Файл: Слободенюк, Г. И. Квадрупольные масс-спектрометры.pdf

няют в ней не только свою основную функцию образо­ вания в межэлектродном пространстве необходимого электрического поля, но и функцию несущих элементов самой конструкции. Это мало способствует сохранению высокой точности взаимного расположения и конфигу­ рации полеобразующих электродов анализатора в сбо­ ре. К вынужденным недостаткам конструкции рассмат­ риваемого датчика, объясняемым спецификой приме­ ненного ВЭУ, следует отнести углообразную форму корпуса датчика, делающую практически невозможным создание единой жесткой конструкции. закрепленных друг с другом ионного источника, анализатора и ВЭУ. От двух недостатков свободна конструкция датчика прибора КМ-1 (см. рис. 21), в котором благодаря при­ менению умножителя с динодами типа жалюзи отпала необходимость в несоосном расположении ВЭУ и ана­ лизатора. Датчик КМ-1 представляет собой единую конструкцию, в которой анализатор и ВЭУ закреплены в несущем корпусе (с отверстиями для облегчения откачки объема, занимаемого датчиком). В данном слу­ чае полеобразующие электроды анализатора уже не являются конструктивными элементами, поддерживаю­ щими анализатор в пространстве. Датчик прибора КМ-1 снабжен внешним легко съемным нагревательным эле­ ментом, с помощью которого можно осуществить его прогрев до температуры порядка +300°С. Анализатор датчика прибора КМ-1 имеет две планшайбы, с прецезионнообработанными отверстиями квадратного сечения, к углам которых с помощью изолированных от корпуса болтов притянуты опирающиеся на точноразмерные изолирующие керамические пластины четыре цилиндри­ ческих полеобразующих стержня. Планшайбы укрепле­ ны в несущем корпусе анализатора с отверстиями, сде­ ланными для облегчения быстрой откачки анализатора датчика. Первые варианты ионных источников с про­ дольной ионизацией, опробованные еще на ранних ма­ кетных образцах КМ (см. рис. 20), в датчике прибора КМ-1 ^заменены ионным источником с поперечной иони­ зацией и продольным расположением катода. Сделано это для обеспечения возможности регистрации с по­ мощью прибора КМ-1 составов не только газовых сме­ сей, но и молекулярных потоков (пара) легко конден­ сирующихся веществ, направляемых в ионный источник перпендикулярно к оси анализатора КМ через узкие

166

щелевые отверстия в защищающем электроды ионного источника экране.

Существенный недостаток, свойственный всем этим датчикам, состоит в том, что электрические гермовводы, необходимые для подачи на электроды датчика элек­ трических напряжений, размещены на корпусе датчика. Это приводит к жесткой связи корпуса с датчиком и зачастую мешает без значительных дополнительных пе­ ределок встраивать датчик в разные вакуумные уста­ новки, особенно если при этом возникает необходимость размещать датчик так, чтобы его ионный источник ока­ зался внутри рабочей вакуумной камеры гораздо глуб­ же, чем это позволяют геометрические размеры высту­ пающего из корпуса датчика ионного источника.

Следует также отметить, что несмотря на заметное улучшение конструкции анализатора датчика она все же не свободна от некоторых недостатков. Так, напри­ мер, установлено, что от того, с каким натягом притя­ нуты болтами к углам отверстий в планшайбах цилин­ дрические электроды, зависит создаваемый в результате этого натяга прогиб стержней. В датчике прибора КМ-1 прогибы стержней составляют 0,01 мм и на параметры данного прибора существенного влияния не оказывают. Однако при разработке прибора, заметно превосходя­ щего по своим параметрам КМ-1, такой способ закре­ пления полеобразующих стержней в пространстве ока­ жется серьезным препятствием на пути повышения точ­ ности анализатора в сборе.

