Квадрупольный масс-спектрометр Советский патент 1993 года по МПК H01J49/42 

Фиг.1

Изобретение относится к масс-спектро- метрии и предназначено для разделения массовых пиков с разностью масс Am 0,001 а.е.м.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности.

На фиг.1 схематически изображен заявляемый масс-спектрометр, содержащий: 1 - источник ионов, 2 - квадрупольный фильтр, 3 - дополнительный электрод, 4 - высокочастотный генератор, формирующий питающие напряжения вида ±(U +Vcos w t) ; 5 - импульсный генератор, 6 - коллектор (детектор) ионов, 7 - система регистрации.

На фиг. 2 показана электродная структура предлагаемого КМС: 1 - траектория иона без периодического смещения, 2 - траектория иона с поперечным смещением, 3 - основные электроды КФМ, на которые подают питающие напряжения вида ± (U+ + Vcos ш t)f4-дополнительный электрод выполненный в форме пластины и располагаемый вдоль прямой линии у ± хнулевого потенциала р 0; г0 - радиус окружности, вписанной между вершинами электродов 3; R - расстояние от оси Z, на котором располагается дополнительный электрод 4; h - толщина электрода, 5 - экран.

На фиг. 3 приведена структура плотности распределения ионов в приосевой области КФМ для промежуточной области стабильности при относительной полосе пропускания qw/ . Цифрами отмечены изолинии равной плотности, усредненные за период ВЧ-поля.

На фиг. 4 показана форма импульсного напряжения, подаваемого на дополнительный электрод 4: т -длительность импульса напряжения величиной Uo, v -частота следования импульсов.

Предлагаемое устройство основывается на следующих положениях.

Разделение ионов с близкими массами mi и ma (ma-mi 0,01 а.е.м.) происходит в узкой полосе A q параметра q 4eV/m (и 2r02 (e/m - удельный заряд иона, V - амплитуда высокочастотного напряжения, и 2 л f- круговая частота). В результате этого эффективная апертура КФМ мала и ионы совершают колебания в приосевой области, являющейся областью их наиболее вероятного нахождения (фиг. 3), Условие пропускания КФМ ионов массой mi соответствует колебаниям с конечной амплитудой, в результате чего они достигают детектора 6 (фиг. 1). Удаляемые ионы та соответствуют условиям движения вне зоны стабильности параметров - a, q, в результате чего они совершают колебания с нарастающей амплитудой и попадают на стержни фильтра. Однако для их удаления требуется значительное время порядка 40-60 периодов ВЧ поля /5/, причем чем ближе их начальное положение к оси Z фильтра, тем требуется большее время. В пределе ион с массой ГП2, движущийся вдоль оси Z, попадает на детектор. Это приводит к ограничению разрешающей способности

конечностью длины электродов КФМ.

Учитывая указанные обстоятельства, предлагается периодически смещать ионы с оси Z в радиальном направлении на величину А г(0,01-0,001)г0 путем создания напряженности поля в приосевой области с помощью дополнительного электрода 4. Указанная величина смещения А г соответствует условиям, когда анализируемые ионы массой mi при их смещении не увеличат свою амплитуду свыше г0, т.е. попадут на коллектор 6 (фиг. 1). В то же время удаляемые ионы массой гп2 получают начальные смещения Arc оси и для их попадания на электроды потребуется меньшее время, т.е.

устраняется ограничение, вызываемое конечностью длины электродов фильтра.

Для оценки требуемой величины напряженности поля Е на оси Z и времени его действия исходим из следующих упрощающих предположений. Время т мало, начальные радиальные скорости иона равны нулю.

В результате получим

(0,01-0,001)

2г0

(IXm)z2

(D

Напряженность поля Е на оси Z равна

НУЛЮ

Для создания поля Е на оси Z предлагается использовать дополнительный электрод 4, который выполнен в форме пластины (предпочтительный вариант) и располагается в области нулевого потенциала, определяемого прямыми у ± х, как это показано на фиг. 2, чтобы наличие дополнительного электрода не влияло на основное поле, создаваемое электродами 3 КФМ (рис. 2). Электрод 4

не будет оказывать существенного влияния, если он расположен от оси Z на расстоянии большем, чем г0. Однако если электрод 4 удален на значительные расстояния от оси Z, то это требует значительных амплитуд Do импульсного напряжения, прикладываемого к дополнительному электроду 4. Поэтому предпочтительным расстоянием R от оси Z расположения электрода 4 является радиус вписанной окружности г0 между центрами кривизны основных электродов 3 КФМ, как

показано на фиг. 2. Кроме того, толщина И электрода 4 должна быть очень малой, т.е. Н Го/10.

