СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ДВУМЕРНОГО ЛИНЕЙНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01J49/00 

Изобретение относится к областям электронно-ионной оптики и масс-спектрометрии, основанных на движении заряженных частиц в статических и переменных двумерных линейных электрических полях, и может быть использовано для усовершенствования конструкции и технологии изготовления устройств пространственно-временной фокусировки и масс-разделения заряженных частиц. Гиперболические электродные системы не эффективны для создания масс-анализаторов с протяженной вдоль одной оси рабочей областью из-за значительных размеров электродов по всем координатам [1]. Задачу решают системы из плоских электродов с дискретно-линейным распределением потенциала [2], с дискретно-изменяющейся электрической прозрачностью [3] и дискретно-изменяющейся плотностью зарядов [4]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструктивно-технологических характеристик устройств образования двумерных линейных электрических полей с протяженной вдоль одной оси рабочей областью, использующих гиперболические и плоские дискретные эквипотенциальные электроды.

Двумерные линейные электрические поля в рабочей области с размерами 2x_c, 2y_c, L по осям X, Y, Z при условии y_c>>x_c можно образовывать с помощью плоских дискретных поверхностей из неэквипотенциальных проводящих элементов, распределенных по оси Y с постоянным шагом ∆y [2] или эквипотенциальных проводящих элементов, неравномерно распределенных по оси Y [3, 4]. Наиболее близким к заявленному решению является способ, описанный в [4], заключающийся в образовании линейного электрического поля с помощью эквипотенциальных элементов, неравномерно распределенных по оси Y. Однако недостатками указанных систем являются трудности конструкторско-технологического характера, которые усложнят процесс изготовления ионно-оптических устройств и анализаторов ионов с использованием плоских дискретных электродов.

Во всех случаях при использовании плоских дискретных электродов задача образования двумерных линейных в плоскости XOY электрических полей сводится к созданию на границах области x=±x_c линейных вдоль оси Y распределений среднего значения потенциала:

$${\varphi }_{ср}(y_i)=\frac{1}{\Delta y_i}{\displaystyle \underset{y_i-\Delta y/2}{\overset{y_i+\Delta y/2}{\int }}}{\varphi }_{\partial i}(y)dy=\frac{{\varphi }_{mcp}}{y_c}{y}_i,\left(1\right)$$

где φ_∂i(y) - распределение потенциала в плоскостях x=±x_c i-го дискретного элемента, ∆y_i - шаг дискретности электродов, φ_mср=φ_ср(y_c).

Для практической реализации ионно-оптических систем с двумерными линейными электрическими полями представляют интерес использование плоских дискретных поверхностей, образованных из равномерно распределенных по оси Y с шагом ∆y, параллельных оси Z, одинаковых эквипотенциальных проводящих элементов - нитей или полосок. Однако использование только плоских дискретных с постоянным шагом ∆y эквипотенциальных поверхностей не решает проблему образования двумерных линейных электрических полей. Задача решается с помощью дополнительных 4-х гиперболических потенциальных поверхностей, позволяющих сформировать линейные по оси Y распределения среднего значения потенциала в плоскостях x=±x_c дискретных поверхностей. Гиперболические поверхности 2 располагают в области |x|>x_c и на смежных поверхностях устанавливают противоположные потенциалы φ₀ и -φ₀ (Фиг.1). Наличие дискретных поверхностей 1 позволяет сместить начала координат гиперболических поверхностей 2 по оси Х на расстояние x₀ для поверхностей в I и IV квадрантах и на расстояние - x₀ для поверхностей во II и III квадрантах и тем самым существенно уменьшить значение их геометрического параметра r₀ - действительной полуоси гипербол. Величина смещения определяется соотношением:

$$x_0\approx x_c-\mathrm{0,45}\Delta y.\left(\text{2}\right)$$

Гиперболические поверхности в этом случае описываются уравнением:

$$y=\pm r_0^2/2(x\pm x_0).\left(\text{3}\right)$$

Под действием противоположных потенциалов φ₀ и -φ₀ на смежных гиперболических поверхностях в сечениях x=±x_c формируются распределения потенциала φ(±x_c,y) - (кривая 1, Фиг.2), средние значения которых φ_ср(±x_c,y) при выполнении условия (2), будут изменяться по линейному закону (кривая 2, Фиг.2):

$${\varphi }_{ср}(x_c,y)=E_m\cdot y,\left(\text{4}\right)$$

где $$E_m=0.9\Delta y{\varphi }_0/r_0^2$$ . При этом в рабочей области |x|<x_c, |y|<y_c образуется поле с распределением потенциала вида:

$$\varphi (x,y)=\frac{E_m}{x_c}xy,\left(\text{5}\right)$$

которое соответствует двумерному линейному электрическому полю с проекциями напряженности поля на оси X и Y:

$$E_x=\frac{E_m}{x_c}y,E_y=\frac{E_m}{x_c}x.\left(\text{6}\right)$$

Из (5) и (6) следует, что система из 2-х плоских с постоянным шагом ∆y эквипотенциальных дискретных и 4-х гиперболических поверхностей позволяет образовывать двумерные линейные электрические поля в рабочих областях 4 |x|<x_c, |y_c|<y с произвольным соотношением параметров x_c, y_c. Причем при фиксированной длине полуосей r₀ гиперболических поверхностей выбором параметров x_c и ∆y размеры рабочей области по оси X могут изменяться в широких пределах.

