Масс-спектрометр с фокусировкой по энергии Советский патент 1992 года по МПК H01J49/32 

Изобретение относится к технике мясе-спектрометрии и может быть использовано в тех отраслях народного хозяйства, где необходимо определять химический или изотопный состав вещества.

Целью изобретения является повьш е- нис разрешающей способности, чувствискпй магнитной призмой, масс-спектрометр снабжается дополнительно вторым электростатическим зеркалом или электростатической линзой, которые располагаются по другую, чем первое зеркало, сторону от магнита, прич.ем выходвая щель источника и входная щель приемника ионов устанавливагот

Изобретение может быть использовано в тех отраслях народного хозяйства, где необходимо определять химический или изотопный состав вещества. Масс-спектрометр (МС) с фокусировкой по энергии содержит источник I и приемник 2 ионов, диспергирующий магнит 3, электростатическое зеркало, состоящее из электродов 4-6, каждый из которых представляет собой пару конгрузнтных пластин, расположенных параллельно друг другу и симметрично относительно средней плоскости. Обращенным друг к другу боковым сторонам пластии соседуих электродов придана форма частей соосных круговых цилиндрических поверхностей, образзгго- щие которых перпеидикулярны к средней плоскости, а главная оптическая ось МС а поле зеркала обращена выпуклостью к оси этих цилиндрических поверх-Q ностей. МС с фокусировкой по энергии имеет повьш1енные разрешакицую способность, чувствительно«гть. 2 з.п. ф-лы 3 ил. (Л

тельности, уменьшение габаритов и pac-i0 ся в главных фокальных плоскостях

ширение аналитических возможностей масс-спектрометров с фокусировкой по энергии.

Поставленная цель достигается тем что в известном масс-спектрометре с фокусировкой по энергии, содержащем источник и приемник ионов, диспергирующий магнит, злектрос гатическое зеркало, состоящее из нескольких электродов, каждьй из которых представ- ляет собой пару конгруэнтных пластин, расположенных параллельно друг другу и симметрично относительно средней плоскости, обращенным друг к другу боковым сторонам пластин со- седних электродов зеркала придана форма частей соосных круговых цилиндрических поверхностей, образующие которых Перпендикулярны к средней плоскости, а главная оптическая ось масс-спектрометра в поле зеркала обращена В)ьтуклостью к оси этих ци- ,рических поверхностей.

Параметры диспергирукщего магнита и электростаткческпго зеркала

,1 . DM

связаны соотношением D, - -г- , есл

РЬ,

первой после источника ионов расположена электростатическая система, ил

п - Ь,

если первым рас.4

положен магнит, где Dj угловая дисперсия по энергии электростатического зоркяла, DIM линейная дисперсия по массе (энергии) диспергирующего магнита, |U - линейное увеличение tacc- спектрометра, Ьg - расстояние от выходной щели источника до первой главной плоскости зеркала, b д, - расстояни

от промежуточного изображения до званной плоскости.

При необходимости одновременной регистрации широкого участка спектра масс выходная щель источника ионов располагается в главной фокальной плоскости установленного перед диспергирующим магнитом элeктpocт; ти re- ского зеркала. Если диспрр1 ирующк{ магнит явля ртся двумершм шш ь .пиче

5 0 5 0

j

0

5

0

электростатических систем. В этом случае Dj представляет собой суммарную угловую дисперсию по энергии электростатических систем.

Изобретение заключается в том, что приведенная совокупность признаков позволяет лучше компенсировать, аберраций, вследствие появления дополнительных свободных параметров, и тем самым улучшать разрешающую способность и чувствительность спектрометра; обеспечивает резкое увеличение дисперсии электростати еской. системы и, как следствие, уменьшение ее габаритов, делает возможным преобразование расходящегося пучка ионов в параллельный, а следовательно, создание призменного прибора, а также прибора с одновременной регистрацией широкого спектра масс с более простой и совершенной электростатической частью. При этом сохраняется достоинство прототипа - возможность электростатической регулировки параметров прибора.

Искривление обращенных друг к другу боковых сторон пластин соседних электродов необходимо для создания такого распределения электрического поля, которое позволяет преобразовать расходящийся пучок в параллельный. При прямоугольных электродных пластинах такое преобразование невозможно. Предлагаемая ориентация оптической оси в поле зеркала необходима для увеличения дисперсии электростатической системы по энергии и улучшения ее фокусирующих свойств.

DM

5

Вьтолнение соотношения

или

,(

D«

D, ,

- необходимо для достиЬ 1

я;ения фокусировки по энергии.

Расчеты показывают, что .приведенной совокуп ности признаков достаточно для достижения указанного положительного эффекта.

В заявляемом приборе нппряппспмс движения ион( р р пше ччектр Ч т. гмческой системы образует с рлдилльн,1т-1 Илгтравлением большой ут ол,

На фиг. I покячанл ионно-оптиче2 ионов. JTMHeflMnp

екая схема предлагаемого масс-спектро- лагается приемник

уве.гигчение как магнитного, так и

метра с секторньрм магнитом в проекции на среднюю плоскость на фиг. 2 - то же, с секторным магнитом для одновременной регистрации широкого участка спектра масс на фотопластинке или при помощи позиционно-чувствительного детектора} на фиг. 3 - то же, с двумерной магнитной призмой.