В похожих друг на друга конструкциях датчиков к макету КМ на 300 а. е. м. и к приборам КМ-1, КМ-2 и

консольно закрепленную на фланце, несущем все ваку­ умноплотные электровводы (13 шт.). Такая конструкция облегчает встраивание (в упомянутом выше смысле) датчика в любую вакуумную установку, обеспечивая размещение ионного источника в ней на любой (в пре­ делах геометрических размеров датчика) глубине с по­ мощью переходников нужной длины. Анализатор в этих датчиках также претерпел коренные изменения. В ос­

167

ным в обоих случаях расположением катода. Последнее обстоятельство позволило максимально упростить кон­ струкцию, предельно сократив габариты ионных источ­

ников.

ГВЧ. Наибольший интерес в данном случае могут, по-видимому, представлять принципиальные схемы двух, оправдавших себя на практике, вариантов ГВЧ: вариант схемы на лампах (в приборе КМ-1) и на полу­ проводниках (в приборе КМ-2). На рис. 26 представле­ на ламповая схема ГВЧ прибора КМ-1, в которой на Л1 (6Ж9П) построен задающий генератор, стабилизиро­ ванный по частоте кварцевым резонатором, на Л4 и Л5

в выходном контуре в процессе настройки последнего. На диоде Д4 (типа Д223Б) построена схема измерителя электрической симметрии обоих выходов ГВЧ. На лам­ пе ЛЗ (6Ж4П) собран фантастроенный генератор, выра­ батывающий модулирующее напряжение «пилообраз­ ной» формы с тремя различными скоростями спада зад­ него пологого фронта, соответствующего трем скоростям регистрации (60, 300 и 1000 а. е. м./сек), использую­ щимся в приборе КМ-1. На лампе Л6 собрана импульс­ ная спусковая схема каскада совпадения, в которой вы­ рабатывается и подается на экран осциллографического индикатора КМ импульсный сигнал электронного визи­ ра в момент индикации на экране интересующей опера­ тора массы. Вращением движка потенциометра «номер массы», снабженного лимбом, отградуированным в атомных единицах массы, можно, перемещая электрон­ ный визир по спектру масс, совмещать его с любым им­ пульсом спектра и определять при этом по лимбу соот­ ветствующий этому импульсу номер массы (точнее, молекулярный вес ионов или ионизированных осколков

трансформаторный способ подключения выходного ко­ лебательного контура к выходным лампам; 2) отсутст­ вие средств, линеаризующих развертку спектра масс во

169

времени и наличие в связи с этим устройства электрон­ ного визира; 3) отсутствие промежуточных каскадов уси­ ления между задающим генератором и мощным выход­ ным каскадом и принятый в связи с этим способ моду­ ляции выходного ВЧ-напряжения по цепи управляющих сеток выходных ламп.

Несимметричный автотрансформаторный способ включения выходного контура, снимая проблему иден­ тичности анодно-сеточных характеристик выходных ламп (которая возникает в пушпульной схеме в связи с необходимостью обеспечения электрической симметрии обоих ВЧ-выходов ГВЧ), создает определенные не­ удобства, так как выходной контур оказывается заве­ домо связанным по высокой частоте с потенциалом кор­

правильном выборе места подключения к контуру ано­ дов ламп, длины намотки катушки индуктивности вы­ ходного контура и значений постоянных и подстроеч­ ных емкостей в контуре, устраняющих электрическую несимметричность выходов ГВЧ, возникающую из-за не­ симметричного относительно корпуса прибора шунти­ рования контура выходными лампами.

Разработка электронного визира для определения номера анализируемой массы в развернутом на экране спектре масс облегчает и убыстряет расшифровку спект­ ров даже при заметно нелинейной из-за нелинейности анодно-сеточных характеристик выходных ламп раз­ вертке спектра масс во времени.

