ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для масс-спектрометрического анализа веществ.

Известен масс-спектрометр, содержащий источник ионов, акисально-симметричный электростатический анализатор и детектор ионов, установленный под наклоном [1] Пакеты ионов плоской формы после прохождения бесполевых промежутков и анализатора претерпевают линейные и квадратичные искажения. За счет перефокусировки ионов внутри электростатического анализатора происходит компенсация линейных искажений формы пакета. Это приводит к уменьшению ширины зарегистрированного массового пика, а следовательно, и к увеличению разрешающей способности.

Недостатком указанного масс-спектрометра является отсутствие возможности компенсации временных аберраций второго порядка по энергиям. Это не позволяет достаточно увеличить разрешающую способность приборов, в которых формируются ионные пакеты с большим энергетическим разбросом (например, в масс-спектрометрах с лазерным источником ионов).

Известен времяпролетный масс-спектрометр, взятый авторами за прототип, содержащий источник ионов, детектор, электростатический аксиально-симметричный анализатор, состоящий из боковых электродов, выполненных в виде двух коаксиальных цилиндров, в верхней и нижней частях которых выполнены секторные вырезы для входа и выхода ионов, источник питания [2]
Недостатками данного устройства являются невысокая разрешающая способность и относительная чувствительность.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков за счет разработки нового масс-спектрометра, техническим результатом которого является уменьшение сорбирования ионов на стенках цилиндра, ограничение энергетического разброса и снижение хроматической аберрации второго порядка, что приводит к повышению разрешающей способности и относительной чувствительности масс-спектрометра.

Данный технический результат достигается тем, что времяпролетный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, детектор с входным окном, электростатический аксиально-симметричный анализатор, состоящий из боковых электродов, выполненных в виде двух коаксиальных цилиндров, в верхней и нижней частях которых выполнены секторные вырезы для входа и выхода ионов, источник питания, снабжен установленной между коаксиальными цилиндрами электростатического анализатора в месте максимального разделения ионов по энергиям, определяемом углом, равным ψ=2nπ/2, где n число точек временной фокусировки в поле, диафрагмой, которая выполнена в виде пластины из изолятора, имеющей окно, и нанесенных на изолятор проводящих полос с заданным на них распределением потенциала, определяемым исходя из соотношения

где v₀ ускоряющий потенциал (средняя энергия ионов), r_к - расстояние от центра цилиндра до средней линии каждой из полос, r₀ - радиус средней траектории движения ионов в анализаторе, r₀=(r₁ + r₂)/2, где r₁ внешний радиус внутреннего цилиндра, r₂ - внутренний радиус внешнего цилиндра, а расстояние между полосами выбирают исходя из минимально допустимой для пробоя на поверхности пластины разности потенциала на соседних полосах, пластина диафрагмы имеет размеры, равные размерам аксиального сечения внутренней области анализатора, при этом полосы на пластине нанесены параллельно оси симметрии анализатора, центр окна пластины расположен в центре диафрагмы, его аксиальный размер равен аксиальному размеру входного окна детектора, а радиальный размер определяют из соотношения S (2-4)•10^-2 r₀.

Схематическое изображение предлагаемого времяпролетного масс-спектрометра представлено на фиг. 1,2,3.

Времяпролетный масс-спектрометр содержит источник ионов 1, детектор 2, электростатический аксиально-симметричный анализатор 3, состоящий из боковых электродов 4, выполненных в виде двух коаксиальных цилиндров, в верхней и нижней частях которых выполнены секторные вырезы 5 и 6 для входа и выхода ионов, источник питания 7, диафрагму 8, выполненную в виде пластины из изолятора, с окном 9. На изолятор нанесены проводящие полосы 10.

Времяпролетный масс-спектрометр работает следующим образом. Источник ионов 1 формирует ионные пакеты, которые поступают в анализатор 3, который состоит из боковых электродов, выполненных в виде коаксиальных цилиндров 4, через секторный вырез 5 для входа ионов. При движении между боковыми электродами 4 ионный пакет разделяется на отдельные пакеты ионов в соответствии с их массовыми числами (M₁, M₂, М₃ и т.д.). В процессе движения ионных пакетов в анализаторе 3 происходит компенсация временной аберрации первого порядка по энергиям. Во время движения ионов в анализаторе ионы разделяются пространственно по энергиям. При этом чем больше энергия ионов, тем больше их отклонение от среднего радиуса. При прохождения ионов через окно 9 диафрагмы 8 за счет разделения по энергиям ионы с большим энергетическим разбросом оседают на ней, что ограничивает энергетический разброс и обеспечивает снижение хроматической аберрации второго порядка.

