Магнитные секторные масс-анализаторы

Как показывает уравнение (I), ионы со скоростью v в перпендикулярном магнитном поле В будут ускоряться в направлении, перпендикулярном как у, так и В, таким образом описывая круглую траекторию радиуса г.

$$\frac{Mv^{2}}{Qr}=vB, (5)$$

Ионы приобретают свою начальную скорость у посредством ускорения во время пролета через электрическое поле Е. таким образом:

$$\frac{Mv^{2}}{2}=QE. (6)$$

Из этих двух уравнений получаем «уравнение магнитного масс-спектрометра»:

$$\frac{M}{Q}= \frac{B^{2}r^{2}}{2E}. (7)$$

Поскольку источник и коллектор обычно находятся в фиксированных положениях, двумя вариантами «сканирования» являются следующие: изменение радиуса ионного луча в зависимости от М/Q заключается либо в варьировании напряженности магнитного поля В (с помощью электромагнита), либо в использовании фиксированного магнита и варьировании силы ускоряющего электрического поля Е (сканирование напряжения). И в том и в другом случае

соотношение между M/Q и сканирующей переменной является нелинейным, в результате чего получается нелинейная ось массы. (Пространство между пиками меньше (спектр «сжат») на высоком конце по сравнению с более низким концом M/Q.)

Для того чтобы предотвратить попадание ионов с сильно отличающимися углами вектора скорости (и энергии) в спектрометр, используется входная прорезь, уменьшающая отдачу ионного источника, которая определяет размер луча. Для соответствующей разрешающей способности используется выходная прорезь, позволяющая входить в детектор только сфокусированным ионам. (Магнитный секторный анализатор данного типа обеспечивает одинарное фокусирование - ионы равной M/Q и энергии, но разного направления скорости на входе сфокусированы на выходной прорези.) Для наибольшей чувствительности ширина входной прорези (S₁) должна быть максимально возможной. Ширина выходной прорези (S₂) должна быть еще больше на ΔS, чтобы обеспечивать более широкий луч, вызываемый аберрацией в силу изменения первоначальных направлений (S₂ = S₁ +S). В этом случае разрешающая мощность будет составлять

$$\frac{M}{\Delta M}= \frac{r}{2S_{2}}, (8)$$

Направленное фокусирование может быть достигнуто с различными углами отклонения луча. В приборе типа Демпстер луч ионов отклоняется в поле 180-градусного сектора, таким образом луч ионов является параллельным во входной и выходной прорезях, но движение осуществляется в противоположных направлениях. Источник ионов и детектор находятся внутри магнитного поля в этой конфигурации.

Для облегчения доступа и устранения помех с умножителями может возникать потребность удалить источник и детектор из магнитного поля. Это возможно, если использовать поля сектора 30, 60 или 90°. Для обеспечения фокусирования входная и выходная прорези должны находиться на линии, перпендикулярной оси симметрии магнита, при этом линия помещается в точку, где пограничные линии поля пересекаются (рис. 6). Данная схема предусматривает эффект однократного (направленного) фокусирования.

Рис. 6. Схема магнитного секторного масс-анапизатора с одинарным фокусированием (угол сектора 60°)

Центровка магнита, как правило, является более критической в данной компоновке, поэтому после его снятия (например для термической обработки) может потребоваться перекали- бровка.

Данные спектрометры одинарного фокусирования отделяют ионы в зависимости от M/Q из моноэнергетического ионного луча. Поскольку имеет место неизбежная разница в уровне энергии, только дополнительное электростатическое отклонение может обеспечить направленное и энергетическое фокусирование. Такой прибор двойного фокусирования для анализа парциального давления былописан Ниером.

Во всех случаях для оказания влияния на чувствительность и разрешающую способность необходимо менять механические детали (входную и выходную прорези). По сравнению с квадруполями (изменение электронной настройки) частые замены могут представлять собой ограничение, но могут быть и преимуществом с точки зрения стабильности и повторяемости результатов в зависимости от вида применения. Разрешающая сила М/ AM является постоянной на протяжении диапазона массы, а типичные скорости сканирования составляют порядка нескольких а. е. м/с.

Подсоединение анализатора магнитного сектора (90 градусов) к источнику электронов типа Ниера было изучено Вернером. При низких токах эмиссии (менее 50 рА) и низких значениях давления (менее 10^-6 мм рт. ст. или приблизительно 10 ⁴ Па) можно пренебречь магнитным полем источника, первоначальной тепловой энергией, а также эффектами отрицательного и положительного пространственных зарядов. При более высоких значениях тока эмиссии и низких значениях давления отрицательный пространственный заряд, а при высоких значениях давления положительный пространственный заряд могут оказывать влияние на потенциалы, приводя к колебанию энергии иона. Дискриминация массы во время сканирования напряжения может объясняться уменьшением размера области формирования ионов и увеличением угловой расходимости в силу уменьшения ускоряющего напряжения. При низком ускоряющем напряжении (соответствующем более высоким массовым числам) ионные траектории продемонстрировали большую расходимость и концентрации на выходной прорези. В противовес этому при более высоком ускоряющем напряжении (2 кВ) ионы концентрируются вдоль оси (более высокая передача при более низких массовых числах).