Масс-спектрометрический способ анализа ионов и масс-спектрометр Советский патент 1986 года по МПК H01J49/40 

поперечном ВЧ-поле ПА. Стабильные ионы проходят на детектор 9 ионов, а нестабильные улавливаются на элект родах 7. Одновременно с прохождением пакета ионов в ПА осуществляется накопление и сортировка следующей порции ионов. За счет исаользования накопительно-сортировочного эффекта .чувствительность масс-спектрометра повьппается в 40-100 раз. Разрешающая

Изобретение относится к масс- спектрометрии и может быть использовано при создании гиперболоидных масс-спектрометров с высокой разрешающей способность и чувствитель- ностью.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности и чувствительности прибора за счет устранения влияния переходной области анализатора на вводимый ионный поток

Согласно предлагаемому способу 1йапизируемые ионы предаварительно накапливают в ограниченной области ионного источника, например в высокочастотном с постоянной составляюще поле, затем их импульсно вьгоодят и фокусируют ионный поток в переходную область. При этом на время фоку сировки пакета ионов в переходной области изменяют форму напряжения, : подаваемой на электроды анализатора и на все электроды анализатора подают постоянные потенциалы одной и той же полярности; кроме того во время накопления ионов в ограниченной области пространства ионного источника осуществляют их предварительную сортировку по удельным зарядам, при этом время накопления ионов в ионном источнике (t ) выбирают из выражения

йакопл. - ( f

где nfof, время пролета ионного пакета через электродную систему анализатора, а сам процесс ввода ионов делают циклическим, при этом длительность цикла равна сумме времени сорти-

28161

способность повьппается в 4-5 раз за счет почти двукратного увеличения времени сортировки ионного потока. В 1,5-2 раза уменьшается длина стержневой электродной системы ПА и в несколько раз увеличивается срок службы ПА за счет существенного уменьшения скорости роста диэлектрг ческих пленок на его электродах. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

ровки ионов в анализаторе и времени их фокусировки в переходной области

Использование предварительного накопления ионов в ионном источнике позволяет перевести работу всего масс-спектрометра в импульсный режим который характеризуется тем, что, пока ранее накопленные ионы пролетают через анализатор и таким образом осуществляется их сортировка, в ионном источнике происходит накопление следующего пакета ионов и его предварительная сортировка. После того, как ранее накопленные ионы пройдут через анализатор и попадут на вход детектора ионов, следующий пакет ионов импульсно вьшодится из ионного источника и вводится в анализатор. Но при этом на время пролета ионов через переходную область изменяет форму напряжение на электродах анализатора так, чтобы для ионов поле в переходной области было фокусирующим. Возможным вариантом этого является снятие с электродов анализатора ВЧ-напряжения и подача на все электроды постоянного напряжения одной и той же полярности. Например, можно таким образом создать в переходной области тормозящее и одновременно фокусирующее поле для ионов. При таком способе ввода ионов через переходную область не происходит увеличение их продольной и поперечной скоростей, время пролета через анализатор резко увеличивается и соответственно увеличивается разрешающая способность..

Фокусировка ионов к оси в переходной области позволяет при этом

3

повысить чувствительность всего масс-спектрометра.

Предварительная сортировка ионов в ионном источнике в процессе их накопления позволяет резко повысить сепарационные свойства всего устройства, его- разрешающую способность, а также (на два-три порядка) уменьшить пространственный заряд ионного пакета, вводимого в анализатор. При этом уменьшаются негативное влияние пространственного заряда на условие сортирорки и скорость образования диэлектрических пленок на электродах анализатора под действием ионного потока, и существенно повьш1ает аналитические характеристики прибора и, следовательно, срок службы анализатора.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжений на электродах, иллюстрирующие реализацию предлагаемого способа.

