Квадрупольный масс-спектрометр Советский патент 1981 года по МПК H01J49/42 

Изобретение относится к физической электронике и может быть использовано в масс-спектрометрии и других областях физического аналитического приборостроения, где требуется фокусировка заряженных частиц и разделение их по отношению массы к заряду. Известны масс-спектрометры квадру польного типа, в которых разделение заряженных частиц по -у- производится в квадрупольном поле, образованном четырьмя полеобразующими электродами, преимущественно круглого сечения. Создание поля, имеющего максимальное приближение к идеальному гиперболическому в возможно большей области между полеобразующими электродами, достигается выбором оптимальных соотношений размеров электрода и расстояния от поверхности электрода до нулевых эквипотенциалей fl. Недостатком устройств такого типа является низкая чувствительность, обусловленная влиянием на распределение электрического поля зеркаль ных эффектов и искажений, вносимых иеталлическими поверхностями ваку/мной камеры. Известны конструкции квадрупольных масс-спектрометров, в которых оптимизация параметров квадрупольного поля достигается за счет вспомогательных электродов, расположенных между основными четырьмя полеобразующими электродами- При этом система электродов помещена в цилиндрический экран 2. Недостаток такого устройства состоит в низкой чувствительности, связанной с наличием искажений в распределении электрического поля, вносимых цилиндрическим экраном. Наиболее близким к предлагаемому является квадрупольнь х масс-спектрометр, содержащий источник ионов, масс-анализатор, состоящий из помещенных и круглый электростатический экран четырех полеобразующих систем, каждая из которых представляет собой группу из трех проволочных полеобразующих электродов,и приемник ионов, Указанная система электродов обеспечивает хорошую аппроксимацию гиперболического поля 3j. Однако наличие искажений в распределении электрического поля внут ри квадрупольной системы, вносимых цилиндрическим экраном, снижает чувствительность таких устройств и тем самым ухудшает аналитические возможности устройства. Кроме того, обшим недостатком известных устройств является невозможность одновременной сепарации нескольких ионных пучков. Цель изобретения - повышение чув ствительности и обеспечение одновременной многоканальной сепарации ионов. Поставленная цель достигается те что экран выполнен в виде трубы квадратного сечения, из упомянутых групп содержит четыре расположенных аксиально и симметрично проволочных электрода, при этом центры симметрии каждой группы нахо дятся на диагоналях квадрата на рас стоянии от центра, равном 1/4 длины диагонали, а расстояние между нитями в каждой группе и размер стороны экрана связаны соотношением л OJ383 tff , где 2 - расстояние между нитями в группе; 2t - длина стороны квадрата. При этом нити выполнены из высо коомных металлов и сплавов, например из вольфрама или платины. Кроме того, для обрспечения одн временной многоканальной сепарации ионов в устройство введены дополни тельно по 4 ионных источника и при ника ионов, установленных коаксиал но каждой из полеобразующих систем Обоснование выбора геометрических соотношений в расположении эле тродов следует из анализа распреде ления потенциала в системе электро дов, состоящей из четырех тонких электропроводных нитей и проводяще трубы квадратного сечения, т.е. од ного квадранта описанной выше системы (при этом анализ справедлив и для других квадрантов-) . Так, вбл зи начала координат потенциал Ф (х, у) может быть представлен в ви де . А д,з, f.V ф(Х,у) ax itAioL iiJTfi-S где . i2m + -l)chLT l2mtlU. ch|-(2mtl) x ;v..: Как видно из формулы, коэффициенты Ар зависят от соотношения -|-) поэтому подбором величины этого соотношения можно обратить в нуль или предельно-уменьшить коэффициенты А и , чем обеспечиваетсг максимальное приближение поля к гиперболическому. Вьшолнение экрана в виде трубы квадратного, сечения и размещение электродов указанным образом позволяют получить, наряду с центральным квадрупольньм каналом, четыре дополнительных монопольных канала, примыкающих к вершинам квадрата. В результате аналитические возможности устройства значительно расширяются, поскольку появляется возможность одновременно анализировать до 5 самостоятельных пучков. На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство. Устройство содержит масс-анализатор, состоящий из 16 электропроводных нитей 1, помещенных в экран 2, источники ионов, приемники ионов и систему питания (не показаны) Нити 1 объединены в группы, каждая из которых содержит по 4 расположенных аксиально симметрично электропроводных нити, при этом центры си1У:метрии каждой группы- находятся на диагоналях квадрата на расстоянии от центра, равном 1/4 длины диагонали, а расстояние между нитями в каждой группе и размер стороны экрана связаны соотношением О,-1333 в 2 Д где 2д - расстояние между нитями в группе; -2f - длина стороны квадрата. Устройство работает следующим образом. Анализируемые ионные пучки формируются источниками ионов, например источниками с электронным ударом, и направляются в квадрупольную систему, образованную группами из электропроводных нитей 1 и экраном 2. При приложении к противолежащим по диагонали системами нитей потенциала вида и + Vcos (a)t+V ), где и - постоянная составляющая потенциала; V - амплитуда переменной составляющей потенциала; соответственно, круговая частота и начальная фаза переменной составляющей потенциала; t - время. в пространстве между электродами создается аксиально симметричное квадрупольное поле, в котором происходит разделение ионов по массам. При заданных величинах U, V.oJ и параметре поля А , который равен половине расстояния между противолежащими нитями, ионы с различными удельными зарядами - , где m - масса, е - заряд иона, двигаясь с начальной скоростью вдоль оси квадрупольной системы, совершают колебания

различного характера. Стабильными, т.е. не превышающими расстояния меж ду противолежащими системами электродов, оказываются колебания, ионов, масса которых может иметь значения m+um. Эти ионы проходят сквозь квадрупольную систему, достигают приемника ионов и регистрируются. Изменяя амплитуду V переменной составляющей или ее частоту (л) , создают условия, при которых стабильными становятся последовательно колебания ионов всех возможных значений масс, выводят таKPiM