Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83



Скачать 84.38 Kb.
Дата04.12.2012
Размер84.38 Kb.
ТипМетодические указания


3858

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


ИзуЧение принципА работы

циклоидального масс-спектрометра
Методические указания

к лабораторной работе


Рязань 2006

УДК 621.384.83

Изучение принципов работы циклоидального масс-спектрометра: Методические указания к лабораторной работе /Рязан. гос. радиотехн. ун т.; Сост.: А.Е.Малютин, В.А.Илюхин; Под ред. Б.И.Колотилина. Рязань, 2006. 8 с.

Содержат основы теории работы циклоидальных масс-спектрометров, описание программы моделирования движения ионов в циклоидальном масс-спектрометре и порядок проведения работы.

Предназначены для студентов специальности 071400 «Физическая электроника».

Ил. 4. Библиогр.: 3 назв.
Циклоидальный масс-спектрометр, разрешающая способность, двойная фокусировка
Печатается по решению редакционно-издательского совета Рязанского государственного радиотехнического университета.
Рецензент: кафедра общей и экспериментальной физики РГРТУ
(и. о. зав. кафедрой проф. Б.И. Колотилин)


Изучение принципов работы циклоидального масс-спектрометра
Составители: Малютин Александр Евгеньевич

Илюхин Виталий Александрович
Редактор М.Е.Цветкова

Корректор Н.Г.Рябчикова

Подписано в печать . Формат бумаги 60  84 1/16.

Бумага газетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 0,5.

Уч.-изд. л. 0,5. Тираж 25 экз. Заказ

Рязанский государственный радиотехнический университет.

390005, Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

Редакционно-издательский центр РГРТУ.

Цель работы: изучение принципа работы циклоидального масс-спектрометра; проведение численного эксперимента; исследование зависимости характеристик масс-спектрометра от параметров ионного источника.
Основы теории работы

циклоидального масс-спектрометра
В статической масс-спектрометрии различают фокусировку по направлению, в которой ионный пучок формируется из ионов, имеющих различное начальное направление, но одинаковую скорость, и фокусировку по скорости, в которой ионный пучок формируется из ионов, имеющих различную скорость, но одно и то же начальное направление. В случае двойной фокусировки ионный пучок формируется из ионов, имеющих различные начальные скорости и направление. К приборам, в которых реализуется совершенная двойная фокусировка, относится масс-спектрометр трохоидального типа, известный также как циклоидальный или циклоидный масс-спектрометр.

Простейший случай идеальной двойной фокусировки возможен при движении ионов в плоскости, перпендикулярной к однородному магнитному полю.
В 1938 году Блэкни и Хиппл предложили использовать при масс-анализе скрещенные однородные магнитное и электростатическое поля, положив тем самым начало созданию циклоидальных масс-спектрометров.

Движение ионов в скрещенных полях хорошо известно и описывается следующими параметрическими уравнениями:

(1)

где Е и Н – напряженности электрического и магнитного полей соответственно, m – масса иона и e – заряд иона.

Проинтегрировав эти уравнения, полагая при t=0 x=0 и y=0, получим следующие решения:

(2)

где А и  постоянные интегрирования, зависящие от начальной скорости и направления движения иона относительно электрического поля.

Выражения (2) представляют собой уравнения трохоиды – кривой, являющейся геометрическим местом точек на радиусе круга, когда круг катится без скольжения по прямой линии (рис. 1).

Из выражений (2) можно получить, что в момент времени t=2nm/eH, где n целое число, Yn=0 и Xn=2nmE/eH 2, т.е. положения иона не зависят от постоянных А и . Это означает, что ионы с одинаковым отношением массы к заряду, образующиеся в точке с координатами x = 0 и y = 0, должны фокусироваться в точке, находящейся на расстоянии Xn=2nmE/eH2, вне зависимости от начальных значений скорости и направления вылета.




Рис. 1. Удлиненная (d > r) и укороченная (d < r) трохоидальные

траектории ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях

в плоскости, перпендикулярной к магнитному полю

Блэкни и Хиппл сконструировали два прибора, в одном из которых траектория движения ионов представляла собой укороченную циклоиду (d<r), а в другом – удлиненную циклоиду (d>r), где d – расстояние от точки до оси вращения, r – радиус круга. В масс-спектрометрии обычно используется удлиненная циклоидная траектория движения ионов. Такая форма кривой соответствует движению точки, связанной с катящимся кругом, но лежащей вне его. На рис. 2 представлены такие кривые для различных начальных скоростей и направлений вылета, а также показано положение первого фокуса при n=1.


