СПОСОБ ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ ПО МАССАМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H01J49/32 

Изобретение относится к области масс-анализа заряженных частиц в линейных электрических ВЧ полях и может быть использовано для улучшения конструкторско-технологических и коммерческих характеристик времяпролетных масс-спектрометров. Времяпролетное разделение ионов может осуществляться в ВЧ полях с двумерным линейным распределением потенциала в полупространстве y>0, создаваемых одним заземленным и парой эквипотенциальных гиперболических или плоских с дискретно-линейным распределением потенциала электродов, с приложенными к ним противофазными ВЧ напряжениями [1, 2]. Для получения высокой разрешающей способности и точности определения масс в этом случае необходимо обеспечить высокую степень симметрии геометрии электродной системы масс-анализатора, а так же симметрию ВЧ питающих ее напряжений. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов и устройств их ВЧ питания.

В известных радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах траектории ионов при движении в двумерном линейном ВЧ поле без постоянной составляющей в первом приближении описываются гармоническими функциями [1]:

х=х₀·cosΩt

где x₀ и ν_y - начальная координата и скорость ионов по осям Х и Y, Ω - секулярная частота колебаний ионов. За время дрейфа t_A=2π/Ω, ионы по оси Y совершают возвратные колебания, а по оси Х их координата изменяет знак x(t_А)=-x₀. При этом пространство дрейфа анализатора должно состоять из двух, расположенных в полупространстве y≥0, симметричных относительно оси Y, областей с линейным распределением потенциала вида

Такое распределение создается в дипольных анализаторах с гиперболическими или плоскими дискретными электродами [2].

Схема электродной системы радиочастотного времяпролетного масс-анализатора и способ его ВЧ питания существенно упростятся, если колебания ионов по координате x модифицировать в однополярные с координатами x>0. Тогда в качестве радиочастотного времяпролетного масс-анализатора можно использовать монопольную систему из уголкового заземленного и потенциального электродов с однофазной системой ВЧ питания.

Для преобразования колебаний ионов по оси Х из двухполярных в монополярные достаточно к гармонической составляющей V_m·sinωt питающего напряжения добавить постоянную составляющую U₀<0. В этом случае колебания ионов по оси X будут описываться функцией

где , e и m - заряд и масса ионов, y_m - амплитуда колебаний ионов по оси Y. Из (3) видно, что при определенных значениях U₀ дрейф ионов в течение интервала t_A происходит в монополярном пространстве x>0, y>0 с распределением потенциала вида (2).

Двумерное линейное электрическое поле в одном квадранте может быть образовано в монополярных анализаторах с заземленным уголковым и одним потенциальным электродами. В качестве потенциального может быть использован гиперболический или плоский электрод с дискретно-линейным распределением потенциала [2, 3]. В первом случае размеры анализатора вдоль оси Х значительно превышают размеры рабочей области в этом направлении. В другом случае плоский с дискретно-линейным распределением потенциала электрод имеет сложную систему ВЧ питания. Более эффективным является компромиссный вариант анализатора, у которого одна часть потенциального электрода образована гиперболическим электродом 2, а другая часть плоским дискретным электродом 3 (Фиг.1). При этом до величины L_x≅0,2L_y сокращается размер анализатора по оси Х и в 4-5 раз уменьшается число элементов плоского дискретного электрода, что делает электродную систему анализатора приемлемой для практической реализации как по габаритным, так и по конструктивно-технологическим параметрам.

В уголковом электроде в плоскости y=0 имеется щель с размерами Δx_щ≅0,1L_x и Δz_щ≅0,1L_z с координатами центра x_щ≅0,025L_x, z_щ≅0,4L_z для ввода ионов и отверстие диаметром d_om≅0,2L_z с координатами центра x_om≅0,25L_x и z_om≅0,6L_z для вывода ионов из анализатора.

Из (3) следует, что при постоянных значениях параметров V_m, U₀ и ω ВЧ напряжения с увеличением m максимальные координаты x_m траекторий ионов линейно возрастают и диапазон D=m_max/m_min анализируемых масс оказывается ограниченным. Диапазон может быть расширен до величины D=10 при добавлении к гармонической составляющей питающего напряжения вместо постоянной U₀ медленно изменяющейся компоненты U₀·exp(-t/τ), где параметр τ≅π/Ω.

В этом случае на ионы, образованные с начальными координатами 0<x₀<0.1L_x, y₀=0, z₀<L_z/2 и начальными скоростями ν_y>>ν_z>0 по осям Y и Z, обратно пропорциональными массам анализируемых частиц, будет действовать линейное по осям Х и Y переменное электрическое поле, под воздействием которого ионы за время дрейфа t_A, пропорциональное их массам m, совершат по оси Y возвратные колебания, по оси Х колебания с конечными координатами 0<x(t_A)<L_x/4, а по оси Z поступательное движение с конечной координатой z(t_A)=z₀+ν_z·t_A. В результате за время дрейфа t_A ионы достигнут выходного отверстия анализатора.

