飞行时间质谱仪

用电场加速带电粒子，后进入分析器，分析器是一根长、直的真空飞行管组成。

(07重庆)飞行时同质谱仪可通过测量离子飞行时间得到离子的荷质比q/m。如图1，带正电的离子经电压为U的电场加速后进入长度为L的真空管AB，可测得离子飞越AB所用时间L1.改进以上方法，如图2，让离子飞越AB后进入场强为E(方向如图)的匀强电场区域BC，在电场的作用下离子返回B端，此时，测得离子从A出发后飞行的总时间t2，(不计离子重力)

(1)忽略离子源中离子的初速度，①用t1计算荷质比;②用t2计算荷质比。

(2)离子源中相同荷质比离子的初速度不尽相同，设两个荷质比都为q/m的离子在A端的速度分别为v和v′(v≠v′)，在改进后的方法中，它们飞行的总时间通常不同，存在时间差Δt。可通过调节电场E使Δt=0.求此时E的大小。

解:(1)①设离子带电量为q，质量为m，经电场加速后的速度为v，则

(1)

离子飞越真空管AB做匀速直线运动，则

(2)

由(1)、(2)两式得离子比荷

(3)

②离子在匀强电场区域BC中做往返运动，设加速度为a，则

(4)

L2= (5)

由(1)、(4)、(5)式得离子荷质比

或 (6)

(2)两离子初速度分别为v、v′，则

(7)

+ (8)

Δt=t-t′= (9)

要使Δt=0，则须 (10)

所以E= (11)

飞行时间质谱仪可以对气体分子进行分析。如图所示，在真空状态下，脉冲阀P喷出微量气体，经激光照射产生不同价位的正离子，自a板小孔进入a、b间的加速电场，从b板小孔射出，沿中线方向进入M、N板间的偏转控制区，到达探测器。已知元电荷电量为e，a、b板间距为d，极板M、N的长度和间距均为L。不计离子重力及进入a板时的初速度。

(1)当a、b间的电压为U1时，在M、N间加上适当的电压U2，使离子到达探测器。请导出离子的全部飞行时间与比荷K()的关系式。

(2)去掉偏转电压U2，在M、N间区域加上垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度B，若进入a、b间所有离子质量均为m，要使所有的离子均能通过控制区从右侧飞出，a、b间的加速电压U1至少为多少?

(1)由动能定理:

n价正离子在a、b间的加速度:

在a、b间运动的时间:=d

在MN间运动的时间:

离子到达探测器的时间:=

(2)假定n价正离子在磁场中向N板偏转，洛仑兹力充当向心力，设轨迹半径为R，由牛顿第二定律

离子刚好从N板右侧边缘穿出时，由几何关系:

由以上各式得:

当n=1时U1取最小值

因为ATOFMS可以鉴别组成颗粒物的特殊化合物，因此它可以提供了新视角来考察粒子与周围气体以及其他颗粒物之间的动态化学过程。实时化学组分分析可以消除传统的滤膜或碰撞器气溶胶采样方法的固有问题，比如二次化学反应或者半挥发性化合物的损失。3800-ATOFMS的应用包括:

· 气溶胶分析研究

· 大气粒子表征、排放源识别

· 半导体加工过程

· 室内空气质量监测

· 气溶胶-药物释放研究

· 吸入毒理学研究

· 药物强化样品分析

· 化学和生物气溶胶检测

· 发动机排放测量

· 粉末生产质量以及过程控制等。

飞行时间质谱仪可检测的分子量范围大，扫描速度快，仪器结构简单。这种飞行时间质谱仪的主要缺点是分辨率低，因为离子在离开在离子源时初始能量不同，使得具有相同质荷比的离子达到检测器的时间有一定分布，造成分辨能力下降。改进的方法之一是在线性检测器前面的加上一组静电场反射镜，将自由飞行中的离子反推回去，初始能量大的离子由于初始速度快，进入静电场反射镜的距离长，返回时的路程也就长，初始能量小的离子返回时的路程短，这样就会在返回路程的一定位置聚焦，从而改善了仪器的分辨能力。这种带有静电场反射镜的飞行时间质谱仪被称为反射式飞行时间质谱仪/Reflectron time-of-flight mass spectrometer。

俄罗斯Mettek高技术气体分析仪器公司介绍:

Mettek公司是国家钢铁材料测试中心在冶金过程在线气体检测技术领域的合作伙伴。

Mettek公司是专业化的、以飞行时间质谱技术为基础的工艺气体检测技术公司，该公司由俄罗斯A.F.Ioffe物理技术学院创建。著名的2000年诺贝尔物理学奖获得者G.F.Alferov和反射型飞行时间质谱仪的发明者B.A.Mamyrin即出自该院。飞行时间质谱技术的应用为冶金工艺气体的在线检测提供了全新、高效的手段，建立于纳克公司的Mettek商务及技术中心，将为推动这一技术在中国的应用发挥重要作用。

飞行时间质谱仪的特点:EMG系列气体分析仪采用先进的飞行时间质谱技术，与红外、热导、磁氧等传统分析技术相比，具有质谱分析的所有优点如测量速度快、精度高、采样量少、系统集成化和自动化程度高等。飞行时间质谱技术本身具有明显优于其他类型质谱的特点:最宽的测量范围;最快的分析速度;最小巧的结构;最少的运转费用。

EMG系列工业气体在线分析仪应用范围:

用于所有有气体参与或生成气体的工艺过程如烧结、熔炼等的监测和控制。通过在线测定原料、过程或产物中的气体成分和流量数据，指导生产过程，优化工艺模式，及时预报险情，提高生产产量和质量。