ОТКРЫТАЯ ДИНАМИЧЕСКИ ГАРМОНИЗИРОВАННАЯ ИОННАЯ ЛОВУШКА ДЛЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ИОННОГО ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСА Российский патент 2020 года по МПК H01J49/42 

Область техники

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно описывает устройство динамически гармонизированной ловушки открытого типа для масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса. Предложенная ловушка обеспечивает сверхвысокую разрешающую способность масс-спектрометра при улучшении эксплуатационных характеристик прибора. Изобретение может найти применение во многих областях техники.

Уровень техники

Масс-анализатор ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием (ИЦР ПФ, Fourier transfrom ion cyclotron resonance - FT/ICR) - тип масс-анализатора для определения отношения массы к заряду по циклотронной частоте вращения иона в фиксированном магнитном поле. ИЦР ПФ дает самую высокую среди всех масс-спектрометрических методов точность измерения масс и разрешающую способность. ИЦР ПФ применяется для решения задач, требующих повышенную разрешающую способность, таких как анализ сложных смесей. При заданном магнитном поле для увеличения разрешающей способности и точности измерения массы нужно увеличивать длину (длительность) детектируемого сигнала, наводимого ионами, вращающимися с циклотронными частотами в ионной ловушке масс-анализатора. Для этого необходимо, чтобы циклотронная частота для всех ионов с одним и тем же отношением массы к заряду была одинаковая, радиус циклотронного движения не затухал слишком быстро, и ионный пакет в течение длительного времени двигался, не расходясь по фазе. Даже при наличии идеального однородного магнитного поля и при отсутствии ион-ионного взаимодействия и столкновений с нейтральными молекулами это условие может не выполняться из-за того, что для удержания ионов необходимо электрическое поле, которое приводит к потере синхронизации циклотронного движения. В обычных ловушках ионного циклотронного резонанса, таких как кубическая, замкнутая цилиндрическая или цилиндрическая ловушка “открытого” типа ионы с разной амплитудой продольных колебаний имеют немного различную измеряемую частоту (так называемую эффективную циклотронную частоту), отличающуюся от частоты циклотронного движения ионы в магнитном поле в отсутствии электрического поля. В ловушках специальной геометрии (гиперболоидальные ловушки, в которых потенциал электрического поля квадратично зависит от координат) в общем случае, в отсутствии магнетронного движения измеряемая частота равна разности циклотронной частоты (частоты движения ионов в магнитном поле в отсутствии электрического поля) и частоты дрейфа (частота движения в направлении перпендикулярном как магнитному полю, так и электрическому). В таких ловушках длина сигнала может быть сделана сколь угодно большой при высоком вакууме. В других ловушках фактором, лимитирующим длину сигнала, является отличие электрического потенциала, удерживающего ионы в аксиальном направлении, от потенциала гипербоидальной ловушки. В этих ловушках для ионов, обладающих большей амплитудой продольных колебаний, измеряемая частота выше по сравнению частотой ионов, которые совершают колебания с меньшей амплитудой, так как в них к указанной выше эффективной циклотронной частоте добавляется частота дрейфа, которая линейно зависит от компоненты градиента потенциала электрического поля перпендикулярной магнитному полю, а этот градиент увеличивается с увеличением значений аксиальной координаты (и, соответственно, амплитуды продольных колебаний в кубической и цилиндрической ловушках ИЦР. Это приводит к расфазировке ионного пакета в случае наличия у ионов разной амплитуды аксиальных колебаний и к исчезновению измеряемого сигнала, что приводит к уменьшению разрешения масс-спектрометра ИЦР. Длительность сигнала так же зависит от магнитного поля, так как частота дрейфового движения обратно пропорциональна магнитному полю. Так же длительность сигнала значительно увеличивается при увеличении количества ионов из-за ион-ионных взаимодействий, однако, несмотря на увеличение длительности сигнала, эти эффекты уменьшают разрешение из-за того, что ионы с близким отношением массы к заряду двигаются с одинаковой частотой и фазой и не могут быть разрешены в масс-спектре ИЦР.

