СПОСОБ МАСС-СПЕКТРОЛ\ЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Советский патент 1969 года по МПК G01N27/62 H01J49/26 

Изобретение относится к области массспектрометрии и может быть использовано при конструировании масс-сиектрометрических приборов.

Способ обеспечения разрешающей способности в известных масс-спектрометрических приборах не позволяет выполнять требование увеличения чувствительности и скорости развертки, так как оно находится в иротиворечии с требованием высокой разрешающей способности, поскольку последнее накладывает ограничения на площадь сечения ионного пучка на выходе из источника.

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что лучок ионов, выходящий из источника ионов, кодируют с помощью маски в плоскости, перпендикулярной к направлению лучка, и декодируют с помощью тождественной маски на входе лриемника иоиов.

Предлагаемый способ масс-спектрометрического анализа в значительной степени разрешит лротиворечивость требований между чувствительностью, окорстью развертки и разрешающей способностью, возникающую при конструировании масс-спектрометрических приборов. Это достигается тем, что поперечному сечению ионного пучка на выходе источника придают форму, обеспечивающую большую площадь лри малой эффективной

рине пучка, т. е. когда выходной эффект по своей величине лолучается таким же, как при пучке с узким прямоугольным сечением.

На фиг. 1 представлена схема процесса прохождения ионов через выходное отверстие источника ионов в известных масс-спектрометрах; иа фиг. 2 - схема процесса приема ионных пучков (график выходного эффекта) в известных .масс-спектрометрах; на фиг. 3

показаны схемы процессов формирования и приема двойных пучков по предлагаемому способу.

Для пояснения сущности предлагаемого способа рассмотри.м более подробно процесс

приема ионных пучков на коллектор в известных масс-спектрометрах и приведем два элементарных примера реализации предлагаемого способа. Ионы поступают из источника в анализатор

