ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Масс-спектрометр как прибор для изотопного анализа из "Прецизионный масс-спектрометрический метод определения изотопного состава серы" Потребность в знании изотопного состава природного объекта как индикатора химических и геологических процессов приводит к необходимости иметь надежные методы определения изотопного состава в исследуемых образцах с достаточной точностью. В каждом методе используются определенные свойства изотопов. [c.32] При определении относительного содержания изотопов флотационным методом используются разные плотности исследуемой жидкости и раствора. Такой способ изотопного анализа был успешно применен Р. В. Тейс [38] для изучения изотопов кислорода в карбонатах и В. С. Рыловым [39] —для изотопов магния. [c.32] В настоящее время в изучении распределения стабильных изотопов масс-спектрометрический метод является главным. Основные его преимущества перед другими методами — возможность фиксировать изотопы, мало отличающиеся по массе (дуплеты), и более высокая точность и экспрессность измерения. По сравнению с флотацией масс-спектрометрический метод дает точность на порядок выше. [c.32] Следовательно, в магнитном поле ускоренные ионы описывают близкие к круговым траектории с радиусами, пропорциональными оо ответствующим ионным импульсам. Разделенные таким образом ионные пучки, соответствующие исследуемым массам, попадают в приемник, где на коллекторах заряды пришедших ионов собираются. и затем регистрируются специальными электронными устройствами. Такая регистрация интенсивности ионного тока называется методом электрического заряда. Из сказанного вытекает, что любой масс-спектрометр должен состоять обязательно из ионного источника, камеры анализатора (в магнитном поле) и приемника ионов в комплексе с измерительной аппаратурой для регистрации ионных токов. [c.34] Рассмотрим подробно конструкцию и характерные особенности отдельных узлов масс-спектрометра. [c.34] Обычно для масс-спектральных измерений изотопного состава образцов в газовой фазе применяется ионный источник конструкции Нира (рис. 9). Положительные ионы здесь образуются посредством электронной бомбардировки нейтральных молекул, для чего исследуемый газ через узкую фарфоровую трубку поступает в коробочку ионного источника, где бомбардируется электронами. Источником электронов служит катод, представляющий собой узкую ленту из материала с малой работой выхода электрона. Термоэлектронная эмисоиия достигается путем пропускания электрического тока через катоды. Чтл бы сообщить электронам достаточную энергию а придать направленность движения, между анодом (коробочкой) и катодом прикладывается дополнительное (ионизирующее) напряжение. [c.34] Выполнение перечисленных требований невозможно без высокой стабильности ( 5-10 зо/р приложенных напряжений и тщательно выполненной геометрии источника, причем сам источник ионов должен находиться в чистоте и быть огражден от внешних воздействий (наведенные магнитные поля, резкое изменение темлературы и т. д.). [c.35] Эффективность ионизации в таком ионном источнике, т. е. отношение количества образовавшихся ионов к числу прошедших нейтральных молекул, находится в прямой зависимости от энергии связи компонентов в молекуле. В общем случае вероятность ионизации молекул эмпирически определяется как отношение линейных размеров ионного источника (с1) к средней длине свободного пробега электрона (к) [40]. Степень ионизации разных соединений различна и колеблется в пределах от 20 до 10-2% . [c.35] Поскольку пучок ионов близок к моноэнергетическому, можно было бы ожидать, что на регистрирующем устройстве форма пучка должна представлять собой изображение, близкое по размеру выходной щели ионного источника. На самом деле изображение поперечного сечения ионного пучка довольно сильно размыто из-за разного типа аберраций. Во-первых, ионный луч несколько расплывается вследствие того, что ионы вылетают из ионного источника все же под некоторым углом а (сферическая аберрация). Во-вторых, наблюдается и хроматическая аберрация. Причина ее появления заключается в том, что ширина электронного пучка имеет конечные размеры, благодаря чему ионы, образовавшиеся в разных областях поперечного сечения пучка электронов, приобретают разную энергию вследствие градиента ускоряющего напряжения. Наличие объемного заряда (кулонов-ское отталкивание одноименных частиц в потоке ионов), влияние которого начинает сказываться при токах от 10 до 10 а и становится вполне заметным при 10 а, дополнительно размывает прямоугольную форму ионного луча. [c.35] Загрязнение источника ведет к нестабильности ионного пучка. Особенно это заметно при работе с сернисты.м газом (SO2) после интенсивной эксплуатации прибора в течение длительного периода времени (2 4 мес.) наблюдалась нестабильность ионного тока. Как оказалось, причиной ненормального поведения ионного луча явилось загрязнение керамики источника (образование пленок), что приводило к утечкам ускоряющего напряжения. После профилактики (чистки керамики, кипячения ее в дистиллированной воде и промывки спиртом) стабильность ионного пучка восстановилась. [c.36] Геометрия источника должна строго соблюдаться, так как нарушение ее (искривление выходной щели источника) ведет к потере разрешающей силы. [c.36] Камера масс-анализатора выполняется из материалов с магнитной проницаемостью 1,005, на которых отсутствуют поверхностные эффекты и которые не окисляются и не корродируют. Такими свойствами обладают нержавеющая сталь и медь предпочтение отдается нержавеющей стали благодаря ее меньшей сорбционной способности. [c.36] В месте полюсных наконечников секторного магнита камера сплющена и ее круглое сечение становится прямоугольным. Область сужения камеры анализатора требует крайне осторожного обращения —нельзя допускать образования глубоких царапин, попадания металлических стружек и так далее, так как подобные дефекты нарушают ионную оптику. Требование к чистоте здесь такое же, как и для ионного источника. [c.36] Система коллекторов приемника ионов представляет собой несколько видоизмененные цилиндры Фарадея с антидинатрон-ными пластинами, которые препятствуют выходу вторичных электронов, образующихся при бомбардировке коллектора положительными ионами и повышающих потенциал коллекторов. [c.36] В масс-спектрометрии для определения распространенности изотопов используются два метода абсолютный и относительный. [c.37] Абсолютный метод позволяет оператору с помощью развертки магнитного поля регистрировать спектр масс в единицах интенсивности пик за пиком в пределах разрешающей способности прибора. Образец записи на ленте самопишущего регистратора изображен на рис. 10. [c.37] Эта величина и определяет, по-видимому, оптимальную точность большинства подобных измерений. [c.37] Если приемником ионов одновременно (при наличии двух коллекторов) фиксировать два ионных тока, которые соответствуют двум интересующим нас иаотопам, то имеет смысл измерять отношение их интенсивностей — метод компенсации двух ионных токов. Исключительно важно, что условие компенсации не зависит ни от ионных токов 1 и /г, если они изменяются одинаково, и от изменения общей иитенсивности во времени. [c.37] В газовом ионном источнике, помимо фракционирования по массам при напуске (подробное рассмотрение приведено в разделе Напускная система ), искажение результатов происходит из-за наложения вспомогательного магнитного поля в области образования ионного пучка. В последнем случае дискриминация вызывается селективным магнитным отклонением ионов с разными массами. Изменение электростатических полей в ионном источнике в свою очередь может приводить к изменению изотопных отношений. Авторы наблюдали искажение изотопных отношений в результате смешения в определенном диапазоне корректирующего напряжения ионный пик одного изотопа возрастал, в то время как пик другого изотопа уменьшался. [c.38] Вернуться к основной статье