Расшифровка масс-спектра остаточных газов
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 31 Марта 2014 в 13:09, лабораторная работа
Краткое описание
Масс-спектрометрические приборы широко применяются для контроля
технологических процессов и при проведении научных исследований. Такие
свойства масс-спектрометров, как хорошая воспроизводимость результатов,
высокая абсолютная и относительная чувствительность, сравнительная просто-
та расшифровки спектра, делают их незаменимыми при анализе состава ве-
ществ:
Содержание
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 4
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА................................................. 4
1.1. Физическая сущность масс-спектрометрического метода...................... 4
1.2. Изотопный анализ вещества ....................................................................... 9
1.3. Молекулярный анализ вещества................................................................. 9
2. ФОРМИРОВАНИЕ МАСС-СПЕКТРА ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ........................ 9
3. ВКЛЮЧЕНИЕ И РАБОТА НА МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ МИ-1201
АГМ ...................................................................................................................... 11
3.1. Меры безопасности.................................................................................... 11
3.2. Подготовка масс-спектрометра к включению......................................... 11
3.3. Включение масс-спектрометра.................................................................12
3.4. Работа с масс-спектрометром...................................................................12
3.4.1. Работа с программой МИ-1201 АГМ для Windows ....................12
3.4.2. Работа с программой AGM для DOS............................................17
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ......................................................19
ПРИЛОЖЕНИЕ. Массы и распространенности изотопов ...................................20
Прикрепленные файлы: 1 файл
М
ИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
Р
ОССИЙСКОЙ
Ф
ЕДЕРАЦИИ
ГОУ У
РАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
-УПИ
Екатеринбург 2002
РАСШИФРОВКА МАСС-СПЕКТРА ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ
Методические указания к лабораторной работе №10 по курсу «Измерение
физических параметров» для студентов дневной формы, специальностей:
071900 ¾ Информационные системы в технике и технологии;
070500 ¾ Ядерные реакторы и энергетические установки;
072800 ¾ Физика кинетических явлений
УДК 539.183.2:621.384.8
Составители Б.А. Калинин, О.Е. Александров, В.Е. Атанов
Научный редактор канд. физ.-мат. наук О.Е. Александров
Расшифровка масс-спектра остаточных газов: Методические указания к лабора-
торной работе №10 по курсу «Измерение физических параметров» / Б.А. Кали-
нин, О.Е. Александров, В.Е. Атанов. Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2002. 21 с.
Приведены методические указания к лабораторной работе №10
«Расшифровка масс-спектра остаточных газов» по курсу «Измерение физиче-
ских параметров» («Метрология и стандартизация»).
Дано описание экспериментальной установки (изотопного масс-
спектрометра МИ-1201 АГМ), принципа работы масс-спектрометра и основ
расшифровки масс-спектров, требований безопасности при выполнении лабо-
раторной работы, описана работа с программным обеспечением.
Библиогр.: 2 назв. Табл. 2. Рис. 10. Прил. 1.
Подготовлено кафедрой «Молекулярная физика».
ã ГОУ Уральский государственный
технический университет-УПИ, 2002
ã Б.А. Калинин, О.Е. Александров,
В.Е. Атанов, 2002
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. 4
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА................................................. 4
1.1. Физическая сущность масс-спектрометрического метода...................... 4
1.2. Изотопный анализ вещества ....................................................................... 9
1.3. Молекулярный анализ вещества................................................................. 9
2. ФОРМИРОВАНИЕ МАСС-СПЕКТРА ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ........................ 9
3. ВКЛЮЧЕНИЕ И РАБОТА НА МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ МИ-1201
АГМ ...................................................................................................................... 11
3.1. Меры безопасности.................................................................................... 11
3.2. Подготовка масс-спектрометра к включению......................................... 11
3.3. Включение масс-спектрометра.................................................................12
3.4. Работа с масс-спектрометром...................................................................12
3.4.1. Работа с программой МИ-1201 АГМ для Windows ....................12
3.4.2. Работа с программой AGM для DOS............................................17
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ......................................................19
ПРИЛОЖЕНИЕ. Массы и распространенности изотопов ...................................20
4
ВВЕДЕНИЕ
Масс-спектрометрические приборы широко применяются для контроля
технологических процессов и при проведении научных исследований. Такие
свойства масс-спектрометров, как хорошая воспроизводимость результатов,
высокая абсолютная и относительная чувствительность, сравнительная просто-
та расшифровки спектра, делают их незаменимыми при анализе состава ве-
ществ:
· изотопный анализ обогащенного урана;
· анализ молекулярного состава вещества;
· анализ микропримесей в веществе;
· определение состава остаточных газов в вакуумных системах и др.
