ИСТОЧНИК ИОНОВ ДЛЯ ВРЕМЯПРОЛЁТНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА Российский патент 2024 года по МПК H01J49/40 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее техническое решение относится к области вычислительной техники, в частности к источнику ионов с автоэмиссионным катодом, и способу его применения во времяпролетном масс-спектрометре.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известно решение US 4072862A (Time-of-flight mass spectrometer). В данном решении раскрыт немагнитный масс-спектрометр, использующий источник ионов с термоэмиссионным катодом. В таком источнике ионов происходит ионизация молекул исследуемого газа за счёт электронного удара эмитированными с термоэмиссионного катода электронами. Недостатком такого источника ионов является большой телесный угол разлёта электронов и отсутствие электронно-оптической системы для формирования малого и узконаправленного пучка электронов для ионизации исследуемого газообразного вещества. Пространственный и энергетический разброс эмитированных электронов существенно снижает разрешение и чувствительность масс-спектрометра, равно как увеличивает температуру близлежащих вытягивающих электродов.

Из уровня техники известно решение SU1690023A1. В данном решении описывается масс-спектрометр, который состоит из двух камер: 1-я камера с источником электронов и 2-я камера ионизации и масс-анализа, разделённые диафрагмой для прохождения электронного пучка. Обе камеры имеют высоковакуумную откачку. Такое разделение источника электронов и зоны ионизации позволяет уменьшить концентрацию продуктов реакции на термоэмиссионном катоде источника электронов. Недостатком этого способа снижения собственного вклада источника электронов является необходимость согласования скорости откачки камер и сложность юстировки пучка электронов.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение недостатков современного уровня техники и отличается от известных решений тем, что изобретение решает задачу снижения собственного «фона» (газовыделения), т.е. собственного вклада в остаточное давление масс-спектрометра при работе источника.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное решение, является создание источника ионов с автоэмиссионным катодом для применения во времяпролетном масс-спектрометре линейного типа. Дополнительные варианты реализации настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах изобретения.

Технический результат заключается в снижении собственного «фона» (газовыделения), т.е. собственного вклада в остаточное давление масс-спектрометра при работе источника.

Заявленный технический результат достигается за счет источника ионов с автоэмиссионным катодом, реализованного для применения во времяпролетном масс-спектрометре, состоящего из катодного электрода 1 с нанесённым на него автоэмиссионным катодом 2, анода 3 и фокусирующего электрода 4, причем источник ионов смонтирован на основании электронной пушки 5, к которой крепится основание акселератора ионов 8, к которому крепятся первый и второй сеточные электроды, при этом автоэмиссионный катод 2 представляет собой массив углеродных нанотрубок и имеет форму вытянутого параллелограмма.

В частном варианте реализации описываемого источника ионов, автоэмиссионное покрытие из углеродных нанотрубок катода нанесено посредством метода трафаретной печати.

В частном варианте реализации описываемого источника ионов, автоэмиссионное покрытие из углеродных нанотрубок катода нанесено посредством капельного метода с последующей сушкой.

В частном варианте реализации описываемого источника ионов, автоэмиссионное покрытие из углеродных нанотрубок катода нанесено посредством метода химического осаждения из газовой фазы.

Заявленный технический результат достигается также за счет способа работы источника ионов, включающегося в себя этапы, на которых на анод 3, расположенный на расстоянии d1 от катода, импульсно подают потенциал U3, достаточный для начала эмиссии электронов с автоэмиссионного катода 2; эмитированные электроны ускоряются в промежутке между катодом 2 и анодом 3, причем пучок электронов фокусируется электродом 4 и основанием электронной пушки 5 с постоянной разницей потенциалов на них U4, так чтобы фокус пучка попадал в зону ионизации - пространство между сеточными электродами 6 и 7; молекулы и атомы анализируемого газа в зоне ионизации под действием электронного удара ионизируются и двигаются в сторону первого сеточного электрода 6 под воздействием электростатической силы, возникшей при импульсной подаче потенциалов U6 и U7 на электроды 6 и 7 соответственно.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Реализация изобретения будет описана в дальнейшем в соответствии с прилагаемыми чертежами, которые представлены для пояснения сути изобретения и никоим образом не ограничивают область изобретения. К заявке прилагаются следующие чертежи:

фиг. 1 иллюстрирует центральное сечение источника ионов.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако квалифицированному в предметной области специалисту будет очевидно каким образом можно использовать настоящее изобретение как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях хорошо известные методы, процедуры и компоненты не были описаны подробно, чтобы не затруднять излишне понимание особенностей настоящего изобретения.

Кроме того, из приведенного изложения будет ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, будут очевидными для квалифицированных в предметной области специалистов.

Настоящее техническое решение решает задачу снижения собственного «фона» (газовыделения), т.е. собственного вклада в остаточное давление масс-спектрометра при работе источника. Актуальность этой задачи определяется, тем, что источники данного типа обладают рядом уникальных параметров в частности малым телесным углом эмитированных в пространство электронов, безынерционностью, отсутствием нагрева катода для обеспечения эмиссии электронов и за счёт равномерного распределения энергий электронов на выходе из электронной пушки могут быть использованы для анализа органических веществ без раскалывания молекулы исследуемого вещества на фрагментарные ионы.

Данное изобретение предназначено для использования в качестве источника ионов во времяпролётных масс-спектрометрах линейного типа и имеет следующие характерные особенности.

Автоэмиссионный катод из углеродных нанотрубок, выполненный в форме параллелограмма в качестве источника электронов. Использование автоэмиссионного катода в виде массива углеродных нанотрубок позволяет существенно снизить собственное газовыделение источника ионов при его работе за счёт отсутствия нагрева катода и малого телесного угла эмитированных с катода электронов.

