Espectrómetro de masas

[aewolframio]

Felicidades Sergi,lo has logrado.

Eres un buen ejemplo de lo dicho por Eisntein

"La genialidad es un 10 % de inspiración y un 90 % de transpiración"

Bravo

Aewolframio

[Sergi]

Hola a tod@s...

Respondiendo a Goyo la lectura actual del espectrómetro es más o menos esta...



...con lo que la capacidad del aparato actualmente es de poco más de 40 u.m.a.


Esta capacidad espero aumentarla modificando la fuente del electroimán para pasar de 32V a unos 60v. Como los transistores de potencia y el mismo electroimán trabajan bastante relajados espero no tener mayores problemas para hacerlo. De todas formas el objetivo del selector magnético no es tener mucha capacidad, sino aumentar la resolución en la primera parte de la escala. Si acabo reconstruyendo el selector cuadrupolo (actualmente desmontado) podría disponer de un espectrómetro más completo, lo que puede ser muy útil.

En la gráfica se puede apreciar como la escala se deforma, porque las u.m.a. aumentan con el cuadrado del campo y por la falta de linealidad del control del electroimán. De todas formas se aprecian bien las series características de la molécula de agua y del aire residual. La gráfica esta tomada después de varias horas de funcionamiento de la difusora y el aire residual es poco predominante (N2-28 y O2-32). Lo que no acabo de entender es porque los picos del H y del H2 son tan pronunciados en relación al de H2O-18. EL ionizador estaba bastante caliente por causa de los filamentos y es posible que se produzcan absorciones por el sputterin del tungsteno. Habrá que averiguarlo.

Otro experimento que tengo en mente es intentar medir el helio de 10 emisores de alfa (10 micro curios de Americio 241). Esto supone, si no me equivoco, unas 370.000 desintegraciones por segundo, un numero parecido a las 500.000 reacciones de fusión estimadas por el Profesor en su fusor. Además así también descartaríamos la posible incrustación de las alfa de alta energía en las paredes de la cámara de vacío.

Ya contaré.

Saludos

[baldo]

tener en cuenta que en bombas de vacio, es mas facil que reflujen moleculas ligeras y veloces, si tocan aspa o molecula de vapor las manda al 5º pino, pero son mas agiles esquivando que las lentas, por eso reflujan.

¿variara la grafica con el tiempo de vaciado?

[Goyo2009]

Sergi,

Se me ocurre que el próximo paso debería ser conectar la salida del detector a una PC. Existe en el mercado un kit muy económico de nombre Arduino, utiliza la tecnología PIC. Con ese sistema, el tiempo para cada espectro se te reduciría a fracciones de segundo, por lo que el sistema requeriría menos mantenimiento.
El haber reducido el espesor entre el electroiman, haciéndolo plano fue una buena idea. Creo que la tubería de acero inoxidable también podría ser de un diámero menor ... pal próximo.

Una pregunta, el electroimán trabaja a campo constante y varías la velocidad de los iones o al revés ?

Goyo

[Sergi]

Hola a tod@s...

Goyo...

Las gráficas las tomo con una digitalizadora velleman. Nada del otro mundo, pero de momento hace la faena. El principal problema es la escasa resolución, 255x1700 puntos por gráfica. La velocidad de escaneo ya es adecuada. Si escaneo muy rápido pierdo mucha amplitud de señal en el sensor y además se empastan los picos. Por lo que he leído es típico que el escaneo magnético se haga lento para aumentar la resolución. Es el escaneo con cuadrupolos el que permite mayor velocidad.

En mi caso, actualmente, el escaneo es por variación del campo magnético. La variación de la tensión de aceleración supondría muchos problemas de modificación del punto de enfoque del haz, tensión de polarización del filamento, fragmentación de la muestra... etc. El escaneo por velocidad de vuelo es otra tecnología de espectrometría, pero muy compleja técnicamente.

Si, realmente reducir el entrehierro ha sido uno de los mejores aciertos. El tamaño del tubo (de 52mm) es herencia de los errores cometidos, pero por contra me permite alojar el ionizador y las futuras cuacrupolos. Seria muy complicado reducir mucho su tamaño con los medios constructivos de que dispongo.


Baldo...

Efectivamente, hasta donde puedo medir, varia la relación de gases con el tiempo de vaciado. Pero vamos por partes...

En primer lugar os pondré un par de gráficas con la relación de u.m.a. que interpreto en función de la información que he podido recopilar por ahí... De esta forma se entenderán bien los cambios en las siguientes lecturas. Tiene que ser dos por la falta de resolución del conversor AD de la digitalizadora. Si amplifico la señal para distinguir los picos poco pronunciados, los más intensos salen de escala.



Aquí podemos apreciar:

1 -
2 -
12 -
14 -
15 -
16 -
17 -
18 -
28 -
32 -

Hay alguna otra cosa emborronada pero que no se distingue bien... Ampliamos la sensibilidad del electromultiplicador...



Aquí se distingue (además de los ya comentados)...

4 -
7 -
20 -

...y mezclados aparecen los picos de

28 -
29 -
y 30 -

Parece haber algo más, pero no sabría decir que es.

Ahora os pongo una serie de cinco gráficas tomadas durante el proceso de bombeo de la difusora durante casi una hora... (Cerré la entrada de gases al ionizador).











Primero disminuyen los gases atmosféricos N , N2 , O2... Persiste el vapor de agua y su fragmentación H, H2, O, HO, H2O... y como predijo Baldo, lo que más aguanta en proporción es el H2

Después preparé una muestra de aproximadamente 10uCurios de Americio 241 (unos 350 KBq)....



