Лабораторна робота 4

Вимірювання парціального тиску і масовий аналіз залишкових газів

Мета – вивчити фізичні принципи мас-спектрометрії: статичні та динамічні мас-аналізатори; ознайомитись з градуюванням мас-аналізаторів і вимірювачів парціальних тисків.

Принцип роботи мас-спектрометричних приладів заснований на іонізації залишкових газів і подальшого розділення іонів. При цьому використовуються наступні залежності:

• траекторії іонів, які рухаються в однорідному полі, від відношення заряду q до маси m (мас- аналізатори з магнітним відхиленням);

• траекторії іонів при русі в схрешених елктричному і магнітному полях від співвідношення . В цьому випадку траекторія руху іонів має вигляд циклоїди або трохоіди;

• резонансної частоти коливань іонів в змінному електричному полі від співвідношення ;

• часу прольоту прискореного іона фіксованого простору аналізатора від маси іона. Прилади останніх груп називаються динамічними.

Основні параметри мас-спектрометричних аналізаторів – роздільна здатність і поріг чутливості. Роздільною здатністю називається відношення масового числа m до ширини піка m мас-спектрограми біля його основи, виміряного в одиницях масових чисел. Максимальна роздільна здатність визначає значення масового числа, при якому можуть бути повністю розділені сусідні піки, масові числа яких відрізняються на одиницю. Поріг чутливості оцінюється парціальним тиском компоненти суміші яку аналізують, при якому показники приладу перевершують рівень особистого шуму в 2 рази.

Мас-спектрометр з круговими траєкторіями і кутом відхилення 180^о (рис. 4.1) складається з джерела іонів 1, камери аналізатора 2, яка розміщена в однорідному магнітному полі і колектора іонів 3.

В камері 1 відбувається ударна іонізація молекул залишкового газу. Частина іонів, що утворились, витягується з джерела через вузьку щілину і прискорюється до необхідної енергії. Умовою руху іонів по стаціонарній траєкторії в аналізаторі є рівність магнитної сили Лоренца і доцентрової сили . Враховуючи, що швидкість іона в прискорюючому полі , отримаєм вираз для радіуса кругової орбіти для іонів:

,

де m відображено в атомних одиницях маси, V – в вольтах, B – в ерстедах.

В мас-аналізаторах з секторним магнітним полем використовується принцип фокусування, згідно якому віхідна щілина джерела іонів, вершина секторного магнітного поля і вхідна щілина колектора лежать на одній прямій, а іонний промінь падає нормально до границі сектора розділу (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Мас-аналізатор зі статичним Рис. 4.2. Мас-аналізатор з секторним

магнітним полем магнітним полем

Принцип роботи омегатрона заснований на використанні особливостей руху іонів під дією взаємо-перпендикулярних постійного магнітного і змінного електричного полей (рис. 4.3). Коли частота обертання іонів в магнітному полі співпадає з частотою зміни електричного поля, настає циклічний резонанс і відбувається розділення іонів по масам. В цьому випадку “резонансні” іони рухаються по спіральній траекторії, віддаляючись від центру. Якщо циклотронна частота іонів відмінна від частоти НВЧ-поля, то в залежності від початкової фази вони можуть отримувати або віддавати свою енергію високочастотному полю. При цьому іони будуть то віддалятись, то наближатись до центру аналізатора і на колектор не попадуть. Плавно змінюючи частоту генератора, можна створювати умови резонанса для іонів різної маси і отримувати спектр мас.

В радіочастотному мас-спектрометрі розділення по масам відбувається при проходжені іонів через систему електродів-сіток, до яких прикладено високочастотне поле. При русі іонів в області дії високочастотного поля, в залежності від початкової фази і маси іонів, одна їх частина буде додатково прискорюватись, а інша гальмуватись. Пройти через всю систему і подолати затримуюче поле у колектора можуть тільки іони, які накопичили в НВЧ-полі визначену додаткову енергію. Розділення іонів по масам можна отримувати плавною зміною частоти або початкової енергії іонів.

Принцип дії хронотрона заснований на розділенні іонів під час прольту в просторі дрейфу. Механізм розділення зводиться до того, що для іонів однієї і тієї ж енергії час прольоту відстані L залежить від маси іона. Більш легкі частки пройдуть шлях L швидше ніж важкі, і на виході області дрейфа утворюються нальоти іонів однакових мас, які через різні проміжки часу поступають на колектор (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема часопрольотного мас-аналізатора: 1 – електрод, 2 – катод, 3 – електрод, 4 – іонізаційна камера, 5 – сітка

Квадрупольний мас-аналізатор являє собою пристрій, в якому іони розділяються по масам в електричному полі чотирьохелектродного конденсатора. До стрижнів аналізатора, з’єднаним попарно, прикладається постійна V_o і перемінна напруга. В просторі між стрижнями утворюється електричне поле, потенціал якого поблизу осі системи змінюється по параболічному закону. Під впливом НВЧ-поля іони m здійснюють коливальні рухи. Амплітуда коливань залежить від масового числа іона m і напруг V_o і V_m на стрижнях квадруполя. При визначеному відношенні можна реалізувати умови, при яких однозарядні іони однакової маси будуть здійснювати коливання з обмеженною амплітудою відносно осі системи і, рухаючись поступально, досягнуть колектора. Амплітуда коливань іонів інших мас при цьому буде зростать і вони попадуть на стрижні. Розгортку спектра мас здійснюють зміною частоти і амплітуди змінної напруги.

По принципу дії фарвітрон (рис. 4.5) аналогічний омегатрону, оскільки в ньому розділення по масам відбувається також в результаті резонансного процесу між іонами і НВЧ-полем. Але якщо в омегатроні коливальний рух іонів відбувається внаслідок використання магнітного поля, то в фарвітроні це досягається за рахунок електростатичного поля специфічної конфігурації.

Р ис. 4.5. Електродна система (а) і розподілення потенціалу (б) вздовж осі датчика фарвітрона: 1 – модулюючий електрод, 2-5 – електроди, 6 - колектор

Порядок виконання роботи

1. Вивчити фізичні принципи роботи мас-аналізаторів різних конструкцій.

2. Вивчити основні характеристики мас-аналізаторів.

3. Ознайомитись з конструкційними особливостями статичних та динамічних аналізаторів.

Контрольні питання

1. Що покладено в основу роботи статичних мас-аналізаторів?

2. На яких фізичних принципах основана робота динамічних мас-спектрометрів?

3. Якими основними параметрами визначаються мас-аналізатори? Від чого залежить розподільна здатність і поріг чутливості мас-аналізатора?

4. Будова і принцип роботи мас-аналізатора зі статичним магнітним полем, його переваги та недоліки.

5. Будова і принцип роботи мас-аналізатора з секторним магнітним полем, його переваги та недоліки.

6. Будова і принцип роботи мас-аналізатора з циклоїдальним фокусуванням, його переваги та недоліки.

7. Будова і принцип роботи омегатрона, його переваги та недоліки.

8. Будова і принцип роботи радіочастотного мас-аналізатора, його переваги та недоліки.

9. Будова і принцип роботи хронотрона, його переваги та недоліки.

10. Будова і принцип роботи квадрупольного мас-аналізатора, його переваги та недоліки.

11. Будова і принцип роботи фарвітрона, його переваги та недоліки.

12. Як здійснюється градуювання мас-аналізаторів.

[1, с. 210-228; 2, с. 148-160]