Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006




Скачать 130.25 Kb.
НазваниеМетодические указания к лабораторной работе Рязань 2006
Дата конвертации25.01.2013
Размер130.25 Kb.
ТипМетодические указания


3859

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


ИзуЧение принципА работы

Статического магнитного

масс-спектрометра


Методические указания

к лабораторной работе





Рязань 2006

УДК 621.384.83

Изучение принципа работы статического магнитного масс-спектрометра: Методические указания к лабораторной работе / Рязан. гос. радиотехн. ун-т; Сост.: А.Е.Малютин, В.А. Илюхин; Под ред. Б.И. Колотилина. Рязань, 2006. 12 с.

Содержат основы теории работы статических магнитных масс-спектрометров, описание программы моделирования работы магнитного масс-спектрометра, исследование зависимости его характеристик от параметров конструкции, порядок выполнения работы.

Предназначены для студентов специальности 071400 «Физическая электроника».

Ил. 4. Библиогр.: 4 назв.


Статический магнитный масс-спектрометр, пространственное разделение, аберрации, разрешающая способность, дисперсия


Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанского государственного радиотехнического университета.


Рецензент: кафедра общей и экспериментальной физики РГРТУ
(и. о. зав. кафедрой проф. Б.И. Колотилин)


Изучение принципа работы

статического магнитного масс-спектрометра


Составители: Малютин Александр Евгеньевич

Илюхин Виталий Александрович


Редактор М.Е.Цветкова

Корректор Н.Г.Рябчикова

Подписано в печать . Формат бумаги 60  84 1/16.

Бумага газетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 0,75.

Уч.-изд. л. 0,75. Тираж 25 экз. Заказ

Рязанский государственный радиотехнический университет.

390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Редакционно-издательский центр РГРТУ.

Цель работы: изучение принципа работы статического магнитного масс-спектрометра; проведение численного эксперимента с помощью программы моделирования работы магнитного масс-спектрометра; исследование зависимости его характеристик от параметров конструкции.


Основы теории работы

магнитных масс-спектрометров


Магнитный масс-спектрометр является наиболее распространенным прибором, используемым для органического анализа. Его популярность определяется различными факторами. Во-первых, привлекают относительная простота конструкции и легкость в управлении. Во-вторых, разрешение 3001000 легко достигается при использовании небольших по размеру масс-спектрометров, а разрешение от 300 до 7000  в приборах, имеющих большие геометрические размеры. Кроме того, большое значение имеет историческое предубеждение, связанное с тем, что самые первые библиотеки спектров масс были составлены именно с помощью магнитных масс-спектрометров.

Принцип работы. В основе принципа работы магнитного масс-спектрометра лежит явление пространственного разделения пучков ионов, движущихся в однородном магнитном поле, в зависимости от их импульсов, а при фиксированной энергии – от отношения массы к заряду.

Конструкция типичного магнитного анализатора показана на рис. 1. Ионы, образованные в ионном источнике 1, ускоряются и через щель источника S1 направляются в однородное магнитное поле со скоростью v. Для ионов, имеющих заряд e и массу m, зависимость кинетической энергии от ускоряющего потенциала U определяется следующим уравнением:

. (1)

Ионы, попадая в магнитное поле с индукцией B, начинают двигаться по дуге окружности радиуса r вследствие действия на них силы Лоренца, которая играет роль центростремительной силы:

. (2)

Исключение скорости из первых двух уравнений приводит к хорошо известной формуле:

. (3)




Рис. 1. Принципиальная схема 180-градусного

магнитного масс-спектрометра: 1 – ионный

источник; 2 – коллектор ионов, S1 и S2 – щели
Таким образом, при постоянном радиусе r масса однозарядных ионов, фокусируемых в щель S2 и попадающих на коллектор, пропорциональна квадрату индукции магнитного поля и обратно пропорциональна ускоряющему напряжению.

