СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ПО УДЕЛЬНОМУ ЗАРЯДУ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H01J49/22 H01J49/42 

Изобретение относится к области динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для повышения скорости масс-анализа, расширения диапазона анализируемых масс и для совершенствования способов ВЧ питания масс-спектрометров с гиперболоидными электродными системами, а также для улучшения масс-габаритных и конструктивно-технологических показателей времяпролетных масс-спектрометров. Масс-спектрометры на квадрупольном фильтре масс и ионной ловушке имеют ограниченную скорость анализа, для развертки масс требуются изменения амплитуды или частоты ВЧ питающего напряжения. Времяпролетные масс-спектрометры имеют большие размеры и сложную конструкцию анализатора, чувствительны к разбросу энергий анализируемых ионов. За прототипы приняты монополярный [1, 2] и времяпролетный [3, 4] масс-спектрометры. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении скорости сортировки, чувствительности и диапазона анализируемых масс масс-спектрометров с гиперболоидными электродными системами, в усовершенствовании конструкции анализаторов и способа питания времяпролетных масс-спектрометров.

Предлагаемый способ масс-селективного разделения ионов основан на зависимости от массы периода колебания T заряженных частиц по одной из координат в ВЧ полях с квадратичным распределением потенциала. Если значения а=0 и q→0, где a=8eU₌/mr₀ ²ω², q=4eV_m/mr₀ ²ω² - параметры уравнения Матье для анализатора с квадратичным распределением потенциала по двум координатам х и у, е и m - заряд и масса ионов, U₌ и V_m, ω - постоянная составляющая, амплитуда и частота ВЧ питающего напряжения, r₀ - минимальное расстояние гиперболоидного электрода от начала координат, то движение ионов в ВЧ поле по оси х описывается функциями, близкими к гармоническим с периодом . При этом время возвратного движения по координате у ионов с нулевыми начальными координатами у₀=0 оказывается пропорциональным массе ионов m и не зависит от их начальной скорости ν_В. По координате х колебания заряженных частиц имеют ограниченную амплитуду, а по координате z скорость движения постоянна и зависит от углов влета α и начальных тепловых скоростей ионов. В качестве устройства для разделения заряженных частиц по удельному заряду используется монополярный анализатор, состоящий из гиперболоидного электрода, уголкового со щелью в вершине электрода, четырех пар экранирующих электродов, плоского полупрозрачного и плоского ускоряющего электродов.

Схема электродной системы времяпролетного монополярного масс-анализатора представлена на Фиг.1. Анализатор состоит из уголкового электрода 1, гиперболоидного электрода 2, плоских экранирующих 3, 4 и торцевых экранирующих электродов 5, 6. В вершине уголкового электрода 1 имеется щель, которая в плоскости у=0 закрыта полупрозрачной сеткой. Размер электродной системы r₀ выбирается исходя из требуемых значений времени анализа, энергий ввода ионов и диапазона анализируемых масс. Другие размеры электродной системы определяются исходя из требуемой точности квадратичного распределения потенциала в рабочей области анализатора: L≈2,5r₀, D≈2r₀, d≈0,1r₀. Область сортировки располагается в центре анализатора r₀≤z≤1,5r₀, где погрешность распределения потенциала не превышает 0,1%. За уголковым электродом расположены плоский полупрозрачный 7 и плоский ускоряющий электрод 8.

Единичный цикл масс-анализа состоит из ионизации, ускорения, сортировки и регистрации ионов. В течение всего цикла анализа потенциал уголкового 2 и экранирующих электродов 3, 5 равен нулю, а к гиперболоидному приложено синусоидальное ВЧ напряжение с амплитудой V_m. Образование ионов происходит вне рабочей области анализатора перед щелью в уголковом электроде. В пространстве между электродами 7 и 8 ионы образуются с малыми тепловыми скоростями. Под действием ускоряющего напряжения на электроде 8 в течение короткого интервала t_y ионы приобретают начальные скорости ν_В, обратно пропорциональные массам ионов, и под углом α≈80° вводятся в анализатор. В переменном ВЧ поле анализатора ионы по координате у движутся по траекториям, близким к синусоидальным, и за время анализа t_а=Т/2 возвращаются к координате у=0. За этот же интервал по координате z ионы движутся с постоянной скоростью ν_z=ν_Вcosα и перемещаются на расстояние s=t_aν_z. За уголковым электродом на расстоянии s от точки ввода по оси z расположен вторичный электронный умножитель. В процессе анализа ионы последовательно во времени в соответствии с их массами m выводятся из анализатора и поступают на систему регистрации.

Предлагаемый способ масс-селективной сортировки обладает свойством пространственно временной фокусировки по углам влета в плоскости х, у, фокусировки по энергиям и фазам ввода ионов и пространственной фокусировки по массам. Минимальная граница диапазона масс практически не ограничена, а максимальная зависит от разрешающей способности прибора, которая определяется точностью распределения потенциала в рабочей области анализатора, разбросом начальных координат вводимого пакета ионов и быстродействием системы регистрации. Абсолютная разрешающая способность анализатора остается постоянной во всем диапазоне масс. Изменением амплитуды V_m и частоты ω ВЧ питающего напряжения, а также размера электродной системы r₀ можно добиться изменения параметров масс-спектрометра - разрешающей способности, чувствительности, диапазона анализируемых масс, скорости масс-анализа.

Предлагаемый способ масс-селективного анализа заряженных частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления позволяет повысить скорость анализа, расширить диапазон анализируемых масс, упростить конструкцию анализатора и способ его ВЧ питания.

На чертеже приведена электродная система времяпролетного монополярного масс-анализатора, где 1, 2 - гиперболический и уголковые электроды; 3, 4 - плоские экранирующие электроды; 5, 6 - торцевые экранирующие электроды; 7 - плоский полупрозрачный электрод; 8 - плоский ускоряющий электрод; 9 - ионизирующий электронный поток; 10 - вторичный электронный умножитель; 11 - траектории ионов.

Литература

1. U. von Zahn Monopole Spectrometr, a new Electric Field Mass Spectrometr / Rev. Sei. Instrum. 1963, Vol.34.

2. Dawson P.H., Whetten N.R. Quadropole mass spectrometrs // Dyn. Mass Spectrometr, 1970.

3. Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре. Семкин Н.Д., Юсунов Г.Я., Бочкарев В.А., Семенчук С.М.: МПК Н 01 J 49/40, №1691905 СССР, бюл. №42 от 15.11.91.

4. Времяпролетный масс-спектрометр. Бочкарев В.А., Семкин Н.Д., Колесников О.Ю. Пат. 2003199, МПК H 01 J 49/40, Россия, бюл. №41-42 от 15.11.93.

Изобретение относится к области динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для совершенствования способов развертки масс, улучшения аналитических и потребительских свойств гиперболоидных и времяпролетных масс-спектрометров. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду основан на использовании монополярного анализатора с прорезанной вдоль оси z в вершине уголкового электрода щелью, через которую в рабочую область анализатора под некоторым углом к оси z вводятся ионы с энергиями, обратно пропорциональными их массам, и нулевыми начальными координатами у₀=0. Под действием ВЧ поля с квадратичным распределением потенциала по координатам х и у ионы по оси у движутся по траекториям, близким к синусоидальным, и через время t_a, пропорциональное массам m, достигают плоскости у=0 и выводятся из анализатора через щель на систему регистрации. Масс-анализатор состоит из гиперболоидного и уголкового электродов. У уголкового электрода в вершине прорезана щель для ввода и вывода ионов. По границам гиперболоидного и уголкового электродов установлены плоские экранирующие электроды. Ионы образуются за уголковым электродом в пространстве между двумя плоскими электродами, один из которых полупрозрачный. Под действием короткого импульса на плоском электроде ионы ускоряются и через полупрозрачный электрод попадают в рабочую область анализатора. Питание анализатора осуществляется от ВЧ генератора синусоидальным напряжением с постоянными амплитудой и частотой. Технический результат состоит в увеличении скорости и чувствительности масс-анализа, расширении диапазона анализируемых масс. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду, заключающийся в воздействии на ионы переменным электрическим полем монополярного анализатора с квадратичным распределением потенциала по осям х и у, отличающийся тем, что заряженные частицы вводятся в рабочее поле в течение короткого интервала времени t_в с начальными координатами x₀, у₀ по осям х и у, близкими к нулевым, и с начальными скоростями v_у и v_z по координатам у и z, обратно пропорциональными массам ионов, и на заряженные частицы воздействуют переменным ВЧ полем с постоянной амплитудой и частотой, при этом ионы по оси у совершают близкие к гармоническим колебания с периодом Т, причем время нахождения заряженных частиц в анализаторе t_a=T/2 оказывается пропорциональным массе анализируемых ионов.2. Устройство для разделения заряженных частиц по удельному заряду, содержащее электродную систему из уголкового и гиперболоидного электродов монополярного анализатора, с параметрами r₀, L, D, где r₀ - минимальное расстояние от оси z до гиперболоидного электрода, L и D - размеры электродов по осям z и х, отличающееся тем, что уголковый электрод имеет в вершине узкую шириной d и протяженную вдоль оси z длиной не менее S=v_zt_a щель, а по границам уголкового и гиперболоидного электродов расположены четыре плоских электрода.