2.3.4. Радіочастотний мас-спектрометр

В радіочастотному мас-спектрометрі розділення іонів за масами відбувається при проходженні ними системи електродів-сіток, до яких прикладена високочастотна напруга (рис. 2.11). Іони, які вийшли з джерела 1 та мають початкову енергію U0, потрапляють в простір з декількома групами сіток 2, по три в кожній групі.

Рис. 2.11. Схематична будова датчика радіочастотного мас-спектрометра

Між крайніми та центральною сіткою кожної групи прикладена високочастотна напруга. При русі іонів в області дії високочастотного поля, в залежності від початкової фази поля одна їх частина буде отримувати додаткове прискорення, а інша, навпаки, буде гальмуватися. Пройти через всю систему сіток та перебороти затримуюче поле поблизу колектора 3 зможуть лише іони, які в високочастотному полі накопичили певної додаткової енергії. Розрахунок показує, що додаткова енергія має різкий максимум для іонів певної (резонансної) маси, яка відповідає співвідношенню

, (2.26)

де М – масове число іона; U₀ – початкова енергія іона; ω - кутова частота змінної напруги; S – відстань між крайніми та середньою сіткою.

З виразу (2.26) випливає, що розгортка спектру мас в радіочастотному мас-спектрометрі може здійснюватися шляхом плавної зміни частоти або шляхом зміни початкової енергії іонів.

Для збільшення роздільної здатності приладу між групами сіток вводиться простір дрейфу, вільний від поля. Це призводить до того, що нерезонансні іони з масами, близькими до резонансної, які в першій групі сіток накопичили достатньо енергії, в наступні групи сіток потрапляють не в фазі і не досягають колектора.

Роздільна здатність радіочастотного мас-спектрометра визначається, в основному, розкидом початкових швидкостей іонів і в трьохкаскадному варіанті

змінюється від 20 до 100, діапазон робочих тисків приладу – 10^-4 – 10^-8 мм рт. ст.

Різновидом резонансного радіочастотного мас-спектрометра є прилад, який отримав назву топатрона (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Електродна система та розподіл потенціалу

вздовж осі датчика топатрона

Тут всі 14 сіток розміщені рівномірно по довжині між іонізаційною камерою А та колектором іонів Т. Корпус камери А знаходиться під позитивним потенціалом по відношенню до катода К (~ 160 В), а сітка С₁ має негативний потенціал ~300 В. Тому іонний струм в колі цієї сітки буде пропорційний загальному тиску газу в системі, аналогічно до того, як це має місце в датчику іонізаційного манометра з позитивною сіткою. Сітка С₁ має значну прозорість, і частина іонів проходить в простір аналізатора, сітки якого С₂ – С₁₂ утворюють п′ять трисіткових каскадів; до них можна прикладати регульовану високочастотну напругу для розділення іонів за масовими числами. Позитивно заряджена сітка С₁₃ пропустить резонансні іони, які отримали максимальну енергію від змінного електричного поля, а також вторинні електрони, вибиті швидкими іонами з сітки С₁₂. Щоб запобігти попаданню на колектор іонів Т вторинних електронів, сітка С₁₄ має негативний потенціал (~ 400 В).

Змінюючи частоту змінної напруги можна отримати повний спектр аналізованої суміші газів (по струмі в колі колектора). Крім того, прилад дозволяє вимірювати інтегральний тиск газу по величині іонного струму в колі сітки С₁. Таким чином, топатрон можна використовувати як мас-спектрометр і термоелектронний іонізаційний манометр.

Роздільна здатність топатрона сягає 40 – 50, діапазон вимірюваних мас – від 2 до 100, область робочих тисків – 10^-3 – 10^-9 мм рт. ст.