риментальной проверки. Практически неисследоваными оставались
ионные зеркала. В связи с этим является актуальным дальнейшее
исследование элементов ионной призменной оптики и создание на
их основе новых масс-спектральных приборов различного назначе-п
ния.
Цель настоящей работы состояла в исследовании возможностей повышения основных ионно-оптических характеристик масс-спектральных приборов за счет использования элементов ионной призменной оптики - магнитных и электростатических призм, трансаксиальных линз и ионных зеркал.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
рьзработка и создание устройств первичного формирования ионного пучка для призменных масс-спектрометров;
изучение возможностей повышения дисперсии анализаторов масс для увеличения их разрешающей способности или миниатюризации приборов;
исследование возможностей расширения диапазона анализируемых масс в масс-спектрометрах для анализа высокомолекулярных соединений;
изучение возможности повышения разрешающей способности масс-спектрометра вторичных ионов путем использования ионного зеркала.
Научная новизна.
I. Проведен теоретический анализ ахроматической ионной призмы. Получены аналитические выражения для нахождения ее основных ионно-оптических параметров. Экспериментально показано, что использование ахроматической ионной призмы позволяет создавать относительно малогабаритные приборы для анализа ионов с больными массовыми числами
-
Предложена кошю-оптическая схема высокодисперсионного малогабаритного масс - спектрометра с трехкаскадной магнитной призмой.
-
Теоретически обоснована возможность повышения дисперсии анализатора масс за счет многократного прохождения ионами поля магнитной призмы.
-
Предложены схемы призмэнных масс-спектрометров, в которых многократное прохождение ионами магнитного поля достигается путем использования ионных зеркал. Получены аналитические выражения для расчета ионно - оптических систем указанного типа.
-
Впервые создана и экспериментально исследована схема призменного масс-спектрометра с трехкратным прохождением ионами магнитного поля. Полученные результаты подтвердили теоретические вывода о том, что з масс - спектрометрах с многократным прохождением ионами магнитного поля, основанных на примензнгс: ионной призменной оптики, рост разрешающей способности приборз не сопровождается заметным снижением его чувствительности.
Практическая ценность работы заключается в следующем: I.' Призменный масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного поля, обладающий большой удельной дисперсией и высокой разрешающей способностью, используется для проведения анализа продуктов химических реакций в Институте органического катализа и электрохимии HAH РК.
-
Ионное зеркало применено в качестве энергетического фильтра в масс-спектрометрической установке для вторично -ионной масс-спектрометрии, что значительно повысило ее разрешающую способность. Расширение аналитических возможностей установки позволило провести ряд ценных исследований в области физики поверхности в лаборатории радиационной диффузии Института ядерной физики HAH FK. Положительные результаты испытаний указанного зеркала использованы при создании серийного масс-спектрометра МИ-1201Э для вторично- ионной масс-спектрометрии.
-
В Институте проблем горения внедрены результаты теоретических и экспериментальных разработок, целью которых явилось повышение чувствительности масс-спектрометрической установки, предназначенной для исследования процессов горения. Специально
разработанное зеркало позволило осуществить пространственную
фокусировку пучка анализируемых ионов и, тем самым, существен
но (более чем в 50 раз) увеличить чувствительность базового
прибора при сохранении прежнего значения разрешающей способно
сти. »
-
Для модернизации серийного масс-спектрометра МИ-І20І разработан пркзменный анализатор масс, позволяющий более чем в 10 раз повысить разрешающую способность базового прибора, что дает возможность проводить масс-спектрометрический анализ ве-1 щєстіі, для разделения которых требуется разрешение ~- 10 000.'
-
На основе ахроматической ионной призмы был создан относительно малогабаритный масс-спектроме':р для анализа высокомолекулярных соединений (до 2000 а.е.м.).
lJ. Новые устройства первичного формирования ионного пучка нашли применение при создании действующих макетов масс- спектрометров с ионной призменной оптикой. Эти устройства могут быть использованы также и в масс-спектрометрах других типов.
Автор выносит на защиту.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований масс-спектрометров с многократным прохождением ионами магнитного поля, осиоЕанных на применении элементов ионной призменной оптики - магнитных и электростатических призм, трансаксиальных линз и ионных зеркал. В таких приборах увеличение разрешающей способности может достигаться практически без снижения чувствительности.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований ахроматической ионной призмы, показывающие возможность создания на ее основе малогабаритных масс-спектрометров для анализа ионов с большими массовыми числами.
-
Результаты исследовательских работ по модернизации ионяо-оптической системы серийного масс-спектрометра МИ-І20І с целью повышения его основных аналитических характеристик -разрвшащей способности и чувствительности, за счет использования элементов ионной призменной оптики.
-
Ионно-оптические схемы малогабаритных призменных масс-спектрометров с большой дисперсией: масс-спектрометр с трех-каскадкой магнитной призмой ( А.С. N 974458 ), масс -спектро^
матр с многократным прохождением ионами магнитного поля (А.С. N II0I076), масс-спектрометр с многократным прохождением ионами магнитного и электростатических полей (A.C.N I674CSC).
5. Ионно-оптические системы первичного формирования ионного пучка: ионный источник с системой предварительной сепарации ионов, высокотемпературный источник с устройством прямого ввода образца, щелевая регулируемая диафрагма (А.С. N 694915), ионное зеркало в качестве энергетического фильтра для масс-спектрометра вторичных ионов.
Апробация.
Материалы диссертационной работы обсуидались и докладывались на II Всесоюзной конференции по масс-спектрометрчи (Ленинград, 1974 г.), VII Всесоюзной конференции по взаимодействию атомных частиц с твердым телом ( Минск, 1984 г.), Международном совещании по приборостроению ( Берлин, IS89 г.), X Всесоюзном семинаре по методам расчета в электронной оптике (Львов, 1990 г.), I Республиканской конференции по физической электронике ( Ташкент, 1995 г.).
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы изложены в IS публикациях, в числе которых четыре авторских свидетельства СССР на изобретение.
Структура и объем работы, диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, трех глаз, посвященных оригинальным исследованиям , заключения и приложения. Диссертация изложена на 167 страницах машинописного текста, включая 37 рисунков, 5 фотографий, I таблицу и список цитируемой литературы из 107 наименований.
