Gas analysis and mas spectrometers banner

เครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลแยกไอออนอย่างไร?

แชร์ผ่าน

ระบบการแยกแบบสี่โพล

ที่นี่ ไอออนจะถูกแยกออกจากกันตามอัตราส่วนมวลต่อประจุ เราทราบจากฟิสิกส์ว่าการเบี่ยงเบนของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า (ไอออน) จากเส้นทางของอนุภาคนั้นเป็นไปได้ตามอัตราส่วนมวลต่อประจุเท่านั้น เนื่องจากการดึงดูดอนุภาคนั้นเป็นสัดส่วนกับประจุ ในขณะที่ความเฉื่อย (ซึ่งต้านทานการเปลี่ยนแปลง) เป็นสัดส่วนกับมวลของอนุภาคนั้น ระบบการแยกประกอบด้วยแท่งโลหะทรงกระบอกสี่แท่งที่ติดตั้งแบบขนานและแยกออกจากกัน แท่งตรงข้ามสองแท่งจะมีศักย์ไฟฟ้าเท่ากัน รูปที่ 4.2 แสดงแผนผังการจัดเรียงแท่งและแหล่งจ่ายไฟของแท่ง สนามไฟฟ้า Φ ภายในระบบแยกจะเกิดขึ้นโดยการซ้อนทับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงและแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง:

r₀ = รัศมีของกระบอกสูบที่สามารถเขียนไว้ภายในระบบก้าน

ภาพที่ 4.2 แผนผังสําหรับเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลแบบสี่โพล

ผลกระทบที่มีต่อไอออนที่มีประจุหนึ่งตัวที่เคลื่อนที่ใกล้และขนานกับเส้นกึ่งกลางภายในระบบการแยก และตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของไอออนดังกล่าวคือแรง:

การประมวลผลทางคณิตศาสตร์ของสมการการเคลื่อนไหวเหล่านี้ใช้สมการผลต่างของ Mathieu ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีเส้นทางไอออนที่เสถียรและไม่เสถียร ด้วยเส้นทางที่เสถียร ระยะห่างของไอออนจากเส้นกึ่งกลางของระบบแยกจะยังคงน้อยกว่า ro (สภาวะการผ่าน) เสมอ เมื่อเส้นทางไม่เสถียร ระยะห่างจากแกนจะเพิ่มขึ้นจนกระทั่งไอออนชนกับพื้นผิวก้าน ไอออนจะถูกปล่อยออก (ทําให้เป็นกลาง) ทําให้เครื่องตรวจจับไม่สามารถใช้งานได้ (สภาวะการปิดกั้น)

แม้ว่าจะไม่มีการแก้ไขสมการส่วนต่าง แต่ก็เป็นไปได้ที่จะได้คําอธิบายทางปรากฏการณ์วิทยาอย่างแท้จริง ซึ่งนําไปสู่การทําความเข้าใจคุณสมบัติที่สําคัญที่สุดของระบบการแยกแบบสี่โพล

ถ้าเราจินตนาการว่าเราตัดระบบการแยกออกและสังเกตการเบี่ยงเบนของไอออนบวกที่มีไอออนเดี่ยวที่มีเลขอะตอม M เคลื่อนที่ในระนาบสองระนาบซึ่งตั้งฉากกันและกันและแต่ละระนาบเคลื่อนผ่านตรงกลางของก้านตรงข้ามกันสองก้าน เราดําเนินการทีละขั้นตอนและสังเกตระนาบ xz ก่อน (รูปที่ 4.5, ซ้าย) และจากนั้นระนาบ yz (รูปที่ 4.5, ขวา):

ภาพที่ 4.5 คําอธิบายทางปรากฏการณ์ของระบบการแยก

1. เฉพาะศักย์ไฟฟ้ากระแสตรง U ที่ก้าน:

ระนาบ xz (ซ้าย): ศักย์ไฟฟ้าที่เป็นบวกของ +U ที่ก้าน ซึ่งมีผลต่อการผลักไอออน ทําให้ไอออนอยู่ตรงกลาง และไปถึงตัวเก็บ (→ ทางเดิน)