El geiger cantaba como un loco

Las gráficas del espectrómetro parecen reflejar la presencia del He desprendido por el Americio. Este se acumulaba en una cámara previa al ionizador e iba entrando por reflujo, sin más mecanismos. Al principio me parecía imposible, por la ínfima cantidad de Helio en juego, pero la relación con el He atmosférico es mucho mayor en proporción a los gases residuales. Aun lo tomo con muchas reservas, pero no encuentro otra explicación.





Las dos gráficas están tomadas con una hora de separación (La segunda con algo más de amplificación) y mientras la relación de gases varía, la del He se mantiene bastante constante. En las anteriores gráficas se puede ver que era necesaria una amplificación enorme para percibir el pico de He.

Hice otras pruebas, pero ya os las iré contando para no cansar con tanta gráfica...

Saludos.

[Goyo2009]

Gracias por tus respuestas ...

Veo en los gráficos que la relación de pesos atómicos es logarítmica ... podrías hacerla lineal ?
Porqué no puedes determinar pesos atómicos más elevados ? digamos de 300 ??

Saludos y nuevamente gracias ...

[baldo]

por evitarle trabajos al sergi te dire que la respuesta es logaritmica, claro que se pueden pasar a lineal, o por soft o complicando la electronica, pero no viene a cuento. los 4polos tambien son logaritmicos, o explonenciales, segun lo quieras ver.

el tiene una meta con esto del analisis de gases, pero se puede variar el rango variando los parametros del espectrometro,

[Sergi]

Hola a tod@s...

Goyo...

Mi electroimán es pequeñito y no creo que llegue a tener capacidad para detectar 300 umas sin saturarse. Algo podré aumentar su capacidad, pero también me di cuenta que disminuye bastante la resolución entre umas conforme aumenta la masa del ión (por no tener montado un selector de velocidades). Todo en equilibrio.

Con las cuadrupolo, en principio, es posible llegar a mucha más capacidad, pero tienen poca resolución teórica.

Como dice Baldo, dependiendo de tus necesidades deberás diseñar el selector m/z en función de la capacidad máxima que precises.


He detectado que la interferencia magnética del electroimán influye en el E.M. y en la convergencia del haz. Tendré que montar un blindaje. Hubiera sido interesante alejar más el electroimán del ionizador y del E.M.



¡¡Confirmado!! Era Helio.

Acabé los experimentos con el Americio 241 y las pruebas parecen concluyentes.

24 horas después volví a analizar los gases residuales de la muestra de Americio (dejado macerar en el interior de la cápsula) y apareció de nuevo la traza del He fácilmente...


Pensando en la idea de Petruxx calenté el contenedor del Americio con la intención de desincrustar algunas Alfas de las paredes...



... Y luego lo deje enfriar de nuevo.



Repetí este experimento por dos veces con idéntico resultado. No solo parece quedar claro que el pico del He fruto de la descomposición del Am sino que además de dislumbra el pico correspondiente al 3 - He³

Por último Repetí la lectura sin muestra de Americio ...



Parece claro que el pico corresponde al He proveniente de la desintegración del Americio y queda confirmada la resolución del aparato

Ahora pasaré unos días arreglando chapucillas en el aparato y afianzando circuitos. Hay muchas cosas aun que están montadas provisionalmente.

Después decidiremos si montamos las cuadrupolos o lo damos por acabado...

Saludos

[Goyo2009]

Hola Sergi ( o Baldo )

Una cosa a la que no encuentro explicación lógica es el hecho de que tus espectros tengan una relación logarítmica. Lo que se me ocurre es que la variación del campo sea logarítmica ... es esto correcto ?

Los espectros están fantásticos ...

[Sergi]

Hola Goyo...

Tienes razón. No es cierto que las u.m.a. aumenten con el cuadrado del campo ... es el número atómico el que aumenta (muy aproximadamente) con el cuadrado del campo.

He estado haciendo los cálculos para explicarme la forma de la escala de u.m.a. en relación al campo. El problema radica en que la tensión de aceleración del ionizador es la misma para todas las especies de iones (unos 300v en mi caso). Esto imprime una velocidad desigual a cada ión en función de su masa.

Recordemos que la tensión de aceleración de los electrones producidos en los filamentos de ajusta para que arranquen solo el electrón más externo de la capa electrónica de cada átomo o molécula. La intención es que todos los iones producidos tengan la misma carga eléctrica. Esta tensión de aceleración (polarización del filamento) es típicamente de -70v respecto a la cámara de ionización. Si aumentamos la energía de los electrones de bombardeo (su tensión de aceleración) se producen iones doble y triplemente ionizados, lo cual complica enormemente la interpretación del espectro.

Partiendo de que todas las especies están simplemente ionizadas, calculamos la velocidad a la que saldrán del ionizador, después de haber sido acelerados.



Esta velocidad en función de la masa nos da la siguiente proporción...



Calculamos entonces el campo necesario para que cada ión describa el radio típico del espectrómetro magnético (55mm en mi caso).



Lo que nos da la potencia del campo respecto a la masa...




Podemos apreciar una tendencia campo/masa muy similar a la que se aprecia en los espectros que obtengo.

Por otro lado también se ve claramente la mayor aceleración de los iones más ligeros. Como los iones acelerados parten de una velocidad térmica inicial, esto les imprime velocidades diferentes una vez acelerados, y produce una dispersión del haz al pasar por el sector magnético. Esta dispersión es menor en los iones más ligeros por ser acelerados a mayor velocidad respecto a la velocidad térmica inicial. Una forma de reducir este problema y aumentar la resolución es usar velocidades de aceleración mayores, pero disminuye la capacidad del espectrómetro con el mismo campo magnético. De nuevo es un equilibrio entre las necesidades de resolución y capacidad en u.m.a.

Goyo, gracias por la apreciación, siempre es interesante meterse en los cálculos. Me da que pensar en algunas posible reformas...

Saludos