Магнитный спектрометр - прибор для измерения импульсов заряженных частиц по характеристикам их траекторий в магнитном поле. Чаще всего импульсы пересчитываются в энергию и прибор, таким образом, служит для определения энергетического спектра заряженных частиц.

Частица, движущая равномерно со скоростью V и попавшая в однородное магнитное поле с индукцией B и вектором индукции, направленным перпендикулярно скорости частицы, начнет двигаться по окружности радиуса R:

Здесь m - масса частицы, q - заряд. Таким образом, зная заряд частицы и индукцию магнитного поля, можно определить импульс частицы, измерив радиус кривизны ее траектории.

Распространена схема, изображенная на Рис. 1. Источник S₁ дает пучок частиц, который влетает в область с однородным магнитным полем H. Передвигая детектор S₂, мы будем улавливать частицы, двигающиеся по траекториям с разными радиусами кривизны. В реальном пучке частицы двигаются не параллельно, угол раствора пучка приводит к погрешности определения радиуса траектории.

Обычно в спектрометрах детектор неподвижен, регулируется напряженность магнитного поля.

Магнитный спектрометр можно использовать не только для измерения импульса или энергии частиц. Если кинетическая энергия и заряд частицы известны, по радиусу кривизны траектории можно определить массу частицы. В этом случае перед попаданием в магнитное поле пучок проходит через электрическое поле с разностью потеницалов U, в этом случае каждая частица приобретает кинетическую энергию qU. Такой прибор называется магнитным масс-спеткрометром.

Магнитный спектрометр позволяет определить энергетический спектр частиц либо их масс-спектр.

Примером использования магнитного спектрометра для получения энергетического спектра является бета-спектрометр - прибор для определения спектра бета-излучения, которое является потоком электронов, бета-частиц. Основными характеристиками бета-спектрометра являются светосила и разрешающая способность. Под светосилой понимают отношение числа электронов (или позитронов), которое используется для анализа, к полному числу частиц, испускаемых радиоактивным источником. Светосила бета-спектрометра зависит от их конструкции и обычно составляет от нескольких десятых процента до нескольких десятков процентов. Разрешающей способностью бета-спектрометра называется наименьшее различие в энергии (или, чаще, в импульсе) электронов, которое может быть замечено прибором. Разрешающая способность прецизионных бета-спектрометров достигает 0,01%. Как правило, приборы с лучшей разрешающей способностью обладают меньшей светосилой.

При энергиях электронов в несколько Мэв размеры бета-спектрометра невелики; он умещается на лабораторном столе. Детектором электронов может служить фотопластинка. В этом случае одновременно регистрируется целый участок энергетического спектра. При использовании в качестве детекторов различного вида счётчиков частиц (например, счетчика Гейгера - Мюллера) магнитное поле спектрометра плавно изменяют, подводя к детектору электроны с разными импульсами. Траектории электронов в бета-спектрометре проходят внутри вакуумной камеры (вакуум порядка 10^-1 — 10^-3 мм рт. ст.).

Масс-спектрометрию широко применяют в различных областях науки и техники: в химии и нефтехимии, физике, геологии, биологии, медицине, в промышленности полимеров, в лакокрасочной и химической промышленности, в производстве полупроводников и сверхчистых материалов, в ядерной технике, в пищевой промышленности, при анализе продуктов загрязнения окружающей среды и многих других. Большие успехи достигнуты при анализе биологически важных веществ: показана возможность структурного анализа полисахаридов с молекулярной массой до 15000 а.е.м., белков с молекулярной массой до 45000 а.е.м. и т.д. Масс-спектроскопия нашла применение как быстрый метод газового анализа в медицине. Отечеств. масс-спектрометры, выпускаемые для различных целей, имеют индексы: для исследования изотопного состава - МИ, для исследования химического состава - MX, для структурного анализа - МС. Macс-спектрометрия в органической химии позволяет измерить точную молекулярную массу и рассчитать элементный состав исследуемого вещества, установить химическое и пространственное строение, определить изотопный состав, провести анализ сложных смесей органических соединений.

Macc-спектрометрию в неорганической химии применяют при исследовании поверхности неорганических материалов, для анализа микропримесей в кристаллах, металлах, сплавах, изоляторах и полупроводниках. Методом масс-спектрометрии определяют термодинамические параметры, парциальные давления компонентов смесей со сложным составом пара, а также изучают металлические кластеры - динамику их образования, химческие свойства, фото-физические особенности, строение и устойчивость, что помогает понять механизм проводимости металлов, крайне важный для микроэлектроники. Особое место занимает газовый анализ с применением масс-спектрометрии в различных технологических процессах (металлургия, угольная промышленность). Исследования проводят при температурах от нескольких сотен до 2000-3000 К. Изотопная масс-спектрометрия изучает природные и техногенные вариации изотопного состава химических элементов (вариации, вызванные ядерными или физико-химическими процессами).

Участок траектории, лежащий в области магнитного поля, представляет собой дугу окружности. Угол, на который опирается дуга, можеть быть разным. При угле 180 градусов реализуется т.н. "полукруговая фокусировка по траекториям" - дуги окружности равного радиуса, вышедшие из источника под немного разными углами, сходятся через 180 градусов. Однако в этом случае источник и приемник приходится размещать фактически в том же магнитном поле. Разместить источник и приемник вне области с магнитным полем позволяют устройства с секторной фокусировкой - в них угол дуги окружности составляет меньше 180 градусов (часто 60 градусов).

Для введения вещества в ионный источник существует специальная система, называемая системой напуска. Она обеспечивает ввод строго дозированных количеств вещества, его минимальное термическое разложение, кратчайшую доставку к области ионизации и автоматическую смену образцов без нарушения вакуума. Система ввода газов и легколетучих веществ представляет собой холодные или обогреваемые стеклянные резервуары с вязкостными или молекулярными натекателями, через которые газообразное вещество поступает в область ионизации.

Детекторы (приемники) ионов помещают на выходе прибора. Для детектирования используют электрометрические усилители, позволяющие измерять ионные токи до 10^-14А, электронные умножители и сцинтилляционные детекторы с фотоумножителем, которые обеспечивают счет отдельных ионов (ток 10^-19 А) и имеют малую постоянную времени, а также фотопластинки, преимущество которых в возможности регистрации всех ионов масс-спектра и накопление сигнала.

Масс-спектрометр работает в условиях глубокого вакуума (10^-5 — 10^-6 Па и выше), который позволяет свести к минимуму потерю разрешающей способности из-за столкновения ионного пучка с нейтральными молекулами. Ионный источник и масс-анализатор имеют разные системы откачки и соединяются между собой каналом такого размера, который достаточен для прохождения ионного луча. Такая конструкция предохраняет падение вакуума в анализаторе при повышении давления в источнике ионов. В источнике ионов необходима также высокая скорость откачки для уменьшения эффекта памяти (удаление веществ, адсорбированных на внутренней поверхности прибора). Обычно вакуум в приборах создают диффузионные насосы. Применяют также турбомолекулярные насосы, обеспечивающие получение сверхвысокого вакуума (10^-7 — 10^-8 Па) и откачку со скоростью несколько литров в секунду; эти насосы не требуют применения охлаждаемых ловушек.