ระนาบ yz (ขวา): ศักย์ลบบนก้าน -U ซึ่งหมายความว่าแม้จะมีความเบี่ยงเบนเพียงเล็กน้อยจากแกนกลาง ไอออนจะถูกดึงไปทางก้านที่ใกล้ที่สุดและทําให้เป็นกลางที่นั่น ไอออนจะไม่ไปถึงตัวเก็บ (→ การปิดกั้น)

2. การซ้อนทับของแรงดันไฟฟ้าความถี่สูงอายุ V · cos ω t:

ระนาบ xz (ซ้าย): ศักย์ไฟฟ้าของก้าน +U + V · cos ω t เมื่อแอมพลิจูดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ V เพิ่มขึ้น ไอออนจะถูกกระตุ้นให้เกิดการสั่นสะเทือนตามขวางที่น่ารักด้วยแอมพลิจูดที่มากขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งสัมผัสกับก้านและถูกทําให้เป็นกลาง ระบบการแยกยังคงถูกปิดกั้นสําหรับค่า V ที่สูงมาก

ระนาบ yz (ขวา): ศักย์ไฟฟ้าของก้าน -U -V · cos ω t ที่นี่การซ้อนทับอีกครั้งจะเหนี่ยวนําแรงเพิ่มเติมเพื่อให้ตั้งแต่ค่า V หนึ่ง แอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนตามขวางจะน้อยกว่าระยะห่างระหว่างก้านและไอออนสามารถส่งไปยังตัวเก็บที่ V ขนาดใหญ่มาก

3. การปล่อยไอออน i ⁺ = i ⁺(V) สําหรับมวลคงที่ของ M:

ระนาบ xz (ซ้าย): สําหรับแรงดันไฟฟ้า V < V₁การเบี่ยงเบนที่นําไปสู่การเพิ่มขึ้นของการสั่นสะเทือนจะน้อยกว่า V₁ กล่าวคือ ยังคงอยู่ในช่วง "ผ่าน ในกรณีที่ V > V₁1 การเบี่ยงเบนจะเพียงพอที่จะทําให้เกิดการเพิ่มขึ้นและก่อให้เกิดการอุดตัน

ระนาบ yz (ขวา): สําหรับแรงดันไฟฟ้า V < V₁การเบี่ยงเบนที่นําไปสู่การลดแรงสั่นสะเทือนจะน้อยกว่า V₁ กล่าวคือ ยังคงอยู่ในช่วง "บล็อก ที่ V > V₁1 การลดแรงกระแทกจะเพียงพอที่จะชะลอการสั่นสะเทือน ทําให้สามารถเคลื่อนผ่านได้

4. การไหลของไอออน i+ = i+ (M) สําหรับอัตราส่วนคงที่ของ U / V:

ในที่นี้ ความสัมพันธ์จะตรงกันข้ามกับความสัมพันธ์สําหรับ i ⁺ = i ⁺ (V) เนื่องจากอิทธิพลของ V ที่มีต่อมวลเบามากกว่ามวลหนัก

ระนาบ xz: สําหรับมวล M < M₁1 การเบี่ยงเบนที่ส่งผลให้เกิดการเพิ่มขึ้นของการสั่นสะเทือนมากกว่าที่ M₁ ซึ่งหมายความว่าไอออนจะถูกบล็อก ที่ M > M1 การเบี่ยงเบนไม่เพียงพอสําหรับการเพิ่มสูงขึ้นอีกต่อไป เพื่อให้ไอออนสามารถผ่านได้

ระนาบ yz: สําหรับมวล M < M1 การเบี่ยงเบนที่ส่งผลให้เกิดการลดทอนการสั่นสะเทือนมากกว่าที่ M₁ ซึ่งหมายความว่าไอออนจะผ่าน ที่ M > M1 การลดทอนไม่เพียงพอที่จะทําให้ระบบสงบลง ดังนั้นไอออนจึงถูกปิดกั้น

