Принцип действия работы масс-спектрометра

В масс-спектрометре используется эффект пространственного разделения движущихся в поперечном магнитном поле частиц (ионов) с различным отношением массы к заряду m/e. На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца:

, (1.1)

В поперечном магнитном поле под действием этой силы заряженная частица движется по криволинейной траектории. В каждой точке на траектории имеет место равновесие сил, действующих на частицу, - силы Лоренца и центробежной силы. При постоянной скорости υ и однородном магнитном поле напряжённостью Н заряженная частица движется по окружности радиусом r. В этом случае получаем равенство еυ Н=mυ ²/r, отсюда радиус окружности:

(1.2)

Заряженная частица получает скорость υ, проходя ускоряющую разность потенциалов V, причём

(1.3)

Подставляя в выражение (1.2) значение скорости частицы, полученное в (1.3), имеем:

(1.4)

Выражение, связывающее траекторию движения частицы с её массой, зарядом, ускоряющим потенциалом и напряжённостью магнитного поля, называется основным уравнением масс-спектрометра. Как следует из (1.4), при постоянном значении ускоряющего потенциала V и напряжённости магнитного поля . Это означает, что частицы с одним и тем же зарядом, но разными массами, ускоренные одной и той же разностью потенциалов в однородном магнитном поле, описывают окружности с различными радиусами.

Рис. 2. Траектории пучка ионов, состоящего из двух сортов однократно заряженных атомов с массами m₁ и m₂

Для практических расчётов основных масс-спектров формулу (1.4) можно представить в более удобном виде:

(1.5)

Где r – радиус траектории заряженной частицы, см; m – масса иона, а.е.м.; z – кратность заряда иона; V – ускоряющая разность потенциалов, В; Н – напряжённость магнитного поля, э.

На рис. 2 показаны траектории пучка ионов состоящие из двух сортов однократно заряженных атомов или молекул с m₁ и m₂ (m₂ < m₁), ускоренных потенциалом V и отклоняющихся в однородном поперечном магнитном поле Н на угол φ = 180^о. в нашем случае имеем моноэнергетический пучок ионов (mυ ² = const). Тогда, согласно (1.5), ионы с массами m₁ и m₂ в магнитном поле Н движутся по круговым траекториям радиуса r₁ и r₂.