Необходимость питания анодных цепей ламп выход­ ного каскада высоковольтным напряжением при сравни­ тельно высокой мощности, потребляемой от источника, создает трудности в достижении высокой стабильности этого напряжения и малых по величине пульсаций. Кроме того, применение ламповых схем практически лишает возможности разработчика использовать в схе­ ме печатный монтаж и унифицировать на этой основе отдельные узлы схемы ГВЧ.

В ВЧ-генераторе, построенном почти исключительно на одних транзисторах, можно избежать многих неприят­ ностей, характерных для рассмотренной выше схемы

ГВЧ на лампах.

На рис. 27 и 28 представлены структурная схема и принципиальная схема выходных цепей ГВЧ прибора

171

КМ-2. Структурная схема ГВЧ во многом напоминает структурную схему ГВЧ на лампах. В ней есть задаю­ щий генератор, стабилизированный с помощью кварце­ вых резонаторов; мощный выходной каскад; генератор

Рис. 27. Структурная схема ГВЧ в приборе КМ-2.

пилообразных напряжений и генератор метки — элек­ тронный визир. Отличия же этой схемы от прежней в следующем. 1. Связь выходного контура ГВЧ с выход­ ным транзисторным каскадом трансформаторная. Это полностью исключает влияние выходных транзисторов на электрическую симметрию выходных цепей ГВЧ и облегчает более точную настройку и балансировку выходного каскада. 2. Между каскадом задающего гене­ ратора и выходным каскадом имеется промежуточный

Рис. 28. Принципиальная схема выходного каскада ГВЧ при­ бора КМ-2.

172

каскад, выполняющий роль модулятора и исполнитель­ ного элемента в схеме линеаризации развертки спектра масс во времени. Такой способ модуляции более наде­ жен и экономичен, чем в предыдущем случае. 3. Выпол­ нение схемы ГВЧ на полупроводниках позволило приме­ нить эффективные схемы электронной стабилизации всех питающих (в том числе и мощный выходной каскад) на­ пряжений, а также запитать накальные цепи двух двой­ ных кенотронов, стоящих в ВЧ-детекторах, от стабилизи­ рованного источника выпрямленного напряжения. 4. В схеме ГВЧ осуществлена линеаризация развертки спектра масс, действующая по принципу сравнения в диапазоне видеочастот некоторого эталонного пилооб­ разного напряжения с напряжением, полученным на выходе ГВЧ, и отработки разности упомянутых напря­ жений в промежуточном каскаде. 5. Генератор эталон­ ных пилообразных напряжений содержит набор не только быстрых, как в КМ-1, но и медленных элект­ ронных разверток спектра масс, позволяющих осу­ ществлять регистрацию спектра масс как на экране осциллографа, так и с помощью самопишущих потен­ циометров типа ЭПП-09, КСП-4 или других им подоб­ ных. Для создания медленных разверток в генераторе пилообразных напряжений использован принцип заря­ да емкости через сопротивление от источника постоян­ ного напряжения, причем, для увеличения постоянной времени зарядной цепи применен известный способ уси­ ленной отрицательной обратной связи, которой охвачен электрометрический усилитель (ЭУ), на входе которого включена зарядная /?С-цепь. Постоянная времени за­ рядной цепи в такой схеме в К раз ЭУ больше постоян­ ной времени самой /?С-цепи. 6. В генераторе предусмот­ рена возможность его перестройки с одной рабочей ча­

стоты на другую, отличающуюся от первой в 2 раз. Такая возможность позволяет при перестройке с боль­ шей частоты на меньшую увеличить диапазон анализи­ руемых масс вдвое. 7. Широко используемый в ГВЧ (и приборе КМ-2 в целом) печатный монтаж позволяет предельно сократить размеры прибора, унифицировать отдельные его узлы и блоки.

ВИП. Принципиальная схема ВИГ1 представлена на рис. 29. Идея построения такой схемы была высказана еще в работе [60]. Блок ВИП состоит из радиочастот­ ного генератора на транзисторах Т8 и T9, режим кото­

173