Способ масс-спектрометрического анализа ионов Советский патент 1992 года по МПК H01J49/30 

Изобретение относится к физической электронике, в частности к разделению пучков ускоренных ионов по отношению их массы к заряду, называемой масс-спектро- метрией.

Известны способы разделения ускоренных ионов по отношению их массы к заряду (m/q).основанные на последовательном пропускании разделяемых ионов через однородные или неоднородные статические секторные магнитные и электрические поля, в которых ионы равной энергии, но с различным отношением m/q описывают различные траектории, чаще всего дуги окружностей, и при определенном соотношении энергии ионов, их m/q, напряженности полей и их геометрических параметров через выходную диафрагму проходят лишь ионы с определенной величиной m/q. Эти способы реализуются в известных секторных магнитных масс-спектрометрах.

Известны также способы разделения ионов по m/q, основанные на пропусканий

ионных пучков через скрещенные статические магнитные и электрические поля, в которых на выходной диафрагме фокусируются лишь ионы с определенным отношением m/q при определенных соотношениях между энергией ионов, напряженностью магнитного и электрического поля и их геометрических параметров. Примером реализации такого способа является известный фильтр Вина.

Недостатки известных способов - необходимость обеспечить большие отрезки бесполевых пространств между входными диафрагмами, сепарирующими полями и выходной диафрагмой для осуществления удовлетворительного масс-спектрального анализа, также необходимость создания магнитных полей высокой напряженности, что приводит к необходимости использовать магнитопроводы с катушками и полюс- ными наконечниками или мощные постоянные магниты, вакуумные ионопро- воды, откачка которых затруднена.

(Л

С

vi го о

о

00

Цель изобретения - повышение разрешающей способности и расширение диапазона анализируемых масс.

Поставленная цель достигается тем, что инжектируют сфокусированный пучок ускоренных ионов через входную диафрагму в пересекающиеся электрическое и магнитное поля, пропускают отклоненные ионы с определенным отношением массы к заряду через селекторную диафрагму или щель, причем сфокусированный пучок ускоренных ионов инжектируют в электрическое поле сферического конденсатора, помещенного в однородное магнитное поле, инжекцию производят параллельно силовым линиям магнитного поля, которые параллельны оси полюсов сферического конденсатора через входную диафрагму, расположенную в экваториальной плоскости сферического конденсатора, электрическое поле устанавливают путем подачи определенного потенциала на электроды сферического конденсатора так, чтобы ионы описывали круговую траекторию с центром в центре сферы, развертку по массам осуществляют путем изменения напряженности магнитного поля, а сепарацию по массам осуществляют путем пропускания отклоненного электрическим и магнитным полями пучка ионов через последовательность равностоящих диафрагм или щелей, расположенных в экваториальной плоскости.

В соответствии с этим способом, анализируемые ионы с помощью известных средств электростатической оптики формируются в пучок малого диаметра d и фокусируются на входной диафрагме. Через эту входную диафрагму анализируемый пучок ионов впускают (инжектируют) в электростатическое поле со сферической симметрией, образованное, например, двумя концентрическими сферическими поверхностями радиуса RI и R2. Если для определенности геометрических соотношений ввести ось полюсов сферы, экваториальную плоскость и меридиональную плоскость, то в соответствии с предлагаемым способом инжекция ионов осуществляется параллельно оси полюсов в меридиональной плоскости, т.е. по нормали к экваториальной плоскости, например посредине между поверхностями радиуса RI и R2.

Во всем пространстве, занимаемом сферическим электростатическим полем, в соответствии с предлагаемым способом возбуждается однородное магнитное поле, силовые линии которого параллельны оси полюсов, например, с помощью (фиг.1) соленоида, окружающего сферу и имеющего ось, параллельную оси полюсов.

Способ реализуют путем подачи на проводящие сферические поверхности напря- жений Ui и U2 в соотношении AU,

AUn ( - -§- ), где U0 К2гЧ

ускоряющее напряжение для ионов с энергией elloi и последующего увеличения напряженности магнитного поля Нот минимального значения, например, в линейной зависимости от времени.

В отсутствии магнитного поля ионы с энергией eUo описывают в меридиональной плоскости окружность радиуса R0 RI + R2 .

2

При возбуждении магнитного поля ионы отклоняются подде йствием силы Ло- ренца F, равной , где V скорость иона.

Суммарное действие электрического и магнитного поля может быть представлено как движение иона в меридиональной пло- скости, которая сама поворачивается относительно оси полюсов. Для строгого описания такого движения иона решают связанные дифференциальные уравнения движения вида:

mx qVyHz+qEx;(1)

my -qVxHz+qEy; ,

(2) (3)

где m - масса иона;

q - заряд;

Н - напряженность магнитного поля; Ex,Ey,Ez - компоненты напряженности электрического поля.

В аналитическом виде решить эти уравнения невозможно и нужно применять численные методы. Однако для обоснования предлагаемого способа достаточно приближенной оценки, основанной на рассмотрении проекции траектории ионов на экваториальную плоскость (фиг.2).

Если ион с энергией qU0 и скоростью

Vc

m

движется в экваториальной плоскости в магнитном поле Н, то под 5 действием силы Лоренца траектория становится дугой окружности с радиусом

М, где М - массовое число иона, а.е.м., Н - напряженность поля, Т, а конечное угловое отклонение ме2Rnридиональной плоскости 2 0 --из

Rm

простых геометрических соображений 5 (фиг.2).