Предпринимались попытки создания такого удерживающего электрического поля, которое как можно меньше нарушает синфазность движения ионного пакета (так называемая гармонизация ловушки) за счет особенной конфигурации электродов ионной ловушки (G. Gabrielse, L. Haarsma, S. L. Rolston. Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes 1989, 88, 319; A. V. Tolmachev, et al., J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2008, 19, 586; A. M. Brustkern, et al., J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2008, 19, 1281). В таких ловушках создается электрическое поле, максимально приближенное к гиперболическому, так как такое поле в идеале вообще не приводит к расфазировке ионов. Однако, такое поле удается создать лишь в центе ловушки, а вблизи электродов поле значительно отклоняется от гиперболического. Альтернативным подходом, впервые предложенным в WO2011045144 и статье Boldin IA, Nikolaev EN. Rapid Commun Mass Spectrom. 2011 Jan 15; 25(1):122-6, является создание не истинно гиперболического удерживающего электрического поля, а такого, которое оказалось бы гиперболическим в результате усреднения по циклотронному периоду. Теоретически (так как можно считать, что частота аксиальных колебаний намного меньше циклотронной) предложенная в WO 2011045144 конфигурация электрического поля не приводит к расфазировке при движении ионного пакета с любым циклотронным радиусом и с любыми амплитудами аксиальных колебаний составляющих его ионов, благодаря чему достигается сверхвысокая разрешающая способность. На основе этого подхода компанией Брюкер была спроектирована и выпущена в продажу ионная ловушка с динамической гармонизацией (ParaCell) и масс-спектрометр, ее использующий (solarix XR и scimaX). Однако, используемая конфигурация электродов в ионной ловушке ParaCell оказалась неоптимальной при попытках дальнейшего увеличения разрешающей способности путем увеличения величины магнитного поля и авторами предпринята попытка ее изменить. На сегодняшний день на рынке сохраняется потребность в масс-спектрометрах сверхвысокого разрешения, и данное изобретение призвано улучшить характеристики имеющихся ловушек.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание динамически гармонизированной ионной ловушки открытого типа для масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса.

Указанная задача решается путем изменения конфигурации электродов ионной ловушки с динамической гармонизацией масс-анализатора ионно-циклотронного резонанса (ИЦР), используемой для аккумулирования и детектирования ионов, и придания ей формы открытого цилиндра без торцевых стенок, проводящая поверхность которого разделена прорезями на две центральные системы электродов и два боковых электрода, при этом

ловушка имеет плоскость симметрии, перпендикулярную оси открытого цилиндра и проходящую через центр ловушки;

первая центральная система электродов состоит из четного количества криволинейных перекрывающихся двуугольников, из которых исключены области перекрытий, причем перекрываются только смежные двуугольники этой системы, а вторая центральная система электродов состоит из областей этих перекрытий;

в двуугольниках обеих центральных систем ширина каждого двуугольника является квадратичной функцией координаты, направленной вдоль оси открытого цилиндра к центру ловушки, с началом отсчета от вершин углов двуугольника, при этом максимальные ширины электродов соответствуют центру ловушки;

к первой центральной системе электродов через сопротивления прикладывается постоянный потенциал V₀ (с внешней атмосферной стороны их поверхностей), а вторая центральная система электродов по постоянному току заземляется;

боковые электроды ловушки расположены по обеим сторонам от вышеописанной первой центральной системы электродов, при этом они представляют собой изолированные цилиндры в составе открытого цилиндра, имеющие зигзагообразную границу, образуемую прорезями в цилиндре, с первой центральной системой электродов, и внешние боковые границы боковых электродов представляют собой окружности, которые электрически изолируют электроды от вакуумной системы, причем на боковые электроды прикладывается потенциал 2.2 V₀ (с внешней атмосферной стороны их поверхностей),

создаваемый вышеописанными системами электродов потенциал поля внутри ловушки, усредненный по циклотронной орбите ионов, является гармоническим во всем объеме ловушки и квадратичным в направлении оси ловушки.

В некоторых вариантах изобретения данная система электродов характеризуется тем, что она интегрирована в вакуумную камеру масс-анализатора ИЦР, так что ее внутренние поверхности находятся в вакууме, а внешние в атмосфере, и является частью трубы, вставляемой в создающий магнитное поле соленоид. Таким образом, в предлагаемой в изобретении конструкции измерительная ловушка не вставляется в вакуумную систему, а сама является ее частью. При этом, все прорези между электродами ловушки заполняются вакуумно-плотным изолятором. Изолятор необходим для всех прорезей; должен использоваться вакуумно-плотный изолятор с коэффициентом расширения близким к коэффициенту расширения материала, из которого изготовлены электроды. Как и материал электродов, материал изолятора должен быть немагнитным.