Масс-спектрометр МИ-1201 АГМ предназначен для анализа изотопного
состава урана, подаваемого в масс-спектрометр в виде гексафторида урана. В
данной лабораторной работе проводится анализ остаточных газов вакуумной
системы масс-спектрометра с расшифровкой отдельных линий масс-
спектрограммы.
Ниже используется сокращение а.е.м. (атомная единица массы),
1 а.е.м. = 1.06605402×10
-27
кг.
1. ПРИНЦИП РАБОТЫ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА
1.1. Ф
ИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ МАСС
-
СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО
МЕТОДА
Сущность масс-спектрометрического метода анализа состава и свойств
вещества заключается в получении ионов из атомов или молекул исследуемого
вещества, формировании моноэнергетического пучка ионов с последующим
разделением их в электрических или магнитных полях по величине отношения
массы к заряду и улавливании ионов с одинаковыми значениями этого отношения.
В связи с этим масс-спектрометрический анализ обычно включает несколько
этапов:
1. Ввод газа или получение и ввод паровисследуемого вещества висточник ионов.
2. Получение ионов из атомов или молекул и формирование их в пучок.
3. Разделение ионов по отношению массы к заряду.
4. Детектирование ионов с последующим измерением их числа или ионного тока.
В зависимости от типа масс-спектрометра, а также от вида решаемых
задач конкретная реализация перечисленных этапов может быть различной. Для
5
характеристики масс-спектрометра используются следующие параметры: разре-
шающая способность; воспроизводимость показаний; абсолютная, относительная и
изотопическая чувствительности, диапазон регистрируемых масс, быстродействие.
Разрешающая способность характеризует свойство масс-спектрометра
разделять близкие по массам ионы и по определению записывается в виде
R
M
M
=
d
,
где M = 0.5(M
1
+ M
2
) - среднее значение массы регистрируемых ионов, dМ - ми-
нимальная разность масс ионов, регистрируемых прибором раздельно.
Воспроизводимость показаний масс-спектрометра определяется как от-
носительная погрешность отдельного результата измерений.
Близость к нулю систематической погрешности отражает правильность
результата анализа и обычно устанавливается в ходе дополнительных опытов,
например с помощью стандартных образцов.
Под чувствительностью масс-спектрометра подразумевается минималь-
ное регистрируемое количество вещества, при котором отношение сигнал/шум
составляет 1:1. Употребляются также термины «предел обнаружения» или
«порог чувствительности». Различают абсолютную, относительную и изотопи-
ческую чувствительность. Абсолютную чувствительность определяют либо как
минимально регистрируемое абсолютное количество компонента (в граммах),
либо как минимально регистрируемое давление исследуемого компонента
(в паскалях). Относительная чувствительность ¾ минимально регистрируемая
концентрация исследуемого компонента в пробе. Изотопическая чувствитель-
ность ¾ отношение интенсивности «хвоста» какой-либо массовой линии спек-
тра, измеренной на расстоянии dМ = 1 a.e.м. к интенсивности рассматриваемой
массовой линии.
Нижний и верхний пределы диапазона регистрируемых масс определя-
ются в основном возможностями технической реализации соответствующих им
параметров.
Быстродействие ¾ время записи одной массовой линии при условии ее
неискаженной передачи. От быстродействия зависит скорость развертки масс-
спектра. При определении предельной скорости развертки необходимо учиты-
вать зависимость чувствительности от скорости развертки, поскольку она
уменьшается с повышением скорости записи спектров.
Прибор МИ-1201 АГМ является масс-спектрометром статического типа,
принцип действия которого основан на зависимости отклонения движущихся
заряженных частиц от удельного заряда этих частиц.
Модуль скорости иона u, прошедшего ускоряющую разность потенциа-
лов U, определяется из соотношения
6
2
2
m
eU
u
=
,
где e - заряд электрона.
Если этот ион пересекает однородное магнитное поле напряженностью
Н перпендикулярно направлению поля, то на него действует сила Лоренца, рав-
ная Heu, которая перпендикулярна как магнитному полю, так и направлению
движения иона. Эта сила вынуждает ион двигаться по круговой орбите, радиус
которой r может быть определен из уравнения
2
m
He
r
u
u
=
.
Итак, получаем
r
H
mU
e
=
1 2
,
откуда видно, что радиус траектории иона зависит от отношения массы иона к
его заряду (m/e), напряженности Н и ускоряющего потенциала U. Таким обра-
зом, возможно при постоянном значении U создавать такую напряженность
магнитного поля H, чтобы ионы интересующей нас массы двигались по задан-
ной конструктивными размерами траектории и регистрировались в приемнике
ионов (рис. 1.1). В ионизационной камере 12, бомбардируемой электронами,
которые эмитируются одним из катодов 11 или 13, происходит ионизация моле-
кул исследуемого вещества. Образовавшиеся ионы с помощью вытягивающего
электрода 2 попадают в ионно-оптическую систему масс-спектрометра, где фо-
кусируются в узкий пучок и получают ускорение в электрическом поле. Для
этой цели служат фокусирующий 10 и ускоряющий 3 электроды. Отклоняющий
электрод 9 предназначен для корректировки пучка ионов или его запирания при
установке нулей усилителя ионного тока. Далее ионный пучок проходит в ка-
меру анализатора и, попадая в поперечное магнитное поле секторного типа,
разлагается на ионные лучи, отличающиеся друг от друга отношением массы ио-
нов к их заряду.
