МАСС-СПЕКТРОМЕТР ИШКОВА Российский патент 1999 года по МПК G01N30/00 H01J49/30 H01J49/40 B01D59/44 

Предлагаемое изобретение относится к области техники разделения заряженных частиц по массам и может быть применено для химического анализа материалов.

Аналогом является времяпролетный масс-спектрометр по а.с. 1725289, кл. H 01 J 49/40, 1992 г. Он содержит источник ионов, анализатор масс с электростатическими зеркалами, детектор и соответствующие источники питания. Действует устройство следующим образом. Ионы из источника пакетом поступают в анализатор, в котором разделяются по времяпролетному способу и регистрируют детектором.

Известен масс-спектрометр с пространственным разделением ионов (Обзорная информация ЦНИИГЭИ приборостроения 1979 М. ТС-4. Вып. 1 Стр. 26, 28, 33). Это прибор с полукруговым анализирующим магнитом, непрерывным источником ионов и серией коллекторов разделенных ионов. Действие прибора таково. Ионы из источника поступают в анализирующий магнит непрерывным потоком и при движении в магните разделяются пространственно по круговым траекториям так, что ионы разных масс приходят на разные коллекторы.

Каждый из аналогов использует разделение ионов либо по времени, либо в пространстве.

Известно устройство по патенту США N 4472631, кл. B 01 D 59/44, 1984. Оно состоит из источника ионов c хроматографом, пролетной трубы со столкновительной ячейкой, магнитного фильтра, многоканального детектора и самонастраивающего компьютера. Устройство работает в импульсном режиме и предназначено для проведения масс-спектрального анализа вторичных ионов времяпролетным способом на уровне качественного разрешения ионизированных осколков органических веществ (типа чистого изопропилена) в режиме параллельной регистрации ионов на многоканальном детекторе. Работа всего устройства автоматизирована с помощью встроенного электронного управляющего компьютера.

В этом приборе угловая ограниченность примененного магнитного сектора снижает пространственное разделение анализируемых частиц. В итоге основное разделение осуществляется по временному признаку, а пространственное разделение имеет лишь вспомогательный характер и, соответственно, прирост разрешения оказывается незначительным.

Второй недостаток аналога состоит в применении многоканального выхода у магнитного секторного фильтра, что приводит к противоречию закону электронной оптики, согласно которому источник, вершина сектора и изображение должны находиться на одной линии. В результате создается вторая причина снижения разрешения частиц в устройстве.

В целом, патент США конструктивно повторяет экспериментальную установку советских физиков (см. Ковалев Н.Д. и др. ЖТФ, 1978, т. 48, с. 1282 - 1285). Американский прогресс -в мощности примененного адаптивного компьютера.

Прототипом является устройство по патенту СССР 1699355, кл. H 01 J 49/40, 1991. Масс-спектрометр содержит импульсный источник ионов, магнитный анализатор с полюсами в виде ленточной спирали и с поперечным анализирующим полем и приемник ионов, представляющий собой общий коллектор, установленный в плоскости выходного торца электромагнита, и соединенный с регистрирующим прибором. Первичный пакет ионов разделяется в анализирующем магните пространственно по траектории и по времени и при этом образуются частичные пакеты ионов. Регистрирующий прибор фиксирует лишь временное разделение ионов.

В этом спектрометре, как и во всех времяпролетных, легкие ионы имеют большую скорость, чем тяжелые. Кроме того, в магнитном анализаторе ионы разделяются пространственно так, что легкие ионы движутся по более коротким траекториям. Этот эффект усиливает временное разделение сигналов от ионов различных масс и повышает разрешающую способность по сравнению с обычным времяпролетным масс-спектрометром.

Однако, в прототипе уже достигнутая анализатором пространственная сепарация ионов по радиальным координатам используется только для увеличения эффективности разделения сигналов от пакетов ионов по времени, т.к. не полностью реализуются возможности, обусловленные конструктивными особенностями прототипа.

Т. о. стоит задача создания масс-спектрометра, реализующего как пространственную, так и времяпролетную методики получения информации о массах ионов.

Техническим результатом, достигнутым предлагаемым изобретением, будет двукратное увеличение разрешения по массам и увеличение фактора сигнал/шум в спектре масс, пропорциональное количеству анализируемых масс в пробе.

Для решения указанной задачи масс-спектрометр, как и прототип, содержит импульсной источник ионов, магнитный анализатор с поперечным магнитным полем и приемник ионов, выполненный в виде коллектора, связанного с регистрирующим устройством.

В отличие от прототипа коллектор ионов выполнен позиционно-чувствительным в виде отдельных электродов, соединенных с регистрирующим устройством через коммутатор синхронного типа.

В качестве примера на фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства с коммутатором электромеханического типа.

Устройство содержит импульсный источник ионов 1, электромагнит с полюсами 2, создающими поперечное магнитное поле, приемник ионов 3, выполненный в виде позиционно-чувствительного коллектора с отдельными изолированными детекторами 4, соединенными с регистрирующим устройством 5 через коммутатор. Детекторы 4 выполн ены в виде пластин и установлены в плоскости выходного торца электромагнита и электрически соединены с коммутатором, который выполнен по основе множества электрических контактов 6, размещенных по окружности, по которым перемещается электрическая щетка 7, второй конец которой соединен с регистрирующим устройством 5.

Действует устройство следующим образом. Первичный пакет ионов под действием импульсного источника ионов 1 инжектируется в магнитное поле, создаваемое полюсами 2 электромагнита. В соответствии с законами электродинамики ионы разных масс совершают круговое движение по траектории разных радиусов с разными скоростями, которые определяются массами ионов. В результате происходит разделение первичного пакета ионов на частичные пакеты ионов одинаковых масс. К выходному торцу электромагнита частичные пакеты приходят в разные времена и в разные места. Первым приходит пакет самых легких ионов и он высыпается на детектор 4.1, который расположен наиболее близко к источнику. Следующий пакет приходит на детектор 4.2 и так далее. Все последующие частичные пакеты приходят поочередно на соответственно более удаленные детекторы. Пространственная протяженность частичных пакетов обратно пропорциональна их собственным массам. Временная длительность для всех пакетов одинакова и равна длительности импульса инжекции. Координаты детектирующих пластин и времена прибытия на них ионов определяются математически. Коммутация детектирующей пластины 4 с регистрирующим устройством 5 осуществляется лишь в течение высыпания ионов частичного пакета на детектирующую пластину, т.е. синхронно. Ток ионов частичных пакетов в регистрирующем устройстве 5 создает спектральную линию.

Электромеханический коммутатор конструктивно представляет кольцо из изолирующего материала, на котором смонтированы контактные пластины шириною 0,15 мм с изолирующими прокладками толщиной 0,01 мм. В центре кольца размещена щетка, которая посажена на вал синхронного двигателя, вращающегося со скоростью 3000 об/мин. При радиусе кольца 500 мм время контактирования щетки с коллекторной пластиной составит 0,95•10^-6 с, что вполне сравнимо с длительностью импульса инжекции. Устройство может быть укомплектовано и другим типом синхронного коммутатора, например транзисторным.

Шумовой фон на спектре пробы создается случайными ионами в межполюсном пространстве дрейфа. Для его снижения детектирующие пластины 4 подключаются к регистрирующему устройству 5 лишь на время высыпания ионов данного частичного пакета и только к данной детектирующей пластине.

Математическая модель рассматриваемого устройства формулируется следующим образом. Время движения иона по полукруговой траектории от инжектора до детектора
,
где r - радиус траектории,
v - скорость иона.

Радиус траектории определяется известной формулой
,
где B - магнитная индукция,
m - масса иона,
u - ускоряющее напряжение,
q - заряд иона.

Скорость иона выражается формулой

После подстановок получаем, что время движения определяется собственными параметрами иона и магнитным полем

Длительность импульса инжекции ограничивается временем движения самых легких ионов
τ ≤ t₁
Разрешающая способность устройства определяется суммой разрешений в пространстве и во времени
R_Σ = R_r+R_t
Пространственное разрешение определяется формулой
,
которая в данном случае приводится к виду

Временное разрешение соответственно выразится

В итоге получается, что пространствено-временное разделение ионов удваивает разрешение

Результаты расчетов для однократно ионизирующих ионов при индукции 326 гс и ускоряющем напряжении 128 вольт приведены в таблице 1.

В целом все приведенные числовые данные показывают реализуемость предложенного устройства.

Синхронно с импульсами инжекции первичного пакета ионов запускается коммутатор регистрирующего устройства 5, и он срабатывает на первый детектор 4 к моменту прибытия первого (самого легкого) частичного пакета ионов и лишь на время его высыпания. С окончанием высыпания коммутирующий элемент отключает первый детектор и уходит к очередному. Операция повторяется с каждым детектором. С получением спектральной линии с последнего детектора цикл завершается и может быть повторен. Однако, и по одному первичному импульсу может быть получен весь масс-спектр исследуемой пробы. Это режим моноимпульсного анализа.

Чувствительность устройства будет тоже улучшенной, потому что инжекция осуществляется достаточно длинными импульсами, длина которых определяется временем транзита легчайших ионов в пакете. Высокое отношение сигнала к шуму достигается вследствие избирательной коммутации детектора 4 с регистрирующим устройством 5.

Устройство сохраняет все известные фокусировки, присущие магнитным анализаторам и допускает применение известной фокусировки по энергиям в поперечном электрическом поле.

Устройство позволяет выполнить анализы и известными традиционными способами: только пространственным или только временным. Для этого достаточно изменить режим работы инжектора, т.е. перевести его в режим непрерывной работы, а детекторы сканировать по очереди через равные интервалы времени. Для времяпролетного способа детекторы нужно соединить параллельно.

Таким образом, устройство обладает разнообразными функциональными возможностями и может быть реализовано как для прецизионных научных исследований, так и для специализированных коммерческих измерений.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для анализа состава материалов и веществ. Устройство состоит из импульсного источника ионов, магнитного анализатора с поперечным магнитным полем и коллектора, соединенного с регистрирующим устройством, при этом коллектор выполнен позиционно-чувствительным в виде отдельных электродов, подключаемых к регистрирующему устройству посредством коммутатора синхронного типа. Технический результат данного изобретения заключается в достижении двукратного увеличения разрешения по массам и увеличении фактора сигнал/шум в спектре масс, пропорционального количеству анализируемых масс в пробе. 1 ил., 1 табл.

Масс-спектрометр, содержащий импульсный источник ионов, магнитный анализатор с поперечным магнитным полем и приемник ионов, выполненный в виде коллектора, связанного с регистрирующим устройством, отличающийся тем, что коллектор выполнен позиционно-чувствительным в виде отдельных электродов, соединенных с регистрирующим устройством через коммутатор синхронного типа.