Задача атомной физики. У метода парабол есть не только достоинства, но и недостатки. Один из них малая светосила
 Скачать 2.53 Mb.
|
|
1.6. Масс-анализаторы Опыты Томсона показали:
Один из них – малая «светосила». Если не ограничивать угловой разброс частиц на входе в анализатор очень сильно, изображение парабол получается размытым. Выбор между «разрешением» прибора (mi /mi) и временем опыта. Нужно фокусировать пучок. Были разработаны (и разрабатываются) схемы масс-анализаторов с улучшенными параметрами разрешения и чувствительности. Второй недостаток: ток частиц распределен по длине параболы. Разные части параболы соответствуют частицам разных энергий. Это не помогает различать массы, но снижает чувствительность метода. Говорят о «дисперсии» одновременно по массам и по энергиям частиц. От дисперсии по энергиям хорошо бы уметь избавляться. (Энергоанализаторы – отдельный класс приборов.) Масс-спектрограф Ф. Астона (1919). Как и в приборе Томсона для изучения катодных лучей, здесь использованы скрещенные электрическое и магнитное поле. Но они создаются в разных областях и разделены бесполевым пространством. Это позволило добиться фокусировки ионов одной массы, но разных энергий, в узкой линии. Схема спектрографа Ф. Астона: 1 - разрядная трубка; 2, 3 - две щели, с помощью которых выделяется узкий пучок ионов; 4 - конденсатор, отклоняющий на различные углы ионы с разными зарядами, скоростями и массами; 5 - диафрагма со щелью для выделения узкого пучка; 6- полюсные наконечники электромагнита, отклоняющего пучок ионов; 7 - фотопластинка, на которой фокусируются ионы различных масс и зарядов. Поскольку направления электрических и магнитных сил лежали в одной плоскости (в плоскости рисунка), изображения на фотопластинке имели вид серии линий. Полная теория для данного прибора сложна. Для плоского конденсатора длиной l смещение на расстоянии L частицы с зарядом e , скоростью v и массой m : Выразим кинетическую энергию в единицах потенциала (ускоряющего напряжения): Тогда: , KE – коэффициент, не зависящий от свойств иона. Электрическое поле плоского конденсатора диспергирует ионы по энергии. Но не диспергирует по массе. Все ионы одной энергии (разных масс) после прохождения электрической части анализатора окажутся в одной точке. Ионы большой энергии сместятся меньше, чем малой. Получили расходящийся пучок ионов, где все массы не разделены, а перемешаны. Это не то, что нужно – но далее идет область магнитного поля. Смещение в магнитном поле (параксиальный случай): или KM – не зависит от параметров иона. Магнитное поле (поперечное) диспергирует ионы и по массе (удельному заряду), и по энергии. Для ионов одной массы, действие магнитного поля на частицы малой энергии более сильно – как и для электрического поля. Рассмотрим ионы одной из масс. Их пучок на входе в магнитное поле расходится – ионы малых энергий отклонены от исходного направления движения сильнее. Направим магнитное поле так, и установим его величину такой, чтобы превратить расходящийся пучок в сходящийся. Траектории быстрых и медленных ионов где-то пересекутся. Поток ионов данного сорта окажется сфокусирован в тонкую линию (?). Возьмем ионы другой массы (например, большей). На них магнитное поле действует в меньшей степени, поэтому фокус окажется в другом месте. Поставим фотопластинку в плоскости (?), проходящей через фокусы. Получился масс-спектрограф Астона. Обладает фокусировкой по энергии. Поэтому можно использовать с источниками ионов, характеризуемыми большим энергетическим разбросом. Принцип: зависимость траекторий от энергии в электрическом и магнитном поле (она всегда есть – в любых статических полях) взаимно компенсируется. Зависимость траектории от массы – остается. Не обладает фокусировкой по углу. Поэтому требует малого углового разброса анализируемого потока. Это существенный недостаток. Еще одни недостаток спектрографа Астона: необходимость эмпирической калибровки с использованием ионов известных масс. Калибровочная кривая при этом нелинейна. Калибровочная кривая спектрографа Астона – зависимость позиции линии x от массы (эффективного атомного веса, с учетом возможной многозарядности) Ai’’. Arthur Jeffrey Dempster (1886-1950) Этих недостатков лишен т.н. 180-градусный магнитный масс-анализатор (Демпстер, 1918) .
