TOF-MS sistemi 47

Lineer uçuş zamanlı (Time-of-Flight “TOF”) kütle spektrometreleri değişik

alanlarda birçok farklı malzemenin elementer analizi için vazgeçilmez bir araç durumundadır. Yaygın kullanımına rağmen TOF spektrometrelerinde kütle çözünürlüğü hala önemli bir problem olarak detaylı çalışma gerektirmektedir. Çünkü aynı kütleli iyonların uçuş sürelerinin dağılımı iyonlaşma bölgesindeki iyonların konumu ve termal enerjilerinden olumsuz etkilenmektedir. Uçuş sürelerindeki değişim kütle çözünürlüğünü etkilediğinden birbirine yakın kütleli iyonların spektral olarak ayırt edilmesi güçleşmektedir. Konum ve termal enerjiden oluşan hız dağılımının minimize edilmesi için birçok tasarım geliştirilmiştir.

Şekil 2.1: Uçuş zamanlı kütle spektroskopisinin SIMION 8.0 3D ‘de kesit olarak şekli.

Grubumuz tarafından simülasyon çalışmaları yapılan projelendirilen ve yerli sanayi altyapısı kullanılarak üretilen, uçuş zamanlı kütle spektrometresi (TOF), kullandığımız malzemeyi iyonlaştırmak için Nd:YAG laser demetinden, iyonları itmek için itici (arka) levhadan, elektrik alan oluşturmak için elektrik yüklü levhalardan ve sürüklenme bölgesinin sonunda iyonları analiz etmek için MCP detektörden oluşmaktadır. Laser hariç bütün malzemeler vakum ortamında bulunmaktadır. Vakum çemberi; uçuş zamanlı kütle spektrometresi iyon kaynağı

atma bölgesi ve serbest uçuş tüpünden oluşmaktadır. Şekil 2.1 ile TOF sisteminin düşey yarım kesiti yatay olarak gösterilmektedir.

Yerli sanayi yapımı olan TOF-MS’ın boyutları ve içindeki elektrik yüklü levhaların aralarındaki mesafe tüm ayrıntılarıyla SIMION 3D simülasyon programıyla belirlenip, AuotoCAD çizim programında çizildikten sonra Afyon Şuut’ta paslanmaz çelikten yapılmış.

Şekil 2.2: a) TOF-MS’nin x-y kesiti. b) Vakum çemberinin y-z kesitidir.

TOF-MS sisteminin kapağında ise plastik conta kullanılmıştır. Şekil 2.2(a) ile AutoCAD programı kullanılarak çizilmiş olan vakum çemberinin ve uçuş tüpünün x- z düzlemindeki görüntüsü verilmektedir. Şekil 2.2(b) ile ise vakum çemberinin y-z düzlemindeki görüntüsü verilmektedir.

Vakum çemberinde laser demetinin girmesi için bir pencere, dışarıdan gözlem yapabilmek için bir tanesi yukarıda olmak üzere üç gözlem penceresi, levhalara

- 49 -

birer flanş bulunmaktadır. Gözlem pencerelerinin camları yüksek enerjili laser demetine karşı dayanıklı malzeme olan safir kristalden (sapphire crystal) yapılmıştır. Flanş bağlantı yerlerinden gaz kaçağı olmaması için bakır contalar kullanılmıştır. Şekil 2.3 ile TOF-MS sisteminin AutoCAD programı kullanılarak çizilmiş üç boyutlu şekli görülmektedir.

Şekil 2.3: TOF-MS’nin üç boyutlu şekli.

Vakum sistemi, TOF sisteminin bütün ve ana kısmıdır (Gross 2004). Tablo 2.1 ile basınç oranına ve vakum biçimine göre spektrometrede gaz akışı biçimleri belirtilmiştir.

Deneyler yapılmadan önce vakum çemberi bir 520 ℓ/ s turbomoleküler pompa kullanılarak ∼10−8mbar vakum değerlerine kadar pompalanmıştır. Uçuş tüpünün basıncını düşürmek için ayriyeten pompa kullanmadığımız için uçuş tüpünün basıncını düşürmek daha zor olmaktadır, bu sebeple vakum çemberinde basınç düşmeye devam ederken uçuş tüpünü dışarıdan ısıtma bantlarıyla ısıtarak istediğimiz basınç ortamının oluşması sağlanmaktadır. Isıtma yoluyla içeride çembere ve uçuş tüpüne yapışmış olan parçacıkların temizlenmesi de sağlanmaktadır.

Tablo 2.1: Vakum teknolojisinde basınç aralıkları (Gross 2004).

