Ионно-циклотронный масс-спектрометр Советский патент 1992 года по МПК H01J49/38 

Изобретение относится к технике масс- спектрометрии и преимущественно используется в областях исследования механизмов и кинетики ионно-молекуляр- ных реакций, прецизионного измерения масс ионов, анализа и идентификации веществ и их смесей.

Известны ионно-циклотронные резонансные масс-спектрометры, содержащие измерительную ячейку с боковыми электродами детектирования и возбуждения и двумя задерживающими торцовыми электродами, которые подключены к источнику постоянного напряжения по знаку, совпадающему со знаком исследуемых ионов. В таких масс-спектрометрах функциональные возможности ограничены возможностью удержания и исследования в измерительной ячейке одновременно только либо положительных, либо отрицательных ионов.

Наиболее близким к предлагаемому является ионно-циклотронный резонансный масс-спектрометр, содержащий измерительную ячейку с источником ионов, боковыми электродами возбуждения и детектирования и составными торцовыми электродами, каждый из которых состоит из двух параллельно установленных наружного и внутреннего, причем внутренние электроды выполнены сетчатыми и заземлены.

Однако функциональные возможности устройства ограничены возможностью удержания в измерительной ячейке только ионов одинаковой полярности. Удержание ионов осуществляется в статических условиях скрещенных электрических и магнитных

И

чэ

ю

полей, причем в измерительной ячейке невозможно одновременно удерживать положительные и отрицательные ионы. Функциональные возможности устройства не позволяют исследовать ионно-молекулярные реакции с участием ионов разного знака,

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей прибора за счет возможности одновременного удержания и исследования ионов разного знака в измерительной ячейке спектрометра.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ионно-циклотронном резонансном масс-спектрометре, содержащем измерительную ячейку с источником ионов, боковыми электродами возбуждения и детектирования и составными торцовыми электродами, каждый из которых состоит из двух параллельно установленных наружного и внутреннего, причем внутренние электроды выполнены сетчатыми и заземлены, между боковыми электродами и торцовыми электродами дополнительно установлены кольцевые электроды удержания, причем кольцевые электроды удержания и наружные торцовые электроды соединены с источниками опорных напряжений противоположного знака.

На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства; на фиг, 2 - продольное te4eHne; на фиг. 3 - график распределения потенциала электрического поля U вдоль оси измерительной ячейки, где h - расстояние между торцовыми сетчатыми электродами, 2 - расстояние между центрами кольцевых электродов удержания.

Измерительная ячейка спектрометра содержит: 1,2- наружные торцовые электроды; 3,4- внутренние торцовые сетчатые электроды; 5, б - кольцевые электроды удержания; 7, 8 - боковые электроды возбуждения; 9,10 - боковые электроды детектирования; 11 - источник ионов; 12, 13 - источники опорных напряжений внутренних кольцевых электродов удержания; 14, 15 - источники опорных напряжений внешних электродов удержания.

Устройство работает следующим образом.

На наружные торцовые электроды 1,2 и на кольцевые электроды удержания 5, 6 подают постоянные потенциалы от опорных источников 12-15. При этом в измерительной ячейке спектрометра создается конфигурация электрических полей, обеспечивающих удержание как положительных, так и отрицательных ионов. Источник ионов 11 создает жгут положительных и отрицательных ионов в измерительной ячейке спектрометра. Для положительных ионов

(при указанной на фиг. 1 полярности опорных напряжений) удержание происходит в центре измерительной ячейки в электрическом поле, аппроксимируемом гиперболоидальним, удержание отрицательных ионов осуществляется в непосредственной близости от торцовых сетчатых электродов вследствие их отражения от сильно неоднородного электрического поля, создаваемого

0 наружным и внутренним торцовыми электродами. Боковые электроды возбуждения 7, 8 подключают к генератору переменного радиочастотного напряжения с частотой, равной циклотронной частоте с«с исследуемых

5 ионов, для возбуждения их циклотронного движения.

В результате действия переменного напряжения в ячейке спектрометра образуется вращающийся жгут ионов, который

0 создает наведенный заряд на боковых электродах детектирования 9, 19. Наведенный ток через дифференциальный усилитель электронной системы поступает в систему обработки данных и представляется в виде

5 масс-спектра ионов, содержащихся в измерительной ячейке спектрометра, при этом пики положительных и отрицательных ионов различны по их положению в масс- спектре, так как они отличаются на величи0 ну, соответствующую массе электрона.

