МАСС-АНАЛИЗА́ТОР

МАСС-АНАЛИЗА́ТОР, уст­рой­ст­во для раз­де­ле­ния ио­нов по ве­ли­чи­не от­но­ше­ния мас­сы $m$ ио­на к его за­ря­ду $q$. М.-а. яв­ля­ет­ся од­ним из эле­мен­тов масс-спек­тро­мет­ра. Осн. ха­рак­те­ри­сти­ка М.-а. – его раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность, рав­ная от­но­ше­нию мас­сы ио­на к по­греш­но­сти её оп­ре­де­ле­ния. В за­ви­си­мо­сти от спо­со­ба раз­де­ле­ния ио­нов М.-а. под­раз­де­ля­ют на ста­ти­че­ские (ис­поль­зую­щие толь­ко по­сто­ян­ные маг­нит­ные и элек­трич. по­ля) и ди­на­ми­че­ские (ис­поль­зую­щие так­же пе­ре­мен­ные элек­трич. по­ля или раз­де­ляю­щие ио­ны по вре­ме­ни про­лё­та).

В ста­тич. М.-а. с маг­нит­ным по­лем (маг­нит­ный М.-а.) ио­ны раз­де­ля­ют про­стран­ст­вен­но на ос­но­ве за­ви­си­мо­сти ра­диу­са кри­виз­ны $\rho$ тра­ек­то­рии ио­нов от ве­ли­чи­ны $m/q$: $\rho =(1/B)\sqrt{2Vm/q}$, где $B$ – маг­нит­ная ин­дук­ция, $V$ – ус­ко­ряю­щий по­тен­ци­ал. Обыч­но в та­ких М.-а. ис­поль­зу­ют од­но­род­ные маг­нит­ные по­ля и пу­чок ио­нов прак­ти­че­ски по­сто­ян­ной энер­гии. При­ме­ня­ют­ся так­же ак­си­аль­но-сим­мет­рич­ные М.-а. с не­од­но­род­ны­ми по­ля­ми. Для по­вы­ше­ния раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти М.-а. пу­чок ио­нов фоку­си­ру­ют на вы­хо­де из М.-а. При­ме­не­ние М.-а. с те­ле­ско­пич. ион­но-оп­тич. сис­те­мой обес­пе­чи­ва­ет наи­луч­шее от­но­ше­ние «сиг­нал/шум» за счёт ис­клю­че­ния взаи­мо­дей­ст­вия ио­нов со стен­ка­ми ва­ку­ум­ной ка­ме­ры.

маг­нит­ная ин­дук­ция, $V$ – ус­ко­ряю­щий по­тен­ци­ал. Обыч­но в та­ких М.-а. ис­поль­зу­ют од­но­род­ные маг­нит­ные по­ля и пу­чок ио­нов прак­ти­че­ски по­сто­ян­ной энер­гии. При­ме­ня­ют­ся так­же ак­си­аль­но-сим­мет­рич­ные М.-а. с не­од­но­род­ны­ми по­ля­ми. Для по­вы­ше­ния раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти М.-а. пу­чок ио­нов фоку­си­ру­ют на вы­хо­де из М.-а. При­ме­не­ние М.-а. с те­ле­ско­пич. ион­но-оп­тич. сис­те­мой обес­пе­чи­ва­ет наи­луч­шее от­но­ше­ние «сиг­нал/шум» за счёт ис­клю­че­ния взаи­мо­дей­ст­вия ио­нов со стен­ка­ми ва­ку­ум­ной ка­ме­ры.

Не­дос­тат­ком маг­нит­ных М.-а. яв­ля­ет­ся не­воз­мож­ность их ис­поль­зо­ва­ния для пуч­ков ио­нов с боль­шим энер­ге­тич. раз­бро­сом. Что­бы пре­одо­леть этот не­дос­таток, при­ме­ня­ют схе­му, в ко­то­рой на пучок по­сле­до­ва­тель­но воз­дей­ст­ву­ют элек­трич. и маг­нит­ное по­ля, при­чём раз­де­ле­ние ио­нов по ве­ли­чи­не $m/q$ обес­пе­чи­ва­ет­ся толь­ко маг­нит­ным кас­ка­дом. Сек­тор­ные кас­ка­ды элек­трич. и маг­нит­но­го по­лей вы­би­ра­ют с та­ким рас­чё­том, что­бы хро­ма­тич. абер­ра­ция (рас­фо­ку­си­ров­ка, вы­зван­ная раз­бро­сом по энер­ги­ям) пер­во­го (или пер­во­го и вто­ро­го) по­ряд­ка в маг­нит­ном кас­ка­де ком­пен­си­ро­ва­лась со­от­вет­ст­вую­щей абер­ра­ци­ей в элек­трич. кас­ка­де. При­ме­ня­ет­ся так­же до­пол­нит. фо­ку­си­ров­ка по уг­лам рас­хо­ди­мо­сти ион­ных пуч­ков; та­кие при­бо­ры на­зы­ва­ют М.-а. с двой­ной фо­ку­си­ров­кой.