Пройдя камеру анализатора, ионный луч через узкую щель 4 в приемни-
ке ионов 8 попадает на коллектор 6, возбуждая электрический ток в его цепи.
Для устранения вторичной электронной эмиссии с коллектора используется ан-
тидинатронный электрод 7. Ионный ток усиливается, с помощью электромет-
рических усилителей 5.
Изменяя величину напряженности магнитного поля (регулируя силу тока
электромагнита), из всего множества ионов можно выбрать ионы, имеющие не-
обходимое отношение заряда к массе. Автоматическая регулировка тока элек-
тромагнита, плавно изменяя его величину, дает возможность записать спектр
масс исследуемого вещества.
7
Для увеличения чувствительности масс-спектрометра один из каналов
измерения ионного тока снабжен вторичным электронным умножителем (ВЭУ)
с коэффициентом усиления 10
5
¼10
7
раз. Реальная (с учетом шумов) чувстви-
тельность при этом возрастает на 2¼3 порядка.
МИ-1201АГМ ¾ газовый изотопный масс-спектрометр (рис. 1.2), пред-
назначен для прецизионного анализа изотопного состава урана в гексафториде
урана на всех технологических участках его переработки и контроля (на вход-
ном контроле поступающего сырья, в технологических линиях по обогащению,
для контроля готовой продукции, при подготовке эталонов концентраций).
Особенности МИ-1201АГМ:
· шестиканальная система напуска позволяет подключаться к двум участкам
технологических линий и проводить анализ проб по полному набору сущест-
вующих методик измерений образцов как с одним, так и с двумя стандартами;
· пятиколлекторный приемник ионов, совмещенный с вторичным электрон-
ным умножителем. Приемник ионов рассчитан для одновременной регистра-
ции основных изотопов урана: 234, 235, 236 и 238 (массы 329, 330, 331 и 333
соответственно). Для работы системы автоподстройки имеется дополнитель-
ный коллектор;
· источник ионов с малой памятью;
Рис. 1.1. Принципиальная схема ионного тракта масс-спектрометра:
1 - источник ионов; 2 - вытягивающий электрод; 3 - ускоряющий электрод; 4 - входные ще-
ли; 5 - электрометрический каскад первого и второго усилителей; 6 - два коллектора; 7 -
антидинатронный электрод; 8 - приемник ионов; 9 - отклоняющий электрод; 10 - фокуси-
рующий электрод; 11, 13 - первый и второй катоды; 12 - ионизационная камера
8
· низкий изотопический порог чувствительности достигнут за счет новых кон-
структивных решений.
Основные технические характеристики:
· Диапазон массовых чисел при U
уск
= 8 кВ: 1¼350 а.е.м.
· Разрешающая способность (на уровне 10% высоты пика) по урану не менее 750.
· Изотопический порог чувствительности по урану (при dm/m = 2/333) не бо-
лее 10
-5
.
· Среднеквадратичное отклонение случайной составляющей погрешности при
измерении изотопных отношений
235
U/
238
U не более 0,02 %.
· Фактор памяти в рабочих условиях менее 1,005.
· Расход пробы в рабочих условиях не более 1 мг/ч.
2
I
3
21
20
I I
I I I
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
1
Рис. 1.2. Общий вид масс-спектрометра МИ-1201 АГМ:
I ¾ измерительная стойка; II ¾ аналитическая стойка; III ¾ система напуска;
1- стол оператора; 2 - персональный компьютер; 3 - цифровой вольтметр; 4 - электрометриче-
ский усилитель ВЭУ; 5 - приемник ионов с умножителем; 6, 12 - запорные вентили;
7, 11 - магниторазрядные насосы; 8 - камера анализатора; 9 - электромагнит; 10 - блок ваку-
умметров; 13 - высоковакуумная ловушка; 14 - источник ионов; 15 - выход к системе напуска;
16 - стабилизатор развертки тока электромагнита; 17 - блок питания газового источника ио-
нов; 18 - стабилизатор высокого напряжения; 19 - пульт управления; 20, 21 - блоки питания
магниторазрядных насосов
9
1.2. И
ЗОТОПНЫЙ АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВА
При изотопном анализе определяются значения изотопных отношений,
по величинам которых можно определить концентрацию каждого изотопа, так
как суммарная концентрация всех изотопов вещества равна 1. Изотопный ана-
лиз может быть проведен одно- или двухлучевым методом измерения. В основе
обоих методов измерения лежит предположение о равной чувствительности
масс-спектрометра к разным изотопам одного вещества.
