Секторный масс-спектрометр

Эта статья о масс-спектрометрах. Чтобы узнать о секторных компасах, см. сектор (инструмент) .

Пятисекторный масс-спектрометр

Секторный прибор — это общий термин для класса масс-спектрометров , который использует статический электрический (E) или магнитный (B) сектор или некоторую их комбинацию (отдельно в космосе) в качестве масс-анализатора. Популярными комбинациями этих секторов являются приборы EB, BE (так называемой обратной геометрии), трехсекторные EBEB и четырехсекторные EBEB (электро-магнитно-электромагнитные). Большинство современных отраслевых инструментов представляют собой инструменты с двойной фокусировкой (впервые разработаны Фрэнсисом Уильямом Астоном , Артуром Джеффри Демпстером , Кеннетом Бейнбриджем и Йозефом Маттаухом в 1936 году). ) тем, что они фокусируют ионные пучки как по направлению, так и по скорости.

Теория

Поведение ионов в однородном, линейном, статическом электрическом или магнитном поле (по отдельности), как это наблюдается в секторном приборе, простое. Физика законом описывается одним уравнением, называемым сил Лоренца . Это уравнение является фундаментальным уравнением всех масс-спектрометрических методов, применяется также в нелинейных, неоднородных случаях и является важным уравнением в области электродинамики в целом.

$\mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),$

где E — напряженность электрического поля , B — индукция магнитного поля , q — заряд частицы, v — ее текущая скорость (выраженная в виде вектора), а × — векторное произведение .

Итак, сила, действующая на ион в линейном однородном электрическом поле (электрическом секторе), равна:

$F=qE\,$,

по направлению электрического поля - с положительными ионами и противоположно - с отрицательными ионами.

Электрический сектор масс-спектрометра Finnigan MAT (корпус вакуумной камеры снят)

Сила зависит только от заряда и напряженности электрического поля. Более легкие ионы будут отклоняться больше, а более тяжелые — меньше из-за разницы в инерции , и ионы будут физически отделяться друг от друга в пространстве на отдельные пучки ионов при выходе из электрического сектора.

А сила, действующая на ион в линейном однородном магнитном поле (магнитном секторе), равна:

$F=qvB\,$,

перпендикулярно как магнитному полю, так и вектору скорости самого иона, в направлении, определяемом правилом правой руки векторных произведений и знаком заряда.

Сила в магнитном секторе усложняется зависимостью от скорости, но при правильных условиях (например, равномерная скорость) ионы разных масс будут физически разделяться в пространстве на разные лучи, как и в электрическом секторе.

Классическая геометрия

Это некоторые из классических геометрических форм масс-спектрографов, которые часто используются для различения различных типов расположения секторов, хотя большинство современных инструментов не вписываются точно ни в одну из этих категорий, поскольку конструкции развивались дальше.

Бейнбридж – Иордания

Геометрия секторного инструмента состоит из 127,30°. $\left({\frac {\pi }{\sqrt {2}}}\right)$ электрический сектор без начальной длины дрейфа, за которым следует магнитный сектор 60° с тем же направлением кривизны. Эта конфигурация, которую иногда называют «масс-спектрометром Бейнбриджа», часто используется для определения изотопов масс . пучок положительных частиц Из исследуемого изотопа создается . Луч подвергается совместному действию перпендикулярных электрического и магнитного полей . Поскольку силы, действующие на эти два поля, равны и противоположны, когда частицы имеют скорость , определяемую выражением

$v=E/B\,$

они не испытывают результирующей силы ; они свободно проходят через щель и затем подвергаются воздействию другого магнитного поля, пересекая полукруглую траекторию и ударяясь о фотографическую пластинку . Масса изотопа определяется путем последующего расчета.

Маттаух-Герцог

Геометрия Маттауха – Герцога состоит из 31,82 ° ( $\pi /4{\sqrt {2}}$ радиан) электрический сектор, длина дрейфа, за которой следует магнитный сектор 90 ° с противоположным направлением кривизны. Попадание в магнитное поле ионов, отсортированных преимущественно по заряду, обеспечивает эффект фокусировки энергии и гораздо более высокую пропускную способность, чем стандартный энергетический фильтр. Эта геометрия часто используется в приложениях с высоким разбросом энергии образующихся ионов, где, тем не менее, требуется чувствительность, например, масс-спектрометрия с искровым источником (SSMS) и масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS). Преимущество этой геометрии перед геометрией Нира – Джонсона состоит в том, что все ионы разных масс фокусируются на одной и той же плоской плоскости. Это позволяет использовать фотопластину или другую плоскую детекторную матрицу.

Нир-Джонсон

Геометрия Нира – Джонсона состоит из электрического сектора 90 °, большой промежуточной длины дрейфа и магнитного сектора 60 ° того же направления кривизны.

Хинтербергер-Кениг

Геометрия Хинтербергера – Кенига состоит из электрического сектора 42,43 °, большой промежуточной длины дрейфа и магнитного сектора 130 ° того же направления кривизны.

Такешита

Геометрия Такешита состоит из электрического сектора 54,43 ° и короткой длины дрейфа, второго электрического сектора того же направления кривизны, за которым следует еще одна длина дрейфа перед магнитным сектором 180 ° с противоположным направлением кривизны.

Мацуда

Геометрия Мацуда состоит из электрического сектора 85°, квадрупольной линзы и магнитного сектора 72,5° того же направления кривизны. Эта геометрия используется в SHRIMP и Panorama (источник газа высокого разрешения, мультиколлектор для измерения изотопологов в геохимии).

См. также

• Масс-анализ ионно-кинетической энергетической спектрометрии
• Зарядка удаленной фрагментации
• Кеннет Бейнбридж
• Альфред О.К. Ниер

Дальнейшее чтение

• Томсон, Дж. Дж.: Лучи положительного электричества и их применение в химическом анализе; Лонгманс Грин: Лондон, 1913 год.