Для пространственного разделения вводимых и выводимых ионов угол ввода заряженных частиц в плоскости OYZ выбирается в пределах α_z=1-3°. В этом случае за время дрейфа t_A ионы по координате Z из области щели перемещаются в область отверстия и затем выводятся из анализатора.

Предлагаемый способ масс-разделения ионов в линейных ВЧ полях по времени пролета и устройство для его осуществления упрощают конструкцию и систему ВЧ питания электродных систем радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов, делает ее более технологичной, что способствует улучшению потребительских и коммерческих характеристик масс-спектрометрических приборов времяпролетного типа.

Изобретение относится к области масс-анализа заряженных частиц в линейных электрических ВЧ полях и может быть использовано для улучшения конструкторско-технологических и коммерческих характеристик радиочастотных времяпролетных масс-спектрометров. Технический результат - усовершенствование конструкции радиочастотных масс-анализаторов ионов и устройств их ВЧ питания. Способ основан на добавлении к переменному электрическому полю медленно изменяющейся экспоненциальной составляющей, под действием которой колебания ионов в направлении, перпендикулярном оси дрейфа, становятся однополярными. В этом случае в качестве радиочастотного времяпролетного масс-анализатора можно использовать электродную систему монопольного типа. Рабочая область анализатора, протяженная вдоль оси дрейфа, образуется уголковым заземленным электродом и потенциальным электродом, состоящим из двух частей - одной с гиперболическим профилем и другой в виде плоской дискретной поверхности. ВЧ питание анализатора однофазное. Ввод и вывод ионов осуществляется через щель и отверстие в плоскости у=0 в уголковом электроде, пространственное разделение которых обеспечивается углами влета заряженных частиц в плоскости OYZ порядка 1-3°. Способ позволяет упростить конструкцию и уменьшить габариты радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов, усовершенствовать систему их ВЧ питания и может использоваться для создания времяпролетных масс-спектрометров с высокими аналитическими и потребительскими свойствами. 12 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ времяпролетного разделения ионов по массам, заключающийся в воздействии на заряженные частицы линейным электрическим ВЧ полем, отличающийся тем, что в масс-анализаторе с размерами L_y>>L_y, L_z>r₀ по осям X, Y, Z, где r₀ - геометрический параметр анализатора, на граничных поверхностях х=0 и y=0 устанавливают нулевые потенциалы, на гиперболической поверхности y=r² ₀/2x переменный потенциал u=V_m·sinωt+U₀-exp(-t/τ), где V_m и ω, U₀, τ - параметры высокочастотной и экспоненциальной составляющих потенциала, а на поверхности x=L_x дискретно-линейное по оси Y - распределение потенциала u_i=u·i/n, где i и n - номер и количество дискретных элементов поверхности, и на ионы, образованные с начальными координатами 0<x₀<0,1L_x, y₀=0, z₀<L_z/2 и начальными скоростями ν_y>>ν_z>0 по осям Y и Z, обратно пропорциональными массам m анализируемых частиц, воздействуют переменным линейным по осям Х и Y электрическим полем, при этом ионы за время дрейфа t_A, пропорциональное их массам m, совершают по оси Y возвратные колебания, по оси Х колебания с конечными координатами 0<x(t_A)<L_х/4, а по оси Z поступательное движение с конечной координатой z(t_A)=z₀+ν_z·t_A.

2. Устройство для времяпролетного разделения ионов по массам, содержащее длиной L_z>r₀ по оси Z электродную систему для образования в рабочей области масс-анализатора линейного по осям Х и Y электрического поля, отличающееся тем, что используют два с размерами L_y>>L_x по осям Y и Х и расположенных в плоскостях х=0 и y=0 заземленных электрода и два потенциальных электрода, один из которых с гиперболическим профилем y=r² ₀/2x с конечными по осям Х и Y координатами L_x и L_y, а другой с размером r² ₀/2L_x по оси Y, лежащий в плоскости x=L_x, образован из дискретных с размерами Δy_i по оси Y элементов, причем в заземленном электроде в плоскости y=0 имеется щель шириной Δx<<L_x, длиной Δz<L_z/8 с координатами центра x_щ<<L_х, z_щ≈L_z/8 для ввода ионов и полупрозрачное отверстие диаметром d_от≅L_z/4 с координатами центра x_от≈L_x/8, z_om≅-L_z/4 для вывода ионов.