Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре Российский патент 2018 года по МПК H01J49/00 

Изобретение относится к приборостроению средств экспериментальной физики и химии, в частности к масс-спектрометрии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ формирования массовой линии во времяпролетном масс-спектрометре (патент SU 1691905 A1 H01J 49/40, опубл. Бюл. №42 15.11.91 г.), включающий ионизацию атомов в источнике ионов, ускорение ионов выталкивающим импульсом электрического поля, временная зависимость которого имеет вид:

где:

E₀ - напряженность электрического поля;

m - масса иона;

q - заряд иона;

Т - точка расположения массовой линии на временной оси;

- длина бесполевого пространства;

- расстояние от области ионизации до бесполевого пространства;

t₀ - длительность, в течение которой напряженность поля постоянна во времени;

V_ГР - скорость иона, пролетающего ускоряющий промежуток за время t₀;

дрейф ионов в бесполевом пространстве, отклонение в бесполевом пространстве поперечным полем всех ионов, вылетевших из ускоряющего промежутка за время t₀, и регистрацию ионов в приемнике ионов.

Недостатком прототипа является сложность реализации генератора выталкивающих импульсов и необходимость точной синхронизации начала ионизации с выталкивающим и отклоняющим импульсами, а также необходимость точного определения длительности отклоняющего импульса. Так же для формирования массовой линии только из ионов одной массы требуется узкая зона ионизации и короткое время ионизации, что не позволяет улучшить разрешающую способность и чувствительность одновременно.

В основу изобретения положена задача разработки способа формирования массовой линии от ионов одной массы, позволяющей увеличить время ионизации, размер зоны ионизации и использовать выталкивающий и отклоняющий импульсы в виде постоянных или легко реализуемых периодических функций.

Поставленная задача достигается тем, что в способе формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре, включающем ионизацию атомов в источнике ионов, ускорение ионов выталкивающим импульсом электрического поля, временная зависимость которого имеет вид:

где:

E₀ - напряженность электрического поля;

m - масса иона;

q - заряд иона;

Т - точка расположения массовой линии на временной оси;

- длина бесполевого пространства;

- расстояние от области ионизации до бесполевого пространства;

t₀ - длительность, в течение которой напряженность поля постоянна во времени;

V_ГР - скорость иона, пролетающего ускоряющий промежуток за время t₀;

дрейф ионов в бесполевом пространстве, отклонение в бесполевом пространстве поперечным полем всех ионов, вылетевших из ускоряющего промежутка за время t₀, и регистрацию ионов в приемнике ионов, согласно изобретению, с целью улучшения сепарации выбранной массовой линии и увеличения разрешающей способности и чувствительности отклонение ионов производится двумя парами отклоняющих пластин, векторы напряженности электрического поля которых взаимно перпендикулярны и перпендикулярны оси движения ионов, и напряжение между которыми имеет вид:

где U_x - напряжение между отклоняющими пластинами первой пары;

U_y - напряжение между отклоняющими пластинами второй пары;

U - амплитуда отклоняющих импульсов;

Т - период отклоняющих импульсов;

t - время,

а выталкивающее поле имеет вид:

где m - масса иона;

n - кратность периода колебаний;

|е| - заряд иона;

- расстояние от зоны ионизации до бесполевого участка;

- длина отклоняющих пластин.

Сущность способа поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображена схема времяпролетного масс-спектрометра. На фиг. 2 изображены графики напряжений между отклоняющими пластинами.

Устройство, реализующее способ, содержит ионный источник с электронной пушкой 1, заземленные сетки 2, ускоряющую сетку 3, генератор выталкивающих импульсов 4, генератор выталкивающих импульсов 5, две пары отклоняющих пластин 6, приемник ионов 7 и ионный коллиматор 8. Для устранения массовых линий несепарируемых ионов предусмотрено их отклонение с помощью периодического во времени электростатического поля, создаваемого отклоняющими пластинами.