В некоторых вариантах изобретения данная система электродов характеризуется тем, что на некоторые электроды, (с внешней атмосферной стороны их поверхностей), как первой, так и второй центральной системы электродов по переменному току через емкости подаются радиочастотные потенциалы для возбуждения циклотронного движения ионов в ловушке, а с других электродов второй центральной системы электродов снимаются сигналы, наводимые вращающимися ионами, для возбуждения и детектирования сигнала, при этом электроды могут объединяться в группы через емкости соответствующей величины.

Емкости должны подбираться так, чтобы сопротивление между источником и электродом по переменному напряжению в области рабочих циклотронных частот было минимальным. Сами емкости используются для изолирования электродов ловушки друг от друга по постоянному напряжению. Такой прием позволяет подавать на электроды необходимое для функционирования постоянное и переменное напряжения

В некоторых вариантах изобретения данная система электродов характеризуется тем, что на поверхности открытого цилиндра во второй центральной системе электродов располагаются четыре, восемь, двенадцать или шестнадцать электродов в форме криволинейного двуугольника.

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик прибора, повышение скорости создания вакуума (ускорение откачки) внутри ловушки, повышение вакуума (за счет отсутствия вакуумных вводов), и в результате повышение предела максимального разрешения ловушки при фиксированной величине магнитного поля.

Краткое описание фигур.

Фиг. 1. Конструкция закрытой ловушки ИЦР с динамической гармонизацией. Пример закрытой ловушки ИЦР с динамической гармонизацией с 8 сегментами в ловушке. Показано расположение детектирующих и возбуждающих секций, каждая из которых включает в себя пять электродов.

Фиг. 2. Подробная схема сегментации одного из вариантов закрытой ловушки ИЦР с динамической гармонизацией в виде проекции электродов на плоскость путем разворачивания цилиндрической поверхности, на которой расположена система электродов ловушки. За N обозначено общее число двуугольников, за n- порядковый номер того или иного двуугольника, R - радиус цилиндра ловушки, z₀ - полудлина ловушки в направлении оси цилиндра, β - отношение общей ширины двуугольников к длине окружности по центру ловушки.

Фиг. 3. Пример закрытых ловушек ИЦР с динамической гармонизацией с различным количеством сегментов в ловушке.

Фиг. 4. Открытая ловушка с динамической гармонизацией.

Фиг. 5. Подробная схема сегментации одного из вариантов открытой ловушки ИЦР с динамической гармонизацией в виде проекции электродов на плоскость путем разворачивания цилиндрической поверхности, на которой расположена система электродов ловушки. В дополнение к обозначениям, используемым для фиг. 2, за z₁ обозначена полудлина первой системы двуугольников в направлении оси ловушки, за z_full – полная полудлина открытой ловушки в направлении ее оси.

Фиг. 6. Зависимость усредненного по циклотронному движению потенциала внутри открытой ловушки ИЦР с динамической гармонизацией от осевой координаты на разном расстоянии от оси.

Фиг. 7. Зависимость второй производной усредненного по циклотронному движению потенциала внутри открытой ловушки ИЦР с динамической гармонизацией от осевой координаты на разном расстоянии от оси.

Подробное раскрытие изобретения

Для лучшего понимания настоящего изобретения ниже приведены некоторые термины, использованные в настоящем описании изобретения. В описании данного изобретения термины «включает» и «включающий» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из». Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.

Как было сказано выше, для обеспечения длительного синфазного движения ионов в ловушке ИЦР необходимо создать поле с гиперболической геометрией. Поле гиперболической формы:

где Ф - это электрический потенциал, , это коэффициент пропорциональный запирающему потенциалу, и направление z выбрано параллельно направлению вектора магнитного поля. Для поля такого вида уравнения движения могут быть решены точно. В данной конфигурации электрического поля переменные разделяются, и движение иона состоит из трех независимых мод:

1) Колебание вдоль оси z с частотой

2) Вращение в плоскости xy с частотой (циклотронное движение):

3) Вращение в плоскости xy с частотой (магнетронное движение)

где - частота циклотронного движения в отсутствии электрического поля, q и m заряд и масса частицы соответственно, B - магнитное поле. Из этих уравнений видно, что измеряемая частота в таком случае является одинаковой для всех ионов независимо от начальных координат и скоростей.

