циклотронный резонанс

ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС

явление резонансного поглощения энергии переменного электрич. поля заряженной частицей, находящейся в магн. поле. Заряженная частица, помещенная в магн. поле напряженности Н и имеющая отличный от нуля импульс в плоскости, перпендикулярной полю Н, совершает в этом поле движение по спирали с частотойзависящей только от ее массы т, заряда q и Н:

где Н=|Н|. Если в плоскости, перпендикулярной полю Н, приложить переменное электрич. поле, частота изменения которого совпадает сто движение частицы примет резонансный характер.

Явление наз. ионным Ц. р. (ИЦР), если заряженная частица — ион. ИЦР используют в масс-спектрометрии с 1950. Впервые этот метод был применен в масс-анализаторе (омегатроне), в котором измерялся ток ионов, попавших в резонанс с внеш. полем. В омегатроне частицы движутся во взаимно перпендикулярных переменном электрич. и постоянном магнитном полях. По резонансной частоте, используя формулу (1), определяют массу ионов.

Затем был развит дрейфовый метод ИЦР, в котором ионы дрейфовали в скрещенных постоянных электрич. и магнитном полях. Детектировались ионы, попадающие в резонанс с переменным электрич. полем, приложенным перпендикулярно направлению магн. поля и направлению дрейфа. Применение метода было обусловлено возможностью относительно длительного (мс) удержания ионов в области дрейфа и др. факторами.

Совр. метод масс-спектрометрии с использованием Ц. р. — спектрометрия ИЦР с преобразованием Фурье (ИЦР ПФ). Резонансное поглощение ионами электромагн. энергии происходит в анализаторе. Высокочастотное электрич. поле позволяет идентифицировать ионы по резонансному поглощению энергии при совпадении частоты поля и циклотронной частоты ионов с послед. фурье-анализом (см. фурье-спектроскопия) сигнала. Интенсивность сигнала I_i от группы ионов массы m_i, и заряда q_i представляет собой экспоненциально затухающую косинусоиду:

где — частота Ц. р. иона; - частота столкновения ионов с молекулами остаточного газа в ячейке прибора (пропорциональна давлению газа): t — время; А_i — количество ионов с массой m_i.

Если в ячейке спектрометра находятся ионы с разл. массами и возбуждено циклотронное движение всех ионов, сигнал представляет собой сумму сигналов от отдельных групп: преобразование Фурье которой дает серию пиков на оси частот в положениях, соответствующих циклотронным частотам с высотами, пропорциональными А_i. В соответствии с формулой (1) частотный спектр преобразуется в спектр масс.

Метод ИЦР ПФ позволяет одновременно регистрировать все ионы в ячейке прибора, определять их массы и относит. количества, что дает возможность следить за превращениями ионов в ячейке при исследованиях ионно-молекулярных реакций. Т. к. ширина спектрального пика после преобразования Фурье гармонич. сигнала, имеющего длительность Т, обратно пропорциональна Т, то разрешающая способность Для обыкновенных электромагнитов с величиной Н2 Тл и временем синхронного движения ионов мс величины R10^4–5 близки к рекордным для др. методов масс-спектрометрии. Использование сверхпроводящих магнитов с H5 Тл и более глубокого вакуума (10⁻⁷ Па) приводит к увеличению как так и Т (до десятков с), что позволяет достичь R ~ 10⁸. Точность определения абс. значений масс атомов и молекул этим методом превышает 10⁻⁶.

Особенностью метода ИЦР ПФ является также возможность длит. (в течение неск. часов) удержания ионов в локализованной области пространства. Ионы в спектрометре ИЦР ПФ захватываются в ловушку, создаваемую постоянными электрич. и магн. полями. На рис. показана одна из наиболее распространенных ячеек ИЦР ПФ, состоящая из б электродов. Электроды 3–6 заземлены по постоянному току, а на электроды 1, 2 подается потенциал — положительный для положит. ионов и отрицательный для отрицат. ионов,- создающий потенциальную яму вдоль оси ячейки. Ионы, образовавшиеся внутри этой ямы, запираются в ячейке, т. к. они не могут выйти вдоль оси из-за потенциального барьера, а поперек оси — из-за магн. поля.

_{Схема ячейки спектрометра ИЦР ПФ: 1, 2 — запирающие электроды; 3, 4 — возбуждающие электроды; 5, 6 — детектирующие электроды; 7 — источник ионизирующих электронов; 8 — направление магнитного поля; М⁺ — ион.}

Цикл измерения масс-спектра в методе ИЦР ПФ состоит: из интервала времени создания ионов в ячейке; временной задержки (при необходимости) для превращения ионов или их взаимод. с др. частицами; импульса возбуждения циклотронного движения ионов, подаваемого на пластины 3 и 4; интервала времени измерения сигнала от свободно вращающихся ионов с пластин 5 и 6 до импульса очистки ячейки от всех ионов "выворачиванием" потенциальной ямы, что достигается путем подачи на пластины 1 и 2 потенциалов обратной полярности. Таким образом, пауза между интервалом времени, в котором ионы создаются, и интервалом времени, в котором они анализируются по массам, может составлять часы. В результате метод дает возможность исследовать разл. "медленные" процессы взаимод. ионов с молекулами, электронами и светом. Высокая разрешающая способность метода позволяет использовать его для разделения дуплетов и мультиплетов в масс-спектрах. Методом ИЦР ПФ впервые разделен дуплет ³Не⁺ — T⁺ и измерена разность масс ионов.

Метод ИЦР ПФ является наиб. точным масс-спектрометрич. методом измерения масс. Его используют для исследования реакций ионных кластеров с молекулами, лазерной десорбции ионов с поверхностей твердых тел, диссоциации многоатомных ионов и др.

Ц. р. применяют в физике твердого тела при изучении энергетич. спектра электронов, особенно для точного измерения их эффективной массы. С помощью Ц. р. возможно определение знака заряда носителей, изучение процессов их рассеяния и электрон-фононного взаимод. в металлах. В твердых телах область наблюдения Ц. р. ограничивается низкими температурами (1 — 10 К) и частотами> 10⁹ Гц. В полупроводниках Ц. р. наблюдается на частотах 10¹⁰ — 10¹² Гц в полях 8∙10⁴- 8∙10⁶ А/м.

^{Лит.: Леман Т., Берси М., Спектрометрия ионного и циклотронного резонанса, пер. с англ., М., 1980; Николаев Е. Н., "Ж. Всес. хим. общества им. Д. И. Менделеева", 1985, т. 30, № 2, с. 136–42; Соmisакоw М. В.; Marshall A. G., "Chera. Phys. Lett.", 1974, v. 25, № 2, p. 282–83.}

_{Е. Н. Николаев}