Диафрагма 8 установлена в месте максимального разделения ионов по энергиям, определяемом углом ψ=2nπ/2/2 [3] где n число точек временной фокусировки в поле. Диафрагма выполнена в виде пластины из изолятора, имеет окно 9, центр которого расположен в центре диафрагмы, аксимальный размер которого равен аксиальному размеру входного окна детектора, а его радиальный размер определяют из соотношения S (2-4)•10^-2 r₀ [4]
На изолятор нанесены проводящего полосы с заданным на них распределением потенциала, определяемым из следующего соотношения:

где v₀ ускоряющий потенциал (средняя энергия ионов) (B), r_k -расстояние от центра цилиндра до средней линии каждой из полос (см), r₀ радиус средней траектории движения ионов в анализаторе (см), r₀ (r₁ + r₂)/2, где r₁ внешний радиус внутреннего цилиндра, r₂ внутренний радиус внешнего цилиндра (см) [5]
За счет выбора указанного размера окна через него проходят только ионы с относительным энергетическтим разбросом не более 2% вследствие чего снижается хроматическая аберрация, которая квадратично зависит от энергетического разброса.

Установка диафрагмы 8 в указанном месте позволяет задержать рассеянные на внутренних стенках боковых электродов анализатора 4 ионы, что снижает фон рассеянных ионов, и за счет этого повысить относительную чувствительность масс-спектрометра. Исключение влияния рассеянных ионов за счет диафрагмы дополнительно позволяет уменьшить зазор между боковыми электродами электростатического анализатора, что снижает его вес и габарит, а также вес и размер вакуумной камеры, в которой он размещен.

Выполнение диафрагмы в виде диэлектрика с нанесенными полосами и задание на ней распределения потенциала в соответствии с формулой (I) исключает внесение мешающих искажений электрического поля, и тем самым избегается снижение разрешающей способности. Наличие полос 10, подключенных к источнику питания 7, обеспечивает стекание поверхностного заряда, образующегося при попадании на диафрагму ионов, что исключает искажение распределения потенциалов в электростатическом анализаторе и снижение разрешающей способности. После прохождения диафрагмы 8 ионы выходят из элетростатического анализатора через секторный вырез для выхода ионов 6 и поступают на детектор 2. Длительность ионного пакета в плоскости детектора определяется хроматической аберрацией второго порядка, и за счет вырезки диафрагмой 8 увеличивается разрешающая способность масс-сректрометра, а за счет исключения фона рассеянных ионов повышается относительная чувствительность масс-спектрометра.

Назначение: масс-спектрометрия. Цель изобретения - повышение разрешающей способности и относительной чувствииельности масс-спектрометра. Сущность изобретения: времяпролетный масс-спектрометр содержит источник ионов, детектор, электростатический аксиально-симметричный анализатор, состоящий из боковых электродов, выполненных в виде двух коаксиальных цилиндров, в верхней и нижней частях которых выполнены секторные вырезы для входа и выхода ионов, источник питания, диафрагму с окном и проводящими полосами, на которые подается заданное распределение потенциала. Диафрагма выполнена в виде пластины из изолятора, имеет окно, центр которого расположен в центре диафрагмы, аксиальный размер окна равен акисальному размеру входного окна детектора, а радиальный размер определяют из соотношения S = (2 - 4)•10^-2 r₀. Полосы на пластине диафрагмы нанесены параллельно оси симметрии анализатора для выравнивания поля в месте расположения диафрагмы. Длительность ионного пакета в плоскости детектора определяется хроматической аберрацией второго порядка и за счет вырезки диафрагмой увеличивается разрешающая способность масс-спектрометра, а за счет исключения фона рассеянных ионов повышается относительная чувствительность масс-спектрометра. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Времяпролетный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, детектор с входным окном, электростатический аксиально-симметричный анализатор, состоящий из боковых электродов, выполненных в виде двух коаксиальных цилиндров, в верхней и нижней частях которых выполнены секторные вырезы для входа и выхода ионов, источник питания, отличающийся тем, что он снабжен установленной между коаксиальными цилиндрами электростатического анализатора в месте максимального разделения ионов по энергиям, определяемом углом где n число точек временной фокусировки в поле, диафрагмой, которая выполнена в виде пластины из изолятора, имеющей окно, и нанесенные на изолятор параллельно оси симметрии анализатора проводящие полосы с заданным на них распределением потенциала, определяемым соотношением

где к' номер полосы;
U_o ускоряющий потенциал, В;
r_k расстояние от центра цилиндра до средней линии каждой из полос, см;
r_o радиус средней траектории движения ионов в анализаторе, см;

где r₁ внешний радиус внутреннего цилиндра, см;
r₂ внутренний радиус внешнего цилиндра, см. 2. Масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что пластина диафрагмы имеет размеры, равные размерам аксиального сечения внутренней области анализатора. 3. Масс-спектрометр по п.1, отличающийся тем, что центр окна пластины расположен в центре диафрагмы, аксиальный размер окна равен аксиальному размеру входного окна детектора, а радиальный размер окна составляет (2 - 4)•10^- 2r_o.