Масс-спектрометр на фиг. 3 целесообразно использовать при необходрпчо- сти получить очень высокую разрешающую способность по Массе.

Масс-спектрометр состоит из источника 1 ионов, приемника 2 ионов, дис10

электростатугческого каскада рппно -I, поэтому р -I, дисперсия зеркала по энергии в плоскости промежуточного изображенил 0., - Dpb и

общее соотношение D . i.-bp

в этом

частном случае принимает вид Dj DMI то есть условием осуществления фоку- 15 сировки по энергии является равенство дисперсий электростатического зеркала и магнита.

В масс-спектрометре (фиг. 2) ионы с определенной энергией, выходящие из

пергирующего магнита 3 и одного (фиг.1, 20 какой-либо точки источника, преобра2) или двух (фиг..З) электростатических зеркал с электродами А-6. Каждый электрод зеркала представляет собой две 1щёнтичные, параллельные друг другу пластины, расположенные симметрично относительно средней плоскости, обращенные друг к другу боковые поверхности пласт.ин соседних электродов имеют цилиндрическую форму. Главная оптическая ось масс-спектрометра в поле зеркала обращена выпуклостью к оси О этих поверхностей. В масс- спектрометре на фиг. 2 выходная щель источника . ионов I расположена в главной фокальной плоскости зеркала с электродами 4-6. В масс-спектрометре, изображенном на фиг. 3, выходная щель источника ионов 1 расположена в главной фокальной плоскости первого по ходу.пучка зеркала с электрода- 40 ми 4-6. Входная щель приемника 2 ионов расположена в главной фокальной плоскости второго зеркала с электродами 4-6.

Масс-спектрометр, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом.

Ионный пучок, сформированный источником 1, поступает в поле зеркала с электродами 4-6, которое откло- няет его, фокусирует и разделяет ионы по энергии. Сформированные зеркалом промежуточные фокусы ионов с различной энергией разнесены в пространстве. Параметры зеркала подобраны так, что после прохождения ионами Магнитного поля, осуществляющего их разделение по массам, все иоиы с определенной массой, но раззуются зеркалом в параллельньй пучок. При вьтолнении равенства D ,f - П„, где f - фокусное расстояние диспергирующего магнита, ионьг с разл1гчной

25 энергией, но с определенной массой, собираются в определенном месте отрезка прямой, с которой и совмещается фотопластинка или позици онно- чувствительный детектор. Это равенст30 во является следствием общего соотноIDM

шения D, г- , так как в данном

J -bo

случае р - , Ь -f,, где f 9

9

фокусное расстояние зеркала. 35 Масс-спектрометр, показанный на фиг, 3, отличается наличием двух зеркал, осуществляющих фокусировку ионов по направлению и по энергии. Первое из них играет роль коллиматора, второе - камеры спектрометра. Зеркала идентичны. , где В „ -. угловая дисперсия магнитнЪй призмы; fj - фокуснре расстояние зеркала, be Н и общее сротноше- DM. . ,

45

ние

принимает вид D

}

-D;,, .причем D представляет собой удвоенную угловую дисперсию зеркала.

50

В предлагаемых масс-спектрометрах благодаря большему, чем в прото- типе, числу свободных параметров у электростатической системы удается gg сравнительно легко и более полно компенсировать аберрации диспергирующего магнита и, таким образом, повысить разрешающую способность и светосилу .

личными энергиями фокугируттг.ч п пд- иом мес:те, т.е. производится ф мсусп- ровка по энергии. В этом месте рлсгю2 ионов. JTMHeflMnp

лагается приемник

электростатугческого каскада рппно -I, поэтому р -I, дисперсия зеркала по энергии в плоскости промежуточного изображенил 0., - Dpb и

общее соотношение D . i.-bp

в этом

частном случае принимает вид Dj DMI то есть условием осуществления фоку- сировки по энергии является равенство дисперсий электростатического зеркала и магнита.

В масс-спектрометре (фиг. 2) ионы с определенной энергией, выходящие из

0

зуются зеркалом в параллельньй пучок. При вьтолнении равенства D ,f - П„, где f - фокусное расстояние диспергирующего магнита, ионьг с разл1гчной

5 энергией, но с определенной массой, собираются в определенном месте отрезка прямой, с которой и совмещается фотопластинка или позици онно- чувствительный детектор. Это равенст0 во является следствием общего соотноIDM

шения D, г- , так как в данном

J -bo

случае р - , Ь -f,, где f 9

9

фокусное расстояние зеркала. 5 Масс-спектрометр, показанный на фиг, 3, отличается наличием двух зеркал, осуществляющих фокусировку ионов по направлению и по энергии. Первое из них играет роль коллиматора, второе - камеры спектрометра. Зеркала идентичны. , где В „ -. угловая дисперсия магнитнЪй призмы; fj - фокуснре расстояние зеркала, be Н и общее сротноше- DM. . ,

5

ние

принимает вид D

}

-D;,, .причем D представляет собой удвоенную угловую дисперсию зеркала.

