ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 2, с. 94-97
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.384.8
АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОРРЕКТИРОВКА ТРАЕКТОРИИ ИОНОВ ВО ВРЕМЯПРОЛЕТНОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ С АКСИАЛЬНО-СИММЕТРИЧНЫМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ПОЛЕМ
© 2009 г. А. М. Гашимов, К. 3. Нуриев, К. Б. Гурбанов, А. Манучар Салман, Т. К. Нурубейли
Институт физики НАН Азербайджана Азербайджан, AZ-1143, Баку e-mail: nurubeyli@physics.ab.az Поступила в редакцию 21.01.2008 г. После доработки 05.08.2008 г.
Рассмотрена возможность управления траекториями ионного пучка во времяпролетном масс-ана-лизаторе с аксиально-симметричным электрическим полем. Показано, что с помощью двойной сетки, установленной на входе в масс-анализатор, можно изменить координаты вхождения ионов в анализатор. Это приводит к увеличению коэффициента пропускания анализатора и, как следствие, повышению чувствительности прибора.
PACS: 07.75.+h
Достоинства времяпролетных масс-спектрометров достаточно подробно описаны в [1-4]. Основные из них: быстрота регистрации масс-спектра, достигающая десятков микросекунд; широкий диапазон масс исследуемых ионов; возможность панорамного обзора как всего масс-спектра, так и отдельных его участков; простота и легкость конструкции. Существенными недостатками, ограничивающими область применения времяпролетных масс-спектрометров при исследовании твердых тел, долгое время оставалась их невысокая разрешающая способность, связанная с разбросом начальных энергий ионов, образующихся в источнике, и малый коэффициент пропускания ионов. Разработка "масс-рефлектрона" [5, 6] и применение в анализаторах секторных фокусирующих элементов, формирующих аксиально-симметричные поля [7, 8], позволили повысить разрешающую способность масс-спектрометров, однако коэффициент пропускания ионов и ныне не превышает 0.5, даже для серийно выпускаемых приборов.
В настоящее время существует ряд масс-спек-трометрических устройств, обеспечивающих энергетическую фокусировку ионов с помощью как плоскопараллельных, так и аксиально-симметричных электростатических полей, что позволяет получать достаточно высокое разрешение. Что касается чувствительности (относительной или абсолютной) этих приборов, то она далека от своего предела (10-9% и 10-20 г), в том числе и из-за невысокого коэффициента пропускания анализаторов (к ~ 30-50%).
Для повышения коэффициента пропускания ионов нами предложен метод, позволяющий управлять траекториями ионов внутри анализатора. Частично это было достигнуто путем устранения краевых (линзовых) эффектов с помощью проводящих нитей, натянутых на окна входной и выходной диафрагм, установленных на торцах цилиндрического масс-анализатора [9].
Действительно, наличие на входе и выходе анализатора широких переходных областей (от нулевого до поля анализатора) препятствует прохождению ионов (особенно движущихся по крайним траекториям) и, как следствие, снижает светосилу анализатора. Чтобы получить приемлемое пропускание, необходимо направить ионный пучок строго по расчетной траектории либо уменьшить поперечные размеры пучка. Это, в свою очередь, приводит к необходимости сужения ионного пучка, что неизбежно снижает чувствительность прибора.
Таким образом, для получения удовлетворительной разрешающей способности анализатора необходимо существенно уменьшить поперечные размеры пучка, тогда как для получения высокой чувствительности и большого коэффициента пропускания, наоборот, увеличить. Кроме того, в области окна заземленной диафрагмы образуется краевое поле, неконтролируемое по форме [10], действие которого эквивалентно действию несимметричной линзы. В результате нарушается как пространственная, так и, что более важно, временная фокусировка ионов по углам расходимости и координатам их входа в электростатический анализатор.
I
Рис. 1. Анализатор ионов. 1 - внешний электрод, 2 -внутренний электрод, 3 - диафрагма, 4 - внешние нити, 5 - внутренние нити.
Rn Un
R2 U2
—I—I-1—
Ri U
В данной работе приводятся результаты исследований по управлению траекториями ионных пакетов, целью которых являются: получение высокой разрешающей способности и чувствительности, увеличение коэффициента пропускания анализатора, расширение области рабочего поля анализатора без уменьшения размеров ионных пучков и снижение влияния линзового эффекта.
На рис. 1 приведена схема установки секторного анализатора с углом поворота ионов в радиальном электрическом поле 254°34'. На входе в анализатор установлена диафрагма 3, выполненная из диэлектрической пластины толщиной 1-2 мм с окном 30 х 30 мм для прохождения ионов. С внешней относительно анализатора стороны окна, перпендикулярно оси симметрии анализатора, натянуты 15 изолированных друг от друга проводящих нитей 4. На эти нити, составляющие первую сетку диафрагмы, через одинаковые сопротивления R0 подавали одинаковое напряжение, равное напряжению U0 на средней траектории. На внутренней по отношению к анализатору стороне окна, параллельно оси цилиндров, также натянуты 15 проводящих нитей 5. На каждую из этих нитей через сопротивления Rn подавали напряжение, равное напряжению той эквипотенциальной поверхности, на которой находится данная нить (рис. 2).
Рис. 2. Диафрагма с двойной сеткой.
