Способ анализа ионов в гиперболоидном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки Советский патент 1989 года по МПК H01J49/42 

й

)4

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано при создании гиперболоид- ных масс-спектрометров с высокой раз- решающей способностью и чувствит€:ль- ностью.

Цель изобретения - создание способа анализа ионов в гиперболоидном масс-спектрометре типа трехмерной ло- вушки, обеспечивающего повышение разрешающей способности и чувствительности масс-спектрометра.

На фиг. 1 приведена диаграмма стабильности для трехмерного осесиммет- ричного анализатора; на фиг. 2 - рассчитанные зависимости пронормированных относительно невозмущенного случая максимальных за время вывода значений амплитуд колебаний ионов в про- дольном направлении и их кинетичес- |сих энергий от положения рабочей точки на диаграмме стабильности при наличии дополнительного, продольного

поля на фиг. 3 - схема питания ана- лизатора по предлагаемому способу.

Если между торцовыми электродами гиперболоидного осесимметричного анализатора подать противофазную разность потенциалов, то в первом приближении эта разность потенциалов создает дополнительное продольное поле. Во время сортировки два частных решения уравнения Матье, определяющие вид траектории частицы вдоль оси Z, имеют вид:

t-ею

z,(T) Z-C r-cos (2г- -/}рт-ftf ;

Te-oe

Z(T) (2r-h/i,)T +CP,

.

где - весовые коэффициенты спектральных составляющих; tf - начальная фаза. Если в конце сортировки включить дополнительное выcoкoчacfoтнoe поле с частотой

fnpoA с,(т +/57./гЬ то это поле начнет резонировать с

соответствующей гармоникой основного поля и в решениях появ,пяются резонанные члены с амплитудой, растущей по времени. В первом приближении они запишутся как

Z CT) - KTsin(ucp)Z,(T); zIz.(T) KTcosC Mf)U2(T),

с

5 0

5

0

0

е

где К - коэффициент, определяемый

граничными условиями; utf - разность начальных фаз основного и подкачивающего сигнала. Это значит, что ионы, для которых выполняются условия резонанса, начнут быстро выводиться из объема анализатора.

На фиг. 2а показана зависимость относительной амплитуды колебаний ионов от положения их рабочей точки на диаграмме стабильности при наличии дополнительного продольного поля (7 0,44, Т 60Г, ,, 0,04). Видно, что при предлагае-. мом способе осуществляется избирательное увеличение амплитуды колебаний ионов Z по сравнению с невозмущенным случаем , что приводит к их резонансному выводу с разрешением 40 на полувысоте пика. При резонансе увеличивается как координата резонансных частиц, так и их энергия (см. фиг. 2б). Разрешение по энергиям на уровне 1/2 порядка 60. В таком случае, если за выходным торцовым электрод ом расположить селектор по энергиям, то можно дополнительно увеличить разрешающую способность прибора. Так как при наложении не- :Скольких сепарирующих процессов общее разрешение определяется произведением разрешений каждого из них в отдельности, то общее разрешение в рассматриваемом случае будет 2400 на полувысоте массового пика. Поскольку сам процесс селективного дывода начинается с некоторого момента времени, то разрешение можно несколько повысить введением дополнительной сортировки по времени пролета, так как резонансные ионы имеют большую энергию и поэтому выйдут из анализа- с тора первыми.

Если накопление и сортировку частиц в -анализаторе, осуществлять при малом угле наклона линии развертки спектра масс (даже при - О (см. фиг. О), то к моменту начала селективного вывода в рабочем объеме анализатора находится широкий спектр ионов, обладающих, в основном, значительно меньшими амплитудами колебаний, чем при традиционной работе у вершины диаграммы стабильности (в 2-3 раза при начальной фазе образования гГ/2). В этих условиях можно, перестраивая частоту продольного до5

0

полнительного поля, по усмотрению оператора селективно выводить нужные ионы в сторону детектора в нужной последовательности, практически не изменяя количество удерживаемых ионо других масс. Чувствительность прибора при этом соответственно в 2-3 раза выше, чем при работе традиционным способом. Так как при вызванном пред ложенным способом резонансе увеличиваются в основном лишь продольные составляющие амплитуд и скоростей колебаний частиц и практически не изменяются радиальные, то при выводе резонансные ионы выходят из-анализатора с малыми углами, что облегчает сбор их на вход детектора и соовет- ственно способствует повьппению чувствительности масс-спектрометра.

