МАСС-СПЕКТРОМЕТР И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИОНИЗАТОР И СПОСОБЫ Российский патент 2009 года по МПК H01J49/28 

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к так называемым масс-спектрометрическим анализаторам и ионизаторам со скрещенными полями, которые разделяют ионизованные частицы газа в соответствии с отношением массы к заряду, благодаря движению в электрическом поле и магнитном поле, перпендикулярных друг другу.

2. Описание предшествующего уровня техники

Давно известно использование масс-спектрометров в определении идентичности и количества составляющих веществ в газообразной, жидкой или твердой пробе. Известно, что в связи с такими системами для анализа пробы в вакууме посредством преобразования молекул или атомов в ионную форму ионы разделяют благодаря отношению массы к заряду и разрешают ионам бомбардировать детектор. Смотри, в общем, патенты США №2882410; №3070951; №3590243 и №4298795. Смотри также патенты США №4882485 и №4952802.

В общем, масс-спектрометры содержат входной узел ионизатора, в котором принимается проба, подвергаемая анализу, камеру высокого вакуума, которая взаимодействует с входом ионизатора, узел анализатора, который расположен в камере высокого вакуума и выполнен с возможностью приема ионов из ионизатора. Детекторные средства используют при определении составляющих компонентов пробы с использованием отношения массы к заряду как отличительной характеристики. С помощью одного из многих известных средств молекулы и атомы газообразной пробы, содержащейся в ионизаторе, преобразуют в ионы, которые анализируют посредством такой аппаратуры.

Известно, что в циклоидном масс-спектрометре, соответствующем предшествующему уровню техники, используется неподвижный коллектор и линейно изменяющееся электрическое поле для просмотра только одного отношения массы к заряду за один раз. Во многих системах масс-спектрометра, соответствующих предшествующему уровню техники, независимо от того, являются ли они циклоидного типа или нет, ионизаторы были довольно большими и, как результат, доминировали в конструкции и технических требованиях систем, предназначенных для использования с ними.

В патенте США №5304799 описан циклоидный масс-спектрометр, имеющий корпус, ограничивающий объем траектории иона, генератор электрического поля для создания электрического поля в объеме траектории иона и ионизатор для приема газообразной пробы, подлежащей анализу, и преобразования ее в ионы, которые проходят через ортогональные электрическое и магнитное поля и затем сталкиваются с коллектором. Этот спектрометр сконструирован так, чтобы иметь множество отношений массы к заряду ионов, сталкивающихся с коллектором в зависимости от напряженностей полей. Было установлено, что циклоидный масс-спектрометр и ионизатор могут быть миниатюризированы так, чтобы обеспечивать получение небольшого, легко переносимого прибора.

До сих пор известно использование масс-спектрометрии со скрещенными полями в двух типах аналитических проблем. Она была использована в идентификации молекул с большой молекулярной массой. Она была также использована в точном измерении относительной распространенности изотопов.

До сих пор известно также использование масс-спектрометров в связи с ситуациями, включающими в себя малое отношение массы к заряду, например, в гелиевых течеискателях и водородных анализаторах. Масс-спектрометрию использовали в таких ситуациях, так как она почти свободна от интерференции в диапазоне массовых чисел и вследствие ее чувствительности. Анализаторы, как правило используемые в гелиевых течеискателях, например, являются, в общем, меньшими копиями более крупных анализаторов, например масс-спектрометров с секторным полем, которые проще для производства, но обеспечивают более низкий уровень рабочих характеристик и склонны быть относительно дорогими.

Квадрупольные анализаторы являются меньшими по размеру и менее дорогими, чем магнитные сепараторы, но качество их фильтра уменьшается при приближении к нижнему концу массовой шкалы. Так называемый "нулевой удар" представляет вклад частиц, так что квадруполь не настраивается в результате слабых характеристик фильтра. Для гелиевого течеискателя, например, часть нулевого удара водорода интерферирует с сигналом гелия при приблизительно 4 атомных единицах массы.

Настоящее изобретение сфокусировано на структурах поля циклоидного масс-спектрометра, в котором на круговое движение накладывается линейное движение.

СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном варианте осуществления настоящее изобретение, которое может функционировать как масс-спектрометр или анализатор, содержит первый и второй планарные, в общем, параллельные электроды, которые генерируют между собой электрическое поле и имеют выступающие стенки, которые взаимодействуют с основанием, в общем, планарных электродов для ограничения генерирующей ионы камеры. Электрическое поле, генерируемое электродами, ориентировано перпендикулярно магнитному полю, которое может генерироваться постоянными магнитами или электромагнитами так, как это хорошо известно квалифицированным специалистам в этой области техники. Определенные ионные лучи с определенным отношением массы к заряду выходят через выход ионов, причем другие отделенные ионные лучи, отделенные на основе отношения массы к заряду, остаются в генерирующей ионы камере. Коллектор ионов, оперативно связанный с выходом ионов, расположен смежно с ним и может взаимодействовать с процессором, хорошо известным квалифицированным специалистам в этой области техники, для определения идентичности молекулы или атома. Использование подобного аппарата без коллектора ионов может дать в результате устройство, функционирующее как масс-селективный ионный генератор. Описаны также соответствующие способы.

