¿Cómo separa los iones un espectrómetro de masas?
El sistema de separación cuadrupolar
En este sistema, los iones se separan en función de su relación masa/carga. Sabemos por la física que las partículas con carga eléctrica (iones) solo pueden desviarse de su trayectoria en función de su relación entre masa y carga, puesto que la atracción de las partículas es proporcional a la carga, mientras que la inercia (que se resiste a la carga) lo es a la masa. El sistema de separación consta de cuatro varillas metálicas cilíndricas, dispuestas en paralelo y aisladas entre sí; las dos varias opuestas están cargadas con el mismo potencial. En la Fig. 4.2 se muestra de forma esquemática la disposición de las varillas y el correspondiente suministro eléctrico. El campo eléctrico Φ contenido en el sistema de separación se genera sobreponiendo una tensión de CC y una tensión de CA de alta frecuencia:
r0= radio del cilindro que se puede inscribir dentro del sistema de varillas.
Fig. 4.2: Diagrama del espectrómetro de masas cuadrupolar
Se ejerce un efecto en un único ion cargado próximo a la línea central interior del sistema de separación y paralelo a ella; perpendiculares a su movimiento son las siguientes fuerzas:
El tratamiento matemático de estas ecuaciones de movimiento emplea las ecuaciones diferenciales de Mathieu. Se ha demostrado que hay trayectorias de iones estables e inestables. Con las trayectorias estables, la distancia de los iones desde la línea central del sistema de separación siempre es inferior al valor de ro (condición de paso). Con trayectorias inestables, la distancia desde el eje se incrementa hasta que el ion colisiona con la superficie de una varilla en última instancia. El ion quedará descargado (neutralizado), por lo que el detector no podrá detectarlo (condición de bloqueo).
Aun sin resolver la ecuación diferencial, es posible llegar a una explicación puramente fenomenológica que permite comprender las características más importantes del sistema de separación cuadrupolar.
Si nos imaginamos que cortamos el sistema de separación y observamos la desviación de un ion positivo y ionizado de forma individual con número atómico M, moviéndose en dos planos perpendiculares entre sí y que atraviesan los centros de las dos varillas opuestas. Procedemos paso a paso y, en primer lugar, observamos el plano xz (parte izquierda de la Fig. 4.5) para seguidamente pasar al yz (parte derecha de la Fig. 4.5).
Fig. 4.5: Explicación fenomenológica del sistema de separación
1. Solo hay potencial de CC en las varillas:
Plano xz (a la izquierda): potencial positivo +U en la varilla, con un efecto repelente sobre el ion, que lo mantiene centrado; llega al colector (→ paso).
Plano yz (a la derecha): potencial negativo -U en la varilla, lo que significa que, incluso en las desviaciones más pequeñas del eje central, el ion se desplazará hacia la varilla más cercana y se neutralizará allí; no llega al colector (→ bloqueo).
2. Superposición de tensión de alta frecuencia V · cos ω t:
Plano xz (a la izquierda): potencial de la varilla +U + V · cos Ω t. Con el aumento de la amplitud de tensión de CA V, el ion se excitará para efectuar oscilaciones transversales con amplitudes cada vez mayores hasta que entre en contacto con una varilla y se neutralice. El sistema de separación permanece bloqueado para valores de V que resulten muy elevados.
Plano yz (a la derecha): potencial de la varilla -U -V · cos Ω t. Aquí de nuevo la superposición induce una fuerza adicional, de modo que, a partir de un determinado valor para V, la amplitud de las oscilaciones transversales será menor que la separación entre las varillas y el ion puede pasar al colector a un valor de V muy elevado.
3. Emisión de iones i+ = i+ (V) para una masa fija de M:
Plano xz (a la izquierda): para tensiones V < V1, la desviación que conduce a un incremento de las oscilaciones es menor que V1, esto es, se permanece en el rango de "paso". Si V > V1, la desviación será suficiente para inducir el incremento anterior y, en consecuencia, también un bloqueo.
Plano yz (a la derecha): para tensiones V < V1, la desviación que conduce a la amortiguación de las oscilaciones es menor que V1, esto es, se permanece en el rango de "bloqueo". Si V > V1, la amortiguación bastará para asentar las oscilaciones y permitir así el paso.
