Способ масс-сепарации заряженных частиц Советский патент 1988 года по МПК H01J49/42 

Изобретение относится к квадру- лольной масс-спектрометрии и предназначено для вторичной ионной масс- :спектрометрии (ВИМС),

Режим сепарации ионов в квадруполь- ном конденсаторе при подаче на него в соответствующей комбинации ВЧ и постоянного.напряжения осуществляется в ряде областей параметров a-q, где реализуются стабильные траектории ионов.

Первую область устойчивости можно охарактеризовать изменением параметра q в интервале 0-0,9080, а вторую - b интервале 7,5136-7,5797,

Недостатком квадрупольного масс- спектрометра является небольшой (I- 20 эВ) диапазон энергий анализируемых ионов, что обусловлено его кон- струкцией, позволяющей работать толь- iKo в первой области устойчивости. недостаток не позволяет эффектрш о осуществить разделение и сбор, |1апример, вторичных ионов, что снижа- ёт чувствительность устройства,

Использование же второй области УСТОЙЧИВОСТИ позволяет осуществить удовлетворительную сепарацию ионов с Энергиями до 300 эВ для ионов средних rliacc (30-100 а.е.м. ). ; Целью изобретения является увели- разрешающей способности квадру- ольного масс-спектрометра. I Суть изобретения состоит в реали- фации совместного использования пер- ой и второй областей стабильности Траекторий заряженных частиц в двух 1 оследовательн6 расположенных квадру- польных конденсаторах, при этом вели- ины параметров уравнения Матье q и 42 обоих конденсаторов с первой и второй соответственно областями стабильности выбирают удовлетворяющими соотношению

,773 .10,643,

4eV « 1

V - амплитуда переменного напряжения, В;

uJ - частота переменного напряжения, Гц;

г - радиус пролетного пространства квадрупольного конденсатора, м.

Причем, исходя из определения q, данное соотношение будет достигну-

5

0 5

0 д

5

0

5

то при выборе либо амплитуд V, и V , удовлетворяющих условию

8,773г Jl 10,643, либо частот CJ, и w при условии

U).

2, 3,262, либо радиусов г, и г, при условии

2,962 -- 3,262.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг. 1 приведена структурная схема реализующего предложенный способ устройства, в котором соотношение, связывающее параметры q Hsiq,,, достигается соответствующим выбором

г, и г т.е. 2, :3,262; на

7.

фиг. 2 - схема подключения питающих напряжений к электродам квадруполь- ньк конденсаторов; на фиг. 3 - типичная диаграмма стабильности первой области устойчивости первого квадрупольного конденсатора; на фиг. 4 - область пропускания ионов по параметру q второго квадрупольного конденсатора, использующего вторую область устойчивости; на фиг. 5 - диаграмма пропускания ионов масс-спектрометром в целом.

Масс-спектрометр состоит из источника I ионов, входной диафрагмы 2, первого квадрупольного конденсатора с электродами 3, фокусирующей линзы 4, ускоряющего электрода 5, второго квадрупольного конденсатора с электродами 6, коллектора 7 ионов, системы 8 регистрации, средств питания источника ионов и входной диафрагмы 9, источника 10 постоянного и переменного высокочастотных напряжений, подключенного к конденсаторам с электродами 3 и 6, блока П питания линзы, источника 12 питания ускоряющего электрода, блока 3 питания коллектора ионов, С - блокировочная емкость; .

R - резистор.

I

На фиг. 2 показана схема подключения электродов (стержней) к выходу ВЧ-генератора и источника постоянного напряжения. Сборка квадрупольньгх конденсаторов показана в разрезе, 3 и 6 - электроды первого и второго квадрупольных конденсаторов с радиуса

3139617

ми пролетного пространства г, и г соответственно. С - блокировочные емкости, .разделяющие по постоянному напряжению первый и второй квадруполь- ные конденсаторы; R - высокоомные резисторы (Ю МОм), служащие для развязки ВЧ-генератора и источника 12 питания (фиг. l), а также для обеспечения гальванической связи электро- IQ дов 6 с источником 12 (фиг, 1).