Устройство и способ этого варианта осуществления, в частности, предназначены для использования с веществами малой массы, которая может составлять 20 атомных единиц массы или менее.

Одним объектом настоящего изобретения является получение масс-спектрометра, который, в частности, пригоден для удовлетворения специальных требований малого массового диапазона.

Дополнительным объектом настоящего изобретения является получение такого масс-спектрометра, в котором электрическое поле, не обязательно являющееся однородным, служит для разделения траекторий ионов разной массы на нижнем конце массовой шкалы скорее, чем обеспечивает высокую разрешающую способность на верхнем конце массовой шкалы.

Дополнительным объектом настоящего изобретения является получение такого масс-спектрометра, в котором реальная фокусировка может быть заменена приближением, достигаемым путем проектирования специальных профилей поля в трех пространственных размерах.

Еще одним объектом настоящего изобретения является получение масс-спектрометра, в котором электроды будут небольшого размера, простой конструкции и недорогими в производстве.

Еще одним объектом настоящего изобретения является получение анализатора или ионизатора, который будет устойчив против несовершенств в магнитном поле без существенного влияния на требуемые результаты и благодаря этому обеспечит возможность использования небольших недорогих магнитов.

Эти и другие объекты настоящего изобретения станут более очевидными из следующего подробного описания настоящего изобретения со ссылками на иллюстрации, прилагаемые к этой заявке.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - изображение траектории положительно заряженной частицы в электрическом поле, перпендикулярном магнитному полю.

Фиг.2 - изображения траектории четырех ионов, имеющих разные отношения массы к заряду.

Фиг.3 - иллюстрация траектории ионов разных отношений массы к заряду и соответствующих коллекторов в положениях до пролета ионами полных циклоидов.

Фиг.4 - иллюстрация ионов с разными начальными скоростями и их траекторий как зависимых от смежной пары электродов.

Фиг.5 - изображение эквипотенциальных линий в электрическом поле, генерируемом парой электродов, отстоящих друг от друга.

Фиг.6 - изометрическое изображение пары отстоящих друг от друга электродов в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.7 - изометрическое изображение электродов, показанных на фиг.6 в относительно замкнутом положении.

Фиг.8 - частичное схематическое изображение анализатора, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг.9-11 - иллюстрации анализатора с исходной точкой ионов в x-положении (фиг.9), y-положении (фиг.10) и z-положении (фиг.11) соответственно.

Фиг.12 - иллюстрация ограничительных возможностей в z-направлении.

Фиг.13 - иллюстрация сечения анализатора с ионными лучами четырех различных малых отношений массы к заряду.

Фиг.14 так же, как и фиг.13, является иллюстрацией сечения анализатора с ионными лучами четырех различных малых отношений массы к заряду, но в отличие от фиг.13 траектории ионов были получены при удвоенном напряжении.

Фиг.15 - иллюстрация траекторий для двадцати ионов, имеющих разные отношения массы к заряду.

Фиг.16 - иллюстрация группы траекторий ионов, исходящих из одной точки и имеющих разные отношения массы к заряду.

Фиг.17 - график интенсивности в зависимости от отношения массы к заряду тестируемой газовой смеси, полученный посредством измерений, сделанных с помощью анализатора, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг.18(а) и фиг.18(b) - иллюстрации эквипотенциальных линий в соответствующей виртуальной плоскости анализатора соответственно.

Фиг.18(с), 18(d) и фиг.18(е), 18(f) - иллюстрации таких эквипотенциальных линий для виртуальных плоскостей, расположенных на различных уровнях, соответственно.

Фиг.19(а), 19(b) - иллюстрации эквипотенциальных линий в первом местоположении виртуальной плоскости, а фиг.19(с), 19(а) и 19(е), 19(f) - иллюстрации эквипотенциальных линий в показанном положении виртуальной плоскости, соответственно.