Ионный источник с накоплением представляет собой гиперболоидный анализатор типа трехмерной ловзппки, электродная система которого состоит из двух торцовых электродов 1, в одном из которых вьшолнены каналы 2 для вьтода ионов, и одного кольцевого электрода 3, в котором имеются каналы 4 для ввода и вывода электронного ионизирующего потока. Для формирования ионизирующего потока служат электронный источник 5, а для улавливания электронов - коллектор 6 Анализатор пролетного типа состоит из четырех стержневых электродов 7, входной диафрагмы 8 и детектора 9 ионов. Между входной диафрагмой 8 и выходным торцовым электродом 1 расположены две управляющие сетки 10

Рабочие напряжения на электроды устройства подаются с выходов ВЧ-ге- нератора 11. С выхода 12 импульсное напряжение U поступает на одну пару электродов стержневой системы, а с выхода 13 напряжение из подается на вторую пару. По временной форме напряжения U идентичны, но сдвинуты в о времени на некоторую величину .

Напряжение Uj и U, представляют собой импульсные периодические сигналы с некоторой скважностью (например, 5), в которых периодически появляются временные участки tg

281614

в пределах которых напряжение остается постоянным. Длительность этих участков соответствует; нескольким периодам ВЧ-потенциала и подбирается J исходя из особенностей конкретного режима работы всего устройства. На кольцевой электрод 3 от генератора 11 с выхода 14 подается напряжение и, по форме идентичное напряжениям

0 Uj и Uij . На торцовые электроды 1 от генератора 1I с выхода 15 подается постоянное напряжение Uf. На одну из сеток 10 с выхода 16 генератора 11 подается постоянное напряжение, мень5 шее потенциала катода источника

электронов, л с выхода. 17 на другую сетку подается импульсное напряжение и. Первая сетка служит для предотвращения попадания электронов из

Q ионного источника в пролетный анализатор, а вторая - для предотвращения попадания ионов из ионного источника в пролетный анализатор во время процесса накопления ионов

5 -накоОА

Способ реализуется с помощью указанного устройства следующим образом .

Б течение времени (либо в течение части eroj в ионйый источник вводят ионизирующий электронный поток. В течение этого времени ионы накапливаются в ловушке и при правильном выборе параметров питающего напряжения Ujи и сортируются. При этом ионная ловушка настроена на те же ионы, что и пролетный анализатор.Но ионы и электроны из ловушки во время . не поступают в пролетный анализатор, так как тракт закрыт для заряженных частиц напряжениями, подаваемыми на сетки 10, По истечении времени как видно из эпюр напряжений, форма ВЧ-сигнала, подаваемого на кольцевой электрод, изменяется. При этом рабочие токи накопленных и отсортированных ионов на диаграмме стабильности им- пульсно переводятся в нестабильную область и начинается процесс вывода ионов из ловушки в сторону пролетного анализатора. На стержневых элeкt- родах анализатора поддерживается постоянное напряжение (ВЧ-потенциал снят) а по второе сетке 10 тракт открыт для ионного потока. Накопленные в ловушке ионм в виде пакета ионов вьтодят- 5 ся из ловушки, проходят сквозь сетки 10 и через диафрагму 8 в переходную область пролетного анализато ра. Поскольку при полете ионного

0

5

0

5

0

пакета через переходную область на стержневых электродах поддерживаются постоянные положительные потенциалы, то ионы тормозятся в этой области и фокусируются к оси авали- затора. Длительность промежутка t вьшода подбирается равной времени вьшода ионного пакета (основной части ионного потока) из ловушки и пролета его через переходную область. После того, как ионный пакет в основном прошел через переходную область, включается ВЧ-поле и начинается сортировка ионного пакета в поперечном ВЧ-поле в пролетном анализаторе. В этот промежуток времени стабильные ионы, на которые настроен анализатор, проходят на детектор 9 ионов, а нестабильные улавливаются на полезадакнцих электродах 7.

i При этом поле пролета ионов через переходную область и их скрости (поперечная и продольная) не возрастают, как в обычных анализаторах, а наоборот, уменьшаются из-за торможения и фокусировки статический полем в переходной области. Одновременно с включением ВЧ-поля закрьшается тракт для ионов по второй сетке 10, подается ВЧ-по ле на кольцевой электрод 3 (см. эпюру напряжения 15) начинает вво-, диться электронны ионизирующий поток в ловушку. Таким образом, в то время, пока пакет ионов пролетает вдоль пролетного анализатора и окончательно сортируется в ионной ловушке, осуществляется накопление и сортировка следующей порции ионов. После того, как основная доля ионног пакета долетела до детектора, процессы вьгоода ионов из ловушки и ввода их в п)олетнь й анализатор повторяются.

