СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ДВУМЕРНОГО ЛИНЕЙНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01J49/22 

Изобретение относится к области фокусировки, энерго и масс-анализа заряженных частиц в линейных высокочастотных [ВЧ] электрических полях и может быть использовано для улучшения конструкторских и коммерческих характеристик приборов для микроанализа вещества. Задачу образования двумерных линейных электрических полей для радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов с протяженными вдоль оси дрейфа ионов рабочими областями можно решить с помощью систем из гиперболических электродов [1] или плоских дискретных и непрерывных [2, 3, 4]. Использование гиперболических электродов нерационально из-за значительных размеров анализатора по всем трем осям. Способы и устройства, предлагаемые в [2, 3, 4], решают проблему габаритных размеров, но не вполне совершенны с конструкторско-технологической точки зрения из-за сложности достижения требуемой точности геометрических параметров дискретных электродов. В качестве прототипа принята система из плоских дискретных электродов, образованных из равномерно распределенных вдоль оси Z не эквипотенциальных элементов [2]. На дискретных поверхностях в плоскостях x=±x₀ такой системы с помощью делителей напряжения из n=n/Δy одинаковых емкостей или индуктивностей создается дискретно-линейные по оси Y распределения ВЧ напряжения, образующее в рабочем пространстве |x|<x₀, 0≤y<y₀ двумерное линейное электрическое поле.

Практическая реализация таких электродных систем для анализаторов заряженных частиц высокого разрешения R>10³ затрудняется сложностью изготовления в вакуумном варианте высокоточных (относительная погрешность δ<10^-3) элементов делителей ВЧ напряжения.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции электродных систем анализаторов заряженных частиц с двумерными линейными электрическими полями с целью достижения высокоточной расчетной геометрии при их практической реализации с применением современных технологий обработки диэлектрических поверхностей и нанесения на них проводящих покрытий.

При создании дискретно-линейных распределений ВЧ потенциала в плоскостях x=±x₀ радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов с помощью емкостных делителей линейность распределения зависит от точности емкостей делителей. В линейном последовательном делителе ВЧ напряжения (Фиг.1, а) все емкости имеют одинаковое значение С₀.

Отклонения значения одной емкости искажает распределение потенциала всего делителя. В ионно-оптических системах с линейными ВЧ электрическими полями из-за конструктивных ограничений емкость C₀ последовательного делителя не может превышать единиц пФ. При этом на распределение потенциала в делителе будут в сильной степени влиять паразитные связи элементов делителя с другими элементами конструкции электродных систем. Поэтому в анализаторах с протяженными в вдоль одной координаты рабочими областями с помощью последовательных емкостных делителей сложно получить линейность распределения потенциала с погрешностью ниже уровня δ_φ<10^-2.

Параллельные линейные делители ВЧ напряжения (Фиг.1, б), составляются из емкостей, величина которых изменяется в зависимости от их номера i по линейным законам:

$${С}_{{}^{1i}}=C_m\left(1-\frac{\Delta y}{y_0}\cdot i\right),{С}_{{}^{2i}}=C_m\frac{\Delta y}{y_0}\cdot i,\left(1\right)$$

где С_m - наибольшее значение емкости делителя ВЧ напряжения, Δy=y₀/n - шаг дискретности проводящих поверхностей, n - число дискретных элементов поверхностей. Параллельные делители с емкостями формируют в плоскостях х=±x₀ дискретно-линейные по оси Y распределения ВЧ потенциалов, определяемые выражением:

$$u_i=\frac{C_{2i}}{C_{2i}+C_{1i}}\cdot u=\frac{u}{n}\cdot i\left(2\right)$$

Линейность распределений потенциала не нарушается, если ко всем емкостям С_1i добавляется постоянная величина С_n, так как и в этом случае значение знаменателя С_2i+С_1i+С_n остается постоянным при всех i.

Формирование дискретно-линейных напряжений с помощью параллельных емкостных делителей дает ряд преимуществ с точки зрения их практической реализации:

- все напряжения u_i формируются независимыми друг от друга элементами делителей и поэтому погрешность емкости С_1i или С_2i искажает распределение потенциала только i-ой точке, т.е. погрешности распределения имеют локальный характер;

- в параллельных делителях ВЧ напряжения достаточно простыми методами минимизируются и учитываются емкостные связи между заземленными и незаземленными элементами делителей;

- для практической реализации параллельных емкостных делителей ВЧ напряжения могут использоваться современные технологии формирования на диэлектрических основах проводящих поверхностей с высокоточными геометрическими параметрами, что позволяет создавать ионно-оптические системы из плоских дискретных электродов с отклонениями распределения ВЧ потенциала от линейного ниже уровня δ_φ<10^-3.