На фиг. 1 проиллюстрировано центральное сечение источника ионов, где поз. 1 - катодный электрод, поз. 2 - автоэмиссионный катод, поз. 3 - анод, поз. 4 - фокусирующий электрод, поз. 5 - основание электронной пушки, поз. 6 - первый сеточный электрод, поз. 7 - второй сеточный электрод, поз. 8 - основание 5 акселератора ионов.

Источник ионов для времяпролетного масс-спектрометра состоит из катодного электрода 1 с нанесённым на него автоэмиссионным катодом 2, анода 3 и фокусирующего электрода 4. Источник ионов смонтирован на основании электронной пушки 5, к которой также крепится основание акселератора ионов 8, к которому 10 крепятся первый и второй сеточные электроды 6 и 7.

Автоэмиссионный катод 2 представляет собой массив углеродных нанотрубок и имеет форму вытянутого параллелограмма. Автоэмиссионное покрытие из углеродных нанотрубок катода может быть нанесено различными способами и методами: метод трафаретной печати, капельный метод с последующей сушкой, а также методом химического осаждения из газовой фазы.

Источник ионов работает следующим образом.

На анод 3, расположенный на расстоянии d1 от катода, импульсно подаётся потенциал U3, достаточный для начала эмиссии электронов с автоэмиссионного катода 2. Эмитированные электроны ускоряются в промежутке между автоэмиссионным катодом 2 и анодом 3. Такой пучок электронов фокусируется электродом 4 и основанием электронной пушки 5 (с постоянной разницей потенциалов на них U4), так чтобы фокус пучка попадал в зону ионизации - пространство между сеточными электродами 6 и 7. Молекулы и атомы анализируемого газа в зоне ионизации под действием электронного удара ионизируются и двигаются в сторону 25 первого сеточного электрода 6 под воздействием электростатической силы, возникшей при импульсной подаче потенциалов U6 и U7 на электроды 6 и 7 соответственно.

Автоэмиссионный катод из углеродных нанотрубок, выполненный в форме вытянутого параллелограмма, вышеописанная конструкция источника ионов и подбор длительности импульсов U3, U6 и U7 позволяют использовать его в динамических 30 времяпролетных масс-спектрометрах линейного типа, в которых ионы на обратном пути к детектору масс-спектрометра вновь пролетают зону ионизации после их отражения на отражателе анализатора.

Одной из отличительных особенностей изобретения является использование автоэмиссионного катода из массива углеродных нанотрубок, что позволяет полностью исключить нагрев эмиттера, и, следовательно, снизить разогрев окружающих катод электродов и собственное газовыделение источника за счёт отсутствия ИК-излучения с катода и малого телесного угла эмитированных электронов. Кроме того, эмитированные из углеродных нанотрубок электроны обладают меньшим энергетическим разбросом.

Конструкция изобретения подразумевает расположение автоэмиссионного 5 катода и анода на малом расстоянии d1, что позволяет снизить величину прикладываемого потенциала U3. Это сильно упрощает фокусировку пакета ионов исследуемого газа, так как при такой величине электрического поля проще контролировать энергию электронов.

В настоящих материалах заявки было представлено предпочтительное раскрытие осуществление заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки испрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов в соответствующей области техники.

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к источнику ионов с автоэмиссионным катодом. Технический результат заключается в снижении собственного «фона» (газовыделения), т.е. собственного вклада в остаточное давление масс-спектрометра при работе источника. Источник ионов с автоэмиссионным катодом для применения во времяпролетном масс-спектрометре состоит из катодного электрода 1 с нанесённым на него автоэмиссионным катодом 2, анода 3 и фокусирующего электрода, причем источник ионов смонтирован на основании электронной пушки 5, к которой крепится крепёжное основание акселератора ионов 8, при этом автоэмиссионный катод 2 представляет собой массив углеродных нанотрубок и имеет форму вытянутого параллелограмма. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Источник ионов с автоэмиссионным катодом для применения во времяпролетном масс-спектрометре, состоящий из катодного электрода 1 с нанесенным на него автоэмиссионным катодом 2, анода 3 и фокусирующего электрода 4, причем источник ионов смонтирован на основании электронной пушки 5, к которой крепится основание акселератора ионов 8, к которому крепятся первый и второй сеточные электроды 6 и 7, при этом автоэмиссионный катод 2 представляет собой массив углеродных нанотрубок и имеет форму вытянутого параллелограмма.

2. Источник ионов по п.1, в котором автоэмиссионное покрытие из углеродных нанотрубок катода нанесено посредством метода трафаретной печати.

3. Источник ионов по п.1, в котором автоэмиссионное покрытие из углеродных нанотрубок катода нанесено посредством капельного метода с последующей сушкой.

4. Источник ионов по п.1, в котором автоэмиссионное покрытие из углеродных нанотрубок катода нанесено посредством метода химического осаждения из газовой фазы.

5. Способ работы источника ионов, включающий этапы, на которых на анод 3, расположенный на расстоянии d1 от катода, импульсно подают потенциал U3, достаточный для начала эмиссии электронов с автоэмиссионного катода 2; эмитированные электроны ускоряются в промежутке между катодом 2 и анодом 3, причем пучок электронов фокусируется электродом 4 и основанием электронной пушки 5 с постоянной разницей потенциалов на них U4, так чтобы фокус пучка попадал в зону ионизации - пространство между сеточными электродами 6 и 7; молекулы и атомы анализируемого газа в зоне ионизации под действием электронного удара ионизируются и двигаются в сторону первого сеточного электрода 6 под воздействием электростатической силы, возникшей при импульсной подаче потенциалов U6 и U7 на электроды 6 и 7 соответственно.