По первому методу находят интенсивности ионных токов каждого изо-
топа с последующим вычислением изотопного состава. Относительная точ-
ность измерения изотопного состава этим методом составляет на масс-
спектрометре МИ-1201АГМ 1%.
При двухлучевом методе измерения изотопного отношения два ионных
пучка, соответствующие различным изотопам, одновременно поступают на два
отдельных коллектора, и отношение ионных токов измеряется компенсацион-
ной схемой. Точность этого метода 0,2%.
1.3. М
ОЛЕКУЛЯРНЫЙ АНАЛИЗ ВЕЩЕСТВА
Под анализом молекулярного состава вещества понимают количествен-
ное определение содержания в пробе анализируемых компонентов. Молекуляр-
ный анализ вещества на масс-спектрометре осложнен тем обстоятельством, что
чувствительность масс-спектрометра к различным веществам неодинакова и,
кроме того, нестабильна во времени. Если при анализе двухкомпонентной сме-
си величины ионных токов первой и второй компоненты оказались одинаковы-
ми, то это не означает, что смесь имеет 50%-ный состав. Поэтому наиболее
точные результаты при молекулярном анализе вещества на масс-спектрометре
получаются при непрерывной калибровке масс-спектрометра смесями извест-
ного состава, близкого к составу анализируемой смеси.
2. ФОРМИРОВАНИЕ МАСС-СПЕКТРА ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ
Остаточные газы ¾ газы, остающиеся в вакуумной системе после ее
длительной откачки вакуумными насосами. Расшифровка масс-спектров оста-
точных газов относится к технике сверхвысокого вакуума. Масс-спектр оста-
точных газов определяется составом исходных газов и физическими процесса-
ми (ионизацией, диссоциацией, катализом), происходящими в источнике ионов,
магниторазрядных насосах и датчике высокого вакуума.
На состав остаточных газов (табл. 2.1) оказывают влияние:
· газовыделение деталей вакуумной системы;
10
· тип вакуумных насосов, используемых для откачки;
· тип ионного источника;
· каталитические и диссоциативные процессы, протекающие в насосах, ион-
ном источнике и магниторазрядном датчике давления.
Таблица 2.1
О
СНОВНЫЕ ПРОДУКТЫ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ВЫСОКОВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Продукт газовыделения
Химическая формула Масса, а.е.м.
Водород
Н
2
2
Метан
СН
4
16
Вода
Н
2
О
18
Азот
N
2
28
Окись углерода
СО
28
Двуокись углерода
СО
2
44
Используемые в масс-спектрометре магниторазрядные насосы имеют пони-
женную скорость откачки инертных газов, содержащихся в атмосферном воз-
духе (табл. 2.2). Поскольку эти газы плохо откачиваются и адсорбционными на-
сосами, используемыми для предварительного разрежения (откачивание
атмосферного воздуха), это приводит к появлению в масс-спектре пиков оста-
точных газов с массами 4, 20 и 40 а.е.м.
В ионном источнике одновременно с ионизацией молекул происходит их
диссоциация, при которой один или оба осколка несут электрические заряды.
Поэтому, например, из молекул воды Н
2
О будут образовываться ионы ОН
+
, О
+
,
Н
2
+
, Н
+
. При достаточно высокой энергии ионизирующих электронов, наряду с
однократно заряженными, могут образовываться двукратно заряженные ионы,
например Ar
2+
, линии (пики) которых будут налагаться на пики ионов с мень-
шей в два раза массой.
В непрогреваемых вакуумных системах наиболее сильным пиком явля-
ется пик воды, десорбируемой со стенок вакуумной камеры, который использу-
ется при начальной настройке масс-спектрометров.
Таблица 2.2
С
ОДЕРЖАНИЕ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ
Газ
Химическая
формула
Содержание,
мол. %
Гелий
Не
5.24×10
-4
Неон
Ne
1.82×10
-3
Аргон
Ar
0.934
11
3. ВКЛЮЧЕНИЕ И РАБОТА НА МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ МИ-1201 АГМ
3.1. М
ЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ
1. При выполнении лабораторной работы необходимо помнить, что часть бло-
ков масс-спектрометра в рабочем режиме находится под напряжением до
10 кВ, в том числе (см. рис. 1.2):
· источник ионов 14 ¾ до 10 кВ;
· магниторазрядные насосы 8, 11, кабели, соединяющие насосы с блоками
питания, и сами блоки питания 20, 21 ¾ до 8 кВ;
· вакуумный датчик ПММ - 32 (находится на высоковакуумной ловушке 13),
кабель питания датчика и вакуумметр ВМБ-14 (находится в блоке вакуум-
метров 10) ¾ до 3 кВ;
· вторичный электронный умножитель (на приемнике ионов 5), кабель пита-
ния и блок питания (находится внутри пульта управления 19) ¾ до 4 кВ.
КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНО открывать крышки блоков, выдвигать
блоки, снимать разъемы и/или фишки питания блоков и узлов масс-спектро-
метра.
2. При выполнении работы не разрешается:
· выставлять ускоряющее напряжение более 5 кВ переключателем на стаби-
лизаторе высокого напряжения 18;
· устанавливать напряжение на ВЭУ (U
sem
) более 4 кВ (устанавливается с
клавиатуры компьютера);
· увеличивать ток эмиссии катода источника ионов (I
e
) более 0.2 мА
(устанавливается с клавиатуры компьютера).
Каждый выполняющий лабораторную работу должен твердо знать и соблюдать
все перечисленные в подразделе 3.1 пункты. В противном случае он не допус-
кается (отстраняется) от проведения работы.
3.2. П
ОДГОТОВКА МАСС
-
СПЕКТРОМЕТРА К ВКЛЮЧЕНИЮ
1. Включите автоматический выключатель «МИ-1201 АГМ», расположенный
на электрощите в углу комнаты.
2. Поставьте переключатели блоков питания 20, 21 (см. рис. 1.2) магнитораз-
рядных насосов в положение «0¼10 кВ».
3. Включите тумблер «СЕТЬ» на блоке питания газового источника ионов 17.
4. На стабилизаторе высокого напряжения 18:
· поставьте переключатель в положение «5 кВ»;
· включите тумблер «ЛУЧ»;
· включите тумблер «ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ» (слева от тумблера «ЛУЧ»).
12
Примечание. Если не указано обратное, переключение ручки тумблера вверх
соответствует включению питания цепи, вниз ¾ отключению.
5. Включите тумблер «СЕТЬ» вакуумметра ВМБ - 14, встроенного в блок ва-
куумметров 10.
3.3. В
КЛЮЧЕНИЕ МАСС
-
СПЕКТРОМЕТРА
1. Нажмите кнопку «СЕТЬ» на пульте управления 19 (см. рис. 1.2). Для от-
ключения звукового сигнала, оповещающего о недостаточно высоком ва-
кууме в системе, нажмите кнопку «СБРОС».
2. Нажмите кнопку «СЕТЬ» на блоках питания 20, 21 магниторазрядных насосов.
3. Согласно инструкции для прогрева и выхода на рабочий режим масс-
спектрометру МИ-1201 АГМ требуется не менее 2 ч.
3.4. Р
АБОТА С МАСС
-
СПЕКТРОМЕТРОМ
Измерения на масс-спектрометре МИ-1201 АГМ выполняются с помо-
щью ЭВМ. Для выполнения работы вы можете выбрать одну из двух программ:
· стандартную программу AGM из комплекта поставки МИ-1201 АГМ, пред-
назначенную для операционной системы MS DOS;
· разработанную на кафедре МФ программу управления и настройки
МИ-1201 АГМ для операционной системы Windows 9x/NT.
Все ссылки для запуска программ находятся в папке «C:\Лаб.раб.№10». Работа
с каждой из программ описана ниже.
ВНИМАНИЕ! Совместная работа программ недопустима. Выйдите из
работающей программы перед тем, как запустить другую.
3.4.1. Работа с программой МИ-1201 АГМ для Windows
Вы можете работать с двумя вариантами программы:
· автономный запуск;
· запуск из MathCAD, с возможностью прямого доступа к данным измерения.
Автономный запуск программы
1. Откройте папку «C:\Лаб.раб.№10» и дважды щелкните по «Mi1201 для
Windows.bat» ¾ запустится программа. Сама программа (исполняемый
файл «MI1201.dll») находится в папке «C:\WinMCAD\USEREFI», а данные
¾ во вложенной в нее папке «МИ1201».
2. На экране появится главное окно программы (рис. 3.1, а). Выберите за-
кладку «Вкл./Выкл.» в верхней части окна и нажмите кнопку «Включить».
Программа проведет тестирование и подготовку прибора к работе и окно
приобретет вид, как на рис. 3.1, б.
13
3. В случае возникновения ошибки в подготовке оборудования масс-
спектрометра при включении (или при работе с программой) главное окно
изменится (рис. 3.2). В этом случае следует нажать кнопку «Сбросить ошиб-
ку» и повторить попытку включения (см. п. 2). Развернутую информацию об
ошибке можно получить, щелкнув по «ОШБК» в левом нижнем углу окна.
