1.4. Практическое осуществление ионнооптических систем

Проведенное выше рассмотрение ионнооптических свойств электрических и магнитных полей основывалось на ряде допущений. Так, мы считали, что

• нет взаимодействия ионов в пучке,

• отсутствует объемный заряд ионов,

• отсутствует рассеянное магнитное поле,

• отсутствует рассеяние ионов на остаточном газе, т.е. в приборе имеется абсолютный вакуум.

Рассмотрим подробнее влияние этих факторов.

Тонкие пучки ионов, с которыми мы имеем дело, могут изменять свою геометрическую конфигурацию в результате значительных сил взаимодействия при электростатическом отталкивании. Расчет показывает, что для этого необходимо иметь плотность ионного тока в пучке 10^-7 А/мм².

Для пучка с поперечным сечением 0,1 мм × 10 мм это будет отвечать силе тока 1∙ 10^-7 А. С такими ионными токами приходится сталкиваться только в немногих системах, которые предназначены для разделения изотопов электромагнитным методом или в специальных отдельно взятых источниках ионов. Поэтому в большинстве случаев, имеющих место при масс-анализе. (при ионных токах J_i = 10^-9 ÷10^-10 A) электростатическим отталкиванием ионов в пучке можно пренебречь. Силы взаимодействия параллельных ионных лучей в пучке, обусловленные собственными магнитными полями, пренебрежимо малы.

Наличие объемного заряда приводит к искривлению ионных лучей. В результате положение источника ионов P₁ (рисунок 17) перемещается ближе к магнитному анализатору в точку , а изображение на коллекторе P

₂ получается на большем расстоянии

Р₂'

Объемный заряд в данном случае будет искажать электрические поля внутри анализатора, т.е. нарушать условия фокусировки.

Наблюдаемое искажение можно исправить путем юстировки пучка перемещением электромагнита.

Более существенное значение имеют рассеянные магнитные поля и в первую очередь рассеянное магнитное поле анализатора.

h

h

d

φ

h

h

Чтобы создать резко спасающее по напряженности магнитное поле, необходимо иметь межполюсный зазор (d) много меньше пути ионов в этом поле. В используемых электромагнитах это требование полностью выполняется. Тем не менее за границей полюсов всегда имеется рассеянное поле, которое приходится учитывать (рисунок 18).

В первом приближении можно считать, что контур полюсов должен отстоять от границы сектора на величину, не превышающую h=(0,7÷0,8) ∙d.

Таким образом, вводится эффективное магнитное поле, распространяющееся за границы полюсов и как бы резко обрывающееся на некотором расстоянии за ними. Здесь и проходит граница сектора.

Присутствие рассеянного магнитного поля ведет к искажению траектории ионного пучка (рисунок 19). Поскольку рассеянное магнитное поле дополнительно отклоняет ионный пучок, то точка фокусировки P₂ перемещается в точку Это искажение в свою очередь можно устранить, перемещая магнит относительно вершины О. Необходимо отметить, что известно практическое правило, когда вершина сектора, ограничивающего фактические полюсы магнита, лежит выше прямой, соединяющей источник и приемник ионов (точка О', рисунок 19).

O^'

P₂^'

Рассеяние ионов при соударении с молекулами остаточного газа в аналитической части прибора может иметь место только при давлении большем 10^-6 мм. рт. ст. Сечение рассеяния при указанном давлении, что соответствует средней длине свободного пробега ионов

λ = 350 см. Обычно давление в камере анализатора поддерживается порядка P = 10^-7 мм. рт. ст. Поэтому можно считать, что при высоком вакууме рассеяние ионов на молекулах и атомах остаточного газа практически отсутствует.