飛行時(shí)間質(zhì)譜儀例題介紹

用電場(chǎng)加速帶電粒子，后進(jìn)入分析器，分析器是一根長(zhǎng)、直的真空飛行管組成。

(07重慶)飛行時(shí)同質(zhì)譜儀可通過(guò)測(cè)量離子飛行時(shí)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(chǎng)加速后進(jìn)入長(zhǎng)度為L的真空管AB，可測(cè)得離子飛越AB所用時(shí)間L1.改進(jìn)以上方法，如圖2，讓離子飛越AB后進(jìn)入場(chǎng)強(qiáng)為E(方向如圖)的勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域BC，在電場(chǎng)的作用下離子返回B端，此時(shí)，測(cè)得離子從A出發(fā)后飛行的總時(shí)間t2，(不計(jì)離子重力)

(1)忽略離子源中離子的初速度，①用t1計(jì)算荷質(zhì)比;②用t2計(jì)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(gè)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(jìn)后的方法中，它們飛行的總時(shí)間通常不同，存在時(shí)間差Δt?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)E使Δt=0.求此時(shí)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(chǎng)加速后的速度為v，則

(1)

離子飛越真空管AB做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則

(2)

由(1)、(2)兩式得離子比荷

(3)

②離子在勻強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域BC中做往返運(yùn)動(dòng)，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(shí)間質(zhì)譜儀可以對(duì)氣體分子進(jìn)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(jià)位的正離子，自a板小孔進(jìn)入a、b間的加速電場(chǎng)，從b板小孔射出，沿中線方向進(jìn)入M、N板間的偏轉(zhuǎn)控制區(qū)，到達(dá)探測(cè)器。已知元電荷電量為e，a、b板間距為d，極板M、N的長(zhǎng)度和間距均為L(zhǎng)。不計(jì)離子重力及進(jìn)入a板時(shí)的初速度。

(1)當(dāng)a、b間的電壓為U1時(shí)，在M、N間加上適當(dāng)?shù)碾妷篣2，使離子到達(dá)探測(cè)器。請(qǐng)導(dǎo)出離子的全部飛行時(shí)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(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B，若進(jìn)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(guò)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(dòng)能定理:

n價(jià)正離子在a、b間的加速度:

在a、b間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間:=d

在MN間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間:

離子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間:=

(2)假定n價(jià)正離子在磁場(chǎng)中向N板偏轉(zhuǎn)，洛侖茲力充當(dāng)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(shí)，由幾何關(guān)系:

由以上各式得:

當(dāng)n=1時(shí)U1取最小值

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀可檢測(cè)的分子量范圍大，掃描速度快，儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這種飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的主要缺點(diǎn)是分辨率低，因?yàn)殡x子在離開在離子源時(shí)初始能量不同，使得具有相同質(zhì)荷比的離子達(dá)到檢測(cè)器的時(shí)間有一定分布，造成分辨能力下降。改進(jìn)的方法之一是在線性檢測(cè)器前面的加上一組靜電場(chǎng)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(jìn)入靜電場(chǎng)反射鏡的距離長(zhǎng)，返回時(shí)的路程也就長(zhǎng)，初始能量小的離子返回時(shí)的路程短，這樣就會(huì)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(chǎng)反射鏡的飛行時(shí)間質(zhì)譜儀被稱為反射式飛行時(shí)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(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心在冶金過(guò)程在線氣體檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的合作伙伴。

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

飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的特點(diǎn):EMG系列氣體分析儀采用先進(jìn)的飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)，與紅外、熱導(dǎo)、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(diǎn)如測(cè)量速度快、精度高、采樣量少、系統(tǒng)集成化和自動(dòng)化程度高等。飛行時(shí)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(diǎn):最寬的測(cè)量范圍;最快的分析速度;最小巧的結(jié)構(gòu);最少的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。

EMG系列工業(yè)氣體在線分析儀應(yīng)用范圍:

用于所有有氣體參與或生成氣體的工藝過(guò)程如燒結(jié)、熔煉等的監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)在線測(cè)定原料、過(guò)程或產(chǎn)物中的氣體成分和流量數(shù)據(jù)，指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程，優(yōu)化工藝模式，及時(shí)預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，提高生產(chǎn)產(chǎn)量和質(zhì)量。

因?yàn)锳TOFMS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(lái)考察粒子與周圍氣體以及其他顆粒物之間的動(dòng)態(tài)化學(xué)過(guò)程。實(shí)時(shí)化學(xué)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(wèn)題，比如二次化學(xué)反應(yīng)或者半揮發(fā)性化合物的損失。3800-ATOFMS的應(yīng)用包括:

· 氣溶膠分析研究

· 大氣粒子表征、排放源識(shí)別

· 半導(dǎo)體加工過(guò)程

· 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)

· 氣溶膠-藥物釋放研究

· 吸入毒理學(xué)研究

· 藥物強(qiáng)化樣品分析

· 化學(xué)和生物氣溶膠檢測(cè)

· 發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)量

· 粉末生產(chǎn)質(zhì)量以及過(guò)程控制等。