5. การรวมกันของระนาบ xz และ yz

ในการซ้อนทับของกระแสไอออน i ⁺ = i ⁺ (M) สําหรับก้านทั้งสองคู่ (U / V คงที่) มีช่วงที่สําคัญสามช่วง:

ช่วง I: ไม่มีทางผ่านสําหรับ M เนื่องจากพฤติกรรมการปิดกั้นของคู่ก้าน xz

ช่วง II: ปัจจัยการผ่านของระบบก้านสําหรับมวล M จะถูกกําหนดโดยอัตราส่วน U/V (ไอออนอื่นจะไม่ผ่าน) เราเห็นว่าการซึมผ่านที่ยอดเยี่ยม (สอดคล้องกับความไวสูง) ถูกซื้อในราคาของการเลือกที่ต่ํา (= ความละเอียด ดูข้อมูลจําเพาะในแมสสเปกโตรเมทรี ) การปรับแต่งที่เหมาะสมที่สุดของระบบการแยกจึงต้องมีการประนีประนอมระหว่างคุณสมบัติทั้งสองนี้ เพื่อให้ได้ความละเอียดคงที่ อัตราส่วน U/V จะคงที่ตลอดช่วงการวัดค่าทั้งหมด "เลขอะตอม" M ( ดูหน้า เกี่ยวกับไอออนไนซ์ ) ของไอออนที่สามารถผ่านระบบการแยกได้ต้องตรงตามเงื่อนไขนี้:

V = แอมพลิจูดความถี่สูง
r_O = รัศมีที่เขียนสี่เสา
f = ความถี่สูง

ผลที่ได้จากการพึ่งพาเชิงเส้นนี้คือ สเปกตรัมมวลที่มี li ใกล้เคียงกับสเกลมวลเนื่องจากการดัดแปลง U และ V ในสัดส่วนพร้อมกัน

ช่วง III: M ไม่สามารถผ่านได้ เนื่องจากลักษณะการบล็อกของคู่ก้าน yz

ระบบการวัด (เครื่องตรวจจับ)

เมื่อออกจากระบบแยก ไอออนจะพบกับตัวดักไอออนหรือเครื่องตรวจจับ ซึ่งในกรณีที่เรียบง่ายที่สุดจะอยู่ในรูปของกรงฟาราเดย์ (ถ้วยฟาราเดย์) ไม่ว่าในกรณีใด ไอออนที่กระแทกกับเครื่องตรวจจับโลหะจะถูกทําให้เป็นกลางโดยอิเล็กตรอนจากตัวดักไอออน แสดงหลังจากการขยายสัญญาณไฟฟ้า เนื่องจากตัวสัญญาณการวัดค่าเองเป็น "กระแสการปล่อยไอออน" ที่สอดคล้องกัน เพื่อให้ได้ความไวสูงขึ้น สามารถใช้การดูดจ่ายตัวคูณอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (SEMP) แทนถ้วยฟาราเดย์ได้

Channeltron หรือ Channelplate สามารถใช้เป็น SEMP ได้ SEMP เป็นเครื่องขยายสัญญาณที่แทบจะไม่มีความเฉื่อยโดยมีค่าอัตราขยายตั้งแต่เริ่มต้นประมาณ 10 ⁺⁶ ซึ่งจะลดลงในช่วงการใช้งานแรก แต่จะคงที่ในระยะยาว รูปที่ 4.6 ด้านซ้ายแสดงการกําหนดค่าพื้นฐานของตัวดักไอออนฟาราเดย์ และด้านขวาแสดงส่วนที่ผ่าน Channeltron เมื่อบันทึกสเปกตรัม ช่วงเวลาการสแกนต่อสายมวล t₀ และค่าคงที่เวลาของตัวขยายสัญญาณ t ควรตอบสนองเงื่อนไขที่ t₀ = 10 τ ในอุปกรณ์สมัยใหม่ เช่น TRANSPECTOR การเลือกช่วงเวลาการสแกนและค่าคงที่เวลาของตัวขยายสัญญาณที่ไม่จํากัดอื่นๆ จะถูกจํากัดโดยการควบคุมไมโครโปรเซสเซอร์ให้เป็นคู่ค่าตรรกะ