Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением Советский патент 1992 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к масс- спектрометрии, физической электрони ке и электронной оптике.

Известны времяпролетные масс- спектрометры с многократным отражением ионного пучка, в которых в качестве отражающих элементов используются электростатические зеркала, составленные из электродов, выполненных в виде диафрагм и трубок или в виде сетоко

Зеркала обеспечивают беспрепятственное прохождение ионного пучка, одновременную пространственную фокусировку и времяпролетную фокусировку по энергии второго порядка. Каждое отражение ионного пучка осуществляется отдельным ионным зеркалом что усложняет конструкцию прибора и накладывает определенные трудности в юстировке при реализации многокраного отражения. Многократное ртраже ние может .осуществляться двумя зеркалами. Отражение ионного пучка в них производится электростатическим

-полыми, формируемыми сеточными э л е ктродами. Проходя сквозь эти эле- ктроды, ионный пакет теряет часть

интенсивности вследствие физическо- го перекрытия пучка сетками и его рассеяния на них. Электростатические зеркала обеспечивают только времяпролетную фокусировку. С целью ввода и вывода ионов обеспечивается импульсное питание элек- тродов ионных зеркал, что накладывает дополнительные ограничения на частоту подачи анализируемых пакетов

, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является вермяпролетный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионо и два ионных зеркала, обеспечивающих многократное отражение ионного пакета Электроды каждого из зеркал выполнены в виде плоских, параллельных одна другрй сеток, находящихся под постоянными потенциала- ми. Ионные зеркала расположены по обе стороны от дрейфового.пространства и параллельны между собой.

Недостатком известного прибора является то, что на пути движения

ионного пакета расположены сеточные электроды, которые частично перекры

j

г |

. | .

10

15

20

25

7252894

вают ионный поток из-за ограниченной прозрачности и рассеивают его вслед- I ствие наличия линзовых эффектов на ячейках сетки. Кроме того, под воздействием ионного потока сами сетки заряжаются, что приводит к возникновению неконтролируемых потенциалов, ухудшающих характеристики прибора. Сетки в процессе работы подвержены таким явлениям, как провисание, перекосы, вздутие и так Далее, которые также приводят к неконтролируемому изменению электрического поля Указанные недостатки сетчатых зеркал приводят к уменьшению разрешения и светосилы, причем при многократном отражении и с учетом того, что ионный поток проходит каждую из сеток дважды, ситуация существенно усугубляется и становится непрогнозируемой. Кроме того, отсутствует пространственная фокусировка, что определяет малую его светосилу.

В известном устройстве источник и детектор ионов расположены с двух противоположных сторон пространства, занятого ионными зеркалами и дрейфовым пространством. Такое расположение исключает возможность изменения числа отражений ионного пакета без нарушения выбранных начальных параметров ионно оптической схемы. Это накладывает ограничения на аналитические возможности прибора, так как не позволяет в процессе работы варьировать величины разрешающей способности и светосилы в зависимости от условий аналитической задачи.

Целью изобретения является увеличение светосилы и повышение разрешающей способности путем обеспечения пространственной фокусировки время- пролетного масс-спектрометра с многократным отражением.

Во времяпролетном масс-спектрометре с многократным отражением, содержащем источник и детектор ионов и два ионных зеркала, состоящих из электродов, соединенных с источниками постоянного напряжения, каждый из электродов ионных зеркал выполнен в виде пары пластин, симметрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости, при- . чем источник и приемник ионов распо30

5

40

45

50

55

ложены в свободном от поля пространстве между ионными зеркалами.