Ди­на­мич. М.-а. ис­поль­зу­ют разл. спо­со­бы раз­де­ле­ния ио­нов и ус­лов­но под­раз­де­ля­ют­ся на 4 груп­пы: ра­дио­час­тот­ные, ре­зо­нанс­ные, квад­ру­поль­ные и вре­мя­про­лёт­ные. Дей­ст­вие ра­дио­час­тот­ных М.-а. ос­но­ва­но на из­ме­не­нии энер­гии ио­нов в пе­ре­мен­ном элек­трич. по­ле с час­то­той, ле­жа­щей в ра­дио­диа­па­зо­не. При по­сто­ян­ной на­чаль­ной энер­гии ио­нов эти из­ме­не­ния функ­цио­наль­но свя­за­ны с со­от­но­ше­ни­ем $m/q$. Ио­ны по­лу­ча­ют энер­гию от по­ля, при­чём сре­ди ио­нов при­мер­но по­сто­ян­ной ско­ро­сти макс. энер­гию по­лу­ча­ют ио­ны оп­ре­де­лён­ной мас­сы (вхо­дя­щие в по­ле при его оп­ти­маль­ной фа­зе). Ио­ны с макс. энер­ги­ей вы­де­ля­ют при по­мо­щи энер­ге­тич. фильт­ра.

Ре­зо­нанс­ные М.-а. ис­поль­зу­ют яв­ле­ние ре­зо­нан­са, воз­ни­каю­ще­го при сов­па­де­нии собств. час­то­ты ко­ле­ба­ний ио­нов с час­то­той ко­ле­ба­ний вы­ну­ж­даю­ще­го по­ля. При этом ам­пли­ту­да ко­ле­ба­ний ре­зо­нанс­ных ио­нов воз­рас­та­ет, и они со­би­ра­ют­ся на кол­лек­то­ре, в то вре­мя как ос­таль­ные ио­ны, имею­щие мень­шую ам­пли­ту­ду ко­ле­ба­ний, кол­лек­то­ра не дос­ти­га­ют. Су­ще­ст­ву­ют ре­зо­нанс­ные М.-а. с по­сто­ян­ным маг­нит­ным по­лем и без не­го. В М.-а. с од­но­род­ным по­сто­ян­ным маг­нит­ным по­лем собств. час­то­той ко­ле­ба­ний ио­нов яв­ля­ет­ся цик­ло­трон­ная час­то­та $f_ц$ их вра­ще­ния в маг­нит­ном по­ле. Со­от­вет­ст­вен­но М.-а. по­зво­ля­ет вы­де­лить ио­ны с $m/q=B/2πf_ц$. Ре­зо­нанс­ны­ми на­зы­ва­ют­ся так­же М.-а., ко­то­рые ба­зи­ру­ют­ся на ион­но-цик­ло­трон­ном ре­зо­нан­се. Сиг­нал от ко­леб­лю­щих­ся ион­ных сгу­ст­ков в этом слу­чае ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся ме­то­дом на­ве­дён­но­го по­тен­циа­ла, а от­но­ше­ние $m/q$ оп­ре­де­ля­ет­ся при раз­ло­же­нии сиг­на­ла в ряд Фу­рье. Ре­зо­нанс­ные М.-а. без маг­нит­но­го по­ля ис­поль­зу­ют ко­ле­ба­ния ио­нов в по­тен­ци­аль­ной яме элек­трич. по­ля, имею­ще­го вы­со­ко­час­тот­ную со­став­ляю­щую.

В квад­ру­поль­ных М.-а. (КМА) соз­да­ют­ся ус­ло­вия, при ко­то­рых ио­ны с дан­ным $m/q$ в оп­ре­де­лён­ном ин­тер­ва­ле зна­че­ний име­ют ог­ра­ни­чен­ную ам­пли­ту­ду ко­ле­ба­ний, в то вре­мя как у ос­таль­ных ам­пли­ту­да не ог­ра­ни­че­на (ио­ны ре­ком­би­ни­ру­ют). Клас­сич. КМА пред­став­ля­ет со­бой че­ты­ре стерж­ня ги­пер­бо­лич. се­че­ния, про­ти­во­по­лож­ные из ко­то­рых по­пар­но со­еди­не­ны. На эти стерж­ни по­дают­ся по­сто­ян­ная и пе­ре­мен­ная со­став­ляю­щие элек­трич. на­пря­же­ния. Ио­ны с за­дан­ным от­но­ше­ни­ем $m/q$ дви­жут­ся по ус­той­чи­вым тра­ек­то­ри­ям, что по­зво­ля­ет со­брать их на кол­лек­то­ре. Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность КМА дос­ти­га­ет 10⁴ и бо­лее.