Заземленные сетки 2 расположены на расстоянии друг от друга между выталкивающей сеткой 3 и приемником ионов 7, образуя общую оптическую ось. Поток электронов из электронной пушки ионного источника с электронной пушкой 1 создает плоскость ионизации между ускоряющей сеткой 3 и ближайшей к ней заземленной сеткой 2. Четыре отклоняющих пластины 6 образуют две пары, которые расположены таким образом, чтобы вектора напряженностей формируемых ими электрических полей были взаимно перпендикулярны и перпендикулярны общей оптической оси, а сами отклоняющие пластины были симметричны друг другу относительно этой оси. Выход синхронизации генератора выталкивающих импульсов 4 соединен со входом синхронизации ионного источника с электронной пушкой 1. Выходы генератора отклоняющих импульсов подключены к одной из отклоняющих пластин 6 каждой пары, вторая отклоняющая пластина каждой пары заземлена. Заземленные сетки 2 заземлены.

Предложенный способ заключается в формировании массовой линии только от одной массы путем отклонения ионов, неудовлетворяющих условию изохронности, системой отклоняющих пластин с периодическим изменением потенциала на них с равными амплитудами и частотами, но со сдвигом фазы на 180°. При этом допускается длительная ионизация, что повышает чувствительность масс-спектрометра.

Ионизация газа производится электронным пучком, который формируется в ионном источнике с электронной пушкой 1, и траектория движения электронов расположена между ускоряющей сеткой 3 и соседней с ней заземленной сеткой 2. Таким образом, будем считать, что ионы пролетают расстояние и оказываются в бесполевом пространстве . Для обеспечения движения ионов параллельно оси масс-спектрометра z в начале бесполевого участка расположен ионный коллиматор 8, который может быть выполнен в виде наборной диафрагмы, линзы Френеля, квадруполя и т.д. Далее ионы попадают в пространство между двумя парами отклоняющих пластин 6, которые расположены таким образом, чтобы вектора напряженностей формируемых ими электрических полей были взаимно перпендикулярны и перпендикулярны оси z.

Сигнал на отклоняющих пластинах имеет вид:

где Т - период колебаний, U - амплитуда.

Скорость ионов в направлении приемника ионов (вдоль оси z) определяется выражением:

где V₀ - начальная скорость иона определяется как тепловая скорость и подчиняется закону Максвелла-Больцмана, е - заряд иона, m - масса иона, U₃₂ - ускоряющее напряжение, t₁ - время вылета иона в бесполевой участок

В случае постоянного напряжения на ускоряющей сетке скорость (2) можно выразить в виде:

Для компенсации начального энергетического разброса ионов напряжение U₃₂ следует выбирать с учетом выполнения условия V>>V₀.

Далее ионы движутся равномерно вдоль оси z. В какой-то момент ионы попадают в пространство между отклоняющими пластинами 6. Условие прямолинейности движения вдоль оси z в пространстве дрейфа имеет вид:

где V_x и V_y - скорость иона в направлении осей х и у.

Это условие вытекает из того, что половину периода ионы будут отклоняться к одной пластине, а другую половину периода - к противоположенной. Суммарное отклонение при этом будет равно нулю.

Для реализации данного условия (4) предложенным способом длина отклоняющих пластин и период отклоняющих импульсов должны быть связаны зависимостью:

где Т - период импульсов на отклоняющих пластинах 6, n - целое натуральное положительное число больше ноля.

