Гиперболоидный масс-спектрометр типа трехмерной ловушки Советский патент 1984 года по МПК H01J49/42 

Изобретение относится к области массспектрометрии и может быть использовано при создании масс-спектрометров с высокой разрешающей способностью и чувствительностью. Известны устройства датчиков гиперболоидных масс-спектрометров типа трехмерной ловушки, в которых для ввода и вывода ионизируюшего электронного потока в торцовых электродах выполнены круглые кольцевые каналы 1. При попадании электронного потока на рабочие поверхности датчика на последних образуются диэлектрические пленки вследствие крекинга молекул углеводородов. Пленки образуются в месте попадания вводимого электронного потока на поверхность электродов и в местах попадания на электроды вторичных электронов, выбитых первичным потоком. Таким образом, задача конструирования системы ввода заключается в существенном уменьшении вторично-электронного потока на поверхности электродов и в резком уменьшении размеров области попадания первичного потока на электроды. В последнем случае уменьшается влияние зарядов, накопленных на этих пленках, на распределение поля в анализаторе, что приводит к увеличению разрешения, чувствительности и срока службы анализатора. Резкого уменьшения вторично-электронного потока добиваются использованием фазового ввода электронного потока. При фазовом вводе электроны влетают в рабочий объем анализатора только тогда, когда потенциал кольцевого электрода (либо электрода, через который вводится поток) относительно других электродов положителен. В этом случае вторичные электроны с поверхности этого электрода не засеивают поверхность других электродов. Проблема резкого уменьшения площади «отпечатка электронного потока требует своего решения. Наиболее близким к изобретению является гиперболоидный масс-спектрометр типа трехмерной ловушки, в датчике которого круглые каналы для ввода ионизирующего электронного потока выполнены в кольцевом электроде и ориентированы вдоль большой полуоси образующих кольцевой электрод эллипсов 2. Недостатком такого устройства является большая площадь области попадания электронного потока на кольцевой электрод. Это обусловлено тем, что электроны при прохождении вдоль кольцевого электрода подвергаются воздействию расфокусирующей силы в вертикальной плоскости. В горизонтальной плоскости на электроны действует фокусирующая сила. В результате воздействия этих сил отпечаток электронного потока на поверхности кольцевого электрода, расположенный напротив входного канала, выглядит в виде линии, находящейся в isepтикальной плоскости. Максимальные размеры этого отпечатка оказываются порядка характерных размеров электродной системы анализатора. Ясно, что такие большие размеры области, занятой диэлектрическими пленками, обуславливают появление существенных искажений поля и уменьшение разрешения и чувствительности. Цель изобретения - улучшение разрешающей способности и увеличение срока службы масс-спектрометра. Поставленная цель достигается тем, что в гиперболоидном марс-спектрометре типа трехмерной ловушки, состоящем из электронной пущки и анализатора, содержащего два торцовых и один кольцевой электроды и имеющего каналы для ввода и вывода электронного потока, канал для ввода электронного потока имеет форму щели и расположен в плоскости, в которой лежит ось, перпендикулярная торцовым .электродам, причем отношение длины щели к ее ширине лежит в пределах от 3 до , где 2j - половина минимального расстояния между торцовыми электродами анализатора; г - радиус нити катода электронной пушки, используемой в устройстве. В данном устройстве в рабочий объем датчика вводится ленточный электронный / поток. При вводе он имеет больщие размеры в плоскости действия фокусирующей силы (горизонтальная плоскость) и малые размеры в плоскости действия расфокусирующей силы (вертикальная плоскость). После прохождения рабочего объема действие фокусирующей силы значительно уменьшает размеры потока в горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости размеры потока оказываются малыми, несмотря на действие расфокусирующей силы, из-за малой толщины входящего в датчик ленточного потока. Таким образом, широкий ленточный поток оказывается- возможным сфокусировать в малую площадку. Это позволяет существенно (в несколько десятков раз) уменьщить размеры «отпечатка и уменьшить влияние образуемых пленок на аналитические характеристики масс-спектрометра. Для эффективной фокусировки ленточного потока, т. е. для получения максимального коэффициента сжатия его в горизонтальной плоскости, необходимо, чтобы геометрия межэлектродного промежутка была бы оптимальной. На фиг. 1 приведены варианты гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки; на фиг. 2 - зависимости ZBUX от Zo . Датчик состоит из одного кольцевого электрода 1 и двух торцовых электродов 2. В кольцевом электроде выполнен щелевой канал 3, против которого расположена электронная пушка 4, формирующая ленточный электронный поток 5, вводимый в рабочий объем датчика. В плоскости х-z на электронный поток действует фокусирующая сила, что приводит к его сжиманию и в месте попадания его на кольцевой электрод размеры потока существенно меньше, чем ширина ленточного потока. В плоскости у- на электроны действует расфокусирующая сила. В этой плоскости у места попадания электронного потока на поверхность кольцевого электрода его толщина больше, чем толщина вводимого ленточного потока. Резко уменьшая толщину ленточного потока, за счет увеличения его ширины можно существенного уменьшить размеры «отпечатка при одном и том же вводимом электронном потоке. При данной системе ввода электронного потока реализуется фазовый метод. При этом электронный поток вводится в рабочий объем лишь тогда, когда кольцевой электрод имеет положительный потенциал относительно торцовых электродов. Если принять, что потенциал торцовых электродов и катода электронной пушки равны нулю, то размеры «отпечатка электронного потока на поверхности кольцевого электрода практически независимы от потенциала на кольцевом электроде, т. е. при любой форме ВЧ, напряжения, подаваемого на электроды датчика, размеры «отпечатка электронного потока с известной точностью будут одни и те же. Распределение потенциала в рабочем объеме датчика гиперболоидного масс-спектрометра можно записать в виде и(х,у,г) -, ,fy|Y2 -(1 +k2)z|z2+k2x|x2 l ,(1) где UK.- потенциал кольцевого электрода (потенциал торцовых электродов равен нулю); V Y- - . J Za Из уравнения (1) можно написать соотношение, описывающее поверхность кольцевого электрода, 1 х2 -f (2) в соотношениях (1) и (2) х, у и z - координаты, нормированные соответственно (см. фиг. 1) на Ха, Уа, аНаходя по соотношению (1) проекции уравнения движения на координатные оси и учитывая начальные условия у «- Zf 0(}„ , YO и 2„- соответствующие начальная координата и начальные скорости при влете электронов), можно найти связь между начальной .координатой Zo влета электрона в рабочий объем с «коэффициентом фокусировки в виде l-fV2z2x2 (l+V.2zf)ch2n(x)-b(l + V,2) Xsh2n(x)-2(H-v2z2)/2( shn(x) Xchn(x). Величина x определяется как соотношение координаты попадания электрона (по оси z) на поверхность кольцевого электрода после пролета рабочего пространства к начальной координате влета z,: 2 LtK( (даТа -Т Условие максимального сжатия электронного потока является при Zo 0, л: 0. Этому условию, как следует из (3), соответствует связь между геометрическими параметрами электродной системы в виде i - V -i T%T. Соотношение (4) связывает, таким образом, оптимальные значения геометрических факторов k и у , при которых ленточный электронный поток будет испытывать максимальное сжатие, а значит размеры «отпечатка будут минимальными. В случае, если электронный поток вводится в объем с энергией, отличной от той, которая определяется разностью потенциалов между кольцевым и торцовыми электродами, то, вводя параметр Р/ как отношение разности потенциалов, определяющей входную энергию электронов, к потенциалу кольцевого электрода можно соотношение (4) переписать в виде р г lJ- Ki± l|V2sh- 1+ch Y a() гсТьк ТУа( Ha фиг. 2 приведены рассчитанные по соотношению (3) зависимости ZguxOT 2„ для оптимальной и неоптимальной комбинаций геометрических факторов и k. Из сопоставления кривых видно, если, например, выбрать ширину щели равной 0,2 (полуширину Zo 0,1), то При k 1 и оптимальном значении Tf 0,8263 размеры отпечатка будут примерно в 5 раз меньше, чем в случае неоптимального значения Y 1, отличающегося от оптимального всего на 22. В случае необходимости вывода большей части вводимого электронного потока за пределы рабочего объема датчика, что всегда является желательным, по приведенным соотношениям можно рассчитать требуемые размеры выводного канала, который может быть выполнен и в виде отверстия. При вводе в анализатор встречных ионизирующих потоков следует выполнять комбинированные каналы, состоящие из совмещенных отверстия и щели, причем последняя должна иметь толщину меньшую, чем отверстие. Предлагаемый гиперболоидный массспектрометр типа трехмерной ловущки позволяет в несколько десятков раз уменьшить

площадь на рабочей поверхности электрода, засеиваемую электронным потоком, что резко уменьшает нелинейные искажения поля.

повышает разрешающую способность, чувствительность и срок службы таких массспектрометров.

ГИПЕРБОЛОИДНЫЙ МАСССПЕКТРОМЕТР ТИПА ТРЕХМЕРНОЙ ЛОВУШКИ, состоящий из электронной пущки и анализатора, содержащего два торцовых и один кольцевой электроды и имеющего каналы для ввода и вывода электронногр потока, отличающийся тем, что, с целью улучшения разрешающей способности и увеличения срока службы анализатора, канал для ввода электронного потока имеет форму щели и расположен в плоскости, в которой .1ежит ось, перпендикулярная торцовым электродам, причем отношение длины щели к ее щирине лежит в пределах от 3 до , где z - половина минимального расстояния между торцовыми электродами анализатора; г - радиус нити катода электронной пушки, используемой в устройстве. (Л со со