Ионно-циклотронный резонансный масс-спектрометр Советский патент 1991 года по МПК H01J49/38 

Изобретение относится к научному приборостроению, к технике масс-спект- рометрии и преимущественно может быть использовано в технике исследования механизмов и кинетики ионно-молеку- лярных реакций, прецезионного измерения масс ионов, анализа и идентификации веществ и их смесей,

Целью изобретения является увеличение чувствительности и разрешающей способности и улучшение воспроизводимости результатов, а также упрощение интерпретации масс-спектров,

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства , на фиг. 2 - поперечное сечение измерительной ячейки спектрометра (в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля В), а также схема соединения боковых -электродов (для случая п 24) .

Измерительная ячейка спектрометра содержит торцовые пластины 1,2 удержания ионов, бокогые электроды 3 возбуждения и детектирования, источник 4 ионов; входные клеммы 5,6 цепи возбуждения, выходные клеммы 7,8 цепи детектирования,

Устройство работает следующим образом.

Источник ионов 4 создает жгут ионов, расположенный в центре измерительной ячейки. На пластины 1, 2 удержания ионов подают постоянный потенциал, обеспечивающий удержание ионов в ячейке. Входные клеммы 5,6 цепи возбуждения подключают к генератору переменного напряжения г частотой, равной циклотронной чл трте СОС исследуемых ионов. В ре туч, -л re действия переменного радиоч;ь-1. ного напряжения в ячейке сш кггомс-тра обО500 4

00 ОО

ю

радуется вращающийся жгут ионов, который создает наведенный заряд в детектирующей цепи. Наведенный заряд при движении жгута ионов перераспределяется по системе боковых электродов, что приводит к наличию выходного переменного тока с частотой в п/4 раз больше, чем циклотронная частота ионов. Выходной ток снимается с клем 7,8 детектирующей цепи и попадает в электронную систему обработки данных ,

Такое расположение детектирующих и возбуждающих электродов, а также их электрическое соединение позволяе улучшить воспроизводимость результатов и упростить интерпретацию масс- спектров, так как это устраняет асимметрические гармонические состав- ляющие в сигнале ИЦР,

Наличие в устройстве цепи возбуждения, состоящей из п/2 боковых элекродов, позволяет создать электрическое поле, которое осуществляет равномерное раскручивание ионов во всем объеме измерительной ячейки. При таком возбуждении возможно получить вращающийся недеформированный жгут ионов для радиусов вращения сравнимых с радиусом ячейки, что повышает разрешающую способность прибора. При этом возникает необходимость удержания вращающегося жгута ионов на периферии ячейки. Такое удержание возможно только при отсутствии заметного провисания электрических полей, создаваемых боковыми электродами и торцовыми пластинами удержания, на траектории движения ионов

- г,

где Д - расстояние между электродами;

г - радиус вращения жгута ионов.

Увеличение радиуса циклотронного движения вызывает резкое увеличение сигнала ИЦР, а следовательно, и чувствительности, тогда когда расстояние до детектирующих электродов меньше их поперечных размеров R-rс и , где | поперечный размер электродов.

Повышение чувствительности прибора требует раскручивания ионов до периферийных областей ячейки спектрометра и определяет требование на ее конструкцию

Д с R-rmax :.

Пример, Рассмотрим предлагаемое устройство с восемью боковыми электродами (п 8). С целью выяснения и оптимизации основных метрологических характеристик устройства (разрешающей способности, чувствительности) проводилось моделирование электрических полей на ЭВМ, Для возбуждения циклотронного движения ионов к клеммам возбуждающей цепи подводится переменное радиочастотное напряжение, в результате которого в ячейке возникает электрическое поле, величи5 на которого определяется граничными условиями на электродах ячейки и уравнением Лачласса,

Эффективность поля возбуждения ог.еделяется величиной энергии, прио обретаемой ионами за период обрягае ия

W(r) | (grad Cf dl),

О где интегрирование производится по

окружаности Сг, Численное моделирова- 5 ние показывает, что величина приобретаемой ионом энергии за период в пределах 10% не зависит от радиуса вращения ионов г (при изменении г от 0 до 95% от радиуса ячейки R) и р следовательно, в предлагаемом устройстве возможно раскручивать ионы до орбит с радиусом вращения, близким к радиусу ячейки.