На фиг. 3 приведена первая область устойчивости первого квадрупольного конденсатора, где а и q - безразмерные параметры, определяемые как is

8еи 4eV йы

заряд и масса иона соответственно; . 20 круговая частота переменного, напряжения с амплитудой V, прикладьшаемого к противоположным электродам квадрупольных кон- 25 денсаторов;

величина постоянной составляющей на электродах первого квадрупольного конденсатора;зо

радиус пролетного пространства квадрупольного конденсатора с первой областью стабильности;

абсциссы точек пересече- .jc ния прямой сканирования () с границами стабильности а- (колебаний иона вдоль оси у) и а X (колебаний иона вдоль до оси х);

параметр q, соответствующий вергаине М диаграммы стабильности; массы, соответствующие к

параметрам q, q, q. 4 приведены области I и II ионов по параметру q рупольного конденсатора, без постоянной составляюараметр q фиг. 4 опреде

50

4eV mlyirl

где е и m - заряд и масса иона;

V и 1Л - амплитуда и частота переменного напряжения, прикладываемого к электродам

и

второго квадрупольного конденсатора с радиусом пролетного пространства

граничный параметр первой области устойчивости второго квадрупольного конденсатора;

IQ ,5136 и

is

,5797 величины параметров q, определяющие вторую об- ласть устойчивости; и 1. г массы ионов, соответстп &

2025

зо

.jc до

к

50

вующие этим параметрам, при сканировании по массам при изменении амплитуды высокочастотного напряжения .

На фиг. 5 дана идеализированная диаграмма пропускания анализатора масс-спектрометра, где S - величина пропускания фильтра в диапазоне масс т и m (отмечена двойной штриховкой); m и m , - диапазон масс, пропускаемых первым квадрупольным конденсатором; масса m соответствует параметру q д второго квадрупольного конденсатора; т, - наименьшая масса иона, пропускаемая вторым анализатором за счет проявления I области устойчивости.

Выбор соотношений q /q, или в данном случае радиусов г ,/г производится из следующих соображений.

Назначение конденсатора с первой областью устойчивости состоит в отсечке тяжелых масс ионов, соответствующих параметру q 0,908 второго конденсатора (в котором реализуются условия сепарации во второй области устойчивости), а также настройке окна пропускания д(фиг. 5) за счет изменения первого конденсатора.

Граница устойчивости в области параметров a-q колебаний иона вдоль оси Y (ось, проходящая через центры электродов, на которые подается отрицательное постоянное напряжение; режим анализа положительных ионов), дается кривой a,,(q) (фиг. З), которая может быть представлена в форме многочлена по степеням q:

55

q 7q 29q 68687q«

Vrt TTITT т ГГГ Г - - - --т -

128 2304 188774368

+ ...

(3)

Аналогично для колебаний ионов вдоль оси X:

171

,4eV/

do:

Изобретение относится к области квадрупольной масс-спектрометрии. Способ масс-сепарации заряженных частиц реализован в устройстве. Заряженные частицы направляют в квадруполь- ные конденсаторы (КК) 3 и 6, регистрируют их на выходе из КК 6, к одному из КК прикладывают переменное напряжение и формируют в нем электрическое поле с параметром уравнения Ма- тье qo) соответствующим второй области стабильности траекторий заряженных частиц, а к другому КК прикладывают переменное и постоянное напряжения и формируют в нем электрическое поле с параметром q, соответствующим первой области стабильности траекторий заряженных частиц, при этом 8, 773 q/q, 10,643, q,4eV,/m- u)r% q,4eVi T-T где e, m - заряд и масса m oj J иона соответственно; V.,, V - амплитуды переменного напряжения на КК; U),, частоты упомянутых напряжений; г, , г ;j - радиусы пролетного пространства КК. Увеличивается разреша- . ющая способность квадрупольного масс- спектро(етра. 5 ил. S (Л 00 (UD 05 4il. cosivtuHcamit «utt

(фиг. З) есть вершина диагра ады стабильности, и координата по оси q равна ,7060, q,0,9080 - граничная величина q при , q, и q у- проекции точек пересечения линии сканирования с кривыми а у и а J, соответственно. Окно фильтрации m f-m у первого конденсатора можно выразить через параметры q и q в соответствии с (1)

как

4eV

qv

(5;

Таким образом, можно сказать, что

параметрам q и

q .. соответствуют гра J

яичные массы ионов m у и m у.