Устройство для образования двумерного линейного электрического поля по предлагаемому в п.1 формулы изобретения способу состоит из 2-х плоских дискретных электродов 1 длиной L>>2x_c и 4-х гиперболических электродов 2 длиной L>>2x_c (Фиг.1). Дискретные электроды 1 с размером y_a>>x_c по оси Y расположены в плоскостях x=±x_c и образованы из равномерно распределенных по оси Y с шагом ∆y тонких диаметром d<<∆y параллельных оси Z эквипотенциальных нитей. Начала координат гиперболических электродов сдвинуты попарно по оси Х на расстояние ±x₀ и имеют конечные координаты х=±x_a, y=±y_a, где x_a≥(x_c+1.5r₀), y_a≥(y_c+1.5x_c). Гиперболические электроды расположены за пределами рабочей области 4 (Фиг.1) |x|>x_c по одному в каждом квадранте. Геометрический параметр r₀ гиперболических электродов определяется шагом дискретности ∆y плоских электродов и их размером y_a по оси Y:

$$r_0=\sqrt{2y_a\Delta y}$$ .

При заданных параметрах x_c, y_c рабочей области геометрический параметр r₀ гиперболических электродов, используемых в совокупности с плоскими дискретными электродами с постоянным значением шага ∆y, оказывается значительно меньше параметра r₀ гиперболических электродов 3 (Фиг.1), создающих такое же поле в отсутствии дискретных электродов. Это позволяет в анализаторах с вытянутыми вдоль оси Y рабочими областями 4 (Фиг.1), когда y_c>>x_c путем минимизации значения параметра r₀ гиперболических электродов в 2-2,5 раза сократить размеры электродных систем анализаторов по оси X. Размер L электродов 1 и 2 по оси Z выбирается исходя из допустимого уровня отклонения поля от линейного в рабочей области анализатора из-за краевых эффектов:

L≥4x_c.

Использование в качестве плоских дискретных электродов равномерно распределенных по оси Y металлических нитей в совокупности с гиперболическими электродами упрощает конструкцию и технологию изготовления, а также снижает размеры анализаторов с двумерными линейными электрическими полями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуров B.C., Мамонтов Е.В., Дягилев А.А. Электродные системы с дискретным линейным распределением высокочастотного потенциала для масс-анализаторов заряженных частиц // Масс-спектрометрия. 2007. №4 (2). - С.139-142.

2. Патент RU №2327245 от 03.05.2006, Способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета и устройство для его осуществления.

3. Патент RU №2387043 от 10.04.2008, Способ формирования линейного поля и устройство для его осуществления.

4. Патент RU №2422939 от 25.11.2009, Способ образования двумерного линейного электрического поля и устройство для его осуществления.

Изобретение относится к области электронной и ионной оптики и масс-спектрометрии, где используется движение заряженных частиц в статических и переменных двумерных линейных электрических полях, и может быть использовано для усовершенствования конструкций и технологий изготовления устройств пространственно-временной фокусировки и масс-разделения заряженных частиц. Способ образования двумерных линейных электрических полей заключается в формировании с помощью устройства из плоских дискретных и гиперболических электродов на границах рабочей области линейного по одной координате распределений среднего значения потенциала. Причем плоские дискретные электроды состоят из равномерно распределенных по границам области тонких заземленных металлических нитей, а расположенные в каждом квадранте по одному гиперболические электроды имеют малые размеры полуосей. Под действием противоположных потенциалов на смежных гиперболических электродах в плоскостях дискретных электродов создаются линейные по одной оси распределения среднего значения потенциала, под действием которых в рабочей области образуется двумерное линейное электрическое поле. Технический результат - минимизация размеров и улучшение конструктивно-технологических параметров электродных систем для образования двумерных линейных электрических полей с протяженными вдоль одной оси рабочими областями. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ образования двумерного линейного электрического поля, заключающийся в создании по границам x=±x_c рабочей области |x|<x_c, |y|<y_c параллельных оси Z плоских дискретных проводящих поверхностей с размерами 2y_a, L по осям Y, Z, состоящих из совокупности распределенных по оси Y параллельных оси Z тонких проводящих нитей, отличающийся тем, что по оси Y эквипотенциальные нити распределены равномерно с шагом Δy, причем за границами рабочей области |x|>x_c располагают по одной в каждом квадранте гиперболические проводящие поверхности $$y=\pm r_0^2/2(x\pm x_0)$$ , где |x₀|<|x_c|, r₀ - действительная полуось гипербол, и на смежных поверхностях устанавливают противоположные потенциалы φ₀ и -φ₀.

2. Устройство для образования двумерного линейного электрического поля, содержащее по границам рабочей области x=±x_c параллельные оси Z электроды длиной L>>2x_c из распределенных по оси Y параллельных оси Z проводящих тонких нитей, отличающееся тем, что используют два в плоскостях х=±x_c дискретных с размером y_a>>x_c по оси Y электрода из равномерно распределенных с шагом Δy по оси Y эквипотенциальных нитей диаметром d<<Δy и четыре, по одному в каждом квадранте, гиперболических электрода с действительной полуосью r₀, сдвинутых попарно по оси X на расстояние ±x₀, с конечными координатами x=±x_a,
y=±y_a, где x_a≥(x_c+1,5r₀), y_a≥(y_c+1,5x_c).