Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре Советский патент 1991 года по МПК H01J49/40 

о ю

ю о

ел

Изобретение, относится к приборостроению средств автоматизации исистем управления, в частности к технике масс-спектрометрии. Целью изобретения является уменьшение временной дисперсии массовой линии, связанной с дисперсией начальных скоростей ионов. Способ обеспечивает пространственно-временную фокусировку ионов, имеющих различные начальные скорости движения, не превышающие заданную величину. Устройство, реализующее способ, содержит ионный источник с электронной пушкой 1, заземленную сетку 2, ускоряющую сетку 3, генератор 4 выталкивающих импульсов, генератор 5 отклоняющих импульсов, отклоняющие пластины 6 поперечного электрического поля, приемник 7 ионов, импульсный усилитель 8 и осциллограф 9. Для устранения влияния ионов, имеющих начальную скорость выше заданной, предусматривается их отклонение в беспо- левом промежутке. 4 ил (Л С

фигЗ

1 юбр н ние относится к приборостроению rp°/V in автоматизации и систем упрякления, в ччгпкхти к технике млсс-сцекрометрии

Цепь изобретения уменьшение вре- меннои дисперсии выработанной массовой линии, связанной с дисперсией начальных скоростей ионов

На фиг, изображена геометрическая схема времяпролечного масс-спектрометра, плоскость ионизации; на фиг.2 - график зависигиосги выталкивающего импульса электрического поля U(t) - EI(i) (lot - оз); на фмг.З - структурная схема времяпролетного масс-спектрометра, реализующего предлагаемый способ формирования массовой линии; на фиг.4 - структурная схема электронною блока, с помощью которого вырабатывается импульс U-U(t) в соответствии с временной записимостью согласно предлагаемому способу.

Устройство, реализующее предлага- ем ыи способ (фиг 3) содержит ионный ист очник с электронной пушкой 1, заземленную сегку 2, ускоряющую сетку 3, генератор 4 выталкивающих импульсов, генератор 5 отклоняющих импульсов, отклоняющие пластины 6 поперечного электрическою поля, приемник 7 ионов (ВЭУ), импульсный усилитель 8, осцилло- граф 9

Заземленная сетка 2 расположена меж- лу ускоряющей сеткой 3 и приемником 7 иояов. Поток электронов из электронной пушки 1 создав плоскость ионизации в ис- го шике ионов, расположенную между уско- ряющей 3 и заземленной 2 сетками, Отклоняющие пластины б расположены в бесполевом пространстве вблизи сетки 2 перпендикулярно плоскости сетки 2.

Выход синхронизации генератора 4 вы- галкивающих импульсов соединен с входами синхронизации электронной пушки 1, генератора 5 отклоняющих импульсов, осциллографа 9, а второй выход подключен к ускоряющей сетке 3 Приемник 7 ионов че- рез импульсный усилитель 8 соединен с входом осциллофафа 9,

Генератор выталкивающих импульсов (фиг.4) состоит из кварцевого резонатора 10, генератора 11 запускающих импульсов, генератора 12, счетчика 13 времени, ПЗУ 14, ЦАП 1Ь, счетчика 16 масс, перемножителя 17, выходною усилителя 18.

Генератор 11 запускных импульсов подсоединен к входу запуска счетчика 13 вре- пени, к входу счетчика 16 маге и к выходу синхронизации генератора 4, выталкивающих пмпульгоп Кварцевый резонатор Ш подключен к (рнррягору 12, выход которого соединш in гч гнып входом 13.

Выход счетчика 3 СОРПППСН г вуодом ПЗУ 14 которого подключен к выходу ЦЛП 15 Выход ЦАП 15 подключен к первому входу, а выход счетчика 16 масс - к второму входу перемножителя 17. Выход перрмножителя 17 подсоединен к входу усилителя 18, выход которого является функциональным выходом генератора 4,

Импульсами с генератора 11 запускается счетчик 13, который подсчитывает импульсы с генератора 12, частота которых определяется кварцевым резонатором 10. При этом перебираются все ячейки ПЗУ, в которых записаны отсчеты сигнала, который необходимо сформировать в заданные моменты времени. Коды поступают на ЦАП. который преобразует их в аналоговый сигнал, представляющий собой ступенчатую функцию и поступающий на вход умножителя 17 (коэффициент умножения пропорционален коду счетчика масс и равен номеру массы). Пройдя через умножитель, сигнал усиливается в блоке 18 усиления до необходимой величины и сглаживается.

Перебор масс осуществляется изменением состояния счетчика 16 на 1 в момент формирования импульса с генератора 11.