Способ образования двумерного линейного высокочастотного поля на основе параллельных емкостных делителей напряжения заключается в создании в плоскостях x=±x₀ двух дискретных поверхностей, составленных из n=y₀/Δy равномерно с шагом Δy распределенных по оси Y проводящих полосок шириной Δy_n<Δy, первые из которых шириной Δy_n/2 заземлены, а остальные гальванически не соединены с другими проводящими, поверхностями, одной в плоскости y=0 непрерывной заземленной поверхности с размерами 2x₀, L, по осям X, Z и четырех непрерывных поверхностей треугольной формы в плоскостях x=±(x₀+d), где d<<x₀, две из которых с координатами вершин (x₀+d; 0; Δz), (x₀+d; y₀; L), (x₀+d; 0; L) и (-x₀-d; 0; Δz), (-x₀-d; y₀; L), (-x₀-d; 0; L), где Δz≥2d, заземлены, а к двум другим с координатами вершин (x₀+d; 0; 0), (x₀+d; y₀; 0), (x₀+d; y₀; L-Δz) и (-x₀-d; 0; 0), (-x₀-d; y₀; 0) (-x₀-d; y₀; L-Δz) приложены противофазные высокочастотные потенциалы u₁=u и u₂=-u. Пространство между проводящими поверхностями, лежащими в плоскостях x₀ и x₀+d, -x₀, и - x₀-d заполняют диэлектриком. Между проводящими полосками и поверхностями треугольной формы образуются емкости С_1i и С_2i, значения которых изменяются в соответствии с выражением (1). При этом распределение потенциала на проводящих полосках в зависимости от их номера i будет подчиняться линейному закону (2).

Схема электродной системы для образования двумерного линейного высокочастотного поля в рабочей области -x₀<х<х₀, 0≤y<y₀, построенная по принципу параллельно емкостного делителя ВЧ напряжения, показана на Фиг.2. Система состоит из заземленного электрода 1 с размерами 2x₀, L по осям X, Z и двух плоских дискретных электродов 2, 3 с размерами y₀, L по осям Y, Z. Электроды 2, 3 выполнены в виде диэлектрических пластин толщиной d с нанесенными на них с обеих сторон тонкими проводящими поверхностями 4, 5, 6. Проводящие поверхности на внешних сторонах электродов 2, 3 состоят из двух частей 4 и 5 в форме прямоугольных треугольников, разделенных зазорами Δz<<L. Поверхности 4 электродов 2, 3 заземлены, а на поверхности 5, подаются противофазные ВЧ напряжения u₁=-u₂. На внутренние поверхности 6 электродов 2, 3 нанесены параллельные оси Z длиной L, шириной Δy_n=Δy-h проводящие полоски 7 с зазорами между соседними полосками величиной h<<Δy. Первые проводящие полоски дискретных поверхностей 6 электродов 2, 3 имеют ширину Δy_n/2 и заземлены. Между проводящими полосками 7 и проводящими поверхностями 4, 5 образуются емкости С_1i.С_2i, величина которых зависит от площадей перекрытия S_1i и D_2i полосок с поверхностями 4 и 5.

$$S_{1i}=\left(\Delta y-h\right)\left(y_0-y_i\right),S_{2i}=\left(\Delta y-h\right)y_i\left(3\right)$$

В этом случае емкости C_1i и С_2i будут являться функциями координаты y_i:

$${С}_{{}^{1i}}=C_0\left(1-\frac{y_i}{y_0}\right),{С}_{{}^{2i}}=C_0\frac{y_i}{y_0},\left(4\right)$$

где С₀=εε₀(Δy-n)·L/d, ε₀=8.85·10^-12 Kл²/Нм², ε - относительная диэлектрическая проницаемость пластин. При этом в соответствии с (2) ВЧ потенциал полосок будет линейно зависеть от координаты y.

$$u_i=u\frac{C_0{y}_i/y_0}{C_0(1-y_i/y_0)+C_0{y}_i/y_0}=u\cdot \frac{i}{n}\left(5\right)$$

Таким образом плоские диэлектрические пластины с проводящими покрытиями, изображенные на Фиг.2, выполняют функцию параллельных емкостных делителей ВЧ напряжения. При этом на проводящих полосках в соответствии с (2) будут создаваться ВЧ напряжения, изменяющиеся в зависимости от координаты y_i по линейному закону, а в рабочей области -x₀<x<x₀, 0≤y<y₀ образуется двумерное линейное ВЧ электрическое поле.

Достоинство предлагаемой электродной системы заключается в возможностях достижения высокой линейности (с погрешностью δ_φ<10^-3) распределения потенциала в рабочих областях при минимальных размерах анализаторов по оси X.

Это достигается за счет:

- простой и технологичной конструкции анализаторов из плоских электродов.

- регулярной геометрии поверхности дискретных электродов.

- минимизации влияния заземленных элементов анализатора на распределение потенциала в ВЧ делителе и учета этого влияния путем коррекции величины емкостей С_1i.

- отсутствие влияния взаимных емкостей между элементами дискретного электрода на линейность распределения ВЧ потенциала в делителе.