Запуск программы из MathCAD
1. Откройте папку «C:\Лаб.раб.№10» и дважды щелкните по «MatCAD-
Mi1201.bat» ¾ запустится программа MathCAD. Нажмите клавишу F9 ¾
появится окно программы управления МИ-1201 АГМ (рис. 3.1). Включение
прибора будет проведено автоматически.
2. При ошибке в процессе включения следует повторить попытку включения
вручную, следуя п. 3 (см. выше).
3. В MathCAD становятся доступны функции, позволяющие получить данные
масс-спектра и работать с ними. Инструкция по работе с этими функциями
доступна в открывшемся окне MathCAD. Более развернутый пример рабо-
ты с масс-спектрометром в MathCAD можно найти в файле
«C:\Лаб.раб.№10\MathCAD files\Пример работы с МИ-1201 АГМ.mcd».
Работа с программой МИ-1201 АГМ для Windows
После запуска программы МИ-1201 АГМ для Windows работа с ней
одинакова в обоих режимах.
Подробная инструкция по работе с программой дана в файле «Инструк-
ция по программе управления масс-спектрометром МИ-1201 АГМ.doc» в папке
«C:\Лаб.раб.№10».
ВНИМАНИЕ! При вводе любых параметров в окне программы следует на-
жимать клавишу ENTER, чтобы значение параметра было установлено на приборе.
1. Проверьте, включены ли все блоки масс-спектрометра. Если нет, то вклю-
чите все, как это показано на рис. 3.3. После этого должны гореть лампы
(см. рис. 1.2) «Сеть» на панели 17, «Сеть», «Высокое напряжение» и «Луч»
на панели 18. Напряжение на ВЭУ должно быть 3500 кВ, контролируется
по вольтметру 3 (рис. 1.2). После нажатия на кнопку вольтметра «УМН» он
должен показать 3.500±0.1В.
2. Установите ток эмиссии катода I
e
= 100 мкА (рис. 3.4). Поскольку программа не
может получить этот параметр автоматически, то сначала проверьте значение по
индикатору на панели 17 (рис. 1.2). Если значение не соответствует, указанному,
то наберите 100 мкА в окошке «Ток эмиссии» и нажмите кнопку «Уст¼».
3. Убедитесь, что остальные параметры источника приблизительно соответ-
ствуют указанным на рис. 3.4.
14
а
б
Рис. 3.1. Главное окно программы:
а - невключенный прибор; б - успешно включенный прибор
Рис. 3.2. Ошибка при включении
Рис. 3.3. Включение блоков
4. Проверьте напряжение ионизации по индикатору на панели 17 (рис. 1.2).
Если значение не соответствует, указанному, то наберите 51000 мВ в окош-
ке «Напряж. ионизации» и нажмите кнопку «Уст¼».
5. Не изменяйте других параметров источника без разрешения преподавателя.
6. Установите шкалу масс. Для этого убедитесь, что параметры шкалы масс соот-
ветствуют указанным на рис. 3.5. Исправьте значения параметров, если они не
15
соответствуют указанным. ВНИМАНИЕ! При вводе параметра следует нажать
клавишу ENTER, чтобы значение параметра было установлено на приборе.
7. ВНИМАНИЕ! Операция грубой установки шкалы проводится только при
включении прибора или сбоях в его работе. Эту операцию не нужно повто-
рять, если вы вышли из программы и запустили программу снова. Устано-
вите (грубо) текущее положение на шкале масс, нажав кнопку «по ИМЧ¼»
и согласившись с предложенным значением.
8. Откройте окно масс спектра, нажав клавишу «Спектр» (рис. 3.6). Инструкцию
по работе с окном «Спектр» см. в файле «Инструкция по программе управле-
ния масс-спектрометром МИ-1201 АГМ.doc» в папке «C:\Лаб.раб.№10».
9. Появится окно «Спектр» (рис. 3.7).
10. Установите время интегрирования сигнала «dT» 100 мс.
11. Установите шаг развертки по шкале масс «Шаг» 0.001 а.е.м.
12. Установите логарифмическую шкалу по оси Y.
13. Установите пределы измерения по оси Y: 0.001¼«Авто».
14. Установите пределы измерения по оси X: 10¼25 а.е.м., указав соответст-
вующие значения в окошках рядом с началом и концом шкалы и нажав кла-
вишу ENTER.
15. Переместите текущее положение массы на 11 а.е.м. Это можно сделать
щелкнув по горизонтальной оси, либо указав значение массы и нажав
кнопку «Перейти на».
16. Попытайтесь записать масс-спектр остаточных газов в выбранном диапазоне
масс (10...25 а.е.м.). Он должен иметь вид, близкий к изображенному на рис. 3.7.
