Материал: Vinarsky-Jurchenko

При регистрации спектра масс разрешающая способность и чувствительность масс-спектрометра будут зависеть от ширины входной щели приемника и ее пространственного расположения. Для обеспечения большей разрешающей способности ширину входной щели приемника следует выбирать существенно меньшей, чем ширина пучка в плоскости щели.

Для измерения ионных токов, обусловленных наличием изотопов, используются двухколлекторные (двухлучевые) приемники А. Нира.

Принципиальная схема устройства такого приемника приведена на рис. 51.

Рис. 51. Двухлучевой приемник ионов Нира для измерения концентрации изотопов относительным методом

Следует учитывать существование возможных причин погрешностей измерения ионных токов, таких как:

zz динатронный эффект;

zz вторичная эмиссия ионов и электронов из краев щелей и попадание их на коллектор;

zz неполное собирание ионов при ширине входной щели приемника меньшей, чем ширина ионного пучка в ее плоскости;

zz недостаточное разрешение и, следовательно, наложение соседних ионных пучков из-за слишком большой ширины входной щели приемника и непараллельности входной щели приемника и выходной щели источника;

zz попадание на коллектор рассеянных ионов соседних пучков; zz выбивание вторичных ионов из коллектора;

zz дрейф нуля и шумы электрометрического усилителя; zz погрешности измерительных приборов и элементов электронных схем; zz нелинейность характеристики усилителя постоянного тока.

В некоторых масс-спектрометрах для детектирования ионов применяются так называемые чаши Фарадея, в которых ионы попадают на электрод, соединенный непосредственно с чувствительным усилителем.

91

Детектор Фарадея целесообразно использовать при выполнении точных количественных определений, поскольку минимальный измеряемый ток в отсутствие фона равен 1,4 · 10‾15 А, при точности измерения до 10 %

минимальный измеряемый ток равен 0,7 · 10‾14 А, а при точности измерения до 1 % – 0,7 · 10‾13 А.

Принципиальная схема устройства решетчатого детектора, который представляет собой пластинку с просверленными в ней цилиндрическими отверстиями диаметром 15–20 мкм, приведена на рис. 52. Расстояние между центрами отверстий составляет 10–30 мкм.

Рис. 52. Принципиальная схема решетчатого детектора

Сторона входа пластинки имеет отрицательный потенциал (~ 1 кВ) относительно стороны выхода. Внутренняя поверхность каналов покрыта полупроводниковым материалом, благодаря которому осуществляется эмиссия вторичных электронов. Коэффициент умножения такого устройства равен 105. При использовании 2–3 пластин коэффициент можно повысить до 108.

Выходя из канала, поток вторичных электронов попадает на анод, и сигнал передается на процессор. Такое устройство напоминает фотографическую пластинку. Ионы с разной величиной отношения массы к заряду при сканировании параметров анализатора направляются на разные каналы и могут детектироваться одновременно.

Решеточный детектор, безусловно, более чувствителен, однако и стоимость его выше.

Токи, создаваемые незначительным количеством ионов с одним и тем же значением отношения массы к заряду, как правило, составляют

92

величины порядка 10‾9–10‾17 А и являются слишком малыми для их непосредственного измерения.

Поэтому после прохождения анализатора, пучок первичных ионов направляется на специальное устройство, выполняющее роль умножителя, которое должно перевести образовавшийся поток ионов в соответствующий усиленный поток фотонов или электронов.

В настоящее время для детектирования ионов чаще всего используются вторичные электронные умножители и фотоумножители.

Вторичные электронные умножители состоят из серии электродов (динодов), к которым приложена разность потенциалов, причем потенциал каждого последующего динода несколько выше, чем предыдущего.

Принципиальная схема устройства электронного умножителя приведена на рис. 53.

Рис. 53. Принципиальная схема электронного умножителя

Единичный ион, выходя из анализатора масс, ударяется о поверхность первого динода и выбивает из него несколько электронов, которые под действием разности потенциалов ускоряются и попадают на следующий электрод.

