Масс-спектрометры. АФ1.6

Сентябрь 4, 2022

Главная
Физика
Масс-спектрометры. АФ1.6

Содержание

2. Были разработаны (и разрабатываются) схемы масс-анализаторов с улучшенными параметрами разрешения и чувствительности. Второй недостаток: ток частиц
3. Масс-спектрограф Ф. Астона (1919). Как и в приборе Томсона для изучения катодных лучей, здесь использованы скрещенные
4. Схема спектрографа Ф. Астона: 1 - разрядная трубка; 2, 3 - две щели, с помощью которых
5. Поскольку направления электрических и магнитных сил лежали в одной плоскости (в плоскости рисунка), изображения на фотопластинке
6. Полная теория для данного прибора сложна. Для плоского конденсатора длиной l смещение на расстоянии L частицы
7. Электрическое поле плоского конденсатора диспергирует ионы по энергии. Но не диспергирует по массе. Все ионы одной
8. Смещение в магнитном поле (параксиальный случай): или KM – не зависит от параметров иона. Магнитное поле
9. Рассмотрим ионы одной из масс. Их пучок на входе в магнитное поле расходится – ионы малых
10. Обладает фокусировкой по энергии. Поэтому можно использовать с источниками ионов, характеризуемыми большим энергетическим разбросом. Принцип: зависимость
11. Еще одни недостаток спектрографа Астона: необходимость эмпирической калибровки с использованием ионов известных масс. Калибровочная кривая при
12. Arthur Jeffrey Dempster (1886-1950) Этих недостатков лишен т.н. 180-градусный магнитный масс-анализатор (Демпстер, 1918) . В нем
13. Движение заряженной частицы в поперечном магнитном поле -- по окружности. Сила Лоренца постоянна и перпендикулярна скорости.
14. Устройство магнитного масс-спектрометра: ? В каждый момент регистрируется ток ионов одной массы. «Выбрать» величину массы можно
15. Важное свойство магнитного масс-анализатора – пространственная фокусировка ионного потока. Это позволяет увеличить допустимый угловой разброс во
16. Описанный магнитный масс-анализатор – «с фокусировкой на π радиан» или «180-градусный». Используют также анализаторы «с секторным
17. В 1936 г. была предложена схема масс-анализатора с двойной фокусировкой – пространственной и энергетической. Она позволила
18. Конденсатор Юза-Рожанского с цилиндрическими обкладками. Электрическая сила действует вдоль радиуса. Для того, чтобы частицы со скоростью
19. Вернемся к частице «равновесной» скорости v0. Пусть она инжектируется не перпендикулярно радиусу, а под небольшим углом
20. Вернемся к схеме масс-анализатора с двойной фокусировкой. Он включает в себя конденсатор Юза-Рожанского и секторный магнитный
21. Рассмотрим сначала случай, когда массы всех ионов одинаковы. Ионы из центральной части потока, пройдя секторное магнитное
22. Ионы других масс будет фокусироваться магнитным анализатором в других точках приемника «П» -- правее и левее
23. В дальнейшем были предложены несколько видов масс-анализаторов, основанных на иных принципах – отличных от использования статических
25. Скачать презентацию

Слайд 2

Были разработаны (и разрабатываются) схемы масс-анализаторов с улучшенными параметрами разрешения и

чувствительности.

Второй недостаток:
ток частиц распределен по длине параболы. Разные части параболы соответствуют частицам разных энергий. Это не помогает различать массы, но снижает чувствительность метода.
Говорят о «дисперсии» одновременно по массам и по энергиям частиц. От дисперсии по энергиям хорошо бы уметь избавляться.
(Энергоанализаторы – отдельный класс приборов.)

Слайд 3

Масс-спектрограф Ф. Астона (1919).
Как и в приборе Томсона для изучения

катодных лучей, здесь использованы скрещенные электрическое и магнитное поле.
Но они создаются в разных областях и разделены бесполевым пространством.
Это позволило добиться фокусировки ионов одной массы, но разных энергий, в узкой линии.

Слайд 4

Схема спектрографа Ф. Астона:
1 - разрядная трубка;
2, 3 - две

щели, с помощью которых выделяется узкий пучок ионов;
4 - конденсатор, отклоняющий на различные углы ионы с разными зарядами, скоростями и массами;
5 - диафрагма со щелью для выделения узкого пучка;
6- полюсные наконечники электромагнита, отклоняющего пучок ионов;
7 - фотопластинка, на которой фокусируются ионы различных масс и зарядов.

Слайд 5

Поскольку направления электрических и магнитных сил лежали в одной плоскости (в

плоскости рисунка), изображения на фотопластинке имели вид серии линий.

Слайд 6

Полная теория для данного прибора сложна.
Для плоского конденсатора длиной l смещение

на расстоянии L частицы с зарядом e , скоростью v и массой m :
Выразим кинетическую энергию в единицах потенциала (ускоряющего напряжения):
Тогда: , KE – коэффициент, не зависящий от
свойств иона.