Рис. 3.4. Параметры источника
Рис. 3.5. Шкала масс
16
17. Настройтесь на максимум пика М = 18,
используя клавиши Alt ® и Alt ¬ для
плавного изменения массы и Ctrl Alt ® и
Ctrl Alt ¬ ¾для быстрого перемещения
по шкале масс. Не перепутайте пик
М = 18 с другими: он имеет максималь-
ную величину, справа от него ¾ слабый
пик, слева ¾ сильный. После настройки
на максимум процедурой «M-шкала»,
«Найти центр пика», откорректируйте шка-
лу масс, указав точное значение положения
пика М = 18.011 в окошке «М» и нажав кла-
вишу «указанного М» (рис. 3.5).
Рис. 3.7. Окно спектр
Рис. 3.6. Измерение
17
3.4.2. Работа с программой AGM для DOS
1. Откройте папку «C:\Лаб.раб.№10» и дважды щелкните по «AGM для DOS»
¾ запустится программа. Сама программа (исполняемые файлы и данные)
находится в папке «C:\AGM» и вложенных в нее папках.
2. Подождите в течение 2¼5 мин, пока происходит самотестирование систе-
мы управления программы. Об окончании самотестирования системы
управления сигнализирует мигающий фирменный знак в левом верхнем
углу дисплея.
3. По окончании самотестирования системы управления (замигает фирмен-
ный знак в левом верхнем углу дисплея) нажмите клавишу ENTER два раза
подряд. В появившемся на экране меню клавишами ¯, или с помощью
мыши выберите «Preparation» и нажмите ENTER. Вы вошли в юстировоч-
ную среду программы AGM.
Примечание. При дальнейшей работе в случае затруднений пользуйтесь
клавишами ENTER и ESC и внимательно следите за сообщениями на экране.
4. В меню «ProcEdures», выбираемом клавишами ¯, , ¬, ® и раскрываемом
клавишей ENTER или с помощью мыши, выполните команду «source mode
Display». Установите ток эмиссии катода I
e
(окно в правом нижнем углу эк-
рана) равным 0,1 мA.
5. В меню «pArameters» установите:
· Integration time = 0,5 с;
· scAn step = 5 % split width;
· mass scale coeFicient = 1,269 E-09;
· pilot Cup
Sem;
· input Signal Ion current;
· Usem = 3,5 kV (будьте внимательны!);
· peakcenter Level = 0,50;
· peakcenter integration Time = 0,50 с;
· mass spectra REAL.
Установка производится выбором (, ¯, ENTER или с помощью мыши) со-
ответствующей строки и набором значений с клавиатуры или выбором в
появляющихся окнах режимов работы. Окна гасятся нажимом ENTER
(новое назначение) или ESC (сохраняется старое значение).
6. В меню «procEdures» выберите «device Turn on/off». При выбранной строке
«Ion source power supply» (включение накала катода) нажмите ENTER. Об-
ратите внимание на сообщение «Wait, please» в верхней строке состояния.
Выберите строку «high Voltage supply» (подача высокого напряжения на ис-
точник ионов) и нажмите ENTER.
7. Снова зайдите в «device Turn on/off», включите «SEM high voltage supply»
(подача высокого напряжения на ВЭУ).
18
8. Проконтролируйте включение (on) четырех строк в «device Turn on/off»:
· Ion source power supply
on;
· high voltage power supply
on;
· SEM high voltage supply
on;
· ion beam
on.
9. Закройте окно клавишей ESC, но не клавишей ENTER. Последнее приведет
к выключению той строки, которая была выбрана (выделена).
10. Установите логарифмическую шкалу по оси Y («Y scale», «loGarithmic»).
11. Установите пределы измерения по оси X («scale X», «Mass scale define, 1st
mass - 10, 2nd mass - 25», «set this mass scale»).
12. Изменяя ток электромагнита (B¯, N), добейтесь появления сигнала
(отклонения по оси X) на экране дисплея.
13. Попытайтесь записать масс-спектр остаточных газов в выбранном диапазоне
масс (10¼25 а.е.м.). Он должен иметьвид, близкий к изображенномуна рис.3.8.
14. Настройтесь на максимум пика М = 18 (используя клавиши B¯, N, а для
плавного изменения ¾ Alt B¯ и Alt N). Не перепутайте пик М = 18 с дру-
гими: он имеет максимальную величину, справа от него ¾ слабый пик,
слева ¾ сильный. После настройки на максимум с помощью процедуры
«procEdures», «Peakcenter» определите положение пика по шкале масс. От-
корректируйте шкалу масс, указав точное значение положения пика
М = 18.011.
Рис. 3.8. Maсс-спектр остаточных газов
19
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Запишите масс-спектр в узком интервале масс (± 0.1 а.е.м.) вблизи массы,
заданной преподавателем. Пронаблюдайте, как изменяется вид спектра при
вариации параметров Integration time и scAnstep в меню pArаmeters. Выбе-
рите параметры, позволяющие в приемлемое время (30 мин) записать
масс-спектр.
