Квадрупольный масс-спектрометр Советский патент 1990 года по МПК H01J49/42 

Изобретение относится ко вторичной ионной масс-спектрометрии и может быть использовано при регистрации положительных и отрицательных ионов. Целью изобретения является повышение чувствительности и снижение габаритов. Пучок разнополярных ионов из источника 1, отсепарированный по массе квадрупольным анализатором 2, попадает через его выходную диафрагму 3 на входную диафрагму 4 и входную щель 8 квадрупольного конденсатора, ось которого ориентирована перпендикулярно оси анализатора 2. Величина поперечного размера входной диафрагмы 4 квадрупольного конденсатора D≤0,34 R_о - радиус поля квадрупольного конденсатора. Положительные ионы через выходную щель 9 конденсатора попадают на вторично-электронный умножитель (ВЭУ) 15, отрицательные ионы через выходную щель 11 конденсатора - на ВЭУ 16. 4 ил.

о

i о

л О

-0,7 ОМ

7

Т

16

Фиг.1

Изобретение относится к технике квад- р|упольной масс-спектрометрии, предназначено для вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) при регистрации как положительных, так и отрицательных ионов, и наиболее эффективно может быть использовано в газовой хроматографии при быстропеременном анализе положительных и отрицательных ионов молекул.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение чувствительности и быстродействия квадру- Иольного масс-спектрометра.

На фмг.1 изображен предлагаемый к|вадрупольный масс-спектрометр; на фиг.2 - геометрия полезадающих электродов; на фиг.З - граничные траектории положитель- |ыx ионов; на фиг.4 - траектории ионов, летающих под разными углами относи- т;ель.но прямой у х.

; Квадрупольный масс-спектрометр со- 4ержит источник 1 ионов, квадрупольный Анализатор 2, выходную диафрагму 3 анали- а|атора, входную диафрагму 4, диафраг- Н1Ы 5-7 квадрупольного конденсатора, входную щель 8, выходные щели 9-11 кон- Денсатора, электроды 12 квадрупольного Конденсатора, керамическую втулку 13, маг- Йитный дефлектор 14, ВЭУ 15 для регистра- 1,ии положительных ионов, ВЭУ 16 для регистрации отрицательных ионов, делите- /1И 17 и 18 напряжений на пластинах ВЭУ, источники 19 и 20 питания ВЭУ, цилиндр 21 Фарадея и источник 22 питания квадру- г|ольного конденсатора. I Величину зазора между магнитами де- (Ьлектора 14 в напрвлении, параллельном ионно-оптической оси квадрупольного дефлектора, выбирают не менее RO, где RO - радиус поля дефлектора 14.

Квадрупольный масс-спектрометр ра- (5отает следующим образом.

.Пучок разнополярных ионов из источника 1 (фиг.1) попадает в квадрупольный с жализатор 2, где происходит сепарация ионов по массам. Отфильтрованный пучок ионов с заданной массой через выходную диафрагму 3 анализатора 2 попадает на входную диафрагму 4 и входную щель 8 квадрупольного конденсатора. Далее в области поля квадрупольного конденсатора происходит отклонение пучка ионов в зависимости от их знака на угол 90° от первоначального направления. При указанной на фиг.1 полярности электродов положительные ионы через выходные щель 9 и диафрагму 5 конденсатора попадают в йытягивающее поле ВЭУ 15, а отрицательные ионы через щель 11 и диафрагму 7 на

ВЭУ 16. Далее ионные токи, преобразованные с помощью ВЭУ в электронные, поступают на регистрирующую аппаратуру (не показана).

При больших величинах выходных токов

однополярных ионов целесообразно в качестве коллектора использовать цилиндр 21 Фарадея. В этом случае регистрируемый пучок ионов проходит через квадрупольный

конденсатор без отклонения, что достигается установкой равного потенциала Uo на всех четырех электродах 12, и через щель 10 и диафрагму 6 попадает в цилиндр 21 Фарадея,

Выбор режима работы и определение конструктивных параметров квадрупольного дефлектора широких пучков осуществляется из следующих соображений.

На фиг.2 дана геометрия полезадающих

электродов электростатического квадрупольного конденсатора, где изображены электроды 12.1 и 12.3, находящиеся под потенциалом + и, электроды 12.2 и 12.4, находящиеся под потенциалом - U, траектории 23

и 24 положительного и отрицательного иона соответственно, радиус RO поля, причем R 1,15 RO радиус электродов 12.1 - 12.4, координаты X, у, скорость; vo иона, влетающего в квадрупольный конденсатор, и величина поперечного размера S щели.

Потенциал (f) в межэлектродной области (фиг.2) относительно точки рождения ионов определяется выражением

V(x,(x2-y2) + Uc

RO

(1)

где и - величина напряжений, прикладываемых к противоположным электродам разной полярности (фиг.2):

RO - радиус поля (окружности, вписанной между четырьма электродами (фиг.2);

X, у - координаты точки плоского поля.

Уравнения траектории движения положительного иона в области поля, определяемого (1), имеют вид: 5„

Vx

Vv

X (t )xocosQ + - sInQt; у (t ) Q t -f h Q t,

(2)

Q где Xo, УО, Vx и vy- начальные значения координат и составляющих скорости иона;

(3)

где m и е - масса и заряд иона.

Для определения величины U потенциалов электродов квадрупольного конденсатора будем исходить из требования: ион с энергией evo, влетая по прямой (фиг.2).

должен вылетать из конденсатора по прямой у -X.