Движение ионов на периферии ячейки также моделировалось численно на ЭВМ с целью улучшения удерживающих свойств измерительной ячейки, а следовательно, и увеличения разрешающей способности устройства, при этом варьировались размеры боковых электродов. Показано, что увеличение разрешающей способности приводит к условию на расстояние между электродами Д. 5A R-rma, )

где максимальный радиус удержания ионов.

Таким образом предлагаемое устройство позволяет осуществлять воэ- 0 буждение циклотронного движения до радиусов, близких к радиусу ячейки, и эффективно удерживать вращающийся жгут ионов.

Рассмотрим теперь процесс регист- 5 рации сигнала ИЦР, При движении

жгута ионов происходит перераспределение зарядов на детектирующих электродах, которое вызывает ток в цепи, поступающий с клемм в электрон5

0

s168

ную систему управления экспериментом и обработки данных. Детектируемый ток определяется из условия равенства потенциалов на боковых электродах спектрометра и колеблется с частотой в дна раза больше циклотронной

КО sin(2coet +q, г «с R,

где Q - суммарный заряд ионов в жгуте.

Для амплитуды регистрируемого сигнала справедлива следующая оценка:

т 49Уе ЕШ1 J-тлу /f 1-(r/R)

max

из которой видно, что амплитуда ре- гистрируемого сигнала (а, следователно, и чувствительность устройства) резко возрастает при увеличении радиуса вращения ионов: г R. Максимально допустимый радиус удержания ионов определяемого условия

AtR - rmay ±8.

Улучшение воспроизводимости результатов достигается за счет того, что при регистрации сигнала ИЦР распределение зарядов на детектирующих и возбуждающих электродах удовлетворяют группе преобразований симметрии Cuh (т.е. симметрично относительно поворотов на 90°). За один оборот жгута ионов вокруг оси происходит четыре раза перераспределение зарядов между детектирующими и возбуждающими электродами, что соответствует удвоению регистрируемой частоты в предлагаемом устройстве, при этом не возникает гармонических составляющих в сигнал ИЦР, связанных с асимметрией детектирующих и возбуждающих электродов и зависящих от конкретной конструкции ячейки.

Повышение чувствительности и разрешающей способности, достигнутое в предлагаемом устройстве, позволит

8

0

0

5

5

0 5 0

5

расширить область применения масс- спектрометрии ионно-цикчотронного резонанса, изучать малоисследованные иошю-молекулярные реакции с участием промежуточных возбужденных частиц, провести препечионннг ичмере- ния энергии покоя стабильных и нестабильных ядер. Улучшение воспроизводимости результатов упрощает процедуру интерпретации масс-спектров, так как позволяет создавать стандартные библиотеки-каталоги масс-спектров, а также пользоваться уже имеющимися ,

Формула изобретения

Ионно-циклотронный резонансный масс-спектрометр по авт.св. № 1307492, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и разрешающей способности и улучшения воспроизводимости результатов, электроды возбуждения расположены между детектирующими электродами и соединены в две диаметрально симметричные группы, количество электродов возбуждения равно количеству электродов детектирования, при этом в цепи детектирования между двумя детектирующими электродами из одной группы расположены два возбуждающих и один детектирующий электрод из другой группы, а в цепи возбуждения между двумя возбуждающими электродами из одной группы расположен один детектирующий электрод, причем расстояние между электродами удовлетворяет условию А Ј R-r wav о г гДе R Ра диус ячейки (м); mGX максимальный радиус циклотронного движения ионов (м); Ј - поперечный размер детектирующих и возбуждающих электродов (м) .

Составитель Н.Катинова Редактор Н.Каменская Техред А.Кравчук Корректор М.Самборская

Заказг,3510ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москвл, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

8

Фиг. г