2. Поскольку из-за дрейфа параметров масс-спектрометра шкала масс смеща-
ется с течением времени, необходимо вводить поправку в измерения разно-
сти масс. В связи с этим необходимо рассчитать положение пиков для не-
которого (одного и того же для всех пиков) времени. Для этого в начальный
момент времени настройтесь на наиболее сильный пик в выбранном диапа-
зоне масс, включите процедуру поиска центра пика и по окончании ее очи-
стите экран. На экране останется вертикальная линия, соответствующая
положению измеряемого пика в начальный момент времени. При после-
дующей записи масс-спектра наблюдается смещение (из-за дрейфа шкалы
масс) максимума пика. Считая смещение шкалы масс пропорциональным
времени, рассчитайте смещение остальных пиков.
3. Распечатайте или запишите в файл полученный масс-спектр и расшифруй-
те его. Поскольку абсолютное измерение массы пиков затруднено, исполь-
зуйте для расшифровки спектра разности масс между пиками масс-спектра.
Для этого с учетом п. 2 по измеренному масс-спектру, измеряя расстояние
между пиками, определите разность масс ионов для этих пиков. Затем, ис-
пользуя таблицу масс и распространенности изотопов, составьте возмож-
ные комбинации атомов для массы, вблизи которой снимается спектр. Учи-
тывайте валентность атомов, возможность образования осколков молекул и
катализ радикалов. Например, для 16-й массы возможные ионы
16
O,
14
N
1
H
2
,
12
C
1
H
4
,
13
C
1
H
3
,
12
C
1
H
2
2
H,
15
N
1
H,
14
N
2
H. Оцените с учетом изотопного состава
концентрации компонент, выберите наиболее «сильные» (с высоким содер-
жанием) и рассчитайте разницу масс между ними.
4. Сравните измеренные и рассчитанные разности масс. Оцените ошибку оп-
ределения (измерения) разности масс. В случае значительного (превышаю-
щего ошибку измерений) расхождения измеренных и рассчитанных разно-
стей масс проверьте расчеты и попробуйте другие варианты выбора хими-
ческих соединений, соответствующих измеренным пикам.
5. Сделайте окончательные выводы о результатах измерений.
_______________________
1. Техническое описание и руководство по эксплуатации масс-
спектрометра МИ-1201 АГМ. Сумы, 1994. 147 с.
2. Сысоев А. А., Чупахин Н. С. Введение в масс-спектрометрию. М.:
Атомиздат, 1977.
20
ПРИЛОЖЕНИЕ
Массы и распространенности изотопов
Изотоп
Масса
Распространенность,
молярный %
Период
полураспада, лет
1
H
1.007825
99.985
2
H
2.01410
0.015
3
H
3.01605
¾
12.26
6
Li
6.015121
7.420
7
Li
7.016003
92.580
10
B
10.012937
20.000
11
B
11.009305
80.000
12
C
12.000000
98.900
13
C
13.003355
1.100
14
C
14.003241
¾
5730
14
N
14.003074
99.640
15
N
15.000108
0.360
16
O
15.994915
99.80
17
O
16.999311
0.040
18
O
17.999160
0.20
19
F
18.998403
100
20
Ne
19.992435
90.48
21
Ne
20.9938443
0.27
22
Ne
21.991383
9.215
23
Na
22.989767
100
24
Mg
23.985042
78.99
25
Mg
24.985837
10.00
26
Mg
25.982593
11.01
27
Al
26.981540
100
28
Si
27.976927
92.23
29
Si
28.976495
4.67
30
Si
29.973770
3.10
31
P
30.973762
100
32
S
31.972070
95.02
33
S
32.971456
0.75
34
S
33.967866
4.21
35
Cl
34.968852
75.77
21
Изотоп
Масса
Распространенность,
молярный %
Период
полураспада, лет
37
Cl
36.965903
24.23
36
Ar
35.967545
0.337
38
Ar
37.962732
0.063
40
Ar
39.962384.
99.600
39
K
38.963707
93.2581
40
K
39.963999
0.012
1.25×10
9
41
K
40.961825
6.7302
ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Составители Калинин Борис Алексеевич
Александров Олег Евгеньевич
Атанов Владимир Евгениевич
Редактор
И.В. Коршунова
Подписано в печать 18.01.2002
Формат 6084 1/16
Бумага писчая
Офсетная печать
Усл. печ. л. 1,39
Уч.-изд. л. 1,17
Тираж 100
Заказ
Цена «С»
Издательство ГОУ УГТУ-УПИ
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
Ризография ГОУ УГТУ-УПИ
620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
Информация о работе Расшифровка масс-спектра остаточных газов