Секторный прибор — это общий термин для класса масс-спектрометров , который использует статический электрический (E) или магнитный (B) сектор или некоторую их комбинацию (отдельно в космосе) в качестве масс-анализатора. [1] Популярными комбинациями этих секторов являются инструменты EB, BE (так называемой обратной геометрии), трехсекторный BEB и четырехсекторный EBEB (электро-магнитно-электро-магнитный). Большинство современных секторных инструментов представляют собой инструменты с двойной фокусировкой (впервые разработанные 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 (по отдельности), как это наблюдается в секторном приборе, простое. Физика описывается одним уравнением, называемым законом сил Лоренца . Это уравнение является фундаментальным уравнением всех масс-спектрометрических методов, 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 .
Итак, сила , действующая на ион в линейном однородном электрическом поле (электрическом секторе), равна:
по направлению электрического поля - с положительными ионами и противоположно - 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 отделяться друг от друга в пространстве на отдельные пучки ионов при выходе 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 векторных произведений и знаком заряда.
Сила в магнитном секторе осложняется зависимостью от скорости, но при правильных условиях (например, равномерная скорость) ионы разных масс будут физически разделяться в пространстве на разные лучи, как и в электрическом секторе.
Это некоторые из классических геометрических фигур масс-спектрографов, которые часто используются для различения различных типов расположения секторов, хотя большинство современных инструментов не вписываются точно ни в одну из этих категорий, поскольку конструкции развивались дальше.
Геометрия секторного прибора состоит из электрического сектора 127,30° без начальной длины дрейфа, за которым следует магнитный сектор 60° с тем же направлением кривизны. Эта конфигурация, которую иногда называют «масс-спектрометром Бейнбриджа», часто используется для определения масс изотопов . Из исследуемого изотопа создается пучок положительных частиц . Луч подвергается совместному действию перпендикулярных электрического и магнитного полей . Поскольку силы, создаваемые этими двумя полями, равны и противоположны, когда частицы имеют скорость , определяемую выражением
они не испытывают результирующей силы ; они свободно проходят через щель и затем подвергаются воздействию другого магнитного поля, пересекая полукруглую траекторию и ударяясь о фотографическую пластинку . Масса изотопа определяется путем последующего расчета.
Геометрия Маттауха-Герцога состоит из электрического сектора 31,82 ° (радиан), длины дрейфа, за которым следует магнитный сектор 90 ° с противоположным направлением кривизны. [4] Попадание в магнитное поле ионов, отсортированных преимущественно по заряду, обеспечивает эффект фокусировки энергии и гораздо более высокую пропускную способность, чем стандартный энергетический фильтр. Эта геометрия часто используется в приложениях с высоким разбросом энергии образующихся ионов, где, тем не менее, требуется чувствительность, например, масс-спектрометрия с искровым источником (SSMS) и масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS). [5] Преимущество этой геометрии перед геометрией Нира-Джонсона состоит в том, что все ионы разных масс фокусируются на одной и той же плоской плоскости. Это позволяет использовать фотопластину или другую плоскую детекторную матрицу.
Геометрия Нира – Джонсона состоит из электрического сектора 90 °, большой промежуточной длины дрейфа и магнитного сектора 60 ° того же направления кривизны. [6] [7]
Геометрия Хинтербергера – Кенига 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 ° с противоположным направлением кривизны.
Геометрия Мацуда 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 высокого разрешения, мультиколлектор для измерения изотопологов в геохимии).