В предлагаемых масс-спектрометрах благодаря большему, чем в прото- типе, числу свободных параметров у электростатической системы удается сравнительно легко и более полно компенсировать аберрации диспергирующего магнита и, таким образом, повысить разрешающую способность и светосилу .

Габариты электростатической системы масс-спектрометра, изображенного Ни фиг. 1, примерно в 3,5 раза мень- шй,чемв прототипе при одинакоиой дне- пйрсии П11 иборон по массе. Расширяются аналитические возможности, так как П1|5едлагаемое изменение конструкции электростатической системы позволяет )здать масс-спектрометр, изображен- Щгй на фиг. 2, с одновременной регист р4цией широкого участка спектра масс. этом слолшый в изготовлений торо- иДальньй ко щенсатор Згаменяется более nibocToft и совершенной системой, появляется возможность электрической настройки прибора, а следовательно выбора оптимального режима работы и пФвышения раарешающей способности и чувствительности.

I Кроме тЬго, удаетея создать приборы с диспергирующими магнитами в виде магнитных призм (фиг. 3), обладаю- nukx целым рядом достоинств. При этом число электродов электростатической системы по сравнению с аналогом У1иеньшается с 10 до б,вследствие чего змачительио упрощается схема питания I

30

2,Масс-спектрометр по п. , о т- л к ч а ю щ и. и с я тем, что выходная щель источника ионов расположена в главной фокальной плоскости установленного перед диспергирующим маг нитом электростатического зеркала.

3,Мас с-спе.ктрометр по п. i, о т личающийся тем, что диспе

Формула изобретения 1. Масс-спектрометр с фокусировкой пи энергии, содержащий источник и при емник ионов., диспергирующий магнит, э; ектростатическое зеркало, состоящее и нескольких электродов, каждда из которых образован дарой конгруэнтных - гирунздий магнат является двумер,ной njjiacTHH, расположенных параллельнь или конической магнитной призмой, а дфуг другу и симметрично относительно сфедией плоскости, отличаю- и с я тем, что, с повыше- разрешающей способности, пувстви40

масс-спектрометр снабжен дополнител но BTopbD-j электростатическим зеркалом или электростатической линзой, которые расположены по другую, чем первое зеркало, сторону от магнита, причем выходная щель источника и входная щель приемника ионов установ лены в главных фокальньвс плоскостях

т льностн, уменьшения габаритов и рас- mijipeHHH аналит ггеских возможностей мфсс-спектрометра обращенные друг к торцы пластин соседн гк электромасс-спектрометр снабжен до но BTopbD-j электростатически лом или электростатической которые расположены по друг первое зеркало, сторону от причем выходная щель источн входная щель приемника ионо лены в главных фокальньвс пл

дфв зеркала имеют форму частей соос- электростатических систем.

ньтх круговых цилиндрических поверхностей, образующие которых перпендикулярны к средней плоскости, а главная оптическая ось масс-спектрометра в поле зеркала обращена вьтуклостью к оси этих цилиндрических поверхностей, причем параметры диспергирующего магнита и электростатического зеркала

D«

связаны соотношением D,

Ь,

если первой после источника- ионов расположена электростатическая сиеD

, если первым расположен тема, или соотношением

„ D.,.

Ьп

нит, где D - угловая дисперсия по энергии электростатического зеркала; В„ - линейная дисперсия по массе (энергии) диспергирующего магнита; - линейное увеличение, масс- спеКтрометра-, bo - расстояние от выходной щели источника до первой главной плоскости зеркала (м) ; Ьп - расстояние от промежуточного изображения до названной плоскости (м).

2,Масс-спектрометр по п. , о т- л к ч а ю щ и. и с я тем, что выходная щель источника ионов расположена в главной фокальной плоскости установленного перед диспергирующим магнитом электростатического зеркала.

3,Мас с-спе.ктрометр по п. i, о т- личающийся тем, что диспергирунздий магнат является двумер,ной или конической магнитной призмой, а

- гирунздий магнат является двумер,ной или конической магнитной призмой, а

40

масс-спектрометр снабжен дополнительно BTopbD-j электростатическим зеркалом или электростатической линзой, которые расположены по другую, чем первое зеркало, сторону от магнита, причем выходная щель источника и входная щель приемника ионов установлены в главных фокальньвс плоскостях

электростатических систем.

ff

Составитель В, Кащеев Редактор М.Васильева Техред Л.Сердюкова Корректор.Б. Гирняк

Заказ 315Тираж . Подписное

ВПИИПИ Государственного комитета СССР .по делам изобретений и открытий

,113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. Д/5

11р1 ичн1 лственно-т1оли1 рафическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,