То есть время пролета иона между отклоняющими пластинами должно быть кратно периоду меандра отклоняющего напряжения. При использовании только одной пары отклоняющих пластин в формировании массовой линии могут принимать участия ионы, для которых уравнение (5) не выполняется. Фаза меандра на одной паре отклоняющих пластин смещена относительно другой пары отклоняющих пластин. Это необходимо для того, чтобы ионы с массой, отличной от m, не участвовали в формировании массовой линии, так как для них не будет выполняться условие (4). Это вызвано тем, что процесс ионизации не мгновенный и может занимать некоторое время Т₀. Предположим, что ионы с массой m₁≠m прилетели в пространство отклоняющих пластин позднее или раньше ионов массой m. Учитывая, что скорость V₁≠V время пролета тоже будет отличаться. Тогда, если переключение отклоняющего напряжения произойдет в момент, когда ионы будут посередине отклоняющих пластин, то условие (4) выполнится даже при невыполнении условия (5). Вторая пара отклоняющих пластин исключает такое развитие событий, так как выполнит отклонение всех лишних ионов в другой плоскости. При этом добиваться точной фразировки отклоняющих напряжение U₁ и U₁ не обязательно.

Выбор массы, из которой будет сформирована массовая линия, осуществляется изменением амплитуды выталкивающего импульса, величину которой можно определить из (5) с учетом (3):

где n подбирается таким образом, чтобы V>>V₀, а nТ не должно превышать времени ионизации Т₀.

Таким образом, окончательно уравнение (6) примет вид:

где m - масса иона;

n - кратность периода колебаний;

|е| - заряд иона;

- расстояние от зоны ионизации до бесполевого участка;

- длина отклоняющих пластин.

Длина и напряжение U на отклоняющих пластинах выбирается таким образом, чтобы ионы, для которых не выполняется условие прямолинейности движения вдоль оси z, отклонились на величину, большую размера входного окна приемника ионов 7.

Как видно из (7), длина бесполевого участка не оказывает влияние на формирование массовой линии, а значит этот участок ограничен только конструктивным исполнением ионного коллиматора 8 и может быть уменьшен по сравнению с классическими времяпролетными масс-спектрометрами. Длина второго бесполевого участка зависит только от амплитуды напряжения на отклоняющих пластинах, что позволяет существенно уменьшить размеры масс-спектрометра без потери разрешающей способности.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, преимущественно для космических исследований и для применения в других областях при условиях жестких ограничений массы и габаритов. Способ основан на выталкивании ионов из ускоряющего промежутка нелинейным полем и отклонении ионов в бесполевом пространстве двумя парами отклоняющих пластин, формирующих динамическое электрическое поле. Технический результат - повышение разрешающей способности и чувствительности времяпролетных масс-спектрометров, работающих в режиме сепарации массовых линий. 2 ил.

Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре, включающий ионизацию атомов в источнике ионов, ускорение ионов выталкивающим импульсом электрического поля, временная зависимость которого имеет вид:

где:

Е₀ - напряженность электрического поля;

m - масса иона;

q - заряд иона;

Т - точка расположения массовой линии на временной оси;

l₁₂ - длина бесполевого пространства;

l₀₁ - расстояние от области ионизации до бесполевого пространства;

t₀ - длительность, в течение которой напряженность поля постоянна во времени;

V_ГР - скорость иона, пролетающего ускоряющий промежуток за время t₀;

дрейф ионов в бесполевом пространстве, отклонение в бесполевом пространстве поперечным полем всех ионов, вылетевших из ускоряющего промежутка за время t₀, и регистрацию ионов в приемнике ионов, отличающийся тем, что, с целью улучшения сепарации выбранной массовой линии и увеличения разрешающей способности и чувствительности, отклонение ионов производится двумя парами отклоняющих пластин, векторы напряженности электрического поля которых взаимно перпендикулярны и перпендикулярны оси движения ионов, и напряжение между которыми имеет вид:

где U_x - напряжение между отклоняющими пластинами первой пары;

U_y - напряжение между отклоняющими пластинами второй пары;

U - амплитуда отклоняющих импульсов;

Т - период отклоняющих импульсов;

t - время,

а выталкивающее поле имеет вид:

где m - масса иона;

n - кратность периода колебаний;

|е| - заряд иона;

l₀₂ - расстояние от зоны ионизации до бесполевого участка;

l₆ - длина отклоняющих пластин.