Способ времяпролетной масс-спектрометрии Советский патент 1992 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к масс-спек- трометрии и может быть использовано при элементном анализе ионных пучков.

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

На фиг. 1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа; иа фиг. 2 - график функции у « U(t), где U - потенциал отражающего поля, t - время.

Устройство содержит источник 1, представляющий собой плоский конденсатор, состоящий из электрода 2 и сетки 3.

Из источника 1 частицы направляются через сетку 3 в первое бесполевое

пространство 4. После пролета бесполевого пространства частицы разделяются а ионные пакеты с определенным отношением и далее попадают в отражающую систему 5, где на них действует отражающее поле.

Находясь в отражающем поле, частицы одного ионного пакета, отразившись , приобретают различные энергии на выходе из него, причем те частицы, которые имели большую по сравнению с другими частицами пакета энергию, приобрели меньшую энергию, а более медленные частицы приобрели большую энергию. Отражающая система 5 состоит из сетки 6, через которую проходят ионы, и пластины 7, на кото 1

со

СП

О

31

рую подается переменный электрический потенциал в виде последовательности импульсов для последовательности пакетов с определенным отношением jv /g«. Время подачи импульсов 1-го сорта определяется как

t,

1 U2e;g;

Временная протяженность пакетов растет с ростом протяженности беспо- левого пространства и определяет длительность подаваемых импульсов как

-, № р. 1т

bt и&Н2е7дё Т)

После того, как пакеты были подвергнуты воздействию электрического поля в отражающей системе 5, они направляются в бесполевое пространство 8, где их временная протяженность сокращается по мере движения, и сфокусированные таким образом пакеты ионов попадают на детектор 9.

Потенциал отражающего поля выбирается .таким, чтобы быстрые и медленные частицы одного ионного пакета с отношением tiiV/g имея начальный разброс по энергиям, получали различные приращения энергии после отражения, причем Аи - AU ДР, где AUU - приращение энергии частиц, которые .имели в первом бесполевом пространстве меньшую скорость, а Ди - приращение энергии частиц, имевших большую скорость. Таким образом, конкретной величине АЕ ставится в соответствие определенный вид функции U(t). Величина, реализующая это соответствие - функционал вида

. «жЬ ф.

где А и В - величины, зависящие от

та;.Ј, Ь

В этом случае временная протяженность пакета на входе в отражающее поле компенсируется временной протяженностью пакета при пролете второго бесполевого пространства. Временная протяженность пакета ионов при прохождении пролетного пространства равна

at; тэ Т2Е74Г

ue

ТЗЕТГГ ТТ

где 1 - длина бесполевого пространства4,

7375604

4 6- величина энергетического рразброса частиц одного ионного пакета А 6 6г - 6, j

ES

- средняя энергия

2. + Ј

..

частиц пакета ионов , 62, Ј - энергия быстрой и медлен- ной частиц.

ot- - S t 81 - разница во временных протяженностях пакета ионов на входе в отражающее поле и на выходе из него оценивается как

5

St 2Smf

a gr+Teт-i T§)2

где S - протяженность отражающего полевого пространства

(фиг.2).

За начальный момент времени t О принимается момент образования ионов в источнике 1, между электродом 2 и J сеткой 3. Все времена отсчитываются от этого момента.

Ширина пакета иочов на входе в отражающую систему определяется из следующих соображений. Пусть t1} t - времена пролета пространства 4 (от источника ионов до системы отражения) частицами одного пакета, обладающими энергиями Е и Еа, причем Е , где ДЕ - разброс по энергиям частиц одного па- 5 кета. Время

, т i m

Ч - Ч2Ё7

а i,2).