Фиг.20(a)-20(f) - иллюстрации анализатора с виртуальными плоскостями сечений в трех местоположениях и соответствующие эквипотенциальные линии электрического поля, соответственно.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

При использовании традиционного масс-спектрометра акцент часто делают на такие элементы, как фокусировка, использование "совершенных" электрических и магнитных полей и линейная зависимость между отношением массы к заряду и величиной разделения, например, длины или угла. Преимуществом дополнительных вариантов осуществления является то, что полезная и надежная информация может быть получена, без требования предела в этих описанных выше характеристиках, в частности, по отношению к молекулам, имеющим малую массу, которая, в общем, имеет порядок менее 20 атомных единиц массы, например, водорода и гелия или, например, дважды ионизированного азота.

Разработка масс-спектроскопии со скрещенными полями стимулировалась, главным образом, двумя типами аналитических проблем, то есть идентификацией молекул с большой молекулярной массой и точным измерением относительной распространенности изотопов. Хотя обе эти проблемы пришли из разных применений, исходя из физики, они могут считаться эквивалентными. Для решения этих проблем требуются инструментальные средства с высоким разрешением, которые могут быть правильно спроектированы, если могут быть установлены уравнения движения, а траектории ионов являются предсказуемыми. Поскольку математические трудности ожидали с произвольными полями, разработку начинали с четко определенных граничных условий, например однородных электрического и магнитного полей, которые были предпочтительно с совершенно прямолинейными силовыми линиями. Магниты и устройства для создания электрического поля были самыми дорогими элементами во многих масс-спектрометрах. При увеличении требований точности, увеличивались также цена, масса и размеры.

Среди других областей, где масс-спектрометры оказались полезными, являются области, в которых используются только отношения массы к заряду. Примерами такого использования являются гелиевый течеискатель и водородные анализаторы. Преимуществом масс-спектрометрии в этом контексте является то, что она почти свободна от интерференции в этом массовом диапазоне и вследствие ее чувствительности. Например, анализаторы, используемые в гелиевых течеискателях, являются самыми малыми копиями более крупных анализаторов, например масс-спектрометров с секторным полем, которые проще для производства, но имеют более низкие рабочие характеристики. Тем не менее, эти анализаторы являются относительно дорогими.

Квадрупольные анализаторы меньше и дешевле магнитных сепараторов, но качество их фильтра уменьшается при приближении к нижнему концу массовой шкалы. Так называемый "нулевой удар" представляет вклад частиц, так что квадруполь не настраивается в результате слабых характеристик фильтра. Для гелиевого течеискателя это означает, что часть нулевого удара водорода от одного, двух и трех атомных единиц массы интерферирует с сигналом гелия при 4 атомных единицах массы.

Аналитическая технология масс-спектрометрии обеспечивает генерирование масс-спектров независимо от способа введения пробы, способа образования ионов или способа разделения ионов. При ионизации молекулы образуется характерный ион, представляющий целую молекулу и/или группу ионов разных масс, которые представляют фрагменты ионизированной молекулы. Если эти ионы разделены, то график их относительной распространенности в зависимости от отношения массы к заряду (m/z) каждого иона составляет масс-спектр. Научиться идентифицировать молекулу из ее масс-спектра намного проще, чем использовать любой тип спектральной информации. Масс-спектр показывает массу молекулы и массы ее частей. Масс-спектрометрия дает больше информации о веществе, определяемом при анализе, из меньшей пробы, чем любая другая технология. Масс-спектрометрия является также самой точной технологией определения массы. Единственным недостатком масс-спектрометрии по сравнению с другими технологиями является то, что проба поглощается (расходуется); однако требуется настолько небольшая проба, что это является несущественным.

На фиг.1 показана траектория 100 положительно заряженной частицы 102 в однородном электрическом поле Е, создаваемом, в общем, параллельными электродами 104, 106, тогда как однородное магнитное поле В действует перпендикулярно электрическому полю в направлении, проходящем в плоскости страницы. Магнитное поле может создаваться постоянными магнитами или электромагнитами. На фиг.1 и всех следующих чертежах не показаны детали, которые хорошо известны квалифицированным специалистам в этой области техники. Вместо этого направление однородного магнитного поля В указано символом. В соответствии с этим символом северный магнитный полюс всегда выше плоскости чертежа, тогда как южный полюс расположен ниже нее. Если частица, начинающая движение в исходной точке 110, не имеет исходной энергии, то траектория представляет собой циклоиду. Предполагается, что электроды 104, 106 образуют идеальный конденсатор для создания однородного поля. Это относится к площади 104, 106 электродов и относительно большому расстоянию между ними.

Этот принцип используется в циклоидных масс-спектрометрах, которые являются инструментальными средствами с двойной фокусировкой. Смотри, в общем, патенты США №2882410; №3070951; №3590243 и №4298795. Анализатор, как указано, имеет двойную фокусировку, если местоположения подобны местоположениям, указанным ссылочными номерами 112 и 114, где состояния исходной точки воспроизводятся периодически, не зависят ни от исходной энергии, ни от исходного угла частицы. На фиг.1 и всех последующих чертежах исходная энергия равна нулю, если это не указано особо.