Практически идеальное гиперболическое поле можно создать с помощью трехмерной гиперболической ловушки, но такой подход обладает существенным недостатком: электроды ловушки занимают много места и неэффективно используется область высокой однородности магнитного поля. Другой подход - создать ловушку ИЦР с запирающим полем близким к гиперболическому (так же называемый гармонизацией ловушки ИЦР).

В связи с тем, что ионы в масс-спектрометре ионного резонанса вращаются в сильном магнитном поле, частота их циклотронного вращения значительно выше частоты аксиальных колебаний и частоты дрейфа. Ранее вместо создания настоящего гиперболического поля авторы создали такое поле, которое будет гармоничным после усреднения по циклотронному периоду (см. WO2011045144). В теоретических выкладках было проведено усреднение по круговой орбите вместо реальной траектории по спирали, так как циклотронное движение значительно быстрее чем все остальные, тогда циклотронная орбита может быть описана уравнениями:

где R_c циклотронный радиус, а нулевые значения координат соответствуют центру ловушки. Пусть в цилиндрических координатах потенциал будет записан , тогда усредненные по циклотронному движению z и r компоненты силы, действующей на частицу, могут быть выражены с помощью уравнений:

’

где , .

Здесь была применена формула Лейбница. Из этих формул (6,7) можно заметить, что если потенциал, усредненный по циклотронному периоду, является гиперболическим, то переменные в уравнениях можно разделить так же, как и в случае реального гиперболического потенциала.

Для того чтобы найти конфигурацию электродов, с помощью которой можно получить усредненный по циклотронному движению потенциал нужно воспользоваться тем, что этот потенциал удовлетворяет уравнению Лапласа. Это тоже может быть доказано с помощью формулы Лейбница:

так как .

В случае ловушки ИЦР можно создать усредненный гиперболический потенциал , разрезая цилиндрическую часть на сегменты и подбирая форму этих сегментов. Тогда граничные условия для потенциала :

где R - это радиус ловушки, а A и B произвольные коэффициенты. Это условие удовлетворяется, если разрезать поверхность электродов ловушки так как показано на Фиг. 1. На более узкие, вогнутые электроды подается запирающее напряжение, тогда как более широкие, выпуклые электроды заземляются.

Разрезы имеют параболическую форму и определены уравнением:

где N - количество электродов каждого типа, а - это произвольный коэффициент и a - полудлина ловушки. Тогда граничные условия могут быть выражены с помощью уравнения:

Для того чтобы получить усредненное гиперболическое поле в ловушке конечной длины нужно чтобы граничные условия на торцевых электродах тоже удовлетворяли уравнению Лапласа. Тогда из уравнения (11) усредненный потенциал должен иметь такую форму:

Тогда возможным вариантом конфигурации электродов, удовлетворяющей граничным условиям - гиперболические электроды на обоих концах ловушки, на которые подается запирающий потенциал V₀. Из уравнения (12) их форма определяется уравнением:

Для торцевых электродов нет необходимости делать разрезы, так как ловушка ИЦР не имеет таких строгих ограничений по длине как по диаметру. Исходя из этих теоретических соображений, была предложена удлиненная ловушка, форма которой изображена на Фиг. 1-2. Электроды ловушки расположены на поверхности цилиндра. Имеются два вида электродов: двуугольники (выпуклые электроды) и электроды, расположенные между этими двуугольниками (вогнутые электроды).

Для того чтобы обеспечить возбуждение циклотронного движений ионов и детектирование наводимого ими сигнала, как в обычных ИЦР ловушках, каждый второй выпуклый электрод (в случае восьмиэлектродной ловушки, показанной на Фиг.1-2) был разрезан на две равные части вдоль оси цилиндра. Различие между стандартными ИЦР ловушками и ловушкой, описываемой предложенной на Фиг. 1-2 схемой, состояло в том, что в стандартной ловушке возбуждающие и детектирующие электроды были цельными долями цилиндра, а в новой ловушке они состоят из сегментов и каждая детектирующая или возбуждающая секция, (набор соседних электродов, объединенных в один по радиочастотному напряжению через емкости), включает в себя пять электродов, соединенных через конденсатор, на которые индивидуально подается либо нулевой, либо запирающий постоянный потенциал. Так же в данной схеме возможно детектирование только с помощью заземленных (по постоянному напряжению) пластин для уменьшения электрического шума в сигнале наводимого источниками постоянного напряжения.