Среднее число выбитых на диноде электронов на один ион характеризуется коэффициентом ионно-электронной эмиссии А, который определяется из соотношения

А = Ie/I,

где Ie – величина тока, обусловленная выбитыми электронами; I – величина первичного ионного тока.

Величина А чаще всего может достигать значения от 1 до 10, а в некоторых случаях до 19 единиц.

93

Таким образом, с поверхности каждого последующего динода выбрасывается большее число электронов, чем на него попадает, что и приводит к лавинообразному возрастанию эмиссии электронов.

В результате такого каскадного процесса очень слабый электрический ток, создаваемый первичными ионами, резко усиливается.

Если число динодов в электронном умножителе равно n, а коэффициент электрон-электронной эмиссии на каждом диноде равен В, то коэффициент усиления всей системы будет определяться выражением

K = АВ n.

Коэффициент усиления характеризует среднее число электронов на аноде вторичного электронного умножителя при попадании одного иона на его катод. Коэффициент усиления такой системы, который пропорционален разности потенциалов между первым и последним динодами, может превышать 106.

Последний динод соединен с предусилителем, который преобразует регистрируемый ток в напряжение, как наиболее удобную для цифровой компьютерной регистрации форму.

При коэффициенте усиления, равном 106–107, при использовании усилителя постоянного тока с чувствительностью 10‾11–10‾12 А чувстви-

тельность вторичного электронного умножителя может достигать величины 10‾17–10‾18 А.

Диноды вторичных электронных умножителей обычно изготавливаются из материалов с большим коэффициентом вторичной ионно- и электрон-электронной эмиссии и слабо подвергающихся «отравлению» под действием пучка ионов и при напуске атмосферного воздуха. Этим условиям хорошо удовлетворяют 2 % медно-бериллиевый сплав, 2 % се- ребряно-магниевый сплав, а также сплавы никеля.

Коэффициент усиления некоторых вторичных электронных умножителей из-за контакта с атмосферой может снижаться на 2–3 порядка.

Срок службы такого электронного умножителя составляет, как правило, 1–2 года, что связано с загрязнением поверхности динодов в результате взаимодействия с ионами, а также с работой в условиях невысокого вакуума.

Всоответствии с их конструктивными особенностями чаще всего используются следующие типы вторичных электронных усилителей: коробчатые, ковшеобразные, жалюзийные, тороидальные, канальные.

Внекоторых приборах пучок ионов ускоряется перед первым динодом электростатическим полем. Поскольку увеличение энергии ионов приводит к увеличению выхода вторичных электронов, то будет иметь место

иувеличение чувствительности.

94

Для регистрации ионов используются также фотоумножители, действие которых основано на принципе регистрации фотонов, являющихся результатом протекания процесса сцинтилляции, кратковременной (10‾4–10‾9 с) световой вспышки (вспышка люминесценции), возникающей в сцинтилляторах под действием ионизирующих излучений. Сцинтилляторами могут выступать кристаллофосфоры (например, ZnS, NaI), органические кристаллы (например, антрацен, стильбен), растворы пластмасс, благородные газы.

Принципиальная схема устройства фотоумножителя приведена на рис. 54.

Сцинтиллятор

Рис. 54. Принципиальная схема фотоумножителя

Поток ионов направляется на конверсионный динод и вызывает эмиссию вторичных электронов. Электроны направляются на сцинтилляционный экран, где происходит эмиссия фотонов, которые далее попадают на каскадный умножитель, аналогичный описанной выше динодной системе. Усиленный поток фотонов регистрируется. Обладая таким же коэффициентом усиления, что и электронный умножитель, фотоумножитель имеет срок службы до 5 лет, так как фотоны в отличие от электронов проходят через стекло, т. е. умножитель может функционировать в запаянной трубке в условиях глубокого вакуума.

Необходимо отметить следующие недостатки сцинтилляционного детектора:

zz для получения высокой чувствительности необходимо ускорение ионов до энергии 50–70 кэВ, в то время как в масс-спектрометрах энергия ионов составляет величину порядка 10–20 кэВ;

zz при высоких энергиях, особенно в случае попадания довольно интенсивных пучков, сцинтиллятор быстро разрушается и не регенерируется;

95