Развертка спектра масс осуществляется либо путем изменения ускоряющего потенциала U, либо путем изменения индукции магнитного поля B. Для большинства применений предпочтительнее изменять индукцию магнитного поля, поддерживая постоянной величину ускоряющей разности потенциалов. Это объясняется тем, что при развертке спектра масс изменением ускоряющего потенциала при постоянстве магнитного поля эффективность трансмиссии ионов легких масс гораздо выше, чем для ионов больших масс. Возникает дискриминация тяжелых ионов, которая увеличивается с ростом массы ионов. Поскольку диапазон тяжелых масс является наиболее важной частью спектра, развертка масс изменением напряжения производится только в особых случаях, когда изменение магнитного поля невозможно.




Рис. 2. Возникновение сферических аберраций

в однородном магнитном поле: r2 – аберрация

пучка ионов в фокусе первого порядка
Причины возникновения аберраций. В рассмотренном выше выводе предполагалось, что в масс-спектрометр вводится идеальный, то есть моноэнергетический и параллельный пучок ионов. Отличие реального вводимого пучка ионов от идеального приводит к невозможности точной фокусировки пучка на выходную щель. Это приводит к возникновению искажений – аберраций. Существуют геометрические и хроматические аберрации [4].

На рис. 2 показаны траектории ионов с различными начальными направлениями движения. Ионы движутся по окружностям одинакового радиуса, однако центры этих окружностей не совпадают. Вследствие этого фокусировка не является идеальной, и ширина пучка ионов на выходе анализатора в случае моноэнергетического источника составляет r2, где  – угол рассеивания. В этих условиях возникает разновидность геометрической аберрации, называемая сферической аберрацией.

С другой стороны, к увеличению ширины выходящего пучка приводит разброс ионов по скоростям, так как при этом ионы будут двигаться по окружностям разного радиуса. Возникающая вследствие этого аберрация называется хроматической.

Разрешающая способность. Если входная щель имеет ширину S1, то на выходе ширина пучка может увеличиваться до S1+S, где S – расширение ионного пучка в результате аберраций. Отсюда следует, что ширина выходной щели S2 должна быть не меньше, чем S1+S. Разрешающая способность  магнитного масс-спектрометра может быть выражена формулой:

 = M/M = r/(S1+S2+S) = r/2(S1+S), (4)

где S2=S1+S1.

Таким образом видно, что разрешающая способность прямо пропорциональна радиусу траектории иона и обратно пропорциональна ширине щели. Увеличение разрешающей способности может быть достигнуто за счет уменьшения размеров входной щели, однако это приводит к падению чувствительности прибора, что является нежелательным.




Рис. 3. Ионно-оптическая схема секторного магнитного анализатора:

ЛФ – линия фокусов, ФП – фокальная плоскость

Для достижения высокого разрешения при широких щелях необходимо использовать масс-спектрометры с большими геометрическими размерами для получения больших радиусов отклонения пучка ионов. Однако на практике, например в газовом анализе, требуются значительно меньшие радиусы траекторий ионов. Это ограничивает ширину щелей и требует более сильных магнитных полей или более низких ускоряющих потенциалов. Так как ускоряющий потенциал, необходимый для фокусировки ионов определенной массы, уменьшается с увеличением массы иона, то возникает ограничение диапазона анализируемых масс. Это ограничение связано с тем, что тепловые скорости ионов могут быть сопоставимы со скоростью, приобретаемой ионами при прохождении ускоряющей разности потенциалов.

Получим формулу для определения разрешающей способности секторного магнитного масс-спектрометра. На рис. 3 представлены траектории движения ионов в случае ввода немоноэнергетического расходящегося пучка ионов.

Условие фокусировки в радиальном и аксиальном направлениях определяется выражениями:

, (5)

, (6)

где 1=l1/r0, 2=l2/r0 – входное и выходное плечи анализатора в единицах r0; a=1+; – коэффициент распределения поля: , где ; ; остальные обозначения приведены на рис. 3. Для однородного поля .

