飛行時間質(zhì)譜儀

用電場加速帶電粒子，后進入分析器，分析器是一根長、直的真空飛行管組成。

(07重慶)飛行時同質(zhì)譜儀可通過測量離子飛行時間得到離子的荷質(zhì)比q/m。如圖1，帶正電的離子經(jīng)電壓為U的電場加速后進入長度為L的真空管AB，可測得離子飛越AB所用時間L1.改進以上方法，如圖2，讓離子飛越AB后進入場強為E(方向如圖)的勻強電場區(qū)域BC，在電場的作用下離子返回B端，此時，測得離子從A出發(fā)后飛行的總時間t2，(不計離子重力)

(1)忽略離子源中離子的初速度，①用t1計算荷質(zhì)比;②用t2計算荷質(zhì)比。

(2)離子源中相同荷質(zhì)比離子的初速度不盡相同，設(shè)兩個荷質(zhì)比都為q/m的離子在A端的速度分別為v和v′(v≠v′)，在改進后的方法中，它們飛行的總時間通常不同，存在時間差Δt。可通過調(diào)節(jié)電場E使Δt=0.求此時E的大小。

解:(1)①設(shè)離子帶電量為q，質(zhì)量為m，經(jīng)電場加速后的速度為v，則

(1)

離子飛越真空管AB做勻速直線運動，則

(2)

由(1)、(2)兩式得離子比荷

(3)

②離子在勻強電場區(qū)域BC中做往返運動，設(shè)加速度為a，則

(4)

L2= (5)

由(1)、(4)、(5)式得離子荷質(zhì)比

或 (6)

(2)兩離子初速度分別為v、v′，則

(7)

+ (8)

Δt=t-t′= (9)

要使Δt=0，則須 (10)

所以E= (11)

飛行時間質(zhì)譜儀可以對氣體分子進行分析。如圖所示，在真空狀態(tài)下，脈沖閥P噴出微量氣體，經(jīng)激光照射產(chǎn)生不同價位的正離子，自a板小孔進入a、b間的加速電場，從b板小孔射出，沿中線方向進入M、N板間的偏轉(zhuǎn)控制區(qū)，到達探測器。已知元電荷電量為e，a、b板間距為d，極板M、N的長度和間距均為L。不計離子重力及進入a板時的初速度。

(1)當a、b間的電壓為U1時，在M、N間加上適當?shù)碾妷篣2，使離子到達探測器。請導出離子的全部飛行時間與比荷K()的關(guān)系式。

(2)去掉偏轉(zhuǎn)電壓U2，在M、N間區(qū)域加上垂直于紙面的勻強磁場，磁感應強度B，若進入a、b間所有離子質(zhì)量均為m，要使所有的離子均能通過控制區(qū)從右側(cè)飛出，a、b間的加速電壓U1至少為多少?

(1)由動能定理:

n價正離子在a、b間的加速度:

在a、b間運動的時間:=d

在MN間運動的時間:

離子到達探測器的時間:=

(2)假定n價正離子在磁場中向N板偏轉(zhuǎn)，洛侖茲力充當向心力，設(shè)軌跡半徑為R，由牛頓第二定律

離子剛好從N板右側(cè)邊緣穿出時，由幾何關(guān)系:

由以上各式得:

當n=1時U1取最小值

因為ATOFMS可以鑒別組成顆粒物的特殊化合物，因此它可以提供了新視角來考察粒子與周圍氣體以及其他顆粒物之間的動態(tài)化學過程。實時化學組分分析可以消除傳統(tǒng)的濾膜或碰撞器氣溶膠采樣方法的固有問題，比如二次化學反應或者半揮發(fā)性化合物的損失。3800-ATOFMS的應用包括:

· 氣溶膠分析研究

· 大氣粒子表征、排放源識別

· 半導體加工過程

· 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測

· 氣溶膠-藥物釋放研究

· 吸入毒理學研究

· 藥物強化樣品分析

· 化學和生物氣溶膠檢測

· 發(fā)動機排放測量

· 粉末生產(chǎn)質(zhì)量以及過程控制等。

飛行時間質(zhì)譜儀可檢測的分子量范圍大，掃描速度快，儀器結(jié)構(gòu)簡單。這種飛行時間質(zhì)譜儀的主要缺點是分辨率低，因為離子在離開在離子源時初始能量不同，使得具有相同質(zhì)荷比的離子達到檢測器的時間有一定分布，造成分辨能力下降。改進的方法之一是在線性檢測器前面的加上一組靜電場反射鏡，將自由飛行中的離子反推回去，初始能量大的離子由于初始速度快，進入靜電場反射鏡的距離長，返回時的路程也就長，初始能量小的離子返回時的路程短，這樣就會在返回路程的一定位置聚焦，從而改善了儀器的分辨能力。這種帶有靜電場反射鏡的飛行時間質(zhì)譜儀被稱為反射式飛行時間質(zhì)譜儀/Reflectron time-of-flight mass spectrometer。

俄羅斯Mettek高技術(shù)氣體分析儀器公司介紹:

Mettek公司是國家鋼鐵材料測試中心在冶金過程在線氣體檢測技術(shù)領(lǐng)域的合作伙伴。

Mettek公司是專業(yè)化的、以飛行時間質(zhì)譜技術(shù)為基礎(chǔ)的工藝氣體檢測技術(shù)公司，該公司由俄羅斯A.F.Ioffe物理技術(shù)學院創(chuàng)建。著名的2000年諾貝爾物理學獎獲得者G.F.Alferov和反射型飛行時間質(zhì)譜儀的發(fā)明者B.A.Mamyrin即出自該院。飛行時間質(zhì)譜技術(shù)的應用為冶金工藝氣體的在線檢測提供了全新、高效的手段，建立于納克公司的Mettek商務及技術(shù)中心，將為推動這一技術(shù)在中國的應用發(fā)揮重要作用。

飛行時間質(zhì)譜儀的特點:EMG系列氣體分析儀采用先進的飛行時間質(zhì)譜技術(shù)，與紅外、熱導、磁氧等傳統(tǒng)分析技術(shù)相比，具有質(zhì)譜分析的所有優(yōu)點如測量速度快、精度高、采樣量少、系統(tǒng)集成化和自動化程度高等。飛行時間質(zhì)譜技術(shù)本身具有明顯優(yōu)于其他類型質(zhì)譜的特點:最寬的測量范圍;最快的分析速度;最小巧的結(jié)構(gòu);最少的運轉(zhuǎn)費用。

EMG系列工業(yè)氣體在線分析儀應用范圍:

用于所有有氣體參與或生成氣體的工藝過程如燒結(jié)、熔煉等的監(jiān)測和控制。通過在線測定原料、過程或產(chǎn)物中的氣體成分和流量數(shù)據(jù)，指導生產(chǎn)過程，優(yōu)化工藝模式，及時預報險情，提高生產(chǎn)產(chǎn)量和質(zhì)量。