Для нахождения допустимой области изменения, например, отношения г,/г буДем исходить из того, что настройка на массу т первого анализатора (при ), соответствующая величине m д, находилась справа от окна пропускания Год-Шд (фиг. 4) второго анализатора. При уменьшении угла наклона лннии . (фиг, З) соответствующая величина m х попадает в окно фильтрации m -Шд (фиг. 5). Расположение т(, справа от интервала Шр-Шд по ОСИ m (фиг. 5).выбрано из условия получения более крутого массового пика со сторонь легких масс на более

крутой границе а т.е.

X

а не а (фиг.З), (6)

Вторым условием является то, что при максимальном пропускании первого анализатора должны иметь место соотношения (фиг. 5):

m,m g; m m,,

(7)

при этом настройка вершины М (фиг.З) будет соответствовать параметру q ,.,

определяемому соотношением

q 4еУ/т,и г,

:2):

(8)

Таким образом, исходя из указанньк требований, получим

4eV/q

4eV/q

(9)

из (9) получим

,/rj

.c

(11)

1-ШИ

q./q q/q,

IE -lo Для определения величины q используем в соответствии с () систему равенств:

5

0

m jj,m .j

1 Л.

12)

где mx 4eV/q , ; m.4eV/q w rj ;

0 -,. P1л

Из

m mg

(2

- 4eV/q wV,; га, 4eV/q (13) r 4eV/a toV : m- 4eV/a u; r :

:4eV/q to

I следует, что

qx qa „ „, r- - Z л 5Яоп -0,348

q, 0,9080

(14)

Величины q , и q V однозначно COOT Т

ветствуют друг другу, их можно найти, используя явный вид зависимостей а (q) и aY(q) (З) и (4), с учетом, что . Численное решение трансцендентного уравнения (14) дает предельную величину ,8640.

Окончательно из (12) находим

-- -if5br- - .г 3; %

При этом из (II) следует 8,773 i 32 10,643

q 1

или

г, ,

2,.,262

0,7060

0,7060

(16)

5

0

5

Способ реализуется следующим образом.

Ионы, выходя из ионного источника 1 (фиг. 1 ),. через диафрагму 2 попадают в.первый конденсатор с электродами 3, в переменном и постоянном полях которого происходит сепарация ионов. На вьпходе конденсатора с электродами 3 формируется пучок ионов с массами my. Далее ионы фокусируются линзой L в пучок меньшего диаметра на вход второго конденсатора с меньшим радиусом пролетного пространства г. При этом в поле ускоряющего элек- трода ионы получают дополнительную энергию, пропорциональную величине прикладьшаемого потенциала - Ь с.

7I3

Когда анализируемые ионы положительны, на ускоряющий электрод 5 подается отрицательный потенциал -U,,, в противном случае +Uo,

Для того чтобы ионы на выходе из поля ускоряющего электрода 5 не затормозились и не рассеялись, необходимо поднять потенциал четырех электродов второго конденсатора с электро дами 6 до величины U, . Развязка ВЧ- сигнала по цепи источник 10 - ускоряющий электрод 5 (фиг. )) происходит за счет высокоомных резисторов (Н 10 МОм), включенных между электро- дом 5 и противоположной парой электродов 6 конденсатора (фиг. 2).

В ВЧ-поле конденсатора с электродами 6 происходит отсечка ионов с массами, большими Шд (фиг. 5), и на коллектор 7 ионов попадают ионы с массами, лежащими в интервале m -га j (фиг. 5, отмечено двойной штриховкой Сигнал, пропорциональный числу ионов с массами , с выхода коллектора ионов поступает на систему 8 регистрации. Таким образом, происходит повьшение разрешающей способности за счет совместного действия двух областей стабильности.

При этом на электроды квадруполь- ных конденсаторов с электродами 3 и 6 подается переменное напряжение одной частоты и амплитуды для обеспечения совместного фильтрующего эффекта двух квадрупольных конденсаторов.