4. Circulación de iones i+ = i+ (M) para una relación fija de U/V:
Aquí las relaciones son exactamente opuestas a las de i+ = i+ (V), ya que el efecto de la V en masas bajas es mayor que en masas superiores.
Plano xz: para masas M < M1, la desviación que resulta en el incremento de las oscilaciones es mayor que en M1, lo que significa que los iones se verán bloqueados. Si M > M1, la desviación ya no basta para el incremento, por lo que el ion puede pasar.
Plano yz: para masas M < M1, la desviación que resulta en amortiguamiento de las oscilaciones es mayor que en M1, lo que significa que el ion pasa. SI M > M1, la amortiguación no es suficiente para calmar el sistema, por lo que el ion se ve bloqueado.
5. Combinación de los planos xz e yz.
En la superposición de las corrientes iónicas i+ = i+ (M) de ambos pares de varillas (con un valor fijo de U/V) hay tres rangos importantes:
Rango I: no hay paso para M debido al comportamiento de bloqueo del par de varillas xz.
Rango II: el factor de paso de los sistemas de varillas para la masa M viene determinado por la relación U/V (no se produce paso de otros iones). Se observa que la gran permeabilidad (correspondiente a la alta sensibilidad) se consigue a costa de una baja selectividad (= resolución, véanse las Especificaciones en espectrometría de masas). Por consiguiente, para un ajuste idóneo del sistema de separación se necesita de un equilibrio entre estas dos propiedades. Para lograr una resolución constante, la relación U/V permanecerá constante en todo el rango de medición. El "número atómico" M (véase la página sobre Ionización) de los iones que pueden atravesar el sistema de separación debe cumplir esta condición:
V = amplitud de alta frecuencia,
rO = radio inscrito del cuadripolo
f = alta frecuencia
Como resultado de esta dependencia lineal, se produce un espectro de masa con una escala de masa lineal como consecuencia de la modificación simultánea y proporcional de U y V.
Rango III: M no puede pasar, debido a las características de bloqueo del par de varillas de yz.
El sistema de medición (detector)
Una vez que hayan salido del sistema de separación, los iones se encontrarán con la trampa iónica o el detector que, en el más simple de los casos, consistirá en una jaula de Faraday (copa de Faraday). Sea como fuere, los iones que impactan en el detector serán neutralizados por los electrones de la trampa de iones. Se muestra posteriormente a una amplificación eléctrica, ya que la propia señal de medición constituye el "flujo de emisión iónica". Si se quiere conseguir una mayor sensibilidad, es posible emplear un colector multiplicador de electrones secundario (secondary electron multiplier pickup, SEMP) en vez de una copa de Faraday.
Es posible usar unidades Channeltron y Channelplate como SEMP. Los SEMP son amplificadores virtualmente libres de inercia con una ganancia de aproximadamente 10+6 al principio, valor que de hecho cae durante la etapa de uso inicial para posteriormente pasar a ser casi constante durante un periodo prolongado. En la parte izquierda de la Fig. 4.6 aparece la configuración básica de una trampa iónica de Faraday; a la derecha, una sección transversal de un Channeltron. A la hora de registrar espectros, el periodo de análisis por línea másica t0 y las constantes temporales del amplificador t deben cumplir la condición de que t0 = 10 τ. En los dispositivos actuales como el TRANSPECTOR, la elección del periodo de análisis y las constantes temporales del amplificador, que de otra forma no sufrirían limitación alguna, quedan restringidas a pares de valores lógicos mediante microprocesador.
Fig. 4.6: Izquierda: el principio de la copa de Faraday. Derecha: configuración del Channeltron
Fundamentos de la tecnología de vacío
Descargue nuestro libro electrónico "Fundamentos de la tecnología de vacío" para descubrir los procesos y elementos esenciales de las bombas de vacío.
Referencias
- Símbolos de vacío
- Glosario de unidades
- Referencias y fuentes
Símbolos de vacío
Un glosario de símbolos comúnmente utilizados en diagramas de tecnología de vacío como representación visual de tipos y piezas de bombas en sistemas de bombeo
Glosario de unidades
Una descripción general de las unidades de medida utilizadas en la tecnología de vacío y el significado de los símbolos, así como los equivalentes actuales de las unidades históricas
Referencias y fuentes
Referencias, fuentes y lecturas adicionales relacionadas con los conocimientos fundamentales sobre la tecnología de vacío