Указанные зеркала создают свободный для прохождения ионов йонно-оп- тический тракт. При этом полностью устраняются такие характерные для сеточных зеркал потери разрешения и чувствительности, которые связаны с перекрытием пучка, а также с возникновением неконтролируемых зарядов. При этом при определенных соотношениях потенциалов на электродах таких зеркал наряду с времяпролетной можно обеспечить и пространственную фокусировку ионов на детектор, что устраняет указанный недостаток известного устройства и.приводит к повышению по сравнению с известным разрешающей способности и светосилы во времяпролетном масс-спектр ометре с многократным, отражением с

Расположение источника и детектора ионов в бесполевом пространстве между зеркалами обеспечивает возможность изменения числа отражений без нарушения выбранных начальных .параметров ионно-оптическои схемы и качествапространственно-временной фокусировки из-за возможности обеспечения пространственно-временной фокусировки при каждом отражении (многократная фокусировка), что расширяет аналитические возможности i прибора, так как позволяет в процессе работы, простым перемещением источника или детектора ионов варьировать величины разрешающей способности и. светосилы в зависимости от условий аналитической задачи.

Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением отличается тем, что каждый из электродов ионных зеркал выполнены в виде пары пластин-, симметрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости, причем источник и .детектор ионов расположены в свободном от поля пространстве между ионными зеркалами.

Известно использование для однократного отражения во времяпролетном масс-спектрометре одного ионного зеркала, составленного из электродов, выполненных в виде пары пластин симметрично расположенных относительно средней плоскости, которое

25289 6.

обеспечивает в плоскости детектора ионов как пространственную, так и времяпролетную фокусировку. Однако в предлагаемом устройстве два подобных зеркала используются для многократного отражения ионных пакетов во времяпролетном масс-спектрометре, причем электроды того и другого зерJQ кала определенным образом ориентированы один относительно другого - они имеют общую плоскость симметрии. Вследствие указанного появляется новое свойство, приводящее к увели5 ченетю разрешающей способности время- пролетного масс-спектрометра (специфическое расположение электродов обоих зеркал),

На чертеже представлена аналитиче0 екая часть времяпролетного масс- спектрометра с многократным отражением, общий вид.

Масс-спектрометр содержит источ5 ник 1 ионов, приемник 2 ионов, два идентичных ионных зеркала, каждое из которых состоит из электродов 3-5 и 6-8 соответственно. Каждый эле-, ктрод состоит из двух пластин а и

0 К , параллельных между собой, находящихся под одинаковым потенциалом и расположенных симметрично относительно общей для обоих зеркал средней плоскости хг, в которой находятся

центры выходного и входного окон источника и приемника ионов. Пунктирной линией показана траектория движения ионного пакета при многократном отражении . Центры входного и выходного

окон источника и приемника ионов находятся на линии СС пересечения взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии ионных зеркал (плоскости xz и ху)о

Масс-спектрометр работает следующим образом.

Ионный пакет, вылетевший из источника ионов по направлению к одному

из зеркал, отражается в нем и попадает в другое зеркало, отразившись в котором, снова попадает в поле первого зеркала и т.д. В процессе дрейфа ионный пакет расслаивается по

массам и, отразившись многократно в поле ионных зеркал, попадает в приемное окно детектора. При этом дисперсия прибора равна

D

, 9т

km эш

где Т - время прохождения ионами

участка пути, ограниченного плоскостью ху;

m - масса иона

k - число отражений в ионных зеркалах.

Положение источника и приемника ионов выбрано так, что плоскость ху в которой лежат центры входного и .выходного окон источника и приемника, совпадает с главной плоскостью времяпролетной фокусировки, в котоЭт

лТГ О причем специальным выоо

рои

kfct

CJ)

мала по сравнению

бором геометрических и электрических параметров ионных зеркал здесь же обеспечивается одновременно время- пролетная фокусировка по энергии

а т

второго порядка ---- 0 и простЭЕ9 у

ранственная фокусировка О

ор

ионного пучка в направлении, перпендикулярном к средней плоскости xz, где Ј - начальный разброс энергий в пакете относительно средней энер- гии Р - начальный угол расходимости ионного пакета в плоскости yz.

