Секторные магнитные анализаторы

Статический масс-спектрометр с секторным магнитным полем был разработан Демпстером в 1918 г.; в настоящее время он является одним из наиболее широко распространенных масс-спектрометров.

Если ион пересекает однородное магнитное поле напряженностью H перпендикулярно направлению поля, то на него действует сила Лоренца, равная Hev, которая перпендикулярна как магнитному полю, так и направлению движения иона. Эта сила вынуждает ион двигаться по круговой орбите, радиус которой г может быть определен из уравнения

(5.1)

Таким образом, получаем

(5.2)

Откуда видно, что радиус траектории иона зависит от отношения массы иона к его заряду (m/е), напряженности H и ускоряющего потенциала V. Выражая г в м, H — в Т, V — в В и заменяя m величиной M (а. е. м.), получим для однозарядного иона

(5.3)

В масс-спектрометре Демпстера перед попаданием ионов в коллектор они разворачиваются магнитным полем на 18O ⁰C (см. рис. 5.5). Магнитное поле, занимающее все пространство анализатора, может быть одновременно использовано и для фокусировки электронного пучка в ионном источнике. Сканирование спектра осуществляется путем изменения ускоряющего потенциала V или напряженности магнитного поля H при использовании электромагнита.

Магнитное поле также фокусирует по направлению ионы, имеющие одинаковую массу и энергию. На рис. 5.6 показаны траектории ионов с различными начальными направлениями движения. Фокусировка не является идеальной, и ширина пучка ионов на выходе анализатора в случае моноэнергетического источника составляет га2, где а — угол рассеивания. Это выражение справедливо только для малых а.

К увеличению ширины выходящего пучка приводит и разброс энергии ионов. Если входная щель имеет ширину Si, то на выходе ширина пучка может увеличиться до S₁+?S₁ где ?S₁ — расширение ионного пучка в результате аббераций. Поэтому для того, чтобы все ионы данного массового числа mje попали в выходную щель, ширина последней S₂ должна быть не меньше  S₁+?S₁. Увеличение ширины щели S₁ приводит к повышению чувствительности прибора, однако это увеличение требует эквивалентного увеличения S₂, что вызывает ухудшение разрешающей способности. Разрешающая способность может быть выражена формулой

(5.4)

где S₂ = S₁+?S₁. Таким образом видно, что разрешающая способность прямо пропорциональна радиусу траектории иона и обратно пропорциональна ширине щели. Поэтому при выборе указанных параметров прибора приходится принимать компромиссное решение.

Рис. 5.6 Фокусирующее Действие 180°-ного магнитного поля. rа² — аберрация пучка ионов в фокусе первого порядка.

Для того чтобы получить хорошее разрешение при широких щелях, в первых масс-спектрометрах пользовались большие радиусы отклонения пучка ионов, Однако при эксплуатации масс-спектрометра в качестве газоанализатора, естественно, необходим значительно меньший радиус траектории ионов. Это не только ограничивает ширину щелей, но и требует более сильных магнитных полей или более низких ускоряющих потенциалов [см. уравнение (5.3)]. Ускоряющий потенциал, необходимый для фокусировки ионов определенной массы на выходную щель, уменьшается с увеличением массы иона. Однако ввиду того, что тепловые скорости ионов должны быть малы по сравнению с приобретенной скоростью, возникает ограничение диапазона анализируемых масс.

Тем не менее серийно выпускаются 180° ные магнитные газоанализаторы с радиусом отклонения ионов лишь 10 мм и диапазоном анализируемых масс от 200 а. е. м. при 10%-й разрешающей способности вплоть до 44 а.е. м. Чувствительность таких приборов  6-17 А*Па^-1) позволяет измерять парциальные давления в области сверхвысокого вакуума вплоть до 10^-9 Па. Эти приборы допускают прогрев вплоть до 400 ⁰C и относительно недороги. Скорость сканирования (~ 1 а. е. м./с) достигается путем изменения ускоряющей разности потенциалов на два порядка величины. Типичный спектр, представленный на рис. 5.1, получен с помощью компактного 180°-го магнитного масс-спектрометра.

Формула (5.3) справедлива для любого магнитного поля, перпендикулярного направлению движения ионов, но фокусирующий эффект проявляется только для секторного угла, равного 180°. При изучении угловой фокусировки для секторных углов, отличных от 180°, было показано [5, 6], что теоретическая фокусирующая характеристика прибора не зависит от угла сектора. Причем наилучшая фокусировка достигается при выполнении условия симметрии: падающий и выходящий пучки ионов перпендикулярны границам поля, а входная и выходная щели расположены на равных расстояниях от точки пересечения двух границ поля (точка 0) и на одной линии с ней, как показано на рис.5.7

На этом рисунке представлена идеализированная модель анализатора с незначительным расхождением пучка ионов и магнитным полем, ограниченным размерами магнита. Тем не менее работы Барбера, Стивенса и других исследователей, наиболее полно описанные в книге Барнарда, положили начало в 1930-х гг. разработке секторных магнитных масс-спектрометров с углами отклоне ния ионного пучка 30, 60 и 90°. Преимущество секторных масс-спектрометров с углами отклонения ионного пучка меньше 180° заключается в том, что коллектор и источник ионов могут находиться вне магнитного поля, что упрощает использование электронного умножителя с целью повышения чувствительности.

Рис. 5.7 Анализатор с секторным магнитным полем. Положение источника и коллектора соответствует фокусированию первого порядка.

Секторное магнитное поле можно создать, придав полюсным наконечникам магнита форму, соответствующую желаемому сектору. На практике идеальная ситуация, когда магнитное поле жестко ограничено требуемым сектором, недостижима — необходимо учитывать рассеяние магнитного поля за пределы сектора. Однако, придав правильную форму полюсным наконечникам, можно обеспечить фокусировку второго порядка, что было исследовано как теоретически, так и экспериментально. В результате такой фокусировки разрешение и чувствительность, например 90°-ного секторного масс-спектрометра, могут оказаться не хуже (а иногда и лучше), чем для 180°-ного спектрометра таких же габаритов. С другой стороны, сохранить юстировку магнитного поля здесь значительно труднее, поскольку удаление магнита, например на время прогрева спектрометра, может сбить градуировку.

Как и в случае 180°-ного масс-спектрометра, разрешение любого секторного прибора зависит от ширины щелей и радиуса траекторий ионов. Для достижения высокой разрешающей способности в 60°-ном секторном масс-спектрометре необходим большой радиус траекторий движения ионов. Поэтому в качестве анализатора остаточного газа обычно используется 90°-ный спектрометр. Описан прибор, предназначенный для условий сверхвысокого вакуума, с радиусом траектории движения ионов 5 см. Прибор снабжен встроенным электронным умножителем и способен измерять парциальные давления вплоть до 10^-11 Па. Корпус анализатора, за исключением металлической центральной части, расположенной между полюсами магнита, изготовлен из стекла. Полностью металлические (нержавеющая сталь) 90°-ные секторные масс-спектрометры с радиусом траектории ионов 6,2 см в настоящее время выпускаются промышленностью.

Эти спектрометры благодаря использованию электромагнитов охватывают диапазон масс до 500 а. е. м. при общем разрешении до 400 и имеют чувствительность 10^-6 А-Па-1 по азоту. Спектрометры этого типа более универсальны и имеют лучшие характеристики по сравнению с более дешевыми компактными 180°-ными магнитными масс-спектрометрами, упомянутыми выше, и особенно подходят для вакуумных систем, в которых возможно присутствие паров органических соединений. На рис. 5.8 показаны два магнитных масс-спектрометра секторного типа, выпускаемых промышленностью.