Espectrómetro de masas sectorial

Un instrumento sectorial es un término general para una clase de espectrómetro de masas que utiliza un sector eléctrico estático (E) o magnético (B) o alguna combinación de los dos (por separado en el espacio) como analizador de masas. Las combinaciones populares de estos sectores han sido los instrumentos EB, BE (de la llamada geometría inversa), BEB de tres sectores y EBEB (eléctrico-magnético-eléctrico-magnético) de cuatro sectores. La mayoría de los instrumentos del sector moderno son instrumentos de doble enfoque (desarrollados por primera vez por Francis William Aston, Arthur Jeffrey Dempster, Kenneth Bainbridge y Josef Mattauch en 1936) en el sentido de que enfocan los haces de iones tanto en dirección como en velocidad.

Teoría

El comportamiento de los iones en un campo eléctrico o magnético estático, homogéneo, lineal (por separado) como se encuentra en un instrumento sectorial es simple. La física se describe mediante una única ecuación llamada ley de fuerza de Lorentz. Esta ecuación es la ecuación fundamental de todas las técnicas de espectrometría de masas y también se aplica en casos no lineales y no homogéneos y es una ecuación importante en el campo de la electrodinámica en general.

F=q()E+v× × B),{displaystyle mathbf {F} =q(mathbf {E} +mathbf {v} times mathbf {B}}}

donde E es la intensidad del campo eléctrico, B es la inducción del campo magnético, q es la carga de la partícula, v es su velocidad actual (expresada como un vector) y × es el producto cruzado.

Entonces, la fuerza sobre un ion en un campo eléctrico lineal homogéneo (un sector eléctrico) es:

F=qE{displaystyle F=qE,},

en la dirección del campo eléctrico, con iones positivos y opuestos a los iones negativos.

La fuerza sólo depende de la carga y la intensidad del campo eléctrico. Los iones más ligeros se desviarán más y los iones más pesados menos debido a la diferencia de inercia y los iones se separarán físicamente entre sí en el espacio en distintos haces de iones a medida que salen del sector eléctrico.

Y la fuerza sobre un ion en un campo magnético lineal homogéneo (un sector magnético) es:

F=qvB{displaystyle F=qvB,},

perpendicular tanto al campo magnético como al vector de velocidad del ion mismo, en la dirección determinada por la regla de la mano derecha de los productos cruzados y el signo de la carga.

La fuerza en el sector magnético es complicada por la dependencia de velocidad pero con las condiciones adecuadas (velocidad uniforme, por ejemplo) iones de diferentes masas se separarán físicamente en el espacio en diferentes haces como con el sector eléctrico.

Geometrías clásicas

Estas son algunas de las geometrías clásicas de los espectrógrafos de masas que se utilizan a menudo para distinguir diferentes tipos de disposiciones sectoriales, aunque la mayoría de los instrumentos actuales no encajan precisamente en ninguna de estas categorías ya que los diseños han evolucionado aún más.

Bainbridge–Jordania

La geometría del instrumento sector consiste en 127.30° ()π π 2){displaystyle left({frac {sqrt {2}}right)} sector eléctrico sin una longitud inicial de deriva seguida de un sector magnético de 60° con la misma dirección de curvatura. A veces se llama "Espectrómetro de masas de puente", esta configuración se utiliza a menudo para determinar masas isotópicas. Se produce un rayo de partículas positivas del isótopo bajo estudio. El haz está sujeto a la acción combinada de los campos eléctricos y magnéticos perpendiculares. Puesto que las fuerzas debidas a estos dos campos son iguales y opuestos cuando las partículas tienen una velocidad dada por

v=E/B{displaystyle v=E/B,}

no experimentan una fuerza resultante; pasan libremente a través de una rendija y luego están sujetos a otro campo magnético, atravesando una trayectoria semicircular e impactando una placa fotográfica. La masa del isótopo se determina mediante cálculos posteriores.

Mattauch-Herzog

La geometría Mattauch-Herzog consiste en un 31,82° (31,82°)π π /42{displaystyle pi /4{sqrt {2}} radians) sector eléctrico, longitud de deriva seguida de un sector magnético de 90° de dirección de curvatura opuesta. La entrada de los iones ordenados principalmente por carga en el campo magnético produce un efecto de enfoque energético y una transmisión mucho mayor que un filtro de energía estándar. Esta geometría se utiliza a menudo en aplicaciones con una alta energía diseminada en los iones producidos donde se requiere sensibilidad, como la espectrometría de masas de fuente de chispa (SSMS) y la espectrometría de masa de ión secundaria (SIMS). La ventaja de esta geometría sobre la geometría Nier-Johnson es que los iones de diferentes masas están enfocados en el mismo plano plano plano. Esto permite el uso de una placa fotográfica u otro detector plano.

Nier–Johnson

La geometría de Nier-Johnson consta de un sector eléctrico de 90°, una longitud de deriva intermedia larga y un sector magnético de 60° de la misma dirección de curvatura.

Hinterberger-König

La geometría de Hinterberger-König consta de un sector eléctrico de 42,43°, una longitud de deriva intermedia larga y un sector magnético de 130° de la misma dirección de curvatura.

Takeshita

La geometría de Takeshita consta de un sector eléctrico de 54,43° y una longitud de deriva corta, un segundo sector eléctrico de la misma dirección de curvatura seguido de otra longitud de deriva antes de un sector magnético de 180° con dirección de curvatura opuesta.

Matsuda

La geometría de Matsuda consta de un sector eléctrico de 85°, una lente cuadrupolo y un sector magnético de 72,5° de la misma dirección de curvatura. Esta geometría se utiliza en SHRIMP y Panorama (fuente de gas, alta resolución, multicolector para medir isotopólogos en geoquímica).