При этом разрешающая способность равна

Т R kT((5))где fit - начальная длительность импульса ,

At1 - времяпролетная аберрация третьего порядка малости по энергии при однократ- . ном отражении.

Величина R увеличивается с.ростом числа отражений до тех пор, пока величина

cut. -....

Перемещение источника или детек- тора ионов в направлении оси х позволяет использовать масс-спектрометр с различным числом отражений при сохранении выбранных начальных параметров его ионно-оптической схемы, причем качество пространственно-временной фокусировки не нарушается. Этим обеспечивается работа при повышенных разрешении или светосиле в завйсимо

сти от условий поставленнойаналитиче- : ской задачи, т.е. расширяются аналитические возможности прибора.

Параметры ионно-оптической схемы, при которых реализуется пространственно-временная фокусировка, находятся решением уравнений движения с учетом распределения потенциала в средней плоскости ионных зеркал

- (г- у(к) -V. + I (V. - VarctMt- V

ft

t x (V5 - VJatctge1

j()

20

и наложения условий

0.

25

AET

где V4, V4, V (или соответственно

30

V , V, Vg)- потенциалы на электродах (или 6-8);

расстояниепластинами электрода j

между каждого

5

0

5

54 ;76

И И

4S 5i7)

I ИЛИ.

ист

И Z

АЕТкоординаты середины межэлектродных щелей ,

время пролета ионов с произвольной энергией участка пути, ограниченного плоскостью ху; координаты выходного и входного окон источника и приемника ионов.

Например, прибор содержит трехэлек- .тродное зеркало со следующими парамет- ,|рами: размер электродов 3 и 5 (6 и 8) в направлении оси г не менее 3d, размер электрода А(.7) .- 0,83d, расстояние от плоскости ху до параллельной ей плоскости, проходящей через ,центр щели между электродами 3 wk (7и 8) равно . Зазор, между электродами составляет 0,Id.

91725289

нциалов на электров относительных еди

п о и ст бо но во

10

по сравнению с известным вследствие отсутствия сеток на пути движения ионного пакета и наличия пространственной фокусировки светосила при бора увеличивается в 10-20 раз. Одновременно расширяются аналитические возможности прибора.

Изобретение относится к масс- спектрометрии. Целью изобретения является увеличение светосилы и повышение разрешающей способности за счет обеспечения пространственной фокусировки. Цель достигается тем, что в устройство введены два бессеточных электростатических зеркала, каждое из которых состоит из электродов 3, , 5 и 6, 7, 8 соответственно. Электроды зеркал выполнены в виде пластин, симметрично располо- . женных относительно средней плоскости, а источник 1 и приемник 2 ионов расположены в бесполевом простран- стве между ионными зеркалами. Зеркала обеспечивают многократное отражение ионного пакета. -1 ил. с е (Л

де eVd - средняя энергия ионов в пакете}е - заряд иона.

Выбор размера электродов в на- i правлении оси х зависит от максималь-15 но задаваемого числа отражений и угла наклона траектории ионов к оси z в момент вылета их из источника в проекции на среднюю плоскость. В конкретном приборе при пятикратном отражении и угле падения «3° этот

размер равен 8,5d.

Предлагаемый масс-спектрометр несложен в исполнении, его детали и узлы технологичны. В нем осуществля-

ется двойная фокусировка ионного пучка: по времени пролета (с точностью до аберраций второго порядка малости) .и пространственная фокуси- о ровка в одном направлений. При этом

20

25

10

10 ф

ормула изобретения

Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением, содержащий источник и детектор ионов и два ионных зеркала, состоящих из элек- тродов, соединенных с источником постоянного напряжения, отличающийся тем, что, с целью увеличения светосилы и повышения разрешающей способности путем обеспечения простра/нственной фокусировки, каждый из электродов ионных зеркале выполнен в виде пары пластин, симметрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости, приЦемз источник и приемник ионов располонййны в свободном от поля пространстве между ионными зеркалами..