В качестве электродов, апроксимирую- щих поле вида (1), и исходя из простоты их изготовления, выбираем четверть круглых стержней радиуса R 1,15 RO, как это показано на фиг, 1 и фиг.2.

Выбирая в качестве начальных координат хо уо 1,15 Ro/2 (фиг.2) и скорости иона, направленной вдоль прямойу х, конкретизируем систему (2) в форме:

sin| ;

sh ,(4)

где введены обозначения:

а 2-15 v5/2Ro; Qt; Uo V2eVo/m ,

., u : fv -1ТГ

Rr

Из системы (4) следует трансцендентное уравнение

cos ch + 1 О ,(6)

решение которого дает наименьшее значение параметра |при 1,875104,

Зная величину , из (4) и (5) получаем уравнение

21- Г р-Л

. ТГ

RC

(7)

2 sln|

откуда находим, что

и 0;803 V о.(8)

Для определения конструктивных параметров квадрупольного конденсатора используют анализ траекторий ионов, входящих в отклоняющую систему при различных условиях.

В случае широкого пучка ионов, влетающих параллельно оси у х (фиг.2), когда положение отдельного иона характеризуется величиной Н, отсчитываемой от поверхности электрода (в единицах RO), уравнения траекторий можно представить параметрически как:

X У

2

Rf

&f-.

:(1,15-H)

R --2-i(-4,,15-H)-ch|-b

+ -sh,(9)

.

Изменяя параметр Н, можно определить уравнения граничных траекторий, проходящих вблизи выходных электродов (фиг.З).

На фиг.З изображены граничные траектории положительных ионов, где показаны система координат х, у, электроды 12.1 - 12.3, траектория 25 иона, влетающего в кон

денсатор со скоростью, направленной вдоль прямой у X, и смещенного на расстояние 0,17 RO от этой прямой и вылетающего вблизи электрода 12.3, траектория 26 иона, 5 влетающего на расстоянии - 0,17 RO от прямой у X и вылетающего вблизи электрода 12.2. Анализ траекторий ионов показывает, что в расходящемся пучке пройдут через конденсатор только те ионы, 10 которые имеют начальные положения относительно оси у X на величину ± 0,17 RO.

Отсюда получаем оценку на максимальную величину поперечного размера (фиг.З) входной диафрагмы 15 d 0.34Ro.(10)

Для выбора конструктивного параметра RO будем исходить из оптимальности со- гласования эммитанса квадрупольного анализатора масс и аксептанса дефлектора. 20 Это имеет место в грубом приближении, когда поперечный размер выходного пучка ионов равен d (фиг.З).

За характерный размер выходного пучка ионов можно принять диаметр D выход- 25 ной апертуры квадрупольного анализатора (фиг.1). Практически используемый диаметр D выходной диафрагмы для получения хорошего разрешения по массам и приемлемой чувствительности составляет D 0,6zo, где 30 Го - радиус поля анализатора.

Целесообразно определить величину d входной апертуры конденсатора как d D. Отсюда получаем критерий выбора параметра RO через исходный параметр Го в со- 35 ответствии с (10) как:

.Sro.(11)

Величина RO сверху ограничена требованиями на габариты коллекторного узла.

Результаты траекторного анализа для 40 определения величины угла влета иона в квадрупольный конденсатор иллюстрируются на фиг. 4.

На фиг.4 показаны: система координат X, у, электроды 1, 2, 3 квадрупольного кон- 5 денсатора, траектория 27 ионов, влетающих под углом к прямой у X (при d 0), траектория 28 ионов, влетающих под углом-12,5°, траектория 29 ионов, влетающих под углом 12,5°.

0Траектории 28 и 29 соответствуют граничным углам-12,5° и+12,5°.

Из траекторного анализа движения уг- .лового разброса при вводе тонкого пучка ионов следует, что полный угловой разброс 5 составляете 25°. Такая величина угла а позволяет значительно увеличить пропускание квадрупольного дефлектора ионов от квадруполя к коллектору в сравнении с использованием, например, цилиндричеckoro дефлектора, имеющего те же габариты.

Так численное решение и траекторный анализ дают, что при сопоставимых разме- pjax квадрупольного и 90°-цилиндрического /дефлекторов, аналогичные величины а и dj/S (фиг.З) для цилиндрического дефлекто- р|а составляют 12,6° и 0,16 при 25 и 0,22 для К|вадрупольного дефлектора. Сопоставление этих величин указывает, что аксептанс фироких пучков квадрупольного дефлекто- р|а выше, чем двухэлектродного и, следова- т|ельно, пропускание ионов к детектору больша, Этим обосновывается повы- фение чувствительности предлагаемого ус- т1ройства.

j Формул а и зобретения I Квадрупольный масс-спектрометр, со- ержащий последовательно расположенные источник ионов, масс-анализатор, э|лектростатический дефлектор, подключенный к биполярному источнику питания, и коллекторы ионов, отличающийся тем, что, с целью снижения габаритов и повышения чувствительности, дефлектор выполнен

5 в виде квадрупольного конденсатора, ось

, которого ориентирована перпендикулярно оси масс-анализатора, причем одна из боковых щелей квадрупольного конденсатора расположена напротив выходной щели ана0 лизатора, а напротив остальных щелей квадрупольного конденсатора установлены коллекторы, перед боковыми щелями снаружи дефлектора дополнительно размещены коллимирующие диафрагмы, при этом вели5 чину d поперечного размера входной диаграммы квадрупольного дефлектора вибирают из условия d 0,34 Ro ,

0 где RO - радиус поля квадрупольного дефлектора, М.

У-/

--/

Фш.2