Поворот меридиональной плоскости обеспечивается действием силы Лоренца eV0H на расстоянии 2R0, поэтому 2 0 eV0H2R0. При движении ионапоокруж- 10 ности радиуса R0 проекция V0x, ответственная за возникновение силы Лоренца, действует на расстоянии л R0 в верхнем полушарии. Поэтому угол поворота должен быть пропорционален величине eVH 15 л / sin CR-Rcos p) eV0H 2R0, т.е. угол

о

поворота меридиональной плоскости должен быть тем же.20

В подтверждение правильности вышеприведенных оценок на фиг.З показаны результаты строгого численного решения дифференциальных уравнений движения ионов в соответствующей предлагаемому 25 способу конфигурации полей. Поворот траектории в нижнем полушарии происходит в противоположном относительно оси полюсов направлении, поскольку сила Лоренца меняет знак, в результате чего ион описыва- зо ет траекторию, которую можно назвать сферической спиралью, причем после поворота в нижнем полушарии ионы приходят на экватор в точке, отстоящей от точки инжекции

- я а

на угол, равный 4 0 --.J0

Km

Размещение в точке пересечения траектории ионов с экваториальной плоскостью щели определенной ширины позволяет пропустить для дальнейшего движения лишь 40

ионы с определенным диапазоном -, т.е.

q

осуществить сепарацию по массам.

Выделенный пучок совершает следующий оборот, поворачиваясь снова на 4 9, что 45 приводит к дополнительной дисперсии по массам. Размещение в экваториальной плоскости последовательности равноотстоящих щелей или диафрагм позволяет выделить из потока ионов и пропустить на 50 детектор ионов лишь те из них, которые имеют определенное m/q при данной энергии и напряженности поля. В соответствии с предлагаемым способом положения диафрагм или щелей фиксировано, а развертку 55 по массам осуществляют путем вариации напряженности магнитного поля.

Поскольку условием пропускания является поворот траектории на угол 2 в за один

полуоборот, причем 2 0

2RC

, a Rm

m

1/ UoM , то условие пропускаУ4,83-107Н2

ния соответствует M/H2 K const, т.е. шкала масс является квадратичной функцией поля, а масс-спектральное разрешение должно быть постоянным и пропорциональным числу оборотов в сферическом поле.

Величина К определяется из значения поля Н, соответствующего .

П р и м е р . В электрическое поле радиуса ,04 м впускаются ионы с массовым числом , единичным зарядом с энергией 1000 эВ, а магнитное поле устанавливается равным Т.

В этом случае

М

Н2 502 10 8

4 104.

При инжекции ионов с массовыми числами, например, 99 и 100 и поле, настроенном на пропускание ионов с , при М/Н2 4-104Н 500-10 4Т.

Первое смещение вдоль экваториальной окружности за полуоборот (фиг.2)

2R

ALo,5 Ro р ° . а за полный оборот

Rn

ДЦ

4RS

R

m

Смещение за N оборотов равно N . Разность смещений ионов с разными М

dLM N (ALivn-ALM2)4NR2x

(

mNi

RmN

) 4NRoX

1/4.83 107Hfli2 , 11 ,

xfiv CVW VWJПри подстановка указанных численных значений дает .SS мм.

Масс-спектральное разрешение в этом случае

М м dLM.Mb ДМ 2 S

При ,35 мм, М/ Д , и этот показатель указывает на работоспособность предлагаемого способа даже при

весьма умеренных физических и геометрических параметрах.

Результаты прямого компьютерного измерения A L для разных М показано на фиг.4.

Поскольку в соответствии с предлагаемым способом магнитное поле однородно и имеет относительно небольшую напряженность, то оно может быть легко получено без применения ферромагнит- ных магнитоприводов, а например, с помощью простого соленоида, ось которого параллельна оси полюсов. Напряженность поля может быть в этом случае рассчитана по величине тока, числу витков и размерам соленоида, т.е. легко может быть достигнута относительная погрешность в измерении и воспроизведении поля на уровне 10 -10 .

Предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет повысить точность масс-спектрального анализа за счет исключения трудно контролируемых геометрических параметров взаимного расположения магнитных и электрических полей, бесполе- вых пространств и диафрагм или щелей, уве- личения радиуса траектории ионов в магнитном поле, увеличения суммарной длины пролета ионов в полеобразующих пространствах, что при уменьшении напряженности бесполевых пространств по- зволит уменьшить габариты самого масс-спектрометра.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ масс-спектрометрического анализа ионов, по которому сфокусированный пучок ускоренных ионов через входную диафрагму инжектируют в скрещенные электрическое и постоянное магнитное поля, осуществляют развертку по массам изменением магнитного поля, пропускают отклоненные ионы с анализируемым отношением массы к заряду через селекторную диафрагму и детектируют анализируемые ионы, о т- личающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и расширения диапазона анализируемых масс, в качестве электрического поля используют поле сферического конденсатора, ось полюсов которого параллельна силовым линиям магнитного поля, инжекцию пучка ионов осуществляют параллельно силовым линиям магнитного поля, а входную диафрагму располагают в экваториальной плоскости сферического конденсатора, потенциалы на электродах сферического конденсатора устанавливают из условия движения ионов по круговой траектории, при этом выделение ионов определенной массы осуществляют путем пропускания отклоненного электрическим и магнитным полями пучка ионов через последовательность равноотстоящих диафрагм в экваториальной плоскости.

Изобретение относится к физической электронике, в частности к разделению пучков ускоренных ионов. Целью изобретения является повышение разрешающей способности и расширение диапазона анализируемых масс. Для разделения ионов используют скрещенные электрическое и магнитное поля. При этом электрическое поле создается посредством сферического конденсатора. Ионы инжектируют в анализатор вдоль магнитного поля.. Выделение ионов заданной массы осуществляется с помощью системы равноотстоящих диафрагм, расположенных в экваториальной плоскости анализатора. 4 ил.

Фиг.1

Фиг. 2

н

У Фиг.3

Точка инжекции фи