Масс-анализаторы. 
Технология конструкционных материалов. 
Анализ поверхности методами атомной физики

Масс-анализаторы (МА) (синонимы: масс-сспараторы, фильтры масс) — приборы, позволяющие из потока ионов разных масс выделить ионы одной единственной массы или разделить в потоке ионы разных масс по разным траекториям или по времени регистрации.

Различают статические и динамические МА. В статических МА для разделения ионов используются электрические и магнитные поля, постоянные или практически не изменяющиеся за время пролета иона через прибор. Ионы с различными значениями т/е движутся в полях, создаваемых в МА по разным траекториям. В масс-спектрографах пучки ионов с разными величинами т/е фокусируются в разных местах фотопластинки, образуя после проявления следы в виде полосок (входное и выходное отверстия ионного источника обычно имеют форму прямоугольных щелей). В статических МА пучок ионов с заданными т/е фокусируется на щель приемника ионов. При плавном изменении магнитного пли электрического поля в приемную щель последовательно попадают пучки ионов с разными т/е. При непрерывной записи ионного тока получается график с ионными пиками — масс-спектр. При любом способе регистрации ионов спектр масс в конечном счете представляет собой зависимость ионного тока I от т. Например, в масс-спектре свинца (рис. 2.10) каждый из пиков ионного тока соответствует однозарядным ионам изотопов свинца. Высота каждого пика пропорциональна содержанию изотопа в свинце. Отношение массы иона к ширине пика дт в атомных единицах массы называется разрешающей способностью (R) МА: R=m/Sm. Так как дт на разных уровнях относительно интенсивности ионного тока различна, то R также различна. Например, в области пика изотопа РЬ (рис. 2.10) на уровне 10 % относительно вершины пика R = 230, а на полувысоте R = 380. Для полной характеристики разрешающей способности прибора необходимо знать форму ионного пика, которая зависит от многих факторов. Иногда разрешающей способностью называют значение той наибольшей массы, при которой два пика, отличающиеся по массе на единицу, разрешаются до заданного уровня. Так как для многих типов МА R не зависит от отношения т/е, то оба приведенных определения R совпадают. Считается, что МА с R до 10″ имеет низкую разрешающую способность, с R~~ 10²— 10³ — среднюю, с R ~ 10³—10⁴ — высокую, с R ~ 10⁴-10' - очень высокую. Если вещество вводится в ионный источник в виде газа, то чувствительностью МА называют отношение тока, создаваемого ионами данной массы заданного вещества, к парциальному давлению этого вещества в ионном источнике. Эта величина в МА разных типов лежит в диапазоне 10−10 А/мм рт. ст.

Рис. 2.10. Масс-спектр свинца, образующегося при распаде тория: дт 50 % ~ ширина пика на полувысоте, дт ю %- на уровне 10% от максимальной интенсивности.

Относительной чувствительностью (или пределом обнаружения) называют минимальное содержание вещества, которое еще может быть обнаружено в смеси с помощью МС.

Для разных МС, смесей и веществ она лежит в диапазоне 10 -10 ⁷ %. За абсолютную чувствительность принимают минимальное количество вещества в граммах, которое необходимо ввести в МС для обнаружения этого вещества.

В наиболее распространенном статическом МА с однородным магнитным полем (рис. 2.11) ионы, образованные в ионном источнике, выходят из щели шириной 5| в виде расходящегося пучка, который в магнитном поле разделяется на пучки ионов с разными т/е (т"/е, nii/e, mje), причем пучок ионов с массой /и_Л фокусируется на щель шириной S₂ приемника ионов. Величина m_h/e определяется выражением.

где m_h- масса иона; е — его заряд (в единицах элементарного электрического заряда); г — радиус центральной траектории ионов (в см); Н — напряженность магнитного поля (в Э); V — ускоряющий потенциал (в вольтах).

Развертка масс-спектра производится изменением Н или V. Первый метод предпочтительнее, т. к. в этом случае по ходу развертки не изменяются условия вытягивания ионов из источника.

Разрешающая способность статических МА определяется из соотношения

где а, — реальная ширина пучка в месте, где он попадает в щель приемника S₂. Если бы фокусировка ионов была идеальной, то в случае Х = Х₂ (рис. 2.11) о| была бы в точности равна S). В действительности (Т> S, что уменьшает разрешающую способность МА. Одна из причин уширения пучка — неизбежный разброс по кинетической энергии у ионов, вылетающих из ионного источника (см. ниже).

Другие причины — рассеяние ионов в анализаторе из-за столкновения с молекулами остаточного газа, а также электростатическое «расталкивание» ионов в пучке. Для ослабления влияния этих факторов применяют так называемое «наклонное вхождение» пучка в анализатор и криволинейные границы магнитного поля. В некоторых МА используют неоднородные магнитные поля, а также ионные призмы.