Расширение функциональных возможностей прибора, т. е. возможности удержания и исследования разноименно заряженных ионов в измерительной ячейке,

5 достигается за счет установки кольцевых электродов удержания, а также их соответствующего подключения к источникам опорного напряжения.

Убеганию ионов из измерительной

0 ячейки в поперечном направлении препятствует наличие магнитного поля В, удержание ионов в направлении силовых линий магнитного поля осуществляется за счет создания специального распределения элект5 рического поля (фиг. 3) путем приложения противоположных по полярности опорных напряжений Ui и Ua на торцовые наружные электроды и кольцевые электроды удержания. Области локализации положительных и

0 отрицательных ионов обозначены AI и А2 соответственно. Удержание положительно заряженных ионов происходит в электростатическом поле, создаваемом потенциалом кольцевых электродов удержания Ua.

5 Удержание отрицательно заряженных ионов происходит в результате воздействия на них вблизи внутренних торцовых сетчатых электродов силы, направленной к центру ячейки со стороны сильно неоднородного электрического поля и определяемой разностью потенциалов между наружным и внутренним торцовыми электродами.

Рассмотрим теперь условия удержания ионов в процессе детектирования, т. е. после того, как их циклотронное движение возбуждено. Положительно заряженные ионы удерживаются в результате гипербо- лоидального электрического поля, создаваемого кольцевыми электродами удержания 5,6. Отрицательно заряженные ионы выталкиваются гиперболоидальным полем на периферию измерительной ячейки, где они попадают в пространственно неоднородное поле, создаваемое наружным и внутренним торцовыми электродами. В случае, когда расстояние между наружным и внутренним торцовыми электродами меньше, чем размер элементарной ячейки сетки I, в серединах элементарных ячеек внутренних сетчатых электродов происходит заметное провисание потенциала, вызванное потенциалом на внешнем сетчатом электроде удержания. В измерительной ячейке на ее периферии конфигурация электрических полей является периодической с периодом I. При вращении отрицательно заряженных ионов с циклотронной частотой ok в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, условиями их удержания будет отражение от периодически повторяющихся областей задерживающего потенциала:

- dт

Vn ftfc Rc где Vn - уводящая скорость иона в направлении сетчатых электродов удержания; L - диаметр проволочек сетчатых электродов; Rc- радиус циклотронного вращения ионов.

/2

Для типичных величин Vn, соответствующих энергии торцового движения 1 эВ, и циклотронных скоростей Vc Rc ftJb. соответствующих энергиям 10-100 эВ, условие удержания (1) заведомо выполняется.

Использование изобретения расширит аналитические возможности масс-спектро- метрии ионно-циклотронного резонанса по анализу веществ и их смесей вследствие

0 одновременного получения масс-спектра исследуемой смеси как в положительных, так и в отрицательных ионах, а также позволит исследовать малоизученную область ионных и ионно-молекулярных реаций с уча5 стием разноименно заряженных ионов.

Формула изобретения Ионно-циклотронный масс-спектрометр, содержащий измерительную ячейку с

0 источником ионов, боковыми электродами возбуждения и детектирования и составными торцовыми электродами, каждый из которых состоит из двух параллельно установленных наружного и внутреннего, при5 чем внутренние электроды выполнены сетчатыми и заземлены, отличающий- с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей прибора за счет одновременного анализа в измерительной

0 ячейке ионов разного знака, между боковыми электродами и торцовыми электродами дополнительно установлены кольцевые электроды удержания, причем кольцевые электроды удержания и наружные торцо5 вые электроды соединены с источниками опорных напряжений противоположного знака.

/5,

Фиг. /

Фие.2

Использование: в научном приборостроении, а именно в технике масс-спектрометрии и преимущественно при исследовании механизмов и кинетики ионно-молекуляр- ных реакций, прецизионном измерении масс ионов, анализе и идентификации веществ и их смесей. Сущность изобретения: торцовые электроды удержания выполнены из двух наружного 1(2) и внутреннего 3(4) параллельно установленных сетчатых электродов на расстоянии меньшем, чем размер элементарной ячейки сетки, и смещенных друг относительно друга на 1/2, а между боковыми электродами 7,8,9,10 и торцовыми электродами установлены кольцевые электроды 5, 6 удержания, причем кольцевые электроды 5 и 6 и наружные сетчатые электроды 1, 2 удержания соединены с источником опорных напряжений противоположного знака, а внутренний сетчатый электрод заземлен. 3 ил. ч W Ё