Spektrogaf masowy

1. Budowa
2. Zasada działania
3. Zasada wykorzystania

1. Budowa spektrometru masowego

Aston Francis William (1877-1945) był fizykiem i chemikiem brytyjskim. Od 1920 r. profesor uniwersytetu w Cambridge, od 1921 r. członek Royal Society. Uczeń J.J. Thomsona, z którym wspólnie wykazał 1913 r. istnienie 2 trwałych izotopów neonu. W roku 1919 zbudował pierwszy spektrograf masowy, za pomocą, którego odkrył większość naturalnych trwałych izotopów ( ok. 212 ).
Ulepszoną wersję spektrografu mas Thomsona zastosował w 1919 roku Aston, który zamiast równoległych względem siebie pól elektrycznych i magnetycznych zastosował pola wzajemnie prostopadłe. Pole elektryczne rozszczepia wiązkę jonów według stosunku m/e, ale także według różnych prędkości. Dobierając odpowiednie natężenia pól można spowodować, aby pole magnetyczne kierowało wszystkie cząstki o różnych prędkościach do jednego określonego punktu w przestrzeni, pozostawiając jednocześnie rozdzielone wiązki cząstek o różnym e/m. Dzięki temu spektrograf posiada wyższą transmisję dla jonów, dzięki czemu uzyskuje się większą zdolność rozdzielczą.
W roku 1922 za ten wynalazek Aston otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.


Spektograf jest to przyrząd optyczny służący do otrzymywania widma analizowanego światła, w którym widmo to rejestruje się na błonie fotograficznej.
Najczęściej stosuje się spektografy pryzmatyczne i siatkowe, w których rozszczepienie światła uzyskuje się dzięki dyfuzji światła na siatce dyfracyjnej. Istnieją również spektrometry masowe dynamiczne: rezonansowe i impulsowe. W spektrometrach masowych rezonasowych wiązka jonów przenika przez obszar elektrod, do których przyłożone jest pole elektromagnetyczne wysokiej częstości.
Spektografy różnią się od spektometrów tym, że luneta jest zastąpiona obiektywem, w którego płaszczyźnie ogniskowej obrazowej widmo jest utrwalane na błonie fotograficznej.
Spektometr masowy jest to urządzenie do rozdzielania wiązek cząstek naładowanych (zwykle jonów ), według wartości stosunku masy cząstki ładunku, za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych. Rozdzielone wiązki są rejestrowane na błonie fotograficznej ( spektograf mas ) lub w licznikach cząsteczek.
Pierwszym spektometrem masowym skonstruowanym przez Thomsona, zastosowano pole elektrosatytczne i równoległe do niego pole magnetyczne. Odchylone jony o tej samej masie, lecz różnych prędkościach układały się na paraboli. Obecnie istnieje wiele typów spektometrów masowych ( Astona, Dempstera i inne ) różniących się rodzajem i kierunkiem pól, kształtem obszaru ich działania i rozkładem ich natężeń.

2. Zasada działania

Parametrami charakteryzującymi spektometr masowy są:
a) Zdolność rozdzielcza – odwrotność minimalna różnicy mas rozróżnianej jeszcze przez spektometr masowy
b) Czułość – minimalna liczba cząstek, jaką spektometr masowy może zarejestrować

Rozwój techniki impulsowej oraz techniki wielkiej częstotliwości umożliwia konstrukcję dynamicznych spektometrów mas, w których masę wyznacza się z pomiaru czasu przelotu cząsteczek od źródła do detektora przy znanej energii lub z okresu drgań w zmiennych polach elektrycznych i magnetycznych.
W spektometrze masowym atomy gazowej mieszaniny zmieniane są na jony poprzez bombardowanie elektronami. Strumień jonów przechodzi przez pole magnetyczne, które rozdziela je odchylając tory jednych jonów w większym stopniu niż innych, w zależności od ich mas. W statycznym spektrometrze mas jony poruszają się w stałych w czasie skrzyżowanych polach elektronowych i magnetycznych, tak że kształty ich torów zależą od wartości m/e. W dynamicznych spektrometrach mas wartości m/e wyznacza się np. z pomiaru czasu przelotu w stałym polu elektronowym jonów wysyłanych przez źródło impulsowe albo z pomiaru częstotliwości zmian pola elektrycznego, przy której jony przechodzą przez układ rezonansowy; istnieją też układy, w których stosuje się łącznie technikę impulsową, technikę wielkiej częstotliwości, a ponadto ogniskowanie w jednorodnym polu magnetycznego (np. chronotron, synchrotron, omegatron). Na tej samej zasadzie, co spektrometr mas działają przyrządy służące do rozdzielania lub wzbogacania izotopów metodą elektromagnetycznego (uzyskuje się pełne rozdzielenie mieszaniny w jednokrotnym procesie).

3. Zasada wykorzystania

Spektometry masowe pierwotnie służyły do wykrywania różnych izotopów, potem do wyznaczania ich mas. Aktualnie stosuje się je najczęściej w technice do badania składu chemicznego i izotopowego różnych substancji. Spektometr ze źródłami jonów o dużej wydajności są używane jako separatory izotopów.