Так как ловушка, изображенная на Фиг. 1-2, не является открытой, она должна иметь большее отношение длины к диаметру для того, чтобы возбуждение было однородным (независящим от аксиальной координаты) в большом объеме. В отличии от обычной цилиндрической ловушки, электрическое поле внутри ловушки (усредненное по циклотронной частоте) будет оставаться гиперболоидальным, несмотря на удлинение. Возможности изображенной на Фиг. 1-2 ловушки были проанализированы с использованием разработанного авторами программного обеспечения для моделирования движения ионов. Результаты моделирования показали, что скорость расфазирования ионов в закрытой ловушке ИЦР с динамической гармонизацией более чем в 3.5 раза ниже, чем в ловушке с компенсационными электродами (описанной в A. V. Tolmachev, et al. J. Am. Soc. Mass Spectrom., 2008, 19, 586), что приводит к такому же различию в разрешении.

Необходимо отметить, что количество сегментов в ловушке, изображенной на Фиг. 1, 2, может выбираться различным от 2-х до любого технологически возможного предела. Большее количество электродов улучшает усреднение электрического поля, что может быть важным для ионов большей массы. В приводимом примере реализации значение N=8 было выбрано, чтобы не слишком усложнять изготовление. Примеры ловушек с другим N приведены на Фиг. 3.

Дальнейшее увеличение разрешающей способности масс-спектрометров FT ICR возможно производить путем увеличения магнитного поля соленоидов, и в теории, разрешающая способность пропорциональна величине магнитного поля. Однако, было обнаружено, что увеличение магнитного поля соленоидов в масс-спектрометре solarix XR Bruker с закрытой ловушкой ИЦР с динамической гармонизацией ParaCell до величин 12 Т, 15 Т не приводило к пропорциональному увеличению разрешающей способности (эксперимент был проведен компанией Bruker). Эксперименты, выполненные на магнитах с полем 21 Т в Национальной лаборатории сильных магнитных полей (США) также показали отсутствие линейной зависимости разрешающей способности от поля. Это наблюдение может быть объяснено отсутствием надлежащего вакуума в ловушке, который должен быть выше для высоких полей. Несовершенством прибора solarix XR Bruker является необходимость очень долгого откачивания вакуумной системой после внесения ловушки в вакуумную трубу. В ловушке закрытого типа есть много замкнутых объемов (большая площадь поверхности), существует проблема вакуумных вводов. Таким образом, существующая конструкция ловушки нуждается в совершенствовании для возможности дальнейшего увеличения разрешающей способности.

Чем выше магнитное поле, тем длиннее будет траектория ионов в ловушке за определенное время записи сигнала (больше полных кругов за это время). Чтобы увеличить разрешающую способность за счет увеличения частоты циклотрона, количество столкновений в течение этого времени должно сохраниться таким же, а вакуум должен быть выше. Было обнаружено, что разрешающая способность в приборах с полем в 7 T увеличивается со временем в течение длительного времени (недели / месяцы) эксплуатации прибора без открытия его вакуумной системы. Существующий вариант закрытой ловушки ИЦР с динамической гармонизацией ParaCell хоть и обеспечивает очень высокую разрешающую способность, но ограничен необходимостью интенсивной откачки для создания сверхвысокого вакуума в замкнутом пространстве ловушки, имеющей много замкнутых объемов и большую площадь поверхности. Также, созданный после длительной откачки вакуум будет нарушен в процессе проведения технических работ, связанных с выемкой ловушки из прибора (например, при устранении неисправностей).

Одним из решений, способных обеспечить повышение разрешающей способности масс-спектрометра при повышении магнитного поля свыше 7 Т (до величин 12 Т, 15 Т, 21 Т и 24 Т), является использование открытой ловушки ИЦР с динамической гармонизацией. Такая ловушка является ловушкой цилиндрической формы со сложной геометрией электродов, расположенных на поверхности единого проводящего цилиндра, у которой в качестве торцевых удерживающих электродов используются открытые цилиндры. Такая открытая ловушка может быть интегрирована непосредственно в вакуумную систему масс-спектрометра, точнее являться частью трубы, вставляемой в магнитное поле (в отличие от вставной ловушки ParaCell, которая сама вставляется в трубу, являющуюся частью вакуумной системы), что обеспечит улучшение эксплуатационных характеристик прибора, повышение эффективности создания вакуума (ускорение откачки), отсутствие вакуумных вводов (потенциалы подводятся к электродам и отводятся от них не в вакууме, а снаружи), и будет приводить к повышению предела максимального разрешения при фиксированной величине магнитного поля.