Слайд 7

Электрическое поле плоского конденсатора диспергирует ионы по энергии.
Но не диспергирует

по массе.
Все ионы одной энергии (разных масс) после прохождения электрической части анализатора окажутся в одной точке.
Ионы большой энергии сместятся меньше, чем малой.
Получили расходящийся пучок ионов, где все массы не разделены, а перемешаны.
Это не то, что нужно – но далее идет область магнитного поля.

Слайд 8

Смещение в магнитном поле (параксиальный случай):
или
KM – не зависит от параметров

иона.
Магнитное поле (поперечное) диспергирует ионы и по массе (удельному заряду), и по энергии.
Для ионов одной массы, действие магнитного поля на частицы малой энергии более сильно – как и для электрического поля.

Слайд 9

Рассмотрим ионы одной из масс.
Их пучок на входе в магнитное

поле расходится – ионы малых энергий отклонены от исходного направления движения сильнее.
Направим магнитное поле так, и установим его величину такой, чтобы превратить расходящийся пучок в сходящийся.
Траектории быстрых и медленных ионов где-то пересекутся. Поток ионов данного сорта окажется сфокусирован в тонкую линию (?).
Возьмем ионы другой массы (например, большей). На них магнитное поле действует в меньшей степени, поэтому фокус окажется в другом месте.
Поставим фотопластинку в плоскости (?), проходящей через фокусы.
Получился масс-спектрограф Астона.

Слайд 10

Обладает фокусировкой по энергии.
Поэтому можно использовать с источниками ионов, характеризуемыми большим

энергетическим разбросом.
Принцип:
зависимость траекторий от энергии в электрическом и магнитном поле (она всегда есть – в любых статических полях) взаимно компенсируется. Зависимость траектории от массы – остается.
Не обладает фокусировкой по углу. Поэтому требует малого углового разброса анализируемого потока. Это существенный недостаток.

Слайд 11

Еще одни недостаток спектрографа Астона:
необходимость эмпирической калибровки с использованием ионов известных

масс.
Калибровочная кривая при этом нелинейна.

Калибровочная кривая спектрографа Астона – зависимость позиции линии x от массы (эффективного атомного веса, с учетом возможной многозарядности) Ai’’. ?

Слайд 12

Arthur Jeffrey Dempster (1886-1950)
Этих недостатков лишен
т.н. 180-градусный магнитный масс-анализатор (Демпстер,

1918) .

В нем используется только магнитное поле.
Предназначен для использования с моноэнергетическим потоками ионов.
Есть угловая фокусировка.
Простой принцип действия.

Слайд 13

Движение заряженной частицы в поперечном магнитном поле -- по окружности.
Сила

Лоренца постоянна и перпендикулярна скорости.
Уравнение движения:
Ларморовский радиус пропорционален массе частицы:
Устройство магнитного масс-спектрографа: ?
Ионы разных масс (но одинаковой энергии или, реже, одинаковой скорости) движутся по круговым траекториям разного радиуса и попадают на регистрирующее устройство (фотопластинку, ПЗС-матрицу) в разных точках. Регистрируется спектр – набор линий.

Слайд 14

Устройство магнитного масс-спектрометра: ?
В каждый момент регистрируется ток ионов одной массы.

«Выбрать» величину массы можно изменением величины магнитного поля либо энергии ионов (ускоряющего напряжения). Масс-спектр получают регистрацией тока при непрерывном изменении этой величины в некоторых пределах

Спектрограф удобнее для быстрого получения обзорных данных.
Спектрометр больше пригоден для сравнения абсолютных количеств ионов разной массы.
Кроме того, его можно использовать для выделения ионов определенного сорта – «магнитная сепарация».

Слайд 15

Важное свойство магнитного масс-анализатора – пространственная фокусировка ионного потока.
Это позволяет

увеличить допустимый угловой разброс во входящем потоке.
Траектории ионов, инжектированных под разными углами, сходятся у точки регистрации.

Простая геометрическая оценка для двух ионов: инжектированного по нормали к плоскости границы и под углом α(<<1).
Первый ион покинет прибор на расстоянии 2R от точки влета, а второй – на расстоянии 2Rcosα.
Расстояние между этими точками:
2R(1-cos α)≈Rα 2
Это <<πRα -- расхождения прямолинейных траекторий на длине πR

Слайд 16

Описанный магнитный масс-анализатор – «с фокусировкой на π радиан» или «180-градусный».

Используют также анализаторы «с секторным полем». (Область поля на рисунке заштрихована).
Доказывается, что моноэнергетической пучок ионов одной массы, инжектированный из точки K, будет сфокусирован в точке R, лежащей на прямой, проходящей через K и вершину сектора Q.
То есть, при β +ϑ +γ =π .

