مطياف الكتلة القطاعي

جهاز القطاع هو مصطلح عام لفئة من أجهزة مطياف الكتلة التي تستخدم قطاعًا كهربائيًا ساكنًا (E) أو مغناطيسيًا (B) أو مزيجًا من الاثنين (بشكل منفصل في الفضاء) كمحلل كتلة. ^[1] كانت التركيبات الشائعة لهذه القطاعات هي EB وBE (ما يسمى بالهندسة العكسية) وBEB ثلاثية القطاعات وEBEB (كهربائي-مغناطيسي-كهربائي-مغناطيسي) رباعي القطاعات. معظم أجهزة القطاع الحديثة هي أجهزة ذات تركيز مزدوج (تم تطويرها لأول مرة بواسطة فرانسيس ويليام أستون وآرثر جيفري ديمبستر وكينيث باينبريدج وجوزيف ماتوش في عام 1936 ^[2] ) حيث أنها تركز حزم الأيونات في الاتجاه والسرعة. ^[3]

إن سلوك الأيونات في مجال كهربائي أو مغناطيسي ثابت متجانس وخطي (على حدة) كما هو الحال في جهاز قطاعي بسيط. يتم وصف الفيزياء بمعادلة واحدة تسمى قانون قوة لورنتز . هذه المعادلة هي المعادلة الأساسية لجميع تقنيات مطياف الكتلة وتنطبق أيضًا على الحالات غير الخطية وغير المتجانسة وهي معادلة مهمة في مجال الديناميكا الكهربائية بشكل عام.

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

حيث E هي قوة المجال الكهربائي ، وB هو تحريض المجال المغناطيسي ، و q هي شحنة الجسيم، وv هي سرعته الحالية (معبرًا عنها كمتجه)، و× هو حاصل الضرب الاتجاهي .

وبالتالي فإن القوة المؤثرة على أيون في مجال كهربائي متجانس خطي (قطاع كهربائي) هي:

${\displaystyle F=qE\,}$,

في اتجاه المجال الكهربائي، مع الأيونات الموجبة والمعاكس لذلك مع الأيونات السالبة.

تعتمد القوة فقط على الشحنة وقوة المجال الكهربائي. سوف تنحرف الأيونات الأخف وزناً بشكل أكبر والأيونات الأثقل وزناً بشكل أقل بسبب الاختلاف في القصور الذاتي وسوف تنفصل الأيونات عن بعضها البعض فعلياً في الفضاء إلى حزم مميزة من الأيونات عند خروجها من القطاع الكهربائي.

والقوة المؤثرة على أيون في مجال مغناطيسي متجانس خطي (قطاع مغناطيسي) هي:

${\displaystyle F=qvB\,}$,

عمودي على كل من المجال المغناطيسي ومتجه سرعة الأيون نفسه، في الاتجاه الذي تحدده قاعدة اليد اليمنى للضربات المتجهية وإشارة الشحنة.

إن القوة في القطاع المغناطيسي معقدة بسبب اعتمادها على السرعة ولكن مع الظروف المناسبة (سرعة موحدة على سبيل المثال) فإن الأيونات ذات الكتل المختلفة سوف تنفصل جسديًا في الفضاء إلى أشعة مختلفة كما هو الحال مع القطاع الكهربائي.

هذه بعض الأشكال الهندسية الكلاسيكية من أجهزة قياس الطيف الكتلي والتي تستخدم غالبًا للتمييز بين أنواع مختلفة من ترتيبات القطاعات، على الرغم من أن معظم الأدوات الحالية لا تتناسب بدقة مع أي من هذه الفئات حيث تطورت التصميمات بشكل أكبر.

تتكون هندسة أداة القطاع من قطاع كهربائي بزاوية 127.30 درجة بدون طول انجراف أولي يتبعه قطاع مغناطيسي بزاوية 60 درجة بنفس اتجاه الانحناء. يُطلق عليه أحيانًا "مطياف كتلة باينبريدج"، وغالبًا ما يستخدم هذا التكوين لتحديد الكتل النظيرية . يتم إنتاج شعاع من الجسيمات الموجبة من النظير قيد الدراسة. يخضع الشعاع للعمل المشترك للحقول الكهربائية والمغناطيسية العمودية . نظرًا لأن القوى الناتجة عن هذين المجالين متساوية ومعاكسة عندما تكون للجسيمات سرعة تُعطى بواسطة ${\displaystyle \left({\frac {\pi }{\sqrt {2}}}\right)}$

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

لا تتعرض هذه الجسيمات لقوة محصلة ؛ بل تمر بحرية عبر شق، ثم تخضع لحقل مغناطيسي آخر، فتعبر مسارًا نصف دائري وتصطدم بلوحة فوتوغرافية . يتم تحديد كتلة النظير من خلال الحساب اللاحق.

تتكون هندسة ماتوش-هيرتزوغ من قطاع كهربائي 31.82 درجة (راديان)، وطول انجراف يتبعه قطاع مغناطيسي 90 درجة في اتجاه انحناء معاكس. ^[4] يؤدي دخول الأيونات المصنفة في المقام الأول حسب الشحنة إلى المجال المغناطيسي إلى إحداث تأثير تركيز الطاقة وانتقال أعلى بكثير من مرشح الطاقة القياسي. غالبًا ما تُستخدم هذه الهندسة في التطبيقات ذات انتشار الطاقة العالي في الأيونات المنتجة حيث تكون الحساسية مطلوبة مع ذلك، مثل مطياف كتلة مصدر الشرارة (SSMS) ومطياف كتلة الأيون الثانوي (SIMS). ^[5] تتمثل ميزة هذه الهندسة على هندسة نير-جونسون في أن الأيونات ذات الكتل المختلفة تركز جميعها على نفس المستوى المسطح. وهذا يسمح باستخدام لوحة فوتوغرافية أو مجموعة كاشف مسطحة أخرى. ${\displaystyle \pi /4{\sqrt {2}}}$

تتكون هندسة نير جونسون من قطاع كهربائي بزاوية 90 درجة وطول انجراف متوسط ​​طويل وقطاع مغناطيسي بزاوية 60 درجة من نفس اتجاه الانحناء. ^{[6] [7]}

تتكون هندسة هينتربرجر-كونيج من قطاع كهربائي بزاوية 42.43 درجة وطول انجراف متوسط ​​طويل وقطاع مغناطيسي بزاوية 130 درجة من نفس اتجاه الانحناء.

تتكون هندسة تاكيشيتا من قطاع كهربائي بزاوية 54.43 درجة وطول انجراف قصير، وقطاع كهربائي ثانٍ بنفس اتجاه الانحناء يتبعه طول انجراف آخر قبل قطاع مغناطيسي بزاوية 180 درجة في اتجاه الانحناء المعاكس.

تتكون هندسة ماتسودا من قطاع كهربائي بزاوية 85 درجة وعدسة رباعية الأقطاب وقطاع مغناطيسي بزاوية 72.5 درجة من نفس اتجاه الانحناء. ^[8] تُستخدم هذه الهندسة في SHRIMP وPanorama (مصدر غاز، عالي الدقة، متعدد المجمعات لقياس النظائر المشعة في الكيمياء الجيولوجية).

• مطيافية الطاقة الحركية للأيونات التي يتم تحليلها بالكتلة
• تجزئة الشحنة عن بعد
• كينيث باينبريدج
• ألفريد أو سي نير