Рис. 2. Траектории движения ионов

в циклоидальном масс-спектрометре
При работе на любом приборе с фиксированным положением входных и выходных щелей для развертки масс-спектра необходимо изменять либо магнитное, либо электростатическое поле. Для уменьшения дискриминации необходимо также, чтобы ионы различных масс, фокусируемые на коллекторе, двигались по одной и той же траектории. Для этого в циклоидальном масс-спектрометре E и ускоряющий потенциал источника ионов V остаются неизменными при изменении H либо H и отношение E к V остаются неизменными при изменении E. При этом eV представляет энергию, с которой ионы входят в область скрещенных полей. Любое из этих условий реализуется очень легко.

Следует отметить, что выражение для разрешающей силы определяется так же, как это делается для магнитных спектрометров типа Демпстера m/m=X/X, где Xрасстояние между точками объекта и изображения, а Х – ширина выходной щели.

Преимуществом циклоидального масс-спектрометра является то, что необходимо иметь лишь две точно установленные щели, компланарные в эквипотенциальной плоскости. При этом соблюдается линейность шкалы масс, так как Xn пропорционально m.

Недостатком приборов данного типа является требование однородности магнитного и электростатического полей в широкой области. Кроме того, фокальная точка для ионов с одной массой может пересекаться ионами с другой массой, движущимися к своему фокусу. Отрицательно заряженные ионы, выходящие из ионного источника, также могут попадать в точку фокуса.




Рис. 3. Циклоидальный масс-спектрометр Перкинса и Шарпантье:

1 – катод;

2 – отражатель ионов;

3 – щелевые диафрагмы;

4 – пучок ионизирующих электронов;

5 – пучок ионов;

6 – коллектор ионов;

7 – положительный электрод;

8 – отрицательный электрод;

9 – анод (коллектор электронов)
Разработано несколько конструкций циклоидальных масс-спектрометров, в которых ионы перемещаются по удлиненным траекториям. Типичный пример спектрометра для анализа состава остаточных газов при низком давлении представлен на рис. 3.

Однородное электрическое поле необходимой протяженности создается набором пластин, расположенных на строго определенных расстояниях и изолированных друг от друга специальными керамическими прокладками (на рисунке не показаны). Пучок ионов проходит через прямоугольные щели в этих пластинах. Напряжение подается на каждую пластину в отдельности. К недостаткам прибора следует отнести наличие значительного числа электрических вводов, а также деталей с большой общей поверхностью, что затрудняет обезгаживание.
Описание программы компьютерного моделирования

работы циклоидального масс-спектрометра
Программа «Циклоидальный масс-спектрометр v.2.2» предназначена для моделирования процесса разделения ионов в циклоидальном масс-спектрометре методом Монте-Карло.




Рис. 4. Окно программы моделирования
циклоидального масс-спектрометра

На рис. 4 представлено рабочее окно программы. В левой части окна находится область задания параметров. Выбор устанавливаемого параметра осуществляется щелчком левой кнопки мыши по соответствующей строке, изменение величины параметра – перемещением мыши влево и вправо, установка выбранной величины – еще одним щелчком левой кнопки мыши. Всего устанавливается 8 параметров:

«Разброс по углу dAlfa» – разброс по углу вылета ионов: от 0 до 1.3 рад;

«Разброс по скорости dv» – разброс скоростей ионов, изменяется от 0 для моноэнергетического пучка до 1 % для максимального разброса;

«Количество ионов» – общее число ионов одной массы, выходящих из ионного источника: от 100 до 1000;

«Начальная скорость» – начальная скорость вылета ионов: от 400 до 660 отн. ед. в секунду, определяемых требованием поддержания E/= const;

«Точность» – число интервалов разбиения диапазона напряженности электрического поля: от 300 до 500;

«Еmin» – начальная величина напряженности электрического поля;

«Еmax» – конечная величина напряженности электрического поля, обе величины лежат в пределах 150300 В/м;

«Количество групп ионов» – от 1 до 5 групп, масса ионов каждой группы устанавливается в расположенной ниже таблице в пределах 1030 а.е.м.

При нажатии кнопки «Начало моделирования» начинается процесс моделирования движения ионов, траектории которых отображаются в правой части окна. В любой момент моделирование можно прервать нажатием на ту же кнопку. Во время моделирования на графике в правой части окна отображается масс-спектр.