Назначение первого к онденсатора с электродами 3, имеющего больший радиус г , состоит в повышении разреша

кщей способности масс-спектрометра

в целом, что достигается отсечкой тяжелых масс, а также в согласовании фазы ввода ионов в конденсатор с электродами 6, поскольку ВЧ-сигнал с источника 10 сразу подается на электроды двух конденсаторов, т.е. синфазно. Сканирование по массам осуществляется путем изменения амплитуды V выходного напряжения источника 10. Потенциал ио также изменяется линейно с ростом массы анализируемого иона. Это

необходимо для достижения хорошей трансмиссии конденсатора с электродами 6, поскольку энергия Е иона, входящего в краевую область конденсатора с электродами 6, должна быть достаточ ной, чтобы преодолеть ее за 0,2 периода прикладываемого поля. Поэтому Е выбирается удовлетворяющей условию

74

/ J 7 / , 4 E,.2.(g;2-T - 2 0:2 ,

где f u /2 i - циклическая частота;

- период. Пусть Е, - энергия ионов пучка, входящего в конденсатор с электродами 3. Применительно к BliMC значение полуширины энергораспределения вторичных ионов составляет Е,10-60 эВ. Тогда в случае использования ускоряющего электрода 5 (фиг. 1) полная энергия ионов, входяпщх во второй конденсатор с электродами 6 (точнее, ее компонента, соответствующая движению иона вдоль оси системы), будет определяться выражением

т/ fr ч 2

eUp+E,7, (д-|)

(18)

С другой стороны, пропускание иона массы m через квадрупольный масс-спектрометр происходит при амплитуде V, равной

- (19)

Из (Ю) и (П) находим, что отношение постоянной составляющей U на ускоряющем электроде 5 и амплитуды V ВЧ-напряжения на электродах 3 и 6 квадрупольных конденсаторов должно удовлетворять

V mrU2irf)

Uc

-fEiF:--T .. (

ппл 1

ОС 5

так как максимум разрешения второго фильтра масс с электродами 6 имеет место при энергиях ионов Е. эВ, это дает возможность считать для ВИМС ,.

Таким образом, изменяющиеся во времени при сканировании по массам величины V и UQ для рассматриваемого случая связаны соотношением

,

(21)

Более точное значение отношения V/UP выбирается экспериментально и из конкретных условий анализа.

Особенностью фильтрации ионов в конденсаторе с электродами 6 (фиг.1) работающем в области устойчивости II, является быстрый выход иона на неустойчивую траекторию при соответствующих массах из-за увеличения напряженности переменного поля, поэтому требуемое число периодов фильтрации резко уменьшается в сравнении с обычным режимом фильтрации в области Т. Тем самым возможен быстрый пролет иона через квадрупольный конденсатор с одновременной фильтрацией. Это позволяет осуществить удовлетворительную фильтрацию частиц в расширенном диапазоне энергий анализируемых ионов, что важно для вторичной ионной масс- 10 спектрометрии.

Предлагаемый способ предназначен для использования в установке ВИМС, работающей в режиме микрозонда, для послойного анализа больших интеграль-|5 ных схем.

1396174 О

женных частиц, а к другому квадру- польному конденсатору прикладывают переменное и постоянное напряжения и формируют в нем электрическое поле с параметром q,, соответствующим первой области стабильности траекторий заряженных частиц отлича ю- щ и и с я тем, что, с целью увеличения разрешающей способности, величины параметров уравнения Матье q и q 2 обоих квадрупольных конденсаторов с соответственно первой и второй областями стабильности выбирают удовлетворяющими условию

8,773 --2 10,643,

Формула изобретения

Способ масс-сепара,ции заряженных частиц, заключающийся в том, что частицы последовательно направляют в первый и второй квадрупольные конденсаторы и регистрируют их на выходе из второго квадрупольного конденсатора, :причем к одному из квадрупольных конденсаторов прикладывают переменное напряжение и формируют в нем электрическое поле с параметром уравнения Матье q ,соответствуюш№1 второй об- ласти стабильности траекторий заряФ /г./

8,773 --2 10,643,

где

4eVi

. тЦг. е - заряд иона.

4eV2 гаш|г|

Кл;

m - масса ионов со стабильной траекторией, а.е.м.

V, V - амплитуды переменного напряжения на квадрупольных конденсаторах, Б;

00, и u)- частоты упомянутых напряжений , Гц;

г иг - радиусы пролетного пространства квадрупольных конденсаторов, м;

Вей

Фиг,

S отм.

fl

д

/Т7х

J

Фиг.З

М

п- , /тта

4

/77у

/Т/ .е.м