Basınç Oranı (Pa)

Basınç Oranı (mbar)

Basınç Oranı

(mtorr) Vakum Gaz Akışı

105-102 1 bar-1 mbar 750 torr-750 mtorr Kaba vakum (RV) Viskoz akış

102-10-1 1-10-3 750-0.75 Orta vakum (MV) Knudsen akış

10-1-10-5 10-3-10-7 0.75-7.5×10-5 Yüksek vakum (HV) Moleküler akış <10-5 <10-7 <7.5×10-5 Çok yüksek vakum (UHV) Moleküler akış

Uçuş tüpünün sonunda bulunan MCP detektörünün, deney düzeneğini değiştirmek için vakum çemberinin açılmasından dolayı zarar görmemesi için vakum çemberi ile uçuş tüpü arasına bir UHV gate valf takılmıştır. Farklı bir deney düzeneği veya numune değişimi yapılmak istendiğinde vakum pompasının kapatılmasından önce UHV gate valfi kapatılarak detektör güven altına alınmaktadır. Daha sonra da deney düzeneği değiştirilip vakum çemberinin kapağı sıkıca kapatılıp pompa çalıştırılmaktadır. Böylece detektörün basınç değişiminden zarar görmesi engellenmiş olmaktadır.

Vakum çemberi ve uçuş tüpü daha sonra farklı deney düzeneği ve farklı cihazların eklenmesine olanak sağlayacak şekilde esnek olduğundan, parçaların birleşiminden oluşmaktadır. Bu yüzden bağlantı ve kaynak yapılan yerlerden kaçak olmamasına dikkat edilmiştir. Kaçak tespiti için gerekli testler O2 gazı kullanılarak yapılmaktadır.

Sistem çok alanlı sistem olarak dizayn edilmiştir, ancak istenildiğinde tek ya da iki alanlı sistem olarak da değiştirilebilmektedir. Đtici levha ince bir disk, diğer elektrik yüklü parçacık lensleri ise ince halkalar şeklinde paslanmaz çelikten yapılmıştır. Levhaların boyutları ve verilmesi gereken gerilim değerleri SIMION 8.0 3D programı kullanılarak belirlenmektedir. Đç çapı 2cm dış çapı 9.8cm olan 1mm kalınlıklı levhalar ve iç çapı 3cm dış çapı 6cmolan 0.8mm kalınlıklı iki çeşit levha takımı kullanmaktayız. Sisteme sıvı ve gaz malzeme girişi sağlamak için itici levha ortasında küçük bir delik bulunmaktadır. Sıvı malzeme gaz haline gelerek bir inlet sistem üzerinden ve itici levha ortasındaki küçük delikten geçerek sisteme içeri sızmaktadır. Katı malzeme ise genellikle itici levha üzerine yapıştırılarak kullanılmaktadır. Laserle iyonlaşmanın yapıldığı yer yani iyonların oluştuğu yer itici levhaya ne kadar yakınsa o kadar uçuş süresi kısalmaktadır. Elektrik yüklü levhalar (lensler) iyonların uçuş tüpüne doğru yönelmesi için ve odaklama sağlanması için kullanılmaktadır. Đtici ve elektrik yüklü levhaların sisteme yerleştirilmesi oldukça hassas bir şekilde yapılmaktadır. Levhalar birbirlerinden ve TOF-MS cihazının gövdesi ve masası topraklandığı için vakum çemberi içindeki diğer parçalardan yalıtılmalmış bir şekilde sisteme adapte edilmektedir. Bunun için levhaların merkezleri aynı eksen üzerine gelecek şekilde iki tane teflon çubuk üzerine tutturulmuştur. Şekil 2.4 ile TOF-MS sisteminin şematik bir resmi bulunmaktadır.

- 51 -

Đtici levha üzerine yapışık olan ya da çok yakın olan numune üzerine laser demeti odaklanarak iyonlaşma sağlanmakta ve oluşan iyonlar itici levha ve diğer gerilim yüklü levhalar vasıtasıyla detektöre ulaştırılmaktadır.

Şekil 2.4: TOF’un şematik gösterimi.

Sistemde itici levhaya uygulanan gerilim oldukça önemlidir. Uygulanan gerilim iyonların hızlandırılmasını oldukça etkilemektedir. Şekil 2.5 ile itici levhaya uygulanan gerilime bağlı olarak bakır numunesinin Cu+ iyonunun uçuş süresinin değişimi gösterilmektedir. 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

itici levha gerilim i (V)

iy o n u ç u s s ü re s i ( µ s )

Şekil 2.5: Đtici levhaya uygulanan gerilim-TOF değişimi.

Şekil 2.5’den de görüldüğü üzere itici levha gerilimi artırıldıkça Cu+ iyonunun uçuş süresi (TOF) azalmaktadır. Yani itici levhaya uygulanan gerilim değeri arttıkça iyonun kinetik enerjisi artmakta böylece detektöre ulaşma süresi azalmaktadır.