Un instrumento sectorial es un término general para una clase de espectrómetro de masas que utiliza un sector estático eléctrico (E) o magnético (B) o alguna combinación de los dos (por separado en el espacio) como analizador de masas. [1] 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 sectoriales modernos son instrumentos de doble enfoque (desarrollados por primera vez por Francis William Aston , Arthur Jeffrey Dempster , Kenneth Bainbridge y Josef Mattauch en 1936 [2] ) en el sentido de que enfocan los haces de iones tanto en dirección como en velocidad. [3]
El comportamiento de los iones en un campo eléctrico o magnético estático, lineal y homogéneo (por separado), como el que se encuentra en un instrumento de sector, 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 se aplica también en casos no lineales y no homogéneos, y es una ecuación importante en el campo de la electrodinámica en general.
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 vectorial .
Entonces, la fuerza sobre un ion en un campo eléctrico homogéneo lineal (un sector eléctrico) es:
en la dirección del campo eléctrico, con iones positivos y en sentido opuesto con iones negativos.
La fuerza depende únicamente de la carga y de la intensidad del campo eléctrico. Los iones más ligeros se desviarán más y los más pesados menos debido a la diferencia de inercia y los iones se separarán físicamente entre sí en el espacio en haces de iones distintos a medida que salen del sector eléctrico.
Y la fuerza sobre un ion en un campo magnético homogéneo lineal (un sector magnético) es:
perpendicular tanto al campo magnético como al vector de velocidad del propio ion, en la dirección determinada por la regla de la mano derecha de los productos vectoriales y el signo de la carga.
La fuerza en el sector magnético se complica por la dependencia de la velocidad, pero con las condiciones adecuadas (velocidad uniforme, por ejemplo) los iones de diferentes masas se separarán físicamente en el espacio en diferentes haces, como en el sector eléctrico.
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 con precisión en ninguna de estas categorías ya que los diseños han evolucionado aún más.
La geometría del instrumento sectorial consiste en un sector eléctrico de 127,30° sin una longitud de deriva inicial seguido de un sector magnético de 60° con la misma dirección de curvatura. A veces llamado "espectrómetro de masas Bainbridge", esta configuración se utiliza a menudo para determinar masas isotópicas . Se produce un haz de partículas positivas a partir del isótopo en estudio. El haz está sujeto a la acción combinada de campos eléctricos y magnéticos perpendiculares . Dado que las fuerzas debidas a estos dos campos son iguales y opuestas cuando las partículas tienen una velocidad dada por
No sufren ninguna fuerza resultante , sino que pasan libremente por una rendija y, a continuación, se ven sometidos a otro campo magnético, recorriendo una trayectoria semicircular y chocando contra una placa fotográfica . La masa del isótopo se determina mediante un cálculo posterior.
La geometría Mattauch-Herzog consiste en un sector eléctrico de 31,82° (radianes), una longitud de deriva seguida de un sector magnético de 90° con dirección de curvatura opuesta. [4] La entrada de iones clasificados principalmente por carga en el campo magnético produce un efecto de enfoque de energía y una transmisión mucho mayor que un filtro de energía estándar. Esta geometría se utiliza a menudo en aplicaciones con una alta dispersión de energía en los iones producidos donde, no obstante, se requiere sensibilidad, como la espectrometría de masas con fuente de chispa (SSMS) y la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS). [5] La ventaja de esta geometría sobre la geometría de Nier-Johnson es que los iones de diferentes masas se enfocan todos en el mismo plano. Esto permite el uso de una placa fotográfica u otro conjunto de detectores planos.
La geometría de Nier-Johnson consta de un sector eléctrico de 90°, una longitud de deriva intermedia larga y un sector magnético de 60° con la misma dirección de curvatura. [6] [7]
La geometría de Hinterberger-Konig 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.
La geometría de Takeshita consta de un sector eléctrico de 54,43°, 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° de dirección de curvatura opuesta.
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. [8] Esta geometría se utiliza en SHRIMP y Panorama (fuente de gas, alta resolución, multicolector para medir isotopólogos en geoquímica).
