Секторный инструмент — это общий термин для класса масс-спектрометров , которые используют статический электрический (E) или магнитный (B) сектор или некоторую комбинацию этих двух (отдельно в пространстве) в качестве масс-анализатора. [1] Популярными комбинациями этих секторов были EB, BE (так называемой обратной геометрии), трехсекторный BEB и четырехсекторный EBEB (электромагнитный-электромагнитный) инструменты. Большинство современных секторных инструментов являются инструментами с двойной фокусировкой (впервые разработанными Фрэнсисом Уильямом Астоном , Артуром Джеффри Демпстером , Кеннетом Бейнбриджем и Йозефом Маттаухом в 1936 году [2] ), поскольку они фокусируют ионные пучки как по направлению, так и по скорости. [3]
Поведение ионов в однородном, линейном, статическом электрическом или магнитном поле (отдельно), как это обнаруживается в секторном приборе, просто. Физика описывается одним уравнением, называемым законом силы Лоренца . Это уравнение является фундаментальным уравнением всех масс-спектрометрических методов и применяется также в нелинейных, неоднородных случаях и является важным уравнением в области электродинамики в целом.
где E — напряженность электрического поля , B — индукция магнитного поля , q — заряд частицы, v — ее текущая скорость (выраженная в виде вектора), а × — векторное произведение .
Таким образом, сила, действующая на ион в линейном однородном электрическом поле (электрическом секторе), равна:
по направлению электрического поля — с положительными ионами и против него — с отрицательными ионами.
Сила зависит только от заряда и напряженности электрического поля. Более легкие ионы будут отклоняться больше, а более тяжелые — меньше из-за разницы в инерции , и ионы будут физически разделяться друг от друга в пространстве на отдельные пучки ионов, когда они выходят из электрического сектора.
А сила, действующая на ион в линейном однородном магнитном поле (магнитном секторе), равна:
перпендикулярно как магнитному полю, так и вектору скорости самого иона, в направлении, определяемом правилом правой руки для векторных произведений и знаком заряда.
Сила в магнитном секторе осложняется зависимостью от скорости, но при правильных условиях (например, при равномерной скорости) ионы разных масс будут физически разделяться в пространстве на разные пучки, как и в электрическом секторе.
Это некоторые из классических геометрий масс-спектрографов, которые часто используются для различения различных типов расположения секторов, хотя большинство современных приборов не вписываются точно ни в одну из этих категорий, поскольку их конструкции значительно усовершенствовались.
Геометрия инструмента сектора состоит из электрического сектора 127,30° без начальной длины дрейфа, за которым следует магнитный сектор 60° с тем же направлением кривизны. Иногда называемая «масс-спектрометром Бейнбриджа», эта конфигурация часто используется для определения изотопных масс . Изучаемый изотоп производит пучок положительных частиц . Пучок подвергается комбинированному воздействию перпендикулярных электрических и магнитных полей . Поскольку силы, вызванные этими двумя полями, равны и противоположны, когда частицы имеют скорость, заданную выражением
они не испытывают результирующей силы ; они свободно проходят через щель, а затем подвергаются воздействию другого магнитного поля, пересекая полукруглый путь и ударяясь о фотографическую пластину . Масса изотопа определяется путем последующего расчета.
Геометрия Маттауха-Герцога состоит из электрического сектора 31,82° ( радиан), длины дрейфа, за которой следует магнитный сектор 90° противоположного направления кривизны. [4] Вход ионов, отсортированных в первую очередь по заряду, в магнитное поле производит эффект фокусировки энергии и гораздо более высокую передачу, чем стандартный энергетический фильтр. Эта геометрия часто используется в приложениях с высоким разбросом энергии в образующихся ионах, где тем не менее требуется чувствительность, таких как масс-спектрометрия с искровым источником (SSMS) и масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS). [5] Преимущество этой геометрии перед геометрией Нира-Джонсона заключается в том, что ионы разных масс все фокусируются на одной и той же плоской плоскости. Это позволяет использовать фотопластинку или другую плоскую решетку детекторов.
Геометрия Нира–Джонсона состоит из 90° электрического сектора, большой промежуточной длины дрейфа и 60° магнитного сектора того же направления кривизны. [6] [7]
Геометрия Хинтербергера–Кёнига состоит из электрического сектора 42,43°, большой промежуточной длины дрейфа и магнитного сектора 130° того же направления кривизны.
Геометрия Такешита состоит из электрического сектора 54,43° и короткой длины дрейфа, второго электрического сектора того же направления кривизны, за которым следует еще одна длина дрейфа перед магнитным сектором 180° противоположного направления кривизны.
Геометрия Мацуды состоит из электрического сектора 85°, квадрупольной линзы и магнитного сектора 72,5° того же направления кривизны. [8] Эта геометрия используется в SHRIMP и Panorama (источник газа, высокое разрешение, мультиколлектор для измерения изотопологов в геохимии).
