Под действием ускоряющего электрического поля с разностью потенциалов V ионы в этом приборе приобретают скорость

(5.11)

Ускоренные ионы попадают в дрейфовое пространство, где поле отсутствует, и проходят расстояние d до коллектора. Время пролета ионами дрейфового пространства составляет

(5.12)

Если источником ионов с помощью ускоряющего электрода, на который подается импульсное напряжение, формируется «пакет» ионов, то на коллектор они попадают с разделением по времени и массе в зависимости от скорости. Разрешение такого прибора зависит от степени моноэнергетичности ионов, получаемых в источнике, и от времени пролета, значительно превосходящем длительность исходного импульса.

Время пролета определяется ускоряющим напряжением и длиной пути ионов. Длительность импульса определяется временем, необходимым для создания ионного тока заданной величины, и постоянной времени коллектора. Очевидно, что длительность импульса должна быть как можно более короткой при разумной длине трубки дрейфа.

Первые описания времяпролетных масс-спектрометров были опубликованы еще в начале 1950-х гг. Однако эти приборы либо имели очень низкое разрешение (порядка двух единиц массы для М=20 а. е. м.), либо требовали довольно большой длины трубки дрейфа (до 1 м). Позже были достигнуты более высокие характеристики; так, Уайли и Макларен  разработали масс-спектрометр с разрешающей способностью, превышающей 100, в диапазоне масс до 300 а. е. м. при длине трубки дрейфа 0,4 м. В этой работе детально рассматриваются требования, предъявляемые к конструкциям времяпролетных масс-спектрометров. Установлено, что на разрешающую способность масс-спектрометра влияют такие факторы, как пространственное расизмерение парциальных давлении пределение образующихся ионов и их начальный разброс по тепловым скоростям.

Пространственное распределение определяет время нахождения ионов в ускоряющем поле. При использовании ионного источника с двумя раздельными ускоряющими областями, имеющими оптимальные ускоряющие потенциалы и размеры, а также при введении времени задержки между образованием ионов и приложением ускоряющего импульса удается получить значительно более узкое распределение исходного «пакета» ионов по скоростям по сравнению с фокусировкой в первых приборах. Ионный пучок ускорялся импульсом 100 В при длительности 0,1—1 мкс.

Регистрация и усиление ионного тока осуществлялись при помощи специально сконструированного электронного умножителя с магнитной фокусировкой, обладающего малым временем установления. Устройство этого масс-спектрометра показано на рис. 5.13. С целью дальнейшего усовершенствования времяпролетного анализатора было предложено ввести в пространство дрейфа магнитное или электростатическое секторное поле.

Такое поле позволяет улучшить фокусировку ионов по скоростям. Авторы подсчитали, что спектрометр с радиусом траектории движения ионов 20 см может иметь разрешение, значительно превышающее 600 при условии, что разброс ионов по энергии не превышает 10 эВ.

Основным достоинством времяпролетного масс-спектрометра является высокая скорость развертки спектра; полный массспектр может быть получен всего за несколько микросекунд.

Рис. 5.13. Времяпролетный масс-спектрометр: 1— катод; 2—анодная ловушка; 3— вторично-электронный умножитель с магнитной фокусировкой; 4 — пучок ионов; 5 — осциллограф.

Это качество прибора весьма ценно при изучении динамики систем. Кроме того, вследствие малых времен регистрации спектра отпадает необходимость стабилизации пучка электронов и остальных параметров, а также снижаются требования, предъявляемые к точности сборки устройства.

Однако необходимость использования электронных умножителей с высоким разрешением по времени, а также широкополосных усилителей уменьшает конкурентоспособность этих приборов по сравнению с другими спектрометрами. Поэтому времяпролетные масс-спектрометры применяются, главным образом, при необходимости быстрого сканирования спектра.

Дальнейшее развитие принцип разделения масс ионов по времени их пролета получил при использовании магнитного поля, перпендикулярного направлению движения ионов. При этом вместо прямолинейного дрейфа ионы перемещаются по круговой орбите. Ионы, обладающие одинаковым количеством движения, будут двигаться по орбитам одинакового радиуса, который определяется уравнением (5.1):

(5.13)

Период вращения иона равен

(5.14)

где (Hc = VJr — так называемая циклотронная угловая скорость.

Таким образом, период вращения зависит от массы иона, вследствие чего происходит разделение пучка ионов по массам. Измеряя период вращения ионов с помощью специальных электронных устройств, можно получить искомый масс-спектр.

Иная схема измерения времени пролета была предложена Смитом. В его приборе ионы после первой половины кругового оборота проходят систему щелей и получают ускоряющий импульс, приобретая в результате различные орбиты. Через определенное время у системы щелей подается второй импульс, вызывающий попадание ионов на коллектор.

На первой половине оборота разделение ионов происходит как и в 180°-ном магнитном анализаторе, а последовательность подаваемых у щелей импульсов действует как дополнительный фильтр. Описанный метод позволил достигнуть очень высокой разрешающей способности1'. Однако такие циклотронные масс-спектрометры («син-хрометры») не нашли широкого применения.