На фиг.2 иллюстрируются четыре траектории 120, 122, 124 и 126 ионов с отношением массы к заряду, равным 1, 2, 3 и 4 соответственно, начиная, как предполагается, в исходной точке 112 между электродами 114, 116. Шаг одной циклоиды, который представляет собой расстояние между двумя точками, которые воспроизводятся периодически, пропорционален отношению массы к заряду, m/z. Таким образом, шаг иона с m/z=4 равен четырем шагам иона с m/z=1. В циклоидных масс-анализаторах это является эффектом физического разделения. На фиг.2 ионы сталкиваются, соответственно, после одной циклоиды с коллекторами 130, 132, 134, 136, где они разряжаются. Результирующий ток в коллекторе является мерой числа ионов, сталкивающихся с коллектором в единицу времени.

Разделение ионов с различными отношениями m/z не требует полной циклоиды, которая является тем, что необходимо для достижения свойств двойной фокусировки. На фиг.2 разделение начинается прямо с начала движения. На фиг.3 коллекторы 136, 137, 138 и 139 расположены между электродами 140, 144 относительно траекторий 150, 152, 154 и 156 способом, который не разрешает для ионов с m/z=2, m/z=3 и m/z=4 полные циклоиды. Полет частиц совершается внутри совершенного конденсатора с однородным электрическим полем. Очевидным преимуществом устройства, иллюстрируемого на фиг.3, является укороченный размер анализатора. Отрицательным является потеря в разрешении вследствие короткой траектории и расширенного ионного луча, поскольку коллекторы 137, 138 и 139 находятся вне фокуса. Если ионы одного отношения m/z стартуют с разными энергиями и под разными углами, то они сталкиваются в плоскостью коллектора в разных положениях. Этот эффект демонстрируется на фиг.4, где 10 ионов имеют m/z=4, но разные исходные энергии в исходной точке 170 полета на разных траекториях, что в результате приводит к расширению ионного луча, который сталкивается с коллектором 188 только частично. Результатом будет дополнительная потеря разрешения и уменьшение чувствительности.

На фиг.4 ионы с более высокой исходной скоростью в точке 170, в общем, между параллельными электродами 172, 174 в направлении движения больше отклоняются к внешней стороне циклоиды 180, а ионы с более низкими или отрицательными скоростями летят по траекториям, более близким к внутренней стороне 180, соответственно. Наглядно можно видеть, что электрическое поле, которое изменяется соответствующим образом, должно компенсировать отклонение ионов в зависимости от их исходной энергии. Очевидно, что поле должно становиться сильнее в областях, где ионы летят с более высокой исходной энергией. В таком случае это поле будет фокусировать ионы независимо от их исходной энергии на коллекторе 188 или, как описано в этой заявке ниже, на прорези коллектора.

Фиг.1-4 были получены с помощью программы SIMION 3D V6.0 моделирования полета ионов, полученной из Idaho National Engineering Laboratory and Lockheed Idaho Technology Company. Однородные электрические поля могут быть моделированы просто, если края ограниченных электродов проходят до границ трехмерного рабочего пространства. В таком случае программа допускает бесконечное увеличение электродов. Затем программу SIMION использовали для нахождения электродных структур для генерирования полей, которые могут приближаться к идеально сфокусированному полю для фрагмента циклоидной траектории.

Простейшая найденная структура представляет собой "несовершенный" конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин. Термин "несовершенный" означает, что зазор между электродами велик по сравнению с их площадью. Такие конденсаторы генерируют краевые поля, которые ведут к увеличению напряжения поля вблизи краев электродов.

Как показано на фиг.5, электроды 190, 192, теперь с конечными размерами, соединены с источником электрического напряжения, как указано символами + и -. Генерируемое поле представлено эквипотенциальными линиями. В круговой области 300 радиус кривизны увеличивается, что соответствует увеличению напряженности поля. Для группы ионов, имеющих идентичное отношение m/z, но различные исходные энергии в исходной точке 302, напряжение может быть выбрано так, чтобы ионы пролетали половину циклоиды 304 до тех пор, пока они не достигнут физического конца площади электрода.

Простой эксперимент по моделированию уже показал тенденцию к значительной фокусировке. Было недопустимым неправильное направление кривизны поля в z-направлении (перпендикулярном плоскостям, в которых находятся траектории ионов). Это приводит к ускорению ионов от намеченной траектории, и они теряются для процесса детектирования.