После окончания моделирования в левой части окна отображаются результаты моделирования – разрешающая способность, определяемая по уровню 0,1 и максимальная относительная интенсивность.
Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение рабочего диапазона скоростей

  1. Установите количество групп ионов равным 1 и массу ионов – 20 а.е.м. Установите максимально возможный диапазон напряженности, разбросы по скорости и по углу – 0.

  2. Изменяя скорость ионов от 400 до 650, определите минимальную и максимальную скорости, при которых возможна регистрация пика.

  3. Повторите пункт 2 для значений массы ионов, равных 21 и 22 а.е.м.


Задание 2. Исследование зависимости разрешающей способности от разброса ионов по углу вылета

  1. Установите количество групп ионов равным 1 и массу ионов по указанию преподавателя. Разброс скоростей ионов dv=0.

  2. Изменяя dAlpha в пределах от 0 до 0,390 с шагом 0,065, определите разрешающую способность R. Для каждого значения угла определение R повторить три раза.

  3. Для каждого угла найдите среднее значение разрешающей способности и погрешность метода Монте-Карло:

.

  1. Постройте график зависимости разрешающей способности от разброса по углу вылета.


Задание 3. Исследование зависимости разрешающей способности от разброса ионов по скоростям

  1. Установите количество групп ионов равным 1 и массу ионов по указанию преподавателя. Разброс ионов dAlpha=0.

  2. Изменяя dv в пределах от 0 до 150 с шагом 30, определите разрешающую способность R. Для каждого значения dv определение R повторите три раза.

  3. Для каждого значения dv найдите среднее значение разрешающей способности и погрешность метода Монте-Карло (п. 3 задания 2).

  4. Постройте график зависимости разрешающей способности от разброса по скоростям.


ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКонтролЯ


  1. Конструкция и принцип работы циклоидального масс-спектрометра.

  2. Что такое двойная фокусировка?

  3. Выведите уравнения, описывающие траектории движения ионов в скрещенных магнитном и электрическом полях.

  4. Достоинства и недостатки циклоидального масс-спектрометра.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


  1. Рафальсон А.Э., Шерешевский А.М. Масс-спектрометрические приборы. М.: Атомиздат, 1968.

  2. Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М.: Атомиздат, 1977.

  3. Дж. Бейнон. Масс-спектрометрия и ее применение в органической химии. М.: Мир, 1964.


Похожие:

Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconМетодические указания к лабораторной работе Рязань 2004 удк 621. 396. 21
Спектральный анализ сигналов: Методические указания к лабораторной работе / В. В. Езерский, А. В. Егоров; Рязан гос радиотехн акад....
Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconМетодические указания к лабораторной работе Рязань 2003 удк 57(021)
Изучение процесса радиоактивного распада: Методические указания к лабораторной работе /Рязан гос радиотехн акад.; Сост.: А. П. Ефремов,...
Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconМетодические указания к лабораторной работе №1 по курсу "Операционные системы" Волгоград 2005 удк 681. 31
Управление вводом выводом и дисковая подсистема ms-dos: Методические указания к лабораторной работе №1 по курсу "Операционные системы"...
Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconМетодические указания к лабораторной работе по курсу «Информатика»
Методические указания к лабораторной работе по информатике знакомят с назначением и функцией программы оболочки
Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconМетодические указания к лабораторной работе №2 по курсу "Операционные системы" Волгоград 2005 удк 681. 31
Подсистема управления процессами ms-dos: Методические указания к лабораторной работе №2 по курсу "Операционные системы" /Cост. Деревенсков...
Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconМетодические указания к лабораторной работе по курсу
Расчет радиоэлектронных схем методом узловых потенциалов: Методические указания к лабораторной работе по курсу "Основы компьютерного...
Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconМетодические указания к практическим занятиям Рязань 2004 удк 519. 713 (075)
Теория автоматов в задачах. Ч1: Методические указания к практическим занятиям/ Рязан гос радиотехн акад. Сост.: Н. И. Иопа. Рязань,...
Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconМетодические указания к лабораторной работе по дисциплине
Операции с таблицами баз данных в среде Delphi: методические указания к лабораторной работе по дисциплине "Информационное обеспечение...
Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconРежимы движения жидкости методические указания к лабораторной работе №6а для студентов всех видов обучения Пермь 2006
Режимы движения жидкости: Методические указания к лабораторной работе №6 для студентов всех видов обучения / Составители: А. И. Квашнин,...
Методические указания к лабораторной работе Рязань 2006 удк 621. 384. 83 iconМетодические указания к лабораторной работе по курсу
Параметрическая оптимизация радиоэлектронных схем: методические указания к лабораторной работе по курсу Компьютерный анализ электронных...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org