Увеличение анализатора в радиальном и аксиальном направлениях имеет вид:

, (7)

. (8)

Дисперсия анализатора по массам в фокусе рассчитывается по формуле:

. (9)

Разброс ионов по энергиям в магнитном анализаторе приводит к появлению хроматической аберрации первого порядка

. (10)

Кроме того, в анализаторе имеют место хроматическая, геометрическая и смешанные аберрации второго порядка, сумма которых равна:

, (11)

где Yij – аберрационные коэффициенты [4]; i, j, i, j – максимальные и минимальные значения параметров i: 1=tg; 2=tg ( и – половины углов расходимости ионного пучка в радиальном и аксиальном направлениях соответственно); 3=s/r0; 4=h/r0; (s и h – радиальная и аксиальная координаты выхода иона из плоскости щели источника, центру щели соответствует s=h=0); 5==V/V0 – энергетический разброс ионов; 6==M/M0 – разброс ионов по массам для соседних массовых чисел 6=1/(M0+0.5)1/M0.

Таким образом, полная ширина изображения пучка при ширине щели S1 равна:

. (12)

Разрешающая способность магнитных анализаторов

. (13)

Для определения разрешающей способности непосредственно по масс-спектру используется практическая формула:

, (14)

где r и r – ширина пиков, измеренная на уровне высоты пика, на котором определяется разрешающая способность; D* – дисперсия, измеряемая как расстояние между двумя пиками.

В магнитных анализаторах реализуется принцип подобия; если распределения по i для ионов разных масс сохраняются и являются независимыми, то при настройке любого пучка ионов на приемную щель они будут иметь подобную форму. Тогда при одинаковых законе развертки и времени записи любой линии форма массового пика, разрешающая способность и коэффициент пропускания анализатора не зависят от массы ионов. Такой закон развертки называют оптимальным. Ширина пика в единицах времени  при записи спектра определяется выражением

= М/(М), (15)

где М = dM/dt – скорость развертки.

Ограничение скорости развертки определяется условием  с, где с – наименьшая временная ширина пика, который может быть записан без искажений, связанных с конечным временем пролета ионов. Тогда имеем:

. (16)

Интегрируя это выражение в пределах от M0 до M и от 0 до t, получаем минимально необходимое время регистрации участка спектра без искажений для M0M:

, (17)

а искомый оптимальный закон развертки  экспоненциальный:

. (18)

Учет этого соотношения дает оптимальный закон развертки магнитного поля:

(19)

или ускоряющего напряжения

. (20)


Анализаторы с 180-градусным отклонением ионных пучков


Анализаторы такого типа, как правило, используют однородное магнитное поле (=1). Такие поля значительно проще формировать, достаточно просто обеспечить высокую однородность поля. При угле отклонения =180 из (4) следует 1=2= 0, т.е. в этом случае выходная щель источника ионов и приемная щель детектора должны быть установлены на границе магнитного поля (при этом 0=к=90). В аксиальном направлении фокусировка отсутствует (=0).

Основные ионно-оптические параметры такого анализатора следующие:

  • дисперсия по массам ;

  • увеличение ;

  • хроматическая аберрация ;

  • геометрические аберрации ;

  • угол наклона линии фокусов , ее кривизна ;

  • разрешающая способность ,

где * – значение , при котором аксиальная координата траектории в плоскости щели S2 не превышает половины ее высоты.

Масс-спектрометр со 180-градусным отклонением ионов был впервые построен Демстером в 1918 году. Обычно такие приборы имеют разрешение 200400. Главные их достоинства:

  • простота конструкции;

  • ионные пучки не проходят область краевого поля;

  • меньшая длина пути движения ионов по сравнению с секторными анализаторами и, следовательно, меньшее влияние рассеивания ионов и объемного заряда.

Это позволяет уменьшить энергию ионов, в результате чего уменьшается радиус средней траектории, что, в свою очередь, снижает габариты магнитов и допускает использование постоянных магнитов, для которых нет проблем флуктуаций магнитного поля во времени.

Анализаторы со 180-градусным отклонением ионных пучков имеют следующие недостатки:

  • источник ионов находится в области действия краевого магнитного поля, что приводит к дискриминации по массам;

  • наличие краевого магнитного поля в области приемной щели детектора затрудняет применение электронного умножителя;

  • нельзя устранить сферическую аберрацию, которая снижает разрешающую способность;

  • магниты имеют большую массу по сравнению с массой секторных анализаторов.

Описание программы


Программа «Магнитный масс-спектрометр v.2.2» предназначена для моделирования процесса разделения ионов в 180-градусном магнитном масс-спектрометре методом Монте-Карло. Программа позволяет получать массовый пик и исследовать его форму при наличии аберраций различных типов.




Рис. 4. Окно программы моделирования 180-градусного
статического магнитного масс-спектрометра

На рис. 4 представлено рабочее окно программы. В левой части окна находится область задания параметров. Выбор устанавливаемого параметра осуществляется щелчком левой кнопки мыши по соответствующей строке, изменение величины параметра – перемещением мыши влево и вправо, установка выбранной величины – еще одним щелчком левой кнопки мыши. Всего устанавливается 7 параметров:

1) «Разброс по углу dAlfa» – угол расхождения пучка ионов, может изменяться в пределах от 0 до /10, распределение по направлениям является равномерным в пределах от -dAlfa до +dAlfa;

2) «Разброс по скорости dv» – разброс скоростей ионов, изменяется от 0 для моноэнергетического пучка до 1 % для максимального разброса;

3) «Кол-во ионов NumIons» – число ионов, используемых для накопления статистических данных; малое число ионов используется для подбора параметров сканирования, большое число – для получения формы масс-спектра, особенно при больших разбросах начальных углов и скоростей;

4) «Ширина входной щели» – в пределах от 0 до 0,2 мм;

5) «Точность» – число точек сканирования между Bmin и Bmax;

6) «Bmin» – начальное значение магнитной индукции при сканировании;

7) «Bmax» – конечное значение, оба параметра изменяются в диапазоне от 4510-2 до 5510-2 Тл.

При нажатии кнопки «Начало моделирования» начинается процесс моделирования движения ионов, траектории которых отображаются в правой части окна. В любой момент моделирование можно прервать нажатием на ту же кнопку. Во время моделирования на графике в правой части окна отображается масс-спектр.

После окончания моделирования в левой части окна отображаются результаты моделирования – разрешающая способность, определяемая по уровню 0,1, и максимальная относительная интенсивность.


Порядок работы


Задание 1. Исследование влияния геометрических размеров выходной щели на интенсивность и разрешающую способность

  1. Установить значение разброса ионов по углу вылета d=0.04 (0,126) и скоростям dv=0,05 %. Число ионов задается произвольно (в пределах от 500 до 1000). Число точек сканирования не меньше 300.

  2. Произвести развертку спектра масс при значениях ширины выходной щели от 0,01 мм до 0,20 мм через каждые 0,01 мм, следя при этом за изменением формы массового пика, записывая полученное значение разрешающей способности и максимальную интенсивность пика.

  3. Используя полученные результаты, построить график зависимости разрешающей способности и относительной интенсивности от ширины выходной щели.

  4. Построить график зависимости добротности (произведения разрешающей способности на интенсивность) от ширины выходной щели и определить оптимальное значение ширины выходной щели S2.

Задание 2. Исследование хроматических и сферических аберраций

  1. Установить оптимальное значение ширины выходной щели S2.

  2. Установить величину разброса ионов по скоростям dv=0. Изменяя значение d в пределах от 0 до 0,08 (0,251) через 0,01 (0,031), проследить за изменением формы массового пика, интенсивности и разрешения.

  3. Повторить предыдущий пункт при значениях dv, равных 0,2 и 0,4 %.

  4. Используя полученные результаты, построить график зависимости разрешения и относительной интенсивности от величины угла разброса d при различных значениях dv.

  5. Установить величину d=0. Изменяя значение разброса ионов по скоростям dv в пределах от 0 до 0,8 % через 0,1 %, проследить за изменением формы массового пика, интенсивности и разрешения.

  6. Повторить п. 5 при значениях d, равных 0,02 (0,063) и 0,04 (0,126).

  7. Повторить эксперимент по пп. 26 для других значений ширины выходной щели (по указанию преподавателя).



Вопросы И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ


  1. Объясните принцип работы статического магнитного масс-спектрометра.

  2. Каковы достоинства и недостатки магнитных масс-спектрометров по сравнению с другими типами масс-спектрометров?

  3. В чем заключается фокусировка по направлению и по скорости? Достижима ли идеальная фокусировка в 180-градусных магнитных масс-спектрометрах?

  4. Что такое аберрации? Какие типы аберраций существуют?

  5. Каковы условия фокусировки пучка ионов в секторном масс-спектрометре?

  6. Как теоретически определяются дисперсия по массам и разрешающая способность магнитных анализаторов?

  7. Как проводится определение разрешающей способности по масс-спектру?

  8. Опираясь на результаты модельного эксперимента, объясните, чем определяется форма массового пика.

  9. Выведите формулу для оптимального закона развертки.

  10. Каковы достоинства и недостатки 180-градусного магнитного масс-спектрометра?


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


  1. Сысоев А.А. Изотопная масс-спектрометрия. М.: Атомиздат, 1993.

  2. Уэстон Дж. Техника сверхвысокого вакуума. М.: Мир, 1988.

  3. Бейнон Дж. Масс-спектрометрия и ее применение в органической химии. М.: Мир, 1964.

  4. Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М.: Атомиздат, 1977.


Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconМетодические указания к лабораторной работе Рязань
Изучение эллиптически поляризованного света: Методические указания к лабораторной работе /Рязан гос радиотехн акад. Сост.: И. В....

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconМетодические указания к лабораторной работе Рязань 2004
Спектральный анализ сигналов: Методические указания к лабораторной работе / В. В. Езерский, А. В. Егоров; Рязан гос радиотехн акад....

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconМетодические указания к лабораторным работам Рязань 2006
Теоретические основы электротехники Методические указания к лабораторным работам., Ч. II. / Рязан гос радиотехн акад.; Сост.: В....

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconМетодические указания к самостоятельной работе Рязань 2003
Квантоворазмерные гетероструктуры: Методические указания к самостоятельной работе / Рязан гос радиотехн акад.; Сост.: В. Г. Литвинов....

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconМетодические указания к лабораторной работе
Поиск литературных источников по теме курсового проектирования: Методические указания к лабораторной работе / О. Е. Александров...

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconМетодические указания к лабораторной работе
Выбор задачи для решения в курсовом проекте: Методические указания к лабораторной работе / О. Е. Александров Екатеринбург: угту-упи,...

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconМетодические указания к лабораторной работе
Отладка реализации информационной системы для решения задачи курсового проекта: Методические указания к лабораторной работе / О....

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconМетодические указания к лабораторной работе
Проектирование данных информационной системы: Методические указания к лабораторной работе / О. Е. Александров Екатеринбург: угту-упи,...

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconМетодические указания к лабораторной работе №93 составлены на ка­федре «Физика»
Определение отношения методом адиабатического расширения : методические указания к лабораторной работе №93 по физике для студен­тов...

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 iconИсследование электронного реле в схеме защиты методические указания к лабораторной работе
Электронное реле. Методические указания к лабораторной работе / Липецкий государственный технический университет. Сост. Р. Ю. Романовский,...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница