§ 7.6. Электрические фильтры масс

В электрическом фильтре масс разделение ионов по массам осуществляется в высокочастотном электрическом поле квадруполя, образуемого четырьмя параллельными электродами круглого сечения (рис. 7.7, а). Противоположные электроды соединены попарно, и между ними прикладывается напряжение ±(U+Vcos ωt). Уравнения движения ионов в квадрупольном фильтре масс имеют следующий вид:

Из последнего уравнения системы (7.6) следует, что скорость ионов вдоль оси анализатора z остается неизменной. Первые два дифференциальных уравнения известны под названием уравнений Матье.

систему уравнений (7.6) можно переписать в другом виде:

Для значений а и g, лежащих внутри заштрихованной области на рис. 7.8, уравнения (7.7) имеют стабильные решения х(е) и у (г). При этом ионы, движущиеся в камере анализатора, совершают колебания с амплитудой, меньшей радиуса г0) и достигают коллектора ионов.

Ионы, движущиеся по неустойчивым траекториям, неограниченно увеличивают амплитуду колебаний и нейтрализуются на электродах анализатора.

Разрешающая способность анализатора зависит от отношения напряжений y=U/V:

При отношении γ≥Y_max ионы всех масс независимо от других параметров поля имеют неустойчивые траектории. Из уравнения (7.8) следует, что для получения большой разрешающей способности необходимо в процессе работы всегда выдерживать соотношение Y=0.999γ_мах- Таким образом, напряжение U и V при развертке масс-спектра изменяются совместно, а их соотношение должно поддерживаться с большой точностью.

Массовое число ионов, соответствующих γ_мах и имеющих устойчивую траекторию, связано с параметрами поля следующим соотношением:

где f — частота, мГц; V—амплитуда высокочастотного напряжения, В; r_о — радиус поля, м. Развертка масс-спектра осуществляется изменением амплитуды переменного напряжения на электродах. Ускоряющее напряжение в источнике ионов, обеспечивающее начальную скорость ионов по оси z, не должно превышать следующего значения:

здесь L — длина анализатора, м.

При превышении ускоряющим напряжением данного значения ионы, движущиеся по неустойчивым траекториям, не будут успевать уходить на электроды анализатора. Из (7.9) видно, что разрешающая способность прямо пропорциональна массовому числу.

Разновидностью электрического фильтра масс является монополярный анализатор (рис. 7.7, б), использующий один квадрант квадруполя. Такой анализатор состоит из цилиндрического электрода с отрицательным напряжением и уголкового заземленного электрода, рабочая поверхность которого расположена по нулевым эквипотенциальным линиям квадруполя, показанным пунктиром на рис. 7.7, а. Через монополярный анализатор проходят только ионы, входящие в анализатор во время отрицательной полуволны высокочастотного напряжения. Во время положительной полуволны ионы попадают на уголковый электрод и нейтрализуются.

Современные квадрупольные и монополярные газоанализаторы (см. табл. П. 12) работают в диапазоне массовых чисел от 1 до 500, разрешающая способность на уровне 10% от высоты пика р_м>500, коэффициент чувствительности 10^-2 А/Па, максимальное и минимальное рабочие давления 10^-2 и 10^-10 Па соответственно.