Оценка требуемой величины напряжения Uo, прикладываемого к дополнительному Электроду 4, проведенная в предположении наличия заземленного экрана 5 и без учета ВУШЯНИЯ электродов 3 дает:

Uo Tf Го /

(2)

0

Оптимум nf(0,8-2)T /5/, откуда находим, что Т0 ---- , где L-длина электродов.

Го

Как следует из формулы (1), уменьшение Е или Uo приводит к уменьшению смещения А г, поэтому возможно с уменьшением величины Е увеличить количество импульсов (т.е. v - частоту их следования) с достижением положительного эффекта, т.е. v (1- -10)1/То

Использование: изобретение относится к масс-спектрометрии и предназначено для масс-анализа ионов с высокой разрешающей способностью (Am 0,001 а.е.м.). Сущность изобретения: квадрупольный фильтр 2 снабжен дополнительным электродом 5, размещенным посередине между соседними электродами фильтра 2 на линии, соединяющей их центры. На электрод 5 с генератора 6 подается импульсное напряжение, в результате чего происходит периодическая модуляция потенциала оси фильтра, смещение ионов от оси, увеличение амплитуды их начальных колебаний, уменьшение времени сортировки и соответственно повышение разрешающей способности. 1 з.п.ф-лы, 4 ил. Ё

г|це ,1 - коэффициент, учитывающий геометрический фактор. j Длительность импульса г выбирается из условия, чтобы при смещающем воздействии поля с напряженностью Е возможно меньшее число ионов при входе в КФМ подвергалось его воздействию, а стабиль- Йые ионы не испытывали существенного смещения от оси, т.е. t Т, где Т 1 /f - Период ВЧ-поля. Из теоретических возмож- фстей(Т 1 МКС) выбираем г (0,1-1)Т с учетом того, что уменьшение т требует увеличения Е и, следовательно, Uo. Исполь- зУя найденное время г и выражения (1) и (2), находим, что

U0(0,1-0,01)

rof2m

(3)

С учетом определения параметра а /1 /, равного:

Sell

m 4 л2 f2 г-о

: находим с помощью (3) и (4) связь между Uo и U в виде:

Uo (0,1-0,01)11,

где U - величина постоянного напряжения, прикладываемого к электродам КФМ.

Периодичность смещения ионов с оси Z, т,е. частота следования импульсов возмущающего поля, создаваемого дополнительным электродом 4 (фиг. 2), выбирается из ус ловия, чтобы каждый ион, проходящий че- анализатор, испытал хотя бы одно импульсное отклонение, что соответствует периоду v , равному времени пролета1 ионами фильтра.

Время пролета Т0 ионами КФМ опреде- лйем из условия максимума пропускания, достигаемого при прохождении ионами краевого поля размером г0 за время nf - Т.

v (1 -10) kl

Го

(6)

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Предлагаемое устройство работает следующим образом. На электроды 3 КФМ подают питающие напряжения вида ± (U+ + N cos (О t). Из источника 1 осуществляется непрерывный ввод ионов в КФМ. На дополнительный электрод 4, выполненный в форме тонкой пластины, плоскость которой расположена в плоскости, проходящей через ось Z и одну из прямых у ± х, подают периодическое импульсное напряжение с длительностью т (0,1-1)Т, частотой

(1-10) -- и амплитудой (0,01-0,1)11. Из укаГо

занных пределов изменения параметров т , v Uo подбирают оптимальные величины экспериментально путем изменения Do или v таким образом, чтобы достичь максимальной чувствительности и обеспечения абсолютной разрешающей способности Am 0,001 а.е.м. Достижение A m 0,001 а.е.м. предпочтительно в режиме сепарации промежуточной области /6/.

В результате периодической дестабилизации ионов с оси фильтра удаляемые ионы покидают область сепарации за меньшее время и тем самым устраняется ограничение, вызванное конечностью длины анализатора.

Ионы выделенной массы mi также подвергаются кратковременному воздействию поля, создаваемого дополнительным электродом, но увеличивают свою амплитуду на величину, меньшую и попадают на коллектор 6, а далее сигнал поступает на систему регистрации 7.

Использование предлагаемого КМС позволит разделить интерферирующие массы ионов при изотопном анализе водорода в установках типа ТОКОМАК, в масс-спект- рометрии вторичных ионов при анализе поверхности полупроводниковых материалов, газовом анализе.

Формула изобретения

г0 RA 3 г0,

где г0 - радиус окружности, м, вписанной между электродами квадрупольного фильтра и генератором импульсов, выход которого подключен к дополнительному электроду с выходной амплитудой Do, длительностью импульсов т и частотой следования импульсов г, удовлетворяющими следующим условиям:

U0(0,01-0,1)U; т (0,1-1)Т;

10

v (1-ю) -Ј.| ,

где U - величина постоянного напряжения на электродах квадрупольного фильтра ,В; а - длина электродов квадрупольного фильтра, м;

Т - период высокочастотного напряжения, с.

и

ч

1/1

о

W

W

Фиг А