Изохронность пролета ионов со скоростями , где Vrp - граничная скорость ионов, т.е. скорость ионов, пролетающих ускоряющий промежуток loi за время to,в предлагаемом способе обеспечивается тем, что ионы, имеющие большую начальную скорость, вылетают в бесполевое пространство со скоростями Vi2, меньшими, чем ионы, имеющими меньшую начальную скорость,

Временную зависимость E(t) находят из уравнений движения ионов в переменном поле и условия изохронности пролете ионов до приемника ионов

х ЧР-«

Начальные условия: при , Хо-0; V(0) - V0

Обозначим S-fj-® w(t),

m

тогда

u

(2)

Viz /w (t ) dt + V0,

0

где Vi2 - скорость вылета в бесполевое пространство;

ц момент вылета иона в бесполевое пространство.

Время ti определяется из уравнения

tlT

loi V0ti (t)dt dr(3)

о о Тогда получим

v/tir

1

W

n(T-tO

Соотношение ( О дает искомый закон ускорения, а значил и временную зависимость для импульсз электрического поля. Поскольку при tr-0 w(0}-- «.то для физической реализации данного способа ускорения ионов в течение времени to ускорение WQ необходимо брать постоянным, а затем с момента времени изменять ускорение w(t) в соответствии с законом.

Ионы, вылетающие в бесполееое пространство раньше времени to, будут отклоняться поперечным полем Е в поперечном направлении и не б/дут участвовать в формировании массовой линии времяпролетно- го масс-спектрометра. Таким образом, в отличие от известного способа формирования массовой линии в предлагаемом способе в формировании массовой линии участвуют все ионы с начальными скоростями VoSVrp, где Vrp - граничная скорость фокусирования, а ионы со скоростями . не обладающие изохронностью пролета, в формировании массовой линии не участвуют. Предлагаемый способ формирования массовой линии полностью устраняет временную дисперсию массовой линии, связанную с дисперсией начальных скоростей.

При формировании массовой линии во времяпролетном масс-спекгрометре, кроме уменьшений временной дисперсии массовой линии, принципиально важно, чтобы в формировании ее не участвовали ионы с другой массой mi.

Можно доказать, что предлагаемый способ формирования массовой линии удовлетворяет этому условию.

Пусть выталкивающий импульс E(t) настроен на ионы с массой тд . Тогца уравнение движения для иона с

массой т&тд (5)

+ 12|,

Wto

Ч } То -И I

будет иметь вид.

(t ),

где

f Eo,

E(th .

( .. , -, Tcq(Tf)-t)2

Начальные условия: при , X(0)0, V(0)Vo.

Интегрируя уравнение движения (5) и выражая Vo через ti (момент еылета в беспо- левое пространство со скоростью Via), можно получить выражение для скорости Vi2 как функцию Ид

., пд V12-,oi--n

Базовое время пролета Т для изохрон ной массы ггуг определяется соотношением

112

Т 5 Ы-тт:- 7

. 01 , W0to 2

(6)

5

0

Таким образом, время пролета Т ионов с массой m будет равно

. m

I n md t1 12 0to,--. - --....-.

Так как время ц зависит от начальной скорости /о. т.е. (Vo), то из выражения (2) следует, что для ионов с массой t- (Г, и наоборот, при .

Можно показать, что для ионов с массой время пролета Ti. Т.

Ионы с массой , которые вылетают в бесполевое пространство в течение о времени to, будут отклоняться от продольного направления поперечным полем EL. действующим в течение этого времени, в приемник ионов не попадут, а значит, не будут принимать участие в формировании массовой ли- 5 нии во времяпролетном масс-спектрометре.

Изменяя параметры выталкивающего импульса электрического поля E(t), можно формировать массовые линии с разной массой т. Параметры to. Eo влияют на величину 0 граничной скорости Vrp временной фокусировки, так как

v/ - о1 m p Ь(о)

Vrp-75- to тг(о)

to 2т 2

При увеличении длительности to граничная скорость Vrp уменьшается.

При увеличении начальной напряженности Ео граничная скорость Vrp также уменьшается. Характерной особенностью временной зависимости выталкивающего импульса (t) является скачек в момент tMQ. Величина скачка (to)-Ep. ЕслиЛЕ 0 (условие непрерывности в момент ),TO граничная скооость

Vrp- 0 ()2

Таким образом если функцию E(t) реализовать непрерывным способом, то область фокусирования ионов сдвигается в область отрицательных скоростей.

В качестве конкретного примера, реализующего предложенный способ, использовался времяпролетный масс-спектрометр со следующими параметрами: см: 1,2-9см; 1о 10мкс; Tf-ИООмкс.