На квад­ру­поль­ном прин­ци­пе раз­де­ле­ния ба­зи­ру­ет­ся ион­ная ло­вуш­ка, в ко­то­рой внут­ри замк­ну­той об­лас­ти соз­да­ют­ся по­сто­ян­ное и пе­ре­мен­ное элек­трич. по­ля с по­мо­щью трёх ги­пер­бо­лич. элек­тро­дов. Ио­ны ли­бо вво­дят­ся внутрь ион­ной ло­вуш­ки, ли­бо соз­да­ют­ся внут­ри неё. Ио­ны, дви­жу­щие­ся по ста­биль­ным тра­ек­то­ри­ям, на­ка­п­ли­ва­ют­ся и че­рез оп­ре­де­лён­ные про­ме­жут­ки вре­ме­ни вы­тал­ки­ва­ют­ся на кол­лек­тор. Пре­иму­ще­ст­во ион­ной ло­вуш­ки пе­ред КМА – зна­чи­тель­но мень­шие раз­ме­ры (при раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти 500 и вы­ше).

Вре­мя­про­лёт­ные М.-а. (ВПМА) под­раз­де­ля­ют на два ти­па: пря­мо­про­лёт­ные М.-а. и М.-а. с временнóй фо­ку­си­ров­кой ио­нов по энер­ги­ям. В пер­вом слу­чае ВПМА со­сто­ит из им­пульс­но­го ис­точ­ни­ка ио­нов, фор­ми­рую­ще­го ко­рот­кие сгу­ст­ки ио­нов, про­стран­ст­ва дрей­фа и вы­со­ко­ско­ро­ст­но­го де­тек­то­ра ио­нов (в ка­че­ст­ве ко­то­ро­го обыч­но ис­поль­зу­ет­ся вто­рич­ный элек­трон­ный ум­но­жи­тель). Сгу­ст­ки ио­нов ус­ко­ря­ют­ся в ус­ко­ряю­щем про­ме­жут­ке и по­па­да­ют в про­стран­ст­во дрей­фа, где раз­де­ля­ют­ся по вре­ме­ни $t$ про­лё­та: , где $L$ – дли­на про­стран­ст­ва дрей­фа. Из­ме­ре­ние вре­ме­ни про­лё­та по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить от­но­ше­ние $m/q$ со­от­вет­ст­вую­щих ио­нов.

Этот тип ВПМА при­ме­ним лишь для ис­точ­ни­ков, фор­ми­рую­щих ион­ные сгу­ст­ки с ма­лым энер­ге­тич. раз­бро­сом. Для ис­точ­ни­ков ио­нов с су­ще­ст­вен­ным энер­ге­тич. раз­бро­сом ис­поль­зу­ют ВПМА с временнóй фо­ку­си­ров­кой ио­нов по энер­ги­ям, в клас­сич. ва­ри­ан­те ко­то­ро­го за про­стран­ст­вом дрей­фа рас­по­ла­га­ет­ся элек­тро­ста­тич. зер­ка­ло (элек­трич. по­ле, в ко­то­ром ио­ны пре­тер­пе­ва­ют от­ра­же­ние). Ио­ны с бо­лее вы­со­кой энер­ги­ей име­ют мень­шее вре­мя про­лё­та в про­ст­ран­ст­ве дрей­фа и боль­шее – в от­ра­жаю­щем элек­трич. по­ле. При оп­ти­маль­ном вы­бо­ре длин уча­ст­ков этот тип ВПМА обес­пе­чи­ва­ет оди­на­ко­вое вре­мя про­лё­та ио­нов, имею­щих раз­брос по энер­ги­ям в пре­де­лах ± 10%. От­но­ше­ние $m/q$ оп­ре­де­ля­ют по вре­ме­ни про­лё­та ио­нов. Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность ВПМА с времен­нóй фо­ку­си­ров­кой по энер­ги­ям мо­жет дос­ти­гать 5·10⁴ и бо­лее.

М.-а. при­ме­ня­ют­ся в осн. в ка­че­ст­ве раз­де­ли­тель­ных эле­мен­тов масс-спек­тро­мет­ров. Свой­ст­ва и на­зна­че­ние масс-спек­тро­мет­ров в зна­чит. сте­пе­ни оп­ре­де­ля­ют­ся ти­пом и ха­рак­те­ри­сти­ка­ми при­ме­няе­мо­го М.-а. В по­след­нее вре­мя наи­боль­шее рас­про­стра­не­ние в масс-спек­тро­мет­рах по­лу­чи­ли ста­тич. М.-а., КМА, ВПМА.