Элементы расчета и конструирования гиперболоидного масс-спектрометра типа «Фильтр масс»: Учебное пособие к курсовому проектированию

Министерство образования и науки Российской Федерации

Рязанская государственная радиотехническая академия

Б.И.Колотилин

А.Е.Малютин

А.В.Николаев

Элементы расчета и конструирования

гиперболоидного  масс-спектрометра

типа «Фильтр масс»

Учебное пособие

по курсовому проектированию

Рязань 2005

УДК 621.384.8

Элементы расчета и конструирования гиперболоидного масс-спектрометра типа «Фильтр масс»: Учеб. пособие к курсовому проектированию / Б.И.Колотилин, А.Е.Малютин, А.В.Николаев. Рязан. гос. радиотехн акад.;Рязань, 2005. 64 с.

Приводятся принцип действия и теория работы, элементы инженерного расчета и конструирования гиперболоидного масс-спектрометра типа «фильтр масс».

Предназначены для студентов специальности 210101 «Физические основы современных методов анализа вещества».

Ил. 12. Библиогр.: 23 назв.

Масс-спектрометр, заряженная частица, потенциал, гиперболоидное поле, электронная система, диаграмма стабильности, ионный источник, детектор ионов

Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанской государственной радиотехнической академии.

Рецензент: кафедра общей и экспериментальной физики РГРТА (зав. кафедрой проф. Э.П.Шеретов)

К о л о т и л и н Борис Иванович

М а л ю т и н Александр Евгеньевич

Н и к о л а е в Артем Владимирович

Элементы расчета и конструирования гиперболоидного

масс-спектрометра типа «Фильтр масс»

Редактор М.Е.Цветкова

Корректор Е.В.Ипатова

Подписано в печать             Формат бумаги 60 ´ 84 1/16.

Бумага газетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л.

Уч.-изд. л.      . Тираж  30 экз. Заказ

Рязанская государственная радиотехническая академия.

390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Редакционно-издательский центр РГРТА

Оглавление

Общие положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.  Принцип действия квадрупольного фильтра масс (КМ) . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.  Аналитические выражения для стабильных ионов в поле квадрупольного анализатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12         

3.  Условия фильтрации ионов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.  Зависимость относительной разрешающей способности КМ от отношения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.  Зависимость абсолютной разрешающей способности КМ от энергии ионов и электрических параметров поля анализатора . . . . . . . . . . . . . . . .21

6.  Определение скорости регистрации спектра масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

7.  Чувствительность КМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.1 . Определение чувствительности КМ. Физические причины, влияющие на ее значение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.2 . Зависимость чувствительности от скорости регистрации и разрешающей способности масс-спектрометра. Фактор его потенциальных возможностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  27

8.  Диапазон анализируемых масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  34

9.  Геометрические параметры электродной системы и влияние искажений электрического поля в анализаторе на характеристики КМ . . . . . . . . . . . 35

9.1. Основные причины и виды искажения поля в анализаторе КМ. . . . .35

9.2. Максимально допустимая непараллельность электродов

      анализатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

9.3. Краевые искажения поля анализатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

10. Генератор высокой частоты и усилитель постоянного тока . . . . . . . . . . . 39

11. Особенности работы однопольного масс-спектрометра (ОМ) . . . . . . . . . 48

12. Элементы инженерного расчета и конструирования КМ . . . . . . . . . . . . . 51

12.1.  Структурная схема КМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

12.2.  Элементы инженерного  расчета квадрупольного фильтра масс . . 53

12.2.1.  Определение геометрии электродной системы . . . . . . . . . . .54

12.2.2. Условия фильтрации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

12.2.3. Время сортировки и энергия ионов в продольном направлении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

12.2.4. Определение граничных значений параметров развертки спектра масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

12.2.5. Определение данных для расчета генератора ВЧ        напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  56

12.2.6. Определение максимальной скорости развертки спектра масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

12.2.7. Расчет коэффициента трансмиссии анализатора . . . . . . . . . 58

12.2.  Требования к датчику КМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

Общие положения

Курсовое проектирование проводится с целью углубленного изучения теории работы отдельных элементов масс-спектрометрических устройств и приобретения навыков инженерного расчета параметров и характеристик гиперболоидных масс-спектрометров (ГМС) как одного из перспективных классов приборов, получивших в последние годы широкое распространение и в области масс-спектрометрического анализа, и в качестве исследовательского инструмента в различных разделах современной электронной техники, физической химии, медицины, биологии, охраны окружающей среды и т.д.

В учебном пособии рассматриваются теория работы гиперболоидного масс-спектрометра типа «квадрупольный фильтр масс» (КМ), элементы инженерного расчета основных параметров и характеристик такого прибора, принципы конструирования анализатора КМ.

В результате выполнения курсового проекта должна быть написана пояснительная записка, содержащая следующие разделы.

1.  Введение. Постановка задачи.

2.  Теоретическая часть.

3.  Расчет элементов конструкции анализатора и характеристик генератора ВЧ напряжения.

4.  Конструирование электродной системы КМ (с выполнением конструкторского чертежа).

5.  Заключение.

В теоретической части должно быть приведено краткое описание принципа работы ГМС.

В расчетной части должен быть приведен расчет основных параметров и характеристик ГМС в соответствии с индивидуальным заданием на курсовой проект.

Конструкторский чертеж должен быть выполнен в соответствии с требованиями ЕСКД.