Для данной ловушки используется следующая система электродов: разрезы (прорези) определяются уравнением

и имеют параболическую форму. Области перекрытия появляются при |z|<a и структурно совпадают с электродами, полученными в уравнении (10). Области перекрытий, образующие вторую систему электродов, заземляются; к областям, образуемым параболическими прорезями, за исключением областей перекрытий, приложен потенциал V0, а к областям, выходящим за систему прорезей, и образующим боковые электроды приложен потенциал 2.2 V0.

Схема электродов предлагаемой ловушки приведена на Фиг. 4 и 5. Для расчета геометрии электродов открытой ловушки ИЦР с динамической гармонизацией авторами было проведено компьютерное моделирование распределения электрического поля в такой ловушке. Описанная выше закрытая ловушка ИЦР с динамической гармонизацией (показана на Фиг. 1 и 2) имеет запирающие электроды с потенциалом V0 (на более узкие, вогнутые электроды также подается запирающее напряжение V0). Усредненный потенциал (вдоль циклотронной траектории) такой ловушки как функция z полностью совпадает с теоретическим (здесь и ниже параметры ловушки: R=30 мм, z0=60 мм, количество сегментов в ловушке=8). В качестве примеров осуществления, на Фиг. 2 электроды закрытой ловушки показаны в развернутом виде лежащими на поверхности развернутого цилиндра для случая закрытой с торцов электродами ловушки (торцевые электроды не показаны).

Идея показанной на Фиг. 4 открытой ловушки с динамической гармонизацией состоит в том, чтобы сохранить области ловушки с квадратичной зависимостью потенциала от z при замене полусферических сплошных торцевых электродов на открытые цилиндрические. В открытой ловушке в качестве запирающих ионы электродов используются цилиндрические электроды, изолированные от внутренней системы электродов зигзагообразным промежутком, а от внешних деталей конструкции цилиндрического держателя ловушки кольцевой прорезью. На Фиг. 5 представлен вариант осуществления открытой с двух сторон цилиндрической ловушки с динамической гармонизацией в развернутом виде в деталях и с размерами. Различной штриховкой помечены электроды, используемые для удержания ионов в ловушке, возбуждения их циклотронного движения и детектирования наводимого ими сигнала. При этом, области с горизонтальной и вертикальной штриховками имеют потенциал 0, с тонкой обратной штриховкой - V₀, с толстой прямой штриховкой - 2,2 V_0.

Для моделирования функционирования ловушки ИЦР открытого типа была использована геометрия ловушки, показанной на Фиг. 4 с размерами, приведенными на Фиг. 5. Электрическое поле в этих исследованиях было рассчитано с использованием коммерческой программы SIMION 8.0. На Фиг. 6 приведены результаты моделирования распределения поля вдоль оси ловушки на разных расстояниях от оси и их сравнение с теоретически рассчитанными значениями. На Фиг. 7 приведены также значения второй производной от потенциала по z при разном расстоянии от оси ловушки. Из приведенных результатов видно, что открытая цилиндрическая ловушка описываемой конструкции гармонизирована во всем объеме.

Функционирование предлагаемой ловушки не отличается от функционирования применяемых на практике ловушек, установленных в современных спектрометрах ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье [Nikolaev E.N., Kostyukevich Y. I., G. N. Vladimirov 2016. Fourier transform ion cyclotron resonance (FT ICR) mass spectrometry: Theory and simulations. Mass Spectrom. Rev. 35: 219-258]. Ионы с различным отношением массы к заряду из ионного источника попадают в промежуточную ионную ловушку, в которой происходит их накопление до количества достаточного для детектирования. Из промежуточной накопительной ловушки ионы всех масс выбрасываются в виде компактного облака в измерительную ловушку. При этом запирающий потенциал бокового электрода, находящегося со стороны входа ионов, понижается, позволяя ионам войти в ловушку. Затем потенциал повышается и ионы становятся запертыми в ловушке. После регулируемой временной задержки к группе электродов ловушки прикладывается радиочастотное напряжение регулируемой длительности, возбуждающее циклотронное движение ионов. Детектируется сигнал, наводимый вращающимися ионами на другой (детектирующей) группе электродов. Этот сигнал после его регистрации подвергается преобразованию Фурье, которое дает его частотный спектр, превращаемый в масс-спектр простым алгебраическим преобразованием. Ионная ловушка (она же измерительная ячейка ионного циклотронного резонанса) располагается в вакуумной камере, откачиваемой до ультравысокого вакуума (10^-10 Торр). Камера представляет собой металлический цилиндр из немагнитного материала. Она вставляется внутрь сверхпроводящего соленоида так, чтобы ловушка находилась в области магнитного поля максимальной однородности.

Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.

Изобретение описывает устройство динамически гармонизированной ионной ловушки открытого типа непосредственно инкорпорированной в корпус вакуумной камеры масс-анализатора ионно-циклотронного резонанса с Фурье-преобразованием. Ионная ловушка в масс-анализаторе ионно-циклотронного резонанса (ИЦР) имеет форму открытого цилиндра без торцевых стенок, проводящая поверхность которого разделена прорезями на две центральные системы электродов и два боковых электрода. Ловушка имеет плоскость симметрии, перпендикулярную оси открытого цилиндра и проходящую через центр ловушки; первая центральная система электродов состоит из четного количества криволинейных перекрывающихся двуугольников, исключая области перекрытий, причем перекрываются только смежные двуугольники этой системы, а вторая центральная система электродов состоит из областей этих перекрытий. В двуугольниках обеих центральных систем ширина каждого двуугольника является квадратичной функцией координаты, направленной вдоль оси открытого цилиндра к центру ловушки, с началом отсчета от вершин углов двуугольника, при этом максимальные ширины электродов соответствуют центру ловушки. Технический результат-повышение разрешающей способности масс-спектрометра, улучшение эксплуатационных характеристик прибора, повышение эффективности создания вакуума внутри ловушки. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ионная ловушка в масс-анализаторе ионно-циклотронного резонанса (ИЦР), используемая для аккумулирования и детектирования ионов, имеющая форму открытого цилиндра без торцевых стенок, проводящая поверхность которого разделена прорезями на две центральные системы электродов и два боковых электрода, при этом

ловушка имеет плоскость симметрии, перпендикулярную оси открытого цилиндра и проходящую через центр ловушки;

первая центральная система электродов состоит из четного количества криволинейных перекрывающихся двуугольников, исключая области перекрытий, причем перекрываются только смежные двуугольники этой системы, а вторая центральная система электродов состоит из областей этих перекрытий;

в двуугольниках обеих центральных систем ширина каждого двуугольника является квадратичной функцией координаты, направленной вдоль оси открытого цилиндра к центру ловушки, с началом отсчета от вершин углов двуугольника, при этом максимальные ширины электродов соответствуют центру ловушки;

к первой центральной системе электродов через сопротивления прикладывается постоянный потенциал V₀, а вторая центральная система электродов по постоянному току заземляется;

боковые электроды ловушки расположены по обеим сторонам от вышеописанной первой центральной системы электродов, при этом они представляют собой изолированные цилиндры в составе открытого цилиндра, имеющие зигзагообразную границу, образуемую прорезями в цилиндре, с первой центральной системой электродов, и внешние боковые границы боковых электродов представляют собой окружности, которые электрически изолируют электроды от вакуумной системы, причем на боковые электроды прикладывается потенциал 2,2 V₀;

создаваемый вышеописанными системами электродов потенциал поля внутри ловушки, усредненный по циклотронной орбите ионов, является гармоническим во всем объеме ловушки и квадратичным в направлении оси ловушки.

2. Ионная ловушка по п. 1, характеризующаяся тем, что она интегрирована в вакуумную камеру масс-анализатора ИЦР, так что ее внутренние поверхности находятся в вакууме, а внешние - в атмосфере, и является частью трубы, вставляемой в создающий магнитное поле соленоид, при этом все прорези между электродами ловушки заполняются вакуумно-плотным изолятором, а потенциалы прикладываются к электродам со стороны атмосферы.

3. Ионная ловушка по п. 1, характеризующаяся тем, что на некоторые электроды первой и второй центральных систем электродов для возбуждения циклотронного движения ионов в ловушке подаются радиочастотные потенциалы через емкости, а с других электродов второй центральной системы электродов снимаются сигналы, наводимые вращающимися ионами, при этом как возбуждающие так и детектирующие электроды могут объединяться в группы через емкости соответствующей величины.

4. Ионная ловушка по п. 1, характеризующаяся тем, что во второй центральной системе электродов присутствуют четыре, восемь, двенадцать или шестнадцать электродов в форме криволинейного двуугольника, расположенных на поверхности открытого цилиндра.