Начиная с простого конденсатора, формы электродов совершенствовали путем последовательного приближения в процессе моделирования. Замена плоских пластинчатых электродов на U-образные электроды скорректированной кривизны в z-направлении и добавление двух щитков улучшали фокусирующие свойства. В конце концов, все размеры поэтапно изменяли для нахождения оптимального сочетания. Свойства поля, создаваемого посредством этих электродов, описаны в этой заявке ниже.

На фиг.6 показана конечная конфигурация предпочтительной формы электродов. Они могут быть получены из листового материала, получены из керамики с покрытием или получены механической обработкой массивной металлической заготовки. Общая конструкция состоит из первой, в общем, U-образной части 310, имеющей основание 312 и две параллельные боковые стенки 314, 316, например, и щиток 320, который соединен с U-образной частью 310. Второй, в общем, U-образный электрод 326 имеет основание 328 и две параллельные боковые стенки 330, 332. Щиток 336 также соединен, в общем, с U-образным электродом 326. Один электрод, 326, имеет два отверстия 340 и 344, которые станут входной и выходной апертурами для электронного луча для ионизации молекул газа или атомов газа. Другой электрод, 310, имеет прорезь 350 в щитке 320, которая станет выходной апертурой для ионов прежде, чем они достигнут коллектора. На фиг.7 электроды 310 и 326 показаны после монтажа на соответствующем держателе с вставленной электрической изоляцией (не показанной на чертежах) или который оставляет воздушный зазор между электродами 310, 326 в конечном положении относительно друг друга. Как показано на фиг.7, электроды изолированы, части электрода 310 отделены от соседних частей электрода 326 посредством небольших зазоров 370, 372, 374, 376 и 378.

В этой конфигурации электроды образуют кубоид. Типичными размерами первого прототипа являются: 14 мм в x-направлении, 8 мм в y-направлении и 7 мм в z-направлении. Нет ограниченного диапазона для этих размеров. Другой прототип, например, был получен с размерами 7 мм × 4 мм × 3,5 мм. Поскольку отношение каждого одного размера к другому не изменилось, то это изменение отрицательно не повлияло на главную функцию. Напряжение, прикладываемое к электродам, не нужно уменьшать пропорционально квадрату коэффициента уменьшения для получения качественно идентичной работы анализатора. Однако в случае реального применения влияние теплового движения, несовершенств производства и электромагнитных искажений становятся более серьезными с уменьшением напряженности поля.

На фиг.8 показана законченная конфигурация анализатора. На чертеже не показаны магнит и вакуумная камера, которые хорошо известны квалифицированным специалистам в этой области техники. Способ ионизации молекул газа не оказывает влияния на сепаратор. Однако этот анализатор пригоден, в частности, для ионизации электронным ударом. Источник тока (не показан), соединенный с выводами 500, 502 нити накала, нагревает нить 504 накала, которая затем испускает электроны благодаря термической эмиссии. Обеспечиваемый потенциал нити 504 накала относительно электрода является отрицательным, так что электроны ускоряются к входной апертуре 340. Создаваемый электронный луч 510 остается узким при пересечении внутреннего объема кубоида, поскольку электроны летят параллельно силовым линиям магнитного поля. Электронный луч 510 выходит через апертуру 344 и сталкивается с анодом 520, который соединен посредством своего вывода 526 с потенциалом, который является положительным по сравнению с потенциалом электрода 326 (не показан).

Если разность потенциалов между нитью 504 накала и электродом 326 больше энергии ионизации для атома или имеет место ионизация молекулы, то обычно используемая энергия ионизации составляет 70 эВ, при которой большинство газов имеют максимальную эффективность ионизации.

Ионы, создаваемые посредством электронного луча, летят по траекториям 530, которые идентичны половине циклоиды. Ионы летят по математически корректной циклоиде, если электрическое поле и магнитное поле являются однородными и перпендикулярными друг другу. Если отношение m/z ионов согласуется с состояниями, обеспечиваемыми прикладываемыми полями, то ионы фокусируются в выходной прорези 350 и сталкиваются с коллектором 534, который будет посылать ответный сигнал к соответствующему микропроцессору (не показан). Ионы с меньшим или большим отношением m/z не попадают в прорезь.

Описанный ионизатор не имеет физической апертуры для освобождения ионов. Вместо этого, вся область, где создаются ионы, - это объем электронного луча внутри электродов - делает вклад в ионный луч, оставляющий источник ионов. Отображающиеся свойства электрического поля уменьшают влияние диаметра луча на разрешающую способность. Это иллюстрируется на фиг.9-13, на которых приведены имитации для анализатора, иллюстрируемого на фиг.8, с размерами 14 мм (x), 7 мм (y) и 4 мм (z). Для 10 ионов с отношением m/z=4 начальная точка изменяется в x-положении (фиг.9), y-положении (фиг.10) и z-положении (фиг.11). На фиг.9 траектории 540 ионов сходятся в точке 544, на фиг.10 с траекториями ионов начальное расширение в направлении у уменьшается приблизительно на 30%, на фиг.11 показано, что влияние распределения траекторий в направлении z является минимальным.

