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特点

  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/Reflectrontime-of-flight mass spectrometer。

提供例题,方便理解

  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。

高考题

  (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)

另外一例

  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

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