Элементы расчета и конструирования гиперболоидного масс-спектрометра типа «Фильтр масс»: Учебное пособие к курсовому проектированию, страница 18

Если приемником ионов служит цилиндр Фарадея [12, 13] с системой задерживающих и антидинатронных диафрагм, то в аппаратурной части должен быть источник питания для подачи на эти диафрагмы соответствующих электрических напряжений. Чаще, однако, в современных КМ приемником ионов служит вторичноэлектронный умножитель (ВЭУ), для питания которого необходим    блок    высоковольтного   источника напряжения (ВИП).   В случае                              

Рис. 10. Блок-схема квадрупольного масс-спектрометра

необходимости ВЭУ (при отключении его от ВИПа) можно использовать и как коллектор ионов.

Ионные токи на выходе анализатора КМ настолько малы (особенно если анализируется состав очень разреженной среды), что, даже будучи преобразованными в электронные и усиленными в ВЭУ, они требуют для своей уверенной регистрации специальных высокочувствительных усилителей постоянного тока (УПТ), которые входят в состав регистрирующей части прибора в качестве предварительных усилителей. Прибором, непосредственно отображающим спектр масс в КМ при высокой скорости развертки спектра, может быть электроннолучевой или шлейфовый осциллограф, а при малой скорости развертки – электронный потенциометр с записью спектра масс на бумажной ленте.

Работа КМ, построенного по только что рассмотренной структурной схеме, происходит следующим образом. В ионный источник датчика КМ, присоединенного к анализируемому вакуумному объему, точнее в ионизационную камеру ионного источника, через специально сделанные отверстия проникают нейтральные молекулы анализируемой среды,  которые подвергаются там бомбардировке электронами, эмиттированными накаленным катодом. Образовавшиеся в результате соударений части присутствующих в камере молекул с электронами положительно заряженные ионы вытягиваются из ионизационной камеры, формируются и фокусируются в узкий аксиальносимметричный пучок, инжектированный в квадрупольный анализатор. При этом предполагается, что парциальный состав молекулярных ионов разных масс, а также их осколков и радикалов однозначно соответствует парциальному составу нейтральной среды [11, 12, 13] при заданном и неизменном режиме работы ионного источника. Ионы разных масс, попавшие в анализатор, совершают под действием электрического ВЧ-поля, созданного в нем, сложные движения по траекториям, описываемым уравнениями Матье, причем до выхода анализатора долетают только ионы, обладающие одной и той же массой, точнее, одинаковым отношением заряда к массе, величина которого однозначно соответствует определенным значениям напряжений U и V. Все же прочие ионы оседают на полеобразующих цилиндрических электродах анализатора. При изменении этих напряжений от 0 до U_макс и V_макс в анализаторе последовательно во времени создаются условия для прохода через него ионов всего рабочего диапазона масс, на который рассчитан  данный КМ. Ионный ток на выходе анализатора представляет собой последовательность импульсов во времени. Положение каждого импульса на временной оси, отсчитываемое от начала развертки, характеризуют молекулярный вес анализируемого в данный момент компонента разреженной среды, а амплитуда импульса – парциальное содержание данного компонента в смеси с другими веществами. В дальнейшем импульсный ионный ток или, попадая на коллектор ионов, сразу усиливается в УПТ и регистрируется выходным прибором, или преобразуется на первом диноде ВЭУ (если в датчике есть ВЭУ, а не коллектор ионов) в электронный ток, который только после усиления его в ВЭУ попадает в УПТ и на регистрирующий выходной прибор.

12.2. Элементы инженерного расчёта квадрупольного фильтра масс

При расчёте и последующем проектировании квадрупольного фильтра масс часть параметров и характеристик прибора следует выбрать или задать в качестве исходных данных. В качестве исходных могут быть:

–  диапазон анализируемых масс:   – минимально и  – максимально регистрируемые массы ионов в атомных единицах массы (а.е.м.);

–  абсолютная (, а.е.м.) или относительная () разрешающая способность;

–  скорость регистрации спектров масс (, а.е.м./с);

–  радиус поля  или максимальный диаметр электродной системы анализатора ();

–  вид развёртки спектра масс;

–  начальная энергия поступательного движения ионов вдоль продольной оси () или длина электродной системы ().

12.2.1.Определение геометрии электродной системы

В данном пункте расчёта предполагается нахождение следующих величин:  – радиус поля;   – диаметр экрана, который определяет габариты анализатора в поперечном сечении и служит для закрепления внутри его стержней электродной системы;   – радиус стержней анализатора. Для этого необходимо воспользоваться следующими соотношениями:

                                                  ;                                                    (162)

                                                 .                                                  (163)

Длина анализатора определяется далее при определении начальной энергии поступательного движения ионов вдоль продольной оси.

Здесь же необходимо оценить максимально допустимую непараллельность электродов анализатора.

                                          ,                                          (164)

где  – величина допустимого относительного уменьшения ионного тока на выходе анализатора, вызванного указанным искажением поля (при расчёте задаётся ());   – заданный уровень сортировки (см. пункт “Время сортировки и энергия ионов”).

12.2.2.  Условия фильтрации

Если допускать, что ионно-оптическая система ионного источника осесимметрична, то требования к начальным условиям влёта в анализатор будут следующие:

                                   ;                                    (165)

или, что то же самое,

                                      ;                                        (166)