через выходную коллимирующую щель источника. Поэтому распределение плотности тока в сечении ионного лучка при входе, в анализатор описывает форму выходной щели источника ионов, которая в известных масс-сп.ектрометрах представляет собой прямоугольник шириной я . Далее ионный пучок,разлагается в анализаторе вдоль координаты х фокальной плоскости соответственно каждому значению отношения массы ионов к заряду 1Распределенйя плотности тока в сечениях этих пучков на фокальной плоскости, отличаясь постоянными множителями, характеризующими, интенсивность пучков, также описывают форму выходной щели источника ионов. Для этого, разумеется, необходимо, чтобы аберрации были -сведены к минимуму. Изменяя траектории при развертке напряженности магнитного поля анализатора, ионные -пучки смещают свои сечения в фокальной плоскости так, что они поочередно и плавно надвигаются на приемную щель и затем сходят с нее. Если представить омещение каждого из пучков, -как сумму бесконечно малых приращений, то каждому из этих приращений соответствует прохождение какой-то доли -пучка через приемную щель на -коллектор. Величина совпадающей доли 1пучка сначала нарастает от нуля (пучок еще не попал на щель) до едини-цы (пучок совместился со щелью), а затем спадает вно-вь до нуля (пучок сощел со щели). На фиг. 1 схематически представлен процесс прохождения ионов через выходное коллимирующее устройство / источника ионов, разложения в анализаторе ионного пучка по nil tz гпа отнощениям , --, на, соответственно. iiL пучки 4, 5 и. 6 vi приема пучка 5 с помощью коллектора 3 и приемного коллимирующегр/ устройства 2. Описанный процесс приема ионных пучков поясняется графиком выходного эффекта (тока коллектора), обозначенного (б), в зависимости от величины смещения (б) принимаемого ионного пучка относительно приемной щели см. фиг. 2. Показанная на фиг. 2 треугольная (остроконечная) форма, щирина и достигаемое значение максимума (6) имеет место только в том случае, когда щирина приемной щели равна ширине пучка в месте -приема, т. е. равна щирине выходной щели источника ионов, если коэффициент увеличения ионнооптической системь равен 1, а аберрации отсутствуют. Если форма приемной щели не будет повторять форму выходной щели -источника (в понятие формы в данном случае включается и параллельность расположения), то это приведет только к тому, что R (6) будет иметь пологую верщину и либо расщирится, либо уменьщится по амплитуде. ПиК i/(6) будет единственным для ионов данной массы, а ш-ирина его будет равна удвоенной щирине пучка, только в том случае, когда законы коллимации (формы щелей) на выходе источника и входе приемника имеют простую прямоугольную форму и одинаковы. Если же придать им более сложную форму, но по-прежнему одинаковую, например двух раздельных прямоугольников той же длины, но шириной d/2, то каждый пучок будет состоять из двух элементарных пучков и -/(б) будет имегь три пика (только в этом примере) щириной d - основной и два боковых. Причем основной пи-к (при 6 0) будет иметь вдвое больщую амплитуду, чем боковые, так как он образуется в момент -полного совпадения, когда оба элементарных пучка про.ходят на коллектор. На фиг. 3 показан процесс формирования двойных пучков в статическом масс-анализаторе, причем обозначения сохранены те же, что и для фиг. 1. На фиг. 4 показан процесс приема ионного пучка в этом случае и приведен график выходного эффекта /(б). Как видно из фиг. 4, в этом примере двойной пучок имеет такую же общую площадь сечения, что и в обычном случае (см. фиг. 2), а потому и амплитуда основного -пика (б) достигает та-кой же величины, что и на фиг. 2, но при этом эффективная щирина пучка вдвое меньще (она равна щирине одного из двух элементарных пучков), а потому и основной пик (б) на фиг. 4 вдвое уже, чем пик на фиг. 2. То есть, в данном примере, для основного пика будет обеспечена вдвое больщая разрещающая опо-собность при той же чувствительности, что и в обычном случае. Можно вдвое выиграть (по основному пику) в чувствительности при той же разрещающей способности, если взять -щирину элементарного -пучка d вместо d/2, так как при этом эффективная ширина пучка такая же, как и в обычном случае (см. фиг. 2), а общая площадь сечения (она равна -сумме площадей сечений элементарных пучков) вдвое больше, чем в обычном случае. Этот прнмер иллюстрирует фиг. 5. Между этими двумя крайними случаями использования двойного, пучка имеется множество промежуточных, когда по срав1нению с обычным пучком будет иметь -место выигрыш как в -чувствительности, так и в разрещающей способности (все по основному-пику), но менее, чем в два раза. Следует отметить, что для пучка, поперечное сечение которого имеет сложную форму, в частно-сти, для описанного двойного пучка, тождественность приемной щели сечению пучка дает количественно новые результаты. Действительно, если увеличить расстояние между приемными щелями более, чем на ширину элементарного пучка, то основного пика вообще не будет, т. е. он ничем не будет отличаться -от боковых. Разумеется, применять на практике -реализацию предлагаемого способа в виде двойного пучка бессмысленно изза больщего уровня боковых лепестков, так как различить сигналы на выходе от двух близко расположенных соседних по массам пучков возможно только в том случае, если они мало отличаются по амплитуде. К тому же выигрыш, который дает двойной пучок, весьма незначителен. Рассмотрим еще один пример (см. фиг. 6), показывающий, что с увеличением числа элементарных пучков падает интенсивность боковых лепестков R (б) по отношению к основному, а выигрыш в чувствительности и разрешающей способности для основного пика /(5) по отношению к обычному случаю увеличивается. Придадим выходной ш,ели источника форму трех параллельных прямоугольников той же длины, что и в предыдущих случаях ,и шириной d, а расстояния между соседними щелями сделаем некратными друг другу (за единицу измерения этих расстояний возьмем d). Сформированный такой щелью пучок ионов будет состоять из трех элементарных пучков и соответственно из трех элементарных пучков будут состоять и иониые пучки каждой массы на выходе анализатора. Приемная щель, как и в предыдущих случаях, повторяет щель источника. Поскольку интервалы 1между элементарными пучками, так :же как и между щелями, некратны, все три элементарных пучка одновременно пройдут через приемные щели только при смещении, равном нулю (6 0), когда пучок полностью совпал с приемными щелями, при всех -остальных значениях смещения (б)0 совпадать будет не более, чем один элементарный пучок с одной из приемных щелей. Поэтому основной пик выходного эффекта /(б) будет в три раза превышать боковые. Общая площадь сечения пучка теперь втрое превышает площадь пучка для обычного случая, при той же эффективной ширине. Сужая щели, будем, как и в предыдущем примере, получать выигрыш в разрешающей способности, а выигрыш в чувствительности (общей площади сечения пучка) будет уменьшаться, и при ширине каждой из составляющих щелей d/3 общая площадь сечения пучка станет такая же, как и в обычном случае, но зато его эффективная ширина будет втрое меньше.

