Фролов Сучасні методи мас-спектрометрії 2008 - Стор 3
вище R. Такі пристрої отримали назву електрометричних підсилювачів постійного струму (УПТ).
Є колекторні приймачі двох видів: одноколекторний і двоколекторний (рис. 1.5). Двоколекторний приймач іонів із спектру мас вирізає одночасно два промені. Іонні пучки, виділені регульованими шириною щілинами S 1 і S 2, потрапляють на колектори К1 і К2, виконані у формі циліндрів Фарадея. У приймачі передбачено регулювання ширини щілин та відстані між ними L мікрометричними гвинтами. Вторинна електронна емісія з колекторів пригнічується антидинатронними електродами АЭ1 і АЭ2, куди подається негативний потенциалВ.
Мал. 1.5. Двоколекторний приймач іонів
Для забезпечення паралельності зі щілиною джерела іонів, щілини приймача разом з колекторами та антидинатронними електродами можуть повертатися щодо поздовжньої осі камери аналізатора. Поворот здійснюється мікрометричним
гвинтом. Виведення електричних сигналів з колекторів та введення потенціалу на електроди здійснюються через металокерамічні води. Колекторні приймачі застосовуються під час реєстрації іонних струмів трохи більше – А за характерному часі зміни струму щонайменше 0,1 – 1 з.
Вакуумна система магнітного
Структурна схема вакуумної системи МІ1201 наведено на рис.1.6. У камері аналізатора КА забезпечується необхідне розрідження для виключення розсіювання іонів у сфері їх руху. З одного боку до КА через перехідник приєднано джерело іонів ІІ, з другого — приймач іонів ПІ. КА може прогріватись за допомогою знімного трансформатора. Камера виготовлена із немагнітного матеріалу (нержавіюча сталь 12Х18Н10Т). Обробка внутрішніх поверхонь приВиготовлення проводиться за високим класом чистоти (R Z = 0,32) з поліруванням. Останнє необхідно для зменшення ефекту поляризації поверхні, при якому на поверхні під дією іонів утворюються плівки з поганою провідністю, що накопичують заряд, що впливає на траєкторію руху іонів.
Турбомолекулярні насоси забезпечують отримання високого вакууму камери аналізатора. В застосовуються турбомолекулярні насоси Turbovac 50 (Leybold, Німеччина). Насоси підключені через спеціальні перехідники (ТВО1 і ТВО2) до штатних фланців джерела іонів та приймача іонів.
У ранніх зразках використовувалися масляні дифузійні насоси. До нестачі масляного насоса слід віднести хорошу змочуваність поверхонь елементів вакуумної системи дифузійним маслом. В результаті масляна плівка мігрує всередину вакуумної камери, зокрема джерело іонів. Якщо використовується джерело іонів з електронним ударом, робоча температура іонізаційної камери якого становить 100 200 С, то при випаровуванні молекули олії іонізуються ІІ.
Мал. 1.6. Структурна схема вакуумної системи ПІ – приймач іонів; КА – камера аналізатора; ІІ – джерело іонів; НУ – напускний пристрій; БВ – блок вентилів; В3, В4 – запірні вентилі; ВВ1, ВВ2, ВВ3, ВВ4 – вентилі пробовідбору; Н1, Н2 – напускні вентилі, МЗС1, МЗС2 – датчики тиску; ТМН1, ТМН2 – турбомолекулярні насоси; 2 – термопарні датчики тиску; ФБ – форвакуумний балон; СН – сорбційний насос; СЛ - сорбційна пастка; ПЛ - пастка, що виморожує; ЕМК1, ЕМК2 – електромагнітні клапани; ФН – форвакуумний насос
Відбувається фрагментація молекул, тому можливе утворення інтенсивного спектра фону в широкому діапазоні мас. Додатковою причиною фону може бути дисоціація молекул олії нагарячому катоді. Молекули олії можуть також потрапляти в джерело з камери аналізатора при її прогріванні (для видалення забруднень із внутрішніх поверхонь). Тому використовувалися високовакуумні пастки призначені для
виморожування парів робочої рідини дифузійного насоса і зниження тиску в об'ємі, що відкачується, а високовакуумні вентилі застосовуються для підтримки високовакуумних насосів в робочому стані при напуску атмосферного повітря в аналізатор і джерело іонів.
Форвакуумний насос типу призначений для отримання попереднього розрідження у вакуумній системі (граничний тиск 5 Па).
Сорбційна пастка СЛ застосовується зменшення зворотного паромасляного потоку з форвакуумного насоса у вакуумну систему. Зовні корпусу СЛ знаходяться сорочка водяного охолодження та електронагрівач. Принцип дії пастки заснований на здатності знегаженого цеоліту поглинати гази та пари. Процес поглинання йде до насичення сорбенту.