При этом напряжение на этих эквипотенциальных поверхностях определялись по формуле
ип (г) = иа 1п (тп/та )/1п (гь/га), (1)
где иа - напряжение между обкладками цилиндрического анализатора, га - радиус внутреннего цилиндра, гь - радиус внешнего цилиндра гп - радиус поверхности, на которой находится нить.
Согласно методу определения распределения потенциала в разных плоскостях между задающими поле цилиндрами [1], отношение сопротивлений делителя напряжений для систем плоских, задающих поле элементов определяется как
) + 1
Rn
A + B ( 2 n + 3 ); A + B (2 n + 1)'
(2)
A = 2(Rb -2rb) + -b(Rb - 3rp), r
где п = 0, ±1, ±2, ..., ±7 - номер проводящей нити (п = 15); В = 5 + гр/га; Яь - радиус кривизны поверхности внешнего электрода в аксиальном направлении. Расчетные значения сопротивлений приведены ниже.
3
Номер нити -7, -6 -6, -5 -5, -4 -4, -3 -3, -2 -2, -1 -1, 0
Сопротивление, кОм 297.96 293.33 288.80 284.36 280.02 275.77 271.62
Номер нити 0, +1 +1, +2 +2, +3 +3, +4 +4, +5 +5, +6 +6, +7
Сопротивление, кОм 267.57 263.61 259.75 255.98 252.31 248.73 242.25
96
ГАШИМОВ и др.
Рис. 3. Осциллограмма токов на внешнюю (верхний импульс) и внутреннюю (нижний импульс) сетки. Масштаб: по оси времени - 35 мкс вся шкала; по амплитуде - 10 мВ/см вся шкала.
Рис. 4. Осциллограммы времяпролетного спектра для нержавеющей стали без корректировки (а) и после корректировки траекторий ионов (б). Масштаб по оси времени - 35 мкс вся шкала; время смещения начала развертки относительно импульса лазера 1.25 мкс. Плотность излучения лазера 5 • 109 Вт/см2.
Устройство работает следующим образом. Источник ионов формирует короткий импульсный пакет ионов, который направляется в масс-анали-затор через входную диафрагму. До падения на
плоскость диафрагмы пакет не подвергается действию краевого поля, так как это поле экранируется проводящими нитями. При прохождении через двойную сетку диафрагмы часть ионов оседает как на внешней, так и на внутренней нити, создавая импульсы токов на некоторых из них. Длительность импульсов напряжения на сопротивлениях Я0 (внешней сетки) и Яъ ..., Яп (внутренней сетки) равна длительности импульсов пакета.
По информации, поступающей от каждой сетки в отдельности, определяется координата области прохождения ионного пучка через диафрагму. Эти сведения поступают в устройство, вырабатывающее соответствующее напряжение, которое подается на ионно-оптическую систему для корректировки траектории движения ионного пакета. При этом частота сканирования определяется количеством нитей в сетках у = п/т, где т - длительность ионного пакета.
Таким образом, применение диафрагмы описанной конструкции позволяет практически полностью исключить краевые поля на входе в аксиально-симметричное поле анализатора, поскольку нити, потенциал которых равен потенциалу поверхностей, на которых они находятся, позволяют фиксировать реальное распределение потенциалов на геометрической границе электростатического анализатора. Кроме того, благодаря установке внешних по отношению к анализатору проводящих нитей переходная область поля от аксиально-симметричного до нулевого локализуется в пределах толщины диэлектрической пластины, равной 1-2 мм. Это снижает влияние линзовых эффектов в краевых областях на пространственную и временную фокусировки ионов, что, в свою очередь, повышает чувствительность и разрешающую способность масс-спектрометра.
Предложенная конструкция диафрагмы позволяет одновременно значительно увеличить размеры поперечного сечения анализатора и контролировать траекторию пучка, что дает возможность повысить коэффициент пропускания анализатора.
Результаты исследований анализатора с предложенной диафрагмой приведены на рис. 3. На осциллограмме, снятой с экрана осциллографа С1-91, четко видны места прохождения ионного пакета через первую и вторую сетки диафрагмы, соответствующие центру окна. Длительность и амплитуда импульсов соответственно равны 2 мкс и 10 нА.
Для управления траекторией ионов были проведены исследования зависимости координаты вхождения ионного пакета в анализатор от потенциалов различных задающих поле электродов ионно-оп-тической системы. Эксперименты показали, что изменения координат наиболее чувствительны к изменениям потенциала вытягивающей сетки. Действительно, при изменении потенциала вытягивающей сетки на 1-2 В (номинальное значение вы-
тягивающего напряжения равно ивыт = -150 В в импульсе) изображение пучка ионов смещается в пределах 1-10 мм в плоскости входной диафрагмы.
Расчеты показывают [11], что изменение ивыт на 1.5-2.0 В эквивалентно изменению ускоряющего напряжения на ±5 В (номинальное значение ускоряющего напряжения У0 = 1200-1500 В), что находится в пределах допустимого отклонения ускоряющего и отклоняющего ионы в анализаторе напряжений от номинальных значений (АУ/У0 -- 3 ■ 10-3 и Аи/и0 - 10-3).
На рис. 4 приведены типичные времяп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.