Популярна, в частности, схема с секторными полем ϑ =60°

Слайд 17

В 1936 г. была предложена схема масс-анализатора с двойной фокусировкой –

пространственной и энергетической.
Она позволила получить масс-спектры с рекордным разрешением и чувствительностью.
Идея сходна и идеей масс-спектрографа Астона: последовательно использовать электрический и магнитный

анализаторы. Компенсировать дисперсию по энергии.
Дисперсия по массам магнитного анализатора при этом сохранится (у электрического ее нет).
Но:
требуется, чтобы электрический анализатор обеспечивал пространственную фокусировку. Плоский конденсатор (у Астона) ее не обеспечивает. Поэтому использовали цилиндрический конденсатор.

Слайд 18

Конденсатор Юза-Рожанского
с цилиндрическими обкладками.
Электрическая сила действует вдоль радиуса.
Для того, чтобы частицы

со скоростью v0 и энергией eU0 двигались вдоль окружности r0, должно выполняться условие:
или
Здесь нет зависимости от массы частицы – ионы всех масс будут двигаться вместе.
(Как и для плоского конденсатора, отсутствует дисперсия по массам).
Для частиц большей энергии электрическая сила останется той же, а центробежная будет большей. Поэтому такие частицы отклонятся к внешней обкладке.
Частицы с меньшей энергией – к внутренней.
То есть, имеется дисперсия по энергиям.

Слайд 19

Вернемся к частице «равновесной» скорости v0.
Пусть она инжектируется не перпендикулярно

радиусу, а под небольшим углом к перпендикуляру.
Двигаясь к внешней обкладке против действия поля, она будет терять радиальную составляющую скорости.
Затем эта составляющая изменит знак, и ион начнет удаляться от внешней обкладки.
Расчеты показывают, что траектории ионов, инжектируемых под любыми углами пересекутся в точке выхода из конденсатора, представляющего собой сектор с углом
Ионы с большей энергией также окажутся сфокусированы – ближе к внешней обкладке.
Ионы с меньшей энергией – ближе к внутренней.

Слайд 20

Вернемся к схеме масс-анализатора с двойной фокусировкой.
Он включает в себя конденсатор

Юза-Рожанского и секторный магнитный анализатор.
Ионы из источника «И» попадают в конденсатор, имея некоторый разброс как по углу встрела, так и по энергии.
На выходе из конденсатора ионы каждой энергии (для любой массы и углов встрела) оказываются сфокусированы. Ионы большой энергии – на рисунке окажутся ниже, малой энергии – выше.

Слайд 21

Рассмотрим сначала случай, когда массы всех ионов одинаковы.
Ионы из центральной части

потока, пройдя секторное магнитное поля, будут сфокусированы им в точке «F».
Если бы ионы, встреливаемые в магнитное поле из нижней части потока, имели ту же энергию, точка их фокуса оказалось левее – на продолжении прямой, проходящей через точку их встрела и вершину сектора. Но их энергия выше, поэтому действие магнитного поля на них будет более слабым. И они также окажутся в точке «F».
Аналогично для ионов меньших энергий.

Слайд 22

Ионы других масс будет фокусироваться магнитным анализатором в других точках приемника

«П» -- правее и левее точки «F».
Таким образом, данный анализатор обладает дисперсией по массам ионов, равной дисперсии входящего в его состав магнитного масс-анализатора.
При этом обеспечивается фокусировка (отсутствие дисперсии) по углам встрела и энергии ионов.

Слайд 23

В дальнейшем были предложены несколько видов масс-анализаторов, основанных на иных принципах

– отличных от использования статических электрического и магнитного полей.
Времяпролетный масс-спектрометр (1946-1948).
Ионный поток инжектируется в длинное дрейфовое пространство в виде короткого импульса. Все ионы имеют одинаковую энергию. О массах ионов судят по времени их прихода на детектор.

Масс-спектрометры. АФ1.6

Содержание

Были разработаны (и разрабатываются) схемы масс-анализаторов с улучшенными параметрами разрешения и

Масс-спектрограф Ф. Астона (1919). Как и в приборе Томсона для изучения

Схема спектрографа Ф. Астона:1 - разрядная трубка; 2, 3 - две

Поскольку направления электрических и магнитных сил лежали в одной плоскости (в

Полная теория для данного прибора сложна.Для плоского конденсатора длиной l смещение

Электрическое поле плоского конденсатора диспергирует ионы по энергии. Но не диспергирует

Смещение в магнитном поле (параксиальный случай):илиKM – не зависит от параметров

Рассмотрим ионы одной из масс. Их пучок на входе в магнитное

Обладает фокусировкой по энергии.Поэтому можно использовать с источниками ионов, характеризуемыми большим

Еще одни недостаток спектрографа Астона:необходимость эмпирической калибровки с использованием ионов известных

Arthur Jeffrey Dempster (1886-1950)Этих недостатков лишен т.н. 180-градусный магнитный масс-анализатор (Демпстер,

Движение заряженной частицы в поперечном магнитном поле -- по окружности. Сила

Устройство магнитного масс-спектрометра: ?В каждый момент регистрируется ток ионов одной массы.

Важное свойство магнитного масс-анализатора – пространственная фокусировка ионного потока. Это позволяет