Для уменьшения рассеяния ионов стремятся к созданию в анализаторе сверхвысокого вакуума (р < КГ⁸ мм рт. ст.). Для ослабления влияния разброса по энергиям применяют МА с двойной фокусировкой (рис. 2.12), которые фокусируют на щель S₂ ионы с одинаковыми т/е, вылетающие не только по разным направлениям, но и с разными энергиями. Для этого ионный пучок пропускают через магнитное и отклоняющее электрическое поле специальной формы. Пучок ускоренных ионов, вышедших из щели S источника ионов, проходит через электрическое поле цилиндрического конденсатора, который отклоняет ионы на 90°, затем через магнитное поле, отклоняющее ионы еще на 60°, и фокусируется в щель S₂ приемника коллектора ионов. Сделать S и S₂ меньше нескольких микрон технически трудно. Кроме того, такие размеры щелей привели бы к очень малым ионным токам на выходе МА. Поэтому для получения R ~ 10³—10⁴ используют большие г, т. е. длинные ионные траектории (до нескольких метров).

Рис. 2.11. Схема статического масс-апализатора с однородным магнитным полем:

Si и S₂ — щели источника и приемника ионов; САВ — область однородного магнитного поля Н. перпендикулярного плоскости рисунка; сплошные кривые линии — границы пучков ионов с разными т/е; г — радиус центральной траектории ионов

В динамических МА для разделения ионов с разными т/е используют, как правило, разные времена пролета ионами определенного расстояния и воздействие на ионы импульсных или радиочастотных электрических полей с периодом, меньшим или равным времени пролета ионов через анализатор. Существует более 10 типов динамических масс;

Рис. 2.12. Схема масс-анализатора с двойной фокусировкой.

Si — щель источника ионов,

Si — щель приемника коллектора ионов

анализаторов: времяпролет-

ный, радиочастотный, квадрупольный, фарвитрон, омегатрон, магниторезонансный, циклотронно-резонансный и др. Все типы МА широко представлены в литературе и ИНТЕРНЕТ, поэтому здесь остановимся только на 2-х, наиболее употребляемых в научных исследованиях МА.

г, т ., «ние обусловлено тем, что в исходном.

Во времяпролетном МА (рис. 2.13) ионы образуются в ионном источнике и очень коротким электрическим импульсом «впрыскиваются» и виде «ионного пакета» черед сетку 1 в анализатор 2, представляющий собой эквипотенциальное пространство. В процесс дрейфа к коллектору 3 исходный пакет «расслаивается» на несколько пакетов, каждый из которых состоит из ионов с одинаковыми т/е. Расслое;

Рис. 2.13 Схема времяпролет- ^J

нога масс-анализатора: ^{пакете эне}Р^{гии всех ионов} одинаковы,.

1-сетка; 2-дрейфовоепро- ^а их скорости и, следовательно, вре- странство; 3 — коллектор; т,/е мена пролета t через анализатор дли- и mje — черные и белые кружки — ной L обратно пропорциональны ве- иоиы разных масс, движущиеся в личине т^и2:

дрейфовом пространстве

Последовательность ионных пакетов, приходящих на коллектор, образует масс-спектр, который регистрируется. Разрешающая способность R ~ 10³.

Рис. 2.14. Схема квадрупольного масс-спектрометра:

1,2 — входное и выходное отверстия; 3 — траектории ионов в промежутке между стержнями квадруполя

В квадрупольном МА (рис. 2.14) разделение ионов осуществляется в поперечном электрическом поле с гиперболическим распределением потенциала. Поле создается квадрупольным конденсатором, между парами стержней которого приложены постоянное и высокочастотное напряжения. Пучок ионов вводится вдоль оси квадруполя через отверстие 1. При фиксированных значениях частоты со и амплитуды переменного напряжения U₀ только у ионов с определенным значением т/е амплитуда колебаний в направлении, поперечном оси анализатора, нс превышает расстояния между стержнями.

Такие ионы за счет начальной скорости проходят через анализатор и, выходя из него через отверстие 2, регистрируются, попадая на коллектор ионов. Сквозь квадруполь проходят ионы, масса которых удовлетворяет условию

где а — постоянная прибора. Амплитуда колебаний ионов других масс нарастает по мере их движения в анализаторе так, что эти ионы достигают стержней и нейтрализуются. Перестройка на регистрацию ионов других масс осуществляется изменением амплитуды (7₀ или частоты переменной составляющей напряжения. Разрешающая способность R ~ 10³.