Для устранения накопления зарядов и установки постоянных потенциалов на элементах дискретных поверхностей они могут соединяться с заземленными электродами или с источниками постоянного напряжения через высокоомные сопротивления.

Простые и технологичные устройства, основанные на предлагаемом способе образования двумерных линейных электрических полей с помощью' плоских непрерывных и дискретных проводящих поверхностей, нанесенных на диэлектрическую пластину, позволяют создавать эффективные ионнооптические системы фокусировки, энерго и масс-анализа заряженных частиц для конкурентоспособных аналитических приборов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мамонтов Е.В., Гуров B.C., Дягилев А.А., Грачев Е.Ю. Масс-разделение ионов по времени пролета в радиочастотных двумерных линейных электрических полях. Масс-спектрометрия 2011, т.8, №8, с.195-200.

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 фокусировки, энерго и масс-анализа заряженных частиц в линейных высокочастотных электрических полях и может использовано для улучшения конструкторских и коммерческих характеристик приборов для микроанализа вещества. Технический результат - усовершенствование конструкции электродных систем для образования двумерных линейных высокочастотных электрических полей с целью достижения при изготовлении высокой точности реализации их расчетной геометрии с помощью современных технологий. Способ основан на формировании на плоских поверхностях дискретно-линейных распределений высокочастотного потенциала с помощью параллельных емкостных делителей. Система состоит из 3-х плоских электродов, одного заземленного и двух с противофазными дискретно-линейными распределениями вдоль одной оси высокочастотных потенциалов. Дискретные электроды выполнены из тонких диэлектрических пластин с нанесенными на них проводящими поверхностями. Внешние поверхности разделены по диагонали на две половины, одни из которых заземлены, а к другим приложены высокочастотные потенциалы. Внутренние поверхности, гальванически не соединенные с другими частями анализатора, образованы из равномерно распределенных вдоль одной оси проводящих полосок. Между внутренними и внешними проводящими поверхностями образуются емкостные делители высокочастотного напряжения с линейно изменяющимся по одной координате коэффициентом деления. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ образования двумерного линейного высокочастотного электрического поля, заключающийся в создании в плоскостях x₀=±x₀ двух дискретных поверхностей с размерами y₀ и L по осям Y, Z, составленных из параллельных оси Z проводящих элементов, равномерно с шагом Δy распределенных по оси Y, и в плоскости y=0 непрерывной заземленной поверхности с размерами 2х₀, L по осям X, Z, отличающийся тем, что используют дискретные поверхности, состоящие из n=y₀/Δy проводящих полосок, первые из которых шириной Δy_n/2 заземлены, а остальные Δy_n<Δy гальванически не соединены с другими проводящими поверхностями, а также четыре непрерывные в форме треугольников поверхности в плоскостях х=±(х₀+d), где d<<x₀, две из которых заземленные с координатами вершин (х₀+d; 0; Δz), (х₀+d; y₀; L), (x_Q+d; 0; L) и (-х₀-d; 0; Δz), (-х₀-d; y₀; L), (-x₀-d; 0; L), а две другие с противофазными высокочастотными потенциалами u₁=u и u₂=-u с координатами вершин (х₀+d; 0; 0), (x₀+d; y₀; 0), (х₀+d; y₀; L-Δz) и (-х₀-d; 0; 0), (-х₀-d; y₀; 0), (-x₀-d; y₀; L-Δz), где Δz<<L, причем пространство между проводящими поверхностями, лежащими в плоскостях х₀ и х₀+d, -х₀ и -х₀-d, заполняют диэлектриком.

2. Устройство для образования двумерного линейного высокочастотного электрического поля, содержащее в плоскостях х=±х₀ дискретные электроды с размерами y₀ и L по осям Y, Z, составленные из равномерно с шагом Δy распределенных по оси Y проводящих элементов, и в плоскости y=0 заземленный электрод с размерами 2х₀ и L по осям X, Y, отличающееся тем, что используют два дискретных электрода, составленные из n=у₀/n тонких металлических полосок, первые из которых шириной Δy_n/2 заземлены, а остальные шириной Δy_n<Δy гальванически не соединены с другими электродами и источниками высокочастотного напряжения; а также используют два заземленных электрода в форме треугольников с координатами вершин (х₀+d; 0; Δz), (х₀+d; y₀; L), (x₀+d; 0; L) и (-х₀-d; 0; Δz), (-х₀-d; y₀; L), (-х₀-d; 0; L) и два электрода с противофазными высокочастотными потенциалами u₁=u, u₂=-u в форме треугольников с координатами вершин (x₀+d; 0; 0), (х₀+d; y₀, 0), (x₀+d; y₀; L-Δz) и (-х₀-d; 0; 0), (-х₀-d; y₀; 0), (-х₀-d; y₀; L-Δz), причем пространство между электродами, расположенными в плоскостях х₀ и x₀+d, -х₀ и -x₀-d, заполняют диэлектриком.