Движение заряженной частицы в поперечном магнитном поле -- по окружности. Сила Лоренца постоянна и перпендикулярна скорости. Уравнение движения: Ларморовский радиус пропорционален массе частицы: Устройство магнитного масс-спектрографа: Ионы разных масс (но одинаковой энергии или, реже, одинаковой скорости) движутся по круговым траекториям разного радиуса и попадают на регистрирующее устройство (фотопластинку, ПЗС-матрицу) в разных точках. Регистрируется спектр – набор линий. Устройство магнитного масс-спектрометра: В каждый момент регистрируется ток ионов одной массы. «Выбрать» величину массы можно изменением величины магнитного поля либо энергии ионов (ускоряющего напряжения). Масс-спектр получают регистрацией тока при непрерывном изменении этой величины в некоторых пределах Спектрограф удобнее для быстрого получения обзорных данных. Спектрометр больше пригоден для сравнения абсолютных количеств ионов разной массы. Кроме того, его можно использовать для выделения ионов определенного сорта – «магнитная сепарация». Важное свойство магнитного масс-анализатора – пространственная фокусировка ионного потока. Это позволяет увеличить допустимый угловой разброс во входящем потоке. Траектории ионов, инжектированных под разными углами, сходятся у точки регистрации. Простая геометрическая оценка для двух ионов: инжектированного по нормали к плоскости границы и под углом (<<1). Первый ион покинет прибор на расстоянии 2R от точки влета, а второй – на расстоянии 2Rcos. Расстояние между этими точками: 2R(1-cos )R 2 Это <<R -- расхождения прямолинейных траекторий на длине R Описанный магнитный масс-анализатор – «с фокусировкой на радиан» или «180-градусный». Используют также анализаторы «с секторным полем». (Область поля на рисунке заштрихована). Доказывается, что моноэнергетической пучок ионов одной массы, инжектированный из точки K, будет сфокусирован в точке R, лежащей на прямой, проходящей через K и вершину сектора Q. То есть, при + + = . Популярна, в частности, схема с секторными полем =60 В 1936 г. была предложена схема масс-анализатора с двойной фокусировкой – пространственной и энергетической. Она позволила получить масс-спектры с рекордным разрешением и чувствительностью. Идея сходна и идеей масс-спектрографа Астона: последовательно использовать электрический и магнитный анализаторы. Компенсировать дисперсию по энергии. Дисперсия по массам магнитного анализатора при этом сохранится (у электрического ее нет). Но: требуется, чтобы электрический анализатор обеспечивал пространственную фокусировку. Плоский конденсатор (у Астона) ее не обеспечивает. Поэтому использовали цилиндрический конденсатор. Конденсатор Юза-Рожанского с цилиндрическими обкладками. Электрическая сила действует вдоль радиуса. Для того, чтобы частицы со скоростью v0 и энергией eU0 двигались вдоль окружности r0, должно выполняться условие: или Здесь нет зависимости от массы частицы – ионы всех масс будут двигаться вместе. (Как и для плоского конденсатора, отсутствует дисперсия по массам). Для частиц большей энергии электрическая сила останется той же, а центробежная будет большей. Поэтому такие частицы отклонятся к внешней обкладке. Частицы с меньшей энергией – к внутренней. То есть, имеется дисперсия по энергиям. Вернемся к частице «равновесной» скорости v0. Пусть она инжектируется не перпендикулярно радиусу, а под небольшим углом к перпендикуляру. Двигаясь к внешней обкладке против действия поля, она будет терять радиальную составляющую скорости. Затем эта составляющая изменит знак, и ион начнет удаляться от внешней обкладки. Расчеты показывают, что траектории ионов, инжектируемых под любыми углами пересекутся в точке выхода из конденсатора, представляющего собой сектор с углом Ионы с большей энергией также окажутся сфокусированы – ближе к внешней обкладке. Ионы с меньшей энергией – ближе к внутренней. Вернемся к схеме масс-анализатора с двойной фокусировкой. Он включает в себя конденсатор Юза-Рожанского и секторный магнитный анализатор. Ионы из источника «И» попадают в конденсатор, имея некоторый разброс как по углу встрела, так и по энергии. На выходе из конденсатора ионы каждой энергии (для любой массы и углов встрела) оказываются сфокусированы. Ионы большой энергии – на рисунке окажутся ниже, малой энергии – выше. Рассмотрим сначала случай, когда массы всех ионов одинаковы. Ионы из центральной части потока, пройдя секторное магнитное поля, будут сфокусированы им в точке «F». Если бы ионы, встреливаемые в магнитное поле из нижней части потока, имели ту же энергию, точка их фокуса оказалось левее – на продолжении прямой, проходящей через точку их встрела и вершину сектора. Но их энергия выше, поэтому действие магнитного поля на них будет более слабым. И они также окажутся в точке «F». Аналогично для ионов меньших энергий. Ионы других масс будет фокусироваться магнитным анализатором в других точках приемника «П» -- правее и левее точки «F». Таким образом, данный анализатор обладает дисперсией по массам ионов, равной дисперсии входящего в его состав магнитного масс-анализатора. При этом обеспечивается фокусировка (отсутствие дисперсии) по углам встрела и энергии ионов. В дальнейшем были предложены несколько видов масс-анализаторов, основанных на иных принципах – отличных от использования статических электрического и магнитного полей. Времяпролетный масс-спектрометр (1946-1948). Ионный поток инжектируется в длинное дрейфовое пространство в виде короткого импульса. Все ионы имеют одинаковую энергию. О массах ионов судят по времени их прихода на детектор. Квадрупольный масс-спектрометр (1953). Ионный поток вводится вдоль оси электронно-оптической системы, электроды которой имеют вид четырех длинный стержней. Противоположные стержни попарно соединены электрически. Между парами прикладывается комбинация постоянного и переменного напряжений . Движение ионов вдоль оси оказывается возможным (они не уходят на электроды) лишь при определенном соотношении между их массой и параметрами приложенного напряжения. Только ионы такой массы достигают детектора. Варьируя электрические параметры, измеряют количества ионов разных масс. |