1.7.3.2. Квадрупольный масс-спектрометр (электрический фильтр масс)
Интерес к таким приборам обусловлен тем, что они теоретически позволяют получить как угодно большую разрешающую способность.
ro
d
1
-катод.
2-диафрагма. 3-анализатор. 4-стержень
анализатора. 5-коллектор. 6-эквипотенциальные
линии сложного электрического поля.
В ионном источнике исследуемый газ ионизируется, формируется ионный пучок, который подается в пространство анализатора. В анализаторе электрического фильтра масс разделение ионов по массам происходит за счет действия квадрупольного электрического поля, создаваемого четырьмя параллельными цилиндрическими стержнями, к которым приложено переменное напряжение, U∙cosω ∙ t, и постоянный потенциал - Uп. При этом в области, близкой к оси системы, создается гиперболическое электрическое поле (рисунок 34), которое в первом приложении выражается формулой:
(77)
где ro-радиус внутреннего пространства
ω-частота переменного электрического поля.
Заряженные частицы, двигающиеся вдоль оси Z, будут раскачиваться высокочастотным полем, причем амплитуда их колебаний зависит как от массового числа иона, так и от величины напряжения на стержнях. Ионы, амплитуда колебаний которых остается меньше радиуса поля ro, будут беспрепятственно проходить через квадрупольный анализатор.
Можно подобрать параметры электрического поля так, что в зависимости от подводимого напряжения через фильтр будут проходить ионы только одной определенной массы и, попадая на коллектор, они будут давать ионный ток, пропорциональный содержанию данной компоненты в исходной смеси.
При условии, что
(78)
массовое число прошедших на коллектор ионов будет определяться как
(79)
где d-диаметр стержня
Соотношение (79) есть основное уравнение квадрупольных масс-спектрометров.
При λ = λMAX = 0,167 разрешающая способность прибора R = ∞, однако светосила и чувствительность при этом стремятся к нулю.
Теоретическая разрешающая способность прибора определяется следующим образом:
. (80)
Она зависит только от выбранного соотношения постоянного и переменного напряжений, но это соблюдается лишь при достаточно большой длине анализатора.
Обычно используемые квадрупольные анализаторы имеют длину стержня
диаметр стержней
В
этом случае при изменении Uп
от 20 до
600 В можно анализировать ионы с
массой от 20 до 100 а.е.м.