Закон изменения напряжения выталкивающего импульса имеет вид

О, 0 t to

( (9

i д Л, томный номер иона с i-й массой, а. е. м.,

inn - атомная единица массы; q - заряд иона.

Подставляя выбранное значения параметров масс-спектрометра, получим для иона водорода U(to)3,46 В, для иона с АгЮО а.е.м. U(to)346 В. При этом точка расположения массовой линии на временной оси будет также равна Тюо 10 мкс.

Формирование массовой линии во вре- мяпролетном масс-спектрометре осуществляется следующим образом.

В источнике 1 ионов потоком электронов hV3 . образуемых в течение короткого времени (0,05-0,1мс), ионизацией атомов создают ионы в узкой зоне (1-2 мм) в плоскости X---Q. Ионы, имеющие начальную скорость VQ, ускоряют с помощью выталкивающего импульса, который подается на сетки 2-3 с генератора выталкивающих импульсов, вырабатывающего импульс U(t) в соответствии с законом изменения его напряжения во времени, предложенным в предлагаемом способе формирования массовой линии во времяпролетном масс-спектрометре (фиг.2). Ионы, вылетевшие в бесполевое пространство, в течение времени от нуля до to отклоняют поперечным полем Е , которое создается генератором 5 отклоняющих импульсов при подаче импульса на отклоняющие пластины 6. Отклоняющий импульс имеет прямоугольнуюформу, амплитуду200 В и длительность to.

Причем в приемник 7 ионов приходит в расчетное время только заданная масса, т.е. массовая линия содержит одну массу, все другие массы приходят раньше или позже по ппемени. Ионный импульс исследуемой массы усиливается импульсным усилителем 8 и регистрируется осциллографом 9. Для исследования другой массовой линии необходимо изменить амплитуду выталкивающего импульса, причем зависимость ее от номера массы ионов является линейной.

Использование предлагаемого способа формирования массовой линии во времяп- ролетном масс-спектрометре позволяет по сравнению с существующими повысить разрешение по массе независимо от ее номера и дисперсии начальных скоростей ионов, что невозможно достичь ни одним из известных способов фокусирования массовой линии.

Другим достоинством предлагаемого способа формирования массовой линии во времяпролетном масс-спектрометре является возможность сжатия диапазона изменения напряжения ij(t)sa счет дополнительного измерения нромени Т совместно с амплитудой U(to). Это ныгокает из соотношения

UM-PAll(10)

to ( Т - to )2

где

В.С2.

q TH

Тц- положение массовой линии ионов водорода Н,С;

гпн масса атома водорода, кг, При выбранных параметрах масс-спектрометра U(to)346 В

Таким образом, развертывание масс в данном масс-спектрометре можно осуществить следующим образом.

В диапазоне масс Ai 1-100 а.е.м.

U(,46-346B;T(5r 10 мкс const; toH мкс. В диапазоне масс АгЮО-10000 а.е.м. U(to) 346 B const, TH VAT; toi THVA/10,T3K что 20 T 5| 10-1000 мкс: to 1-100 мкс.

Формула изобретения Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре, включающий ионизацию атомов в источнике ионов, ускорение ионов с помощью выталкивающего импульса однородного электрического поля, дрейф ионов в беспо- левом пространстве и регистрацию ионов в приемнике ионов, отличающийся тем, что, с целью уменьшения временной дисперсии массовой линии, ионы ускоряют выталкивающим импульсом электрического поля, временная зависимость которого имеет вид Ео.

EW-

.« q t (т -t )2

параметры Е0, to связаны соотношениями

5

0

5

0

г--

112

loi , q Eo to

Н

to

5

0

5

/ 01 Vrp--

V

2 m q Eg t0 2m

rqe Eo - напряженность электрического no-1 /гя. В/м;

m- масса иона, кг;

q- заряд иона, К;J

Т- точка расположения массовой линии на временной оси, с;

п длина бесполевого пространства; м;

loi расстояние от области ионизации до бесполевого пространства, м;

to длительность, в течение которой напряженность поля постоянна во времени.с;

Vrp - скорость иона, пролетающею ускоряющий промежуток loi за время t0 (м/с) характеризующая максимальную энергию

6)

///77//7-Ч--н-f--М-i-(-t-(-i-(-h

Ota -I

7 Фиг. 2

CD

фиг.4Составитель В. Кащеев Редактор А. Маковская Техред М.Моргентэл

фиг.1

U(to}

Uo

10

-1-1.

Iff

7 Фиг. 2

Корректор А.Осауленко