Тогяаг-

6t.tf-t, , ). N/ iЈ л(Ё7

Учитывая, что Ег - Ј - ЬЕ, и Е Е + Lz./2 получим Е, Ё1 + UE / и Е В. - ДЕ ,/2. Подставляя значения Е и в выражения для u t и преобразуя го, получим Формулу 1И

ut -

UE,

: Е

1 - Tggr

(1)

Приравнивая второй сомножитель в правой части равенства (1) к & Е ( & Е, Е|) , получим

t ni Ab to &Е (2)

Так как fl t fit - Л tB Д t, &te, то, приравнивая значение шири5I

,ны пакета до отражения At и после него ut6, можно определить величину разброса частиц по энергиям ДЕ, который необходимо создать для фокусировки частиц в плоскости детектора.

Рассмотрим общий случай, когда длина дрейфового пространства L до системы отражения и длина Ьг дрейфового пространства от системы отражения до детектора не равны. В этом случае

Ег № АЕ(г-

Е, Е„

Г1

(3)

где Е4 - средние энергии одного пакета ионов до систе мы отражения и после нее.

В случае, если Ц 1., ДЕ4

, - - . S/

1Ег/Е), 1 Afji, откуда при выполннии условий 1Г - Е, , UEj« Ej (i 1,2) следует, чтоДЕгк.ДЕр В это случае вид функции, описывающей зависимость потенциала, подаваемого « электрод отражающей системы от времени, находится из равенства

t+&Ufctfl

ti+ui

J U(t)dt

t

- J U(t)dt 0 (4)

е

if

s & t - ширина пакета ионов на

входе в отражающую систеj.му;

момент времени, в который частица пакета ионов с наибольшей скоростью (быстрая частица) достигает системы отражения,

At , At - времена пребывания быстрой и медленной (частицы с наименьшей скоростью) частиц - в системе отражения. В случае ДЕ,/ &Ег, А.Е1 - &Е2 АЕа, это равенство записывается в

-з

ВИДе tf+Atut

tV

ДЕ. - f U(t)dt - | U(t)dt

Э-й-4 v

+. +AfJ.

где

AE,

&E,

ьЧ

При этом получим

тт. л. 1 Ji: Л

u;fc т Le -u7375606

Так как длина бесполевого дрейфл- вого пространства должна быть выбрана с условием, что временной промежуток между пакетами, образующийся в проi цессе дрейфа, должен быть большем, чем временная протяженность пакетл в области фокусировки, т.е.

At

2 it ,

dm m

np

dm «

(6)

то для длины L получим: U-R

где

m

R - IT - fl

dm U Ч IP

(7)

Формула изобретения

Способ времяпролетной масс-спек- трометрии, заключающийся в последовательном разделении однозарядных частиц в первом бесполевом пространстве на пакеты ионов с определенной массой, направлении частиц в отражающее попе, отклонении частиц в отражающем поле, направлении во второе бесполевое пространство и последующей регистрации выходного сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и расширения диапазона анализируемых масс, потенциал отражающего поля UJ для пакетов ионов определенной массы выбирают из условия

1 Л8{ .&t; Г At Y

и; - ъ Iе - 1j ,

где u€j - начальный разброс по

энергиям частиц в пакете ионов (Дж), А & 1/Јt;

I т 2

ut, -jfa piri Д временная протяженность пакета на входе в систему отраже- ния, с ,

|4- - Ренен

ная протяженность пакета на выходе из системы отражения , с ,

L - протяженность бесполевого пространства, удовлетворяющая неравенству

LiRra S ,

г -- -п

S - протяженность отражающего поля, м;

1737.5608

Ј - средняя энергия пакета

ионов, Дж;

m - масса частицы, кг; t - время, с; е - заряд электрона, К.

Использование: относится к масс- спектрометрии. Сущнрстъ изобретения: в источнике 1 ускоренные ионы направляются в первое бесполевое пространство. Разделенные на пакеты ионы под- вегаются воздействию переменного во времени отражающего поля. После прохождения второго бесполевого пространства ионы фокусируются в плоскости детектора. 2 ил. ел

to/af

t