Приведенные примеры можно обобщить и пояснить физическую сущность предлагаемого способа, представив сложную форму поперечного сечения пучка, состоящей из множества непересекающихся простых прямоугольников одинаковой ширины. Закон расположения этих прямоугольников, определяющий форму поперечного сечения пучка, выбирается таким, что за время перемещения сечения пучка в фокальной плоскости мимо тождественной ему приемной щели только однажды достигается совмещение всех элементарных прямоугольников с соответствующими им прямоугольниками приемной щели. При этом выходной эффект по ширине равен -эффекту от одного элементарного прямоугольника, а по ампли-гуде сумме эффектов от всех элементар-ных прямоугольников. За все остальное время перемещения сечения .пучка мимо приемной щели должно совмещаться лишь незначительное число элементарнь1х прямоугольников пучка с другими элементарными прямоугольниками приемной щели, производя соответственно боковые пики выходного эффекта, амплитуда которых много меньше

основного пика.

Если обозначить распределение плотности тока -в сечении пучка /-той массы на выходе анализатора S(x, у -эта функция описывает также и вид закона коллимации на выходе источника ионов, - то -при каждом бесконечно малом смещении пучка мимо приемной щели произ-водится умножение на передаточную характеристику пр-иемной щели, повторяющую S(x, у), «о зависящую от величины смещения б, а результаты суммируются коллектором для всех приращений. Следовательно, масс-спектрометр представляет собой оптимальную приемную систему, вырабатывающую на выходе автокорреляционную

функцию (б) передаваемых сообщений о законе коллимации на выходе источника ионов. Действительно, во время приема пучка проверяется схожесть формы его сечения с формой коллимирующей приемной щели, которая

тождественна этому сечению. Другими словами, во время приема -пучка производится декодирование хода, введенного в ионный пучок на выходе из источника ионов. Для повышения чувствительности и разрешающей способности масс-спектрометрических приборов законам 1 одирования (т. е. коллимации) на выходе источника необходимо придать такой вид, чтобы при заданной ширине достигалась максимальная амплитуда

основного пика выходной автокорреляционной функции, а ее боковые лепестки (в процентах к основному) были минимальными.

Предлагаемый способ масс-спектрометрического анализа позволяет -при конструировании

масс-спектрометрических приборов, задаваясь необходимым выходным эффектом (автокорреляционная функция закона кодирования), с помощью математического аппарата или методом подбора получать закон кодирования

на входе анализатора.

Предмет изобретения

Способ масс-спектрометрического анализа, в котором с помощью источника ионов образуют пучок ионов, разделяют его по массам в статическом поле анализатора и регистрируют с помощью приемника ионов, отличающийся тем, что, с целью увеличения чу ствительности и разрешающей способности, пучок ионов, выходящий -из источника ионов, кодируют с помощью маски в плоскости, перпендикулярной -к направлению пучка, и декодируют с помощью тождественной маски на рходе приемника ионов.

v j/Tjk

6S

Kv/Hfc ft

-5