Для реализации предлагаемого спр- соба достаточно, как это показано на фиг. 3, где изображены кольцевой и торцовые 2 электроды, подсоединить торцовые электроды 2 анализатора к парофазному выходу генератора высокочастотного напряжения 3 с изменяемой частотой. На кольцевой электрод 1 подается высокочастотный сигнал от перестраиваемого по частоте генерато ра 4 с постоянной составляющей от генератора 5.

Предлагаемый способ позволяет следующее.

На порядок увеличивается разрешение масс-спектрометров типа трехмерной ловушки за счет наложения несколких процессов сепарации: сортировки по удельным зарядам, традиционной для данных приборов, сепарации по энергиям, сепарации по времени пролета и резонансной сепарации в дополнительном продольном высокочастотном поле.

Более чем в 2-3 раза увеличивается чувствительность масс-спектромет- .ра за счет уменьшения углов вылета ионов из анализатора и уменьшается угол наклона линии развертки спектра масс во время традиционной сортировки частиц по удельным зарядам.

Резко расширяются функциональные возможности масс-спектрометра за сче появления возможности избирательно.

по усмотрению оператора, выводить ионы из анализатора, что, например, позволяет использовать такой прибор для нанесения композиционных пленок и их легирования в микроэлектронике путем ионной эпитаксии и имплантации.

Формула изобретения

1. Способ анализа ионов в гипер- болоидном масс-спектрометре типа трехмерной ловушки, заключающийся в ионизации г аза в рабочем объеме анализатора, сортировке образующихся ионов и выводе анализируемых частиц в измерительное устройство, отличающийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и чувствительности, вывод анализируемых частиц осуществляют селективно путем создания в рабочем объеме анализатора дополнительного продольного высокочастотного поля с частото продМ

«род,

fe(r +

Р,/2),

где fg - частота рабочего высокочастотного напряжения, подаваемого на электроды анализатора

г - целое число, включая 0; (2 параметр стабильности траектории анализируемых ионов, определяемый положением их рабочей точки на диаграмме стабильности.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время вывода дополнительно производят сортировку выходящих из анализатора ионов по энергиям.

3.Способ по п. 1,отличаю щ и и с я тем, что во время вывода дополнительно производят сортировку выходящих из анализатора ионов по времени пролета.

4.Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время вывода осуществляют изменение частоты ополнительного высокочастотного продольного поля f,

прол

0.7 0,9д,

Изобретение может быть использовано в приборостроении при производстве гиперболоидных масс-спектрометров типа ионной ловушки, а также в исследовательских лабораториях. использующих данные устройства. Цель изобретения - увеличение разрешающей способности и чувст1вительности гиперболоидных масс-спектрометров типа ионной ловушки. Способ заключается в том, что вывод отсортированных в устройстве ионов осуществляют за счет действия дополнительного продольного высокочастотного поля. При этом происходит дополнительная селекция ионов в анали заторе и выводятся ионы, дЛя которых выполняется условие резонанса дополнительного высокочастотного поля с соответствующей гармоникой основного поля. Для более тонкого разделения отсортированных в анализаторе ионов используют дополнительное разделение их по энергиям и времени пролета, либо проводят изменение частоты дополнительного поля во время вывода ионов. 1 с и 3 з.п. ф-лы, 3 ил. (Л

i/lff уОтн.еЗ

а

as 0.6 a q. 0.5 o 0.7

Фие.2

fpus.l

l/Пн. отн. eS

т zoo .