На фиг.12 показаны возможности сужения в z-направлении. На этом чертеже приведена проекция ионного луча 560 из фиг.11 на плоскость y-z. 30 ионов, стартующих из различных местоположений 566, отклоняются к плоскости x-y в центре анализатора прежде, чем они достигнут положения 568 прорези коллектора.

На фиг.13 имитируется характеристика разделения для малых отношений m/z. Четыре ионных луча 570, 572, 574, 576 с отношениями m/z, равными 1, 2, 3, 4 соответственно, стартуют в области 584. Для определенного напряжения, прикладываемого к электродам 310, 326 (фиг.8), только ионы с соответствующим отношением m/z - на фиг.13 ионы с отношением m/z=4 - могут проходить через прорезь 586 коллектора и сталкиваться с коллектором 590.

Анализатор может быть настроен на другие отношения m/z, используя тот факт, что взаимообратные отношения m/z и z/m пропорциональны напряжениям, необходимым для прохождения через прорезь коллектора. Удваивание напряжения, на которое настроен анализатор для m/z=4 на фиг.13, настраивает систему на отношение m/z=2, как показано на фиг.14 для электронных лучей, стартующих в области 592 и имеющих траектории 594, 596, 598, 700.

На фиг.15 иллюстрируются траектории 20 ионов с отношениями m/z=1 до m/z=20 из точки 704 по траекториям 706. Анализатор настроен на отношение m/z=4. Можно видеть, что разделение в плоскости 702 не является больше линейной функцией отношения m/z. Профиль поля расширяет распространение меньшего размера m/z.

Для этого анализатора с размерами, указанными выше, и шириной прорези коллектора, составляющей 5 мм, практичный диапазон отношений заканчивается отношением m/z=18, как показано на фиг.16. Ионы 720, 722 и 724 с отношениями m/z равными 16, 17 и 18 соответственно, стартуют из одной точки 728. Если ионизатор настроен на отношение m/z=17, как показано на этом имитируемом графике, и ион с отношением m/z=17 выходит через середину прорези 586 коллектора, то ионы с отношением m/z=16 и отношением m/z=18 не могут достичь коллектора 590.

На фиг.17 иллюстрируется масс-спектр 4m/z=1 атомная единица массы до m/z=40 атомных единиц массы для тестируемой газовой смеси, содержащей водород, гелий, кислород, азот и аргон. При малых отношениях m/z анализ обеспечивает достаточную разрешающую способность, чтобы использовать его, например, для анализаторов водорода или гелиевых течеискателей.

На фиг.18(a-f), 19(a-f) и 20(a-f) иллюстрируются эквипотенциальные линии в разных плоскостях внутри анализатора. Чертежи справа от эквипотенциальной диаграммы указывают на то, где расположены виртуальные плоскости.

Из фиг.18 мы делаем вывод, что поле 730 вокруг центра приближается в грубом приближении к однородному полю, что объясняет идентичность траекторий, показанных прежде с циклоидами. Увеличение кривизны в окрестности коллектора 732 вводится для компенсации фокусировки энергии.

На фиг.19 показано, что ионы, стартующие в крайних z-положениях 734, 736 будут подвергаться воздействию сильно испорченного (искаженного) электрического поля. Траектории, представленные выше, получены, когда исходные положения ионов расположены в ограниченной центральной области 740, где поле приближается к однородной структуре.

Область 742 на фиг.20(с) подтверждает, что электрическое поле вблизи центра приближается к однородности. Для подтверждающих свойств, иллюстрируемых на фиг.20, потенциал изгибается, как показано в круге 744 на фиг.20(а).

Вследствие своей простой конструкции и небольших физических размеров анализатор, описываемый в этой заявке, может действовать как недорогой, но высокоэффективный ионный источник, предназначенный для введения ионов в масс-спектрометр. Идентичная конструкция без коллектора обеспечивает все возможности ионного источника. Если он настроен правильно на положение m/z, на которое настроен масс-спектрометр, то его массовая избирательность удерживает большинство из нежелательных ионов от анализатора масс-спектрометра. Это улучшает разрешающую способность с любым масс-спектрометром. В связи с квадрупольным фильтром может быть легко подавлен "нулевой удар".

Другим преимуществом кубоидной конструкции является возможность использования ее в качестве закрытого ионного источника. Закрытые ионные источники соединяются с вакуумом анализатора с низкой проводимостью молекулярного течения. Как результат, давление в ионном источнике может быть выше, чем в анализаторе, который увеличивает чувствительность. Для этой цели зазоры, показанные на фиг.8, должны быть очень узкими или даже уплотнены изолятором. Тогда газообразная проба может быть введена в тонкую трубку почти в любом положении электродов.

Очевидно, что в варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг.1-20, миниатюризированный масс-спектрометр, или анализатор, или ионизатор обеспечивает эффективное средство, использующее отношение массы к заряду, как регулируемое с помощью регулировки электрического поля в присутствии магнитного поля, для определения того, какой ионный луч с каким отношением массы к заряду будет испускаться или получит разрешение на выход через выходное отверстие, а какой нет. Среди многочисленных применений этого разделительного устройства и способа находятся течеискатели, например гелиевые и водородные течеискатели. Кроме того, система предназначена для эффективного функционирования с частично циклоидными ионными лучами. Она, в частности, пригодна для осуществления определения для веществ, имеющих малую массу, например, порядка 20 атомных единиц массы или менее. Все это может быть осуществлено при использовании очень небольшого корпуса.

Хотя конкретные варианты осуществления были описаны выше для иллюстрации, квалифицированным специалистам в этой области техники будет очевидно, что без отклонения от настоящего изобретения, ограниченного в прилагаемой формуле изобретения, могут быть сделаны многочисленные изменения деталей.

Изобретение относится к масс-спектрометрическим анализаторам и ионизаторам со скрещенными магнитным и электрическим полями. Масс-спектрометр имеет пару, в общем, планарных параллельных, отстоящих друг от друга электродов, которые имеют выступающие стенки, взаимодействующие для ограничения генерирующей ионы камеры, и выходную апертуру. Регулированием электрического поля, которое ориентировано перпендикулярно приложенному магнитному полю, ионный луч может быть разделен на множество лучей на основе отношения массы к заряду, выходящих из выхода устройства, и при функционировании устройства в качестве масс-спектрометра ионный луч сталкивается с коллектором ионов, который ответно передает информацию взаимодействующему с ним процессору. При необходимости использования прибора в качестве ионизатора удаляют коллектор ионов, расположенный смежно с выходом ионов. 4 н. и 32 з.п. ф-лы, 35 ил.

1. Масс-спектрометр, в котором первый, в общем, планарный электрод, второй, в общем, планарный электрод, расположенный, в общем, параллельно указанному первому электроду и отстоящий от указанного первого электрода, причем указанные первый и второй электроды предназначены для создания между ними электрического поля, генератор магнитного поля, предназначенный для создания магнитного поля, ориентированного, в общем, перпендикулярно указанному электрическому полю, при этом каждый указанный первый электрод и второй электрод имеет основание и стенки, выступающие, в общем, в направлении друг к другу для взаимодействия при ограничении камеры, генерирующей ионы, ионный выход, разрешающий определенным ионам выходить из указанной камеры, и ионный коллектор, расположенный снаружи и смежно указанному ионному выходу для приема указанных ионов, проходящих через него.2. Масс-спектрометр по п.1, в котором указанные стенки каждого указанного первого электрода и указанного второго электрода имеют пару, в общем, параллельных стенок, одна из которых является верхней, а другая - нижней, и торцевую стенку.3. Масс-спектрометр по п.1, в котором указанный первый электрод электрически изолирован от указанного второго электрода.4. Масс-спектрометр по п.3, в котором указанные первый электрод и второй электрод имеют между ними изолирующие воздушные зазоры.5. Масс-спектрометр по п.3, содержащий электрически изолирующий материал, расположенный между указанными первым и вторым электродами.6. Масс-спектрометр по п.1, предназначенный для обработки ионов малой молекулярной массы.7. Масс-спектрометр по п.6, в котором указанные ионы малой молекулярной массы имеют молекулярную массу менее 20 атомных единиц массы.8. Масс-спектрометр по п.1, предназначенный для обработки ионных лучей, которые являются частичными циклоидами.9. Масс-спектрометр по п.1, в котором указанная генерирующая ионы камера имеет длину, составляющую приблизительно 7-14 мм, ширину, которая равна приблизительно 4-8 мм, и высоту, которая составляет приблизительно 3,5-7 мм.10. Масс-спектрометр по п.1, предназначенный для функционирования в качестве течеискателя.11. Масс-спектрометр по п.1, предназначенный для детектирования газа, выбранного из группы, состоящей из гелия и водорода.12. Масс-спектрометр по п.1, в котором указанный ионный луч генерируется посредством ионизации электронным ударом.13. Ионизатор, содержащий первый, в общем, планарный электрод, второй, в общем, планарный электрод, расположенный, в общем, параллельно указанному первому электроду и отстоящий от указанного первого электрода, причем указанные первый и второй электроды предназначены для создания между ними электрического поля, генератор магнитного поля, предназначенный для создания магнитного поля, ориентированного, в общем, перпендикулярно указанному электрическому полю, при этом каждый указанный первый электрод и второй электрод имеет основание и стенки, выступающие, в общем, в направлении друг к другу для взаимодействия при ограничении камеры, генерирующей ионы, ионный выход, разрешающий определенным ионам выходить из указанной камеры.14. Ионизатор по п.13, в котором указанные стенки каждого указанного первого электрода и второго электрода имеют пару, в общем, параллельных стенок, одна из которых является верхней, а другая - нижней, и торцевую стенку.15. Ионизатор по п.13, в котором указанный первый электрод электрически изолирован от указанного второго электрода.16. Ионизатор по п.15, в котором указанные первый электрод и второй электрод имеют между ними изолирующие воздушные зазоры.17. Ионизатор по п.15, содержащий электрически изолирующий материал, расположенный между указанными первым и вторым электродами.18. Ионизатор по п.13, содержащий масс-спектрометр, предназначенный для обработки ионов малой молекулярной массы.19. Ионизатор по п.18, в котором указанные ионы малой молекулярной массы имеют молекулярную массу менее 20 атомных единиц массы.20. Ионизатор по п.13, содержащий масс-спектрометр, предназначенный для обработки ионных лучей, которые являются частичными циклоидами.21. Ионизатор по п.13, в котором указанная генерирующая ионы камера имеет длину, составляющую приблизительно 7-14 мм, ширину, которая равна приблизительно 4-8 мм, и высоту, которая составляет приблизительно 3,5-7 мм.22. Ионизатор по п.13, содержащий масс-спектрометр, предназначенный для функционирования в качестве течеискателя.23. Ионизатор по п.13, содержащий масс-спектрометр, предназначенный для детектирования газа, выбранного из группы, состоящей из гелия и водорода.24. Ионизатор по п.13, в котором указанный ионный луч генерируется посредством ионизации электронным ударом.25. Способ анализа газа, предусматривающий обеспечение первого и второго, в общем, планарных электродов, которые ориентированы, в общем, параллельно друг другу, отстоят друг от друга и имеют стенки, выступающие из них для ограничения генерирующей ионы камеры, приложение электрического поля к указанной камере, приложение магнитного поля, ориентированного, в общем, перпендикулярно указанному электрическому полю в указанной камере, разделение указанных ионов в соответствии с отношением массы к заряду, и побуждение определенных ионов выходить из указанной камеры на основе отношения массы к заряду.26. Способ по п.25, используемый для обработки ионов малой массы.27. Способ по п.26, используемый для обработки ионов, имеющих массу менее 20 атомных единиц массы.28. Способ по п.25, предусматривающий осуществление указанных траекторий указанных ионных лучей на основе отношения массы к заряду указанных ионов посредством регулировки указанного электрического поля.29. Способ по п.25, предусматривающий осуществление указанного выхода ионов заданного отношения массы к заряду на основе частичной циклоидной траектории ионного луча.30. Способ по п.25, предусматривающий использование указанной генерирующей ионы камеры, имеющей длину, составляющую приблизительно 7-14 мм, ширину, составляющую приблизительно 4-8 мм, и высоту, составляющую приблизительно 3,5-7 мм.31. Способ генерирования ионов, предусматривающий обеспечение первого и второго, в общем, планарных электродов, которые ориентированы, в общем, параллельно друг другу, отстоят друг от друга и имеют стенки, выступающие из них для ограничения генерирующей ионы камеры, приложение электрического поля к указанной камере, приложение магнитного поля, ориентированного, в общем, перпендикулярно указанному электрическому полю в указанной камере, разделение указанных ионов в соответствии с отношением массы к заряду, и побуждение определенных ионов выходить из указанной камеры на основе отношения массы к заряду.32. Способ по п.31, используемый для генерирования ионов малой массы.33. Способ по п.32, используемый для генерирования ионов, имеющих массу менее 20 атомных единиц массы.34. Способ по п.31, предусматривающий осуществление указанных траекторий указанных ионных лучей на основе отношения массы к заряду указанных ионов посредством регулировки указанного электрического поля.35. Способ по п.31, предусматривающий осуществление указанного выхода ионов заданного отношения массы к заряду на основе частичной циклоидной траектории ионного луча.36. Способ по п.31, предусматривающий использование указанной генерирующей ионы камеры, имеющей длину, составляющую приблизительно 7-14 мм, ширину, составляющую приблизительно 4-8 мм, и высоту, составляющую приблизительно 3,5-7 мм.