Сорбційний насос СН забезпечує отримання форвакууму в системі, якщо механічний насос форвакуумний відключений. Сорбційний насос також призначений для форвакуумного відкачування камери. Він забезпечує нижчий вакуум, ніж механічний насос.
Форвакуумний балон є ємністю, що забезпечує роботу дифузійних насосів при вимкненому форвакуумному насосі. При добре очищеній від адсорбованих газів системі та об'ємі приблизно 5 л турбомолекулярні насоси можуть працювати з балоном протягом декількох годин при відключеному форвакуумному насосі.
Запірний вентиль призначений для комутації системи відкачування та працює як у форвакуумних, так і високовакуумних системах; блок вентилів – для відкачування на форвакуум напускного пристрою.
Напускний пристрій складається з трьохнатікачів та одного запірного вентиля, розміщених в одному корпусі, та здійснює напуск парів та газів у джерело іонів.
Клапани ЕМК1 та ЕМК2 призначені для відсікання форвакуумного насоса від вакуумної системи та напуску повітря на вхід форвакуумного насоса ФН при його відключенні відповідно.
Термопарний датчик, принцип дії якого заснований на залежності теплопровідності газу від тиску, служить для
контролю тиску в межах 1 10 1 10 Па.датчик призначений для вимірювання
тиску у високовакуумній частині (1102Па) вакуумної системи. Дія датчика ґрунтується на використанні явища самостійного газового розряду в магнітному полі. Розмір розрядного струму пропорційна тиску газу в датчику. Постійне магнітне поле, перпендикулярне до площини електродів датчика, сприяє збільшенню довжини шляху електронів у розрядному проміжку, що підвищує ймовірність зіткнення з молекулами залишкового газу і дає можливість отримувати порівняно великі розрядні струми при дуже низьких тисках.
В застосовуються металеві прокладки з відпаленої міді або алюмінію, які дозволяють прогрівати вакуумну систему до 400°С.
Канали живлення магнітного та вимоги до них вимоги
Елементи електронної частини наведено на рис.1.2. Канал живлення джерела призначений завдання відповідних потенціалів на електродах джерела та його стабілізації. Малий енергетичний розкид іонів, стабільність іонного струму, сталість енергії іонів визначають вимоги до джерела живлення джерела іонів. Для отримання
V / V 0 1/ R 10 3 без
Проте з урахуванням їх доцільно покласти
Хоча енергетичний розкид залежить не тільки від флуктуацій напруги, що прискорює,останні також повинні перевищувати. Дрейф напруги, що прискорює, залежить від необхідної стабільності положення іонного пучка в площині щілини.
детектор. Так, якщо ширина пучка у площині приймальної щілини детектора становить = 0,4 мм, а радіус середньої траєкторії в аналізаторі r 0 200 мм, то допустимий дрейф за час виміру можна оцінити із співвідношення
D r 0 Y 5 V ін / V 0 (0,1 0,01)
V ін (0,1 0,01) V 0 /( r 0 Y 5 ) (10 4 10 5 ) V 0 ,
де дисперсійний коефіцієнт Y 5 прийнятий рівним 2. Відносний дрейф не повинен перевищувати за час вимірювань.
Канал живлення аналізатора призначений для забезпечення в обмотці електромагніту стабільного або змінного за законом струму
I I 0 exp [t / (2 R c)],
де I 0 - Вихідне значення струму; t - час реєстрації ділянки R - роздільна здатність - найменший час запису без спотворень однієї масової лінії. Якщо має роздільну здатність R = 1000, то флуктуації магнітного поля не повинні перевищувати H / H 2 R , а практично H / H повинно бути меншим. Пульсації магнітного поля призводять до розширення зображення пучка і знижують роздільну здатність; повільний дрейф не впливає на роздільну здатність, але впливає на точність виміру при відносному методі визначення концентрацій ізотопів, оскільки призводить до зміщення пучків з колекторів приймача іонів. Канал живлення детектора забезпечує отримання та стабілізацію потенціалів, що подаються на антидинатронний електрод приймача іонів з колектором.
Канали вимірювання та запису інформації
Канал посилення та вимірювання іонних струмів посилює одержуваний на виході детекторасигнал до вимірюваної величини та забезпечує його реєстрацію. Від параметрів каналу залежать такі характеристики як чутливість, здатність, що дозволяє, похибка вимірювання.
У магнітному іонні струми вимірюються в межах від до А. Верхня межа іонних струмів обмежена впливом об'ємного заряду, нижня - можливостями реєструючої апаратури. Канал посилення та вимірювання іонних струмів включає електрометричний підсилювач і пристрій вимірювання. Під час розробки каналу керуються такими міркуваннями. Аналізатор іонів як джерело іонного струму має практично нескінченно великий вихідний опір. Рівень шумів вимірювального пристрою, наведений до входу, повинен бути нижче нижче вимірюваних струмів. Оскільки іонні струми в магнітному масиспектрометрі постійні або слабко змінюються, для їх реєстрації необхідно застосовувати підсилювачі постійного струму. Одне із завдань, що виникає при розробці підсилювача для забезпечення виключно високої стабільності коефіцієнта посилення. З цієї причини для вимірювання іонних струмів використовуються електрометричні підсилювачі постійного струму зі 100зворотним зв'язком, що мають за напругою коефіцієнт підсилення, що дорівнює одиниці, і досить високу стабільність, що дорівнює дрейфу менше 1 мВ/год. У вхідних каскадах використовуються високоомні вхідні опори. Так, якщо мінімально вимірюване значення напруги U = 1 мВ (припустимо, що воно обмежується на цьому рівні дрейфом нуля підсилювача), то при вимірюванні методом електричного
заряду з вхідним
R 10 12 Ом мінімально
При цьому вхідний
опір першого підсилювального елемента підсилювача має бути на порядку вище за R . Посилення струму в підсилювачі
досягає 10 8 10 9 . Наявність великого вхідного опору
підсилювачів - причина їх великої постійної часу (від сотих часток до декількох секунд). Чутливість струму підсилювачів з електрометричними лампами у вхідних каскадах досягає 10 15 10 16 А.
Структурну схему пристрою автоматизованої реєстрації (УАР) наведено на рис.1.7. Для перетворення аналогового сигналу в цифрову форму в УАР використаний АЦП типу (виробник "Центр АЦПАЦП виконаний як плата розширення комп'ютера, що вставляється в один із слотів шини ISA. Основні параметри наведені в табл.1.1.
Мал. 1.7. Структурна схема пристрою автоматизованої реєстрації БР – блок розгортки; ДХ – датчик Холла; УПТ - електрометричні підсилювачі постійного струму; ПВ - прецизійний випрямляч; АТ - автоматизовані дільники сигналів; УУ - пристрої керування; ОС - обмежувачі сигналів; АЦП -перетворювачі сигналів; ПК - персональний комп'ютер; ПЗ - програмне забезпечення
Крок дискретизації, мс
Діапазон вибраних рівнів вхідних
Рівень шумів, молодших розрядів
де E - ЕРС. Холлі. Для мас іонів в діапазоні 10 - 40 а. величина сигналу з датчика Холла змінюється в діапазоні 100 - 200 мВ. Його перетворення до значень, допустимих на вході АЦП, виробляється пристроєм, схема якого представлена на рис.1.8. ЕРС Холла через контакти 7, 8 роз'єму ХР2 надходить на вхід підсилювача напруги, зібраного на мікросхемі DA 7 і далі вхід АЦП (канал 3).
Друга лінія передачі даних від АЦП забезпечує запис безпосередньо має два канали, які можуть одночасно реєструвати у разі використання двоколекторного приймача іонів. Реєстрація та запис даних виробляється з використанням АЦПімеющего три паралельних синхронних каналу. Напруга на вході АЦП не повиннаперевищувати 2,0 В. Безпосереднє вимірювання вихідного сигналу з УПТнеприпустимо, оскільки максимальна напруга на виході УПТ може бути більше 100 В. Для узгодження рівнів сигналу вхідного АЦП та виходу УПТ використовується дільник напруги з автоматичним вибором коефіцієнта поділу. Принципова електрична схема дільника представлена рис.1.8. Напруга з УПТ масспектрометра надходить на вхідний дільник напруги і Відношення величин опорів обрано приблизно
наступним: R 1 :R 2 :R 3 =1:10:100 (точне відношення
R 1 :R 2 :R 3 =1:10.61:127.75).
Діоди VD1,VD2 виконують захисну функцію, крім виникнення небезпечних напруг на входах АЦП і компараторів. Логіка роботи керованого дільника напруги пояснюється табл.1.2, де наводяться сигнали та стану ключів. При зміні вихідного сигналу УПТ в діапазоні керований дільник напруги відстежує цю зміну так, що на вхід АЦП подається напруга не більше 2 В. Оскільки вМІ1201 передбачений режим роботи з двоколекторним приймачем іонів, пристрій має два канали вимірювання з власними керованими дільниками УАР. Оскільки перемикання напруги на вході АЦП може викликати перешкоди, які є джерелами неконтрольованої.