Наиболее рациональным способом развертки спектра масс в данном устройстве является частотный. При этом при перестройке по массовому диапазону происходит автоматическая перестройка ловушки и пролетного анализатора. Кроме того, если оставлять длительности всех промежутков времени, вьфаженных в периодах ВЧ-поля постоянными, то дискриминация по мае сам для всего устройства отсутствует

Предлагаемые способ и устройство для его реализации позволяют повыси

to

15

0

5

5

5 0

0 5

5

чувствительность масс-спектрометра в 40-100 раз за счет использования накопительно-сортировочного эффекта, фокусировки ионного потока в переходной области пролетного анализатора. Это достигается за счет того, что в 10-100 раз уменьшается вводи- мьй в стержневую систему пространственный заряд ионов из-за использования предварительного сортировочного эффекта, кроме того, вследствие использования фокусировки во время ввода увеличивается эффективный диаметр вводимого в стержнев-ую систему ионного потока.

Повьш1ается разрешающая способность в 4-5 раз за счет почти двукратного увеличения времени сортировки ионного потока, торможения и фокусировки ионного потока в переходной области пролетного анализатора, уменьшения влияния диэлектрических пленок, образуемых на стержневой системе на точность поля.

Уменьшается в 1,5-2 раза длина стержневой электродной системы пролетного анализатора и, таким образом, снижаются затраты на его изготовление за счет резкого (в 2-4 ра- 3aj уменьшения реальной скорости пролета ионов через пролетный анализатор .

В несколько раз увеличивается срок службы анализатора пролетного типа за счет существенного уменьшения приблизительно в 10 раз скорости роста диэлектрических пленок на элект- электродах под действием ионного потока, поскольку предварительная сортировка позволяет в 10-100 раз уменьшить число вводимых в стержневую систему нестабильных ионов, которые в процессе сортировки при обычном способе анализа рассеиваются на стержни и образуют диэлектрические пленки.

Формула изобретения

1.Масс-спектрометрический способ анализа ионов, содержащий операции ионизации вещества в ионном источнике, введение полученных ионов в рабочий объем гиперболоидного анализатора пролетного типа и детектирование определяемых ионов, о т л и - чающийся тем, что, с целью :увеличения разрешающей способности и

чувствительности, ионы предваритель накапливают в области ионного источника, затем их импульсно вьшодят и создают в переходной области гипер- болоидного анализатора фокусирующее ионы поле путем изменения напряжения на электродах анализатора, во время действия которого ионы вводят в анализатор. .

2. Способ поп.1,отличаю- щ и и с я тем, ЧТО , фокусирующее ионы поле создают пут.ем подачи на все электроды анализатора постоянных потенциалов одной полярности.

хЗ. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что во время накопления ионов в области пространства иоиного источника осуществлют их предварительное разделение по удельным зарядам.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что время накопления ионов в области простран-

ства ионного источника t„„ вы-

накоплю бирают из выражения

макопл проА где время пролета ионного

пакета через электродную систему анализатора I I

Составитель Н.Кдтинова Редактор Н.Швыдкая Техред В.Кадар Корректоре. Черни

Заказ 2291/52 Тираж 643Подписное

ВНИИШ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий . 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.- д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г .Ужгород,ул.Проектная,

а сам процесс ввода ионов осуществляют циклическим, при этом длительность цикла равна сумме времени сортировки ионов в анализаторе ,и времени их фокусировки в переходной области.

5.Масс-Ъпектрометр, содержащий ионный источник, гиперболоидный анализатор пролетного типа, источник высокочастотного напряжения с постоянной составляющей и детектор, отличающийся тем,, что,

с целью увеличения разрешающей способности и чувствительности, источ-t ник ионов выполнен в виде анализатора гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки, при этом полезадающие электроды пролетного анализатора и полезадающие электроды ионного источника подключены к выходу одного и того же источника высокочастотного.напряжения с постоянной составляющей.

6.Масс-пектрометр по п.З, о т личающийся тем, что между выходом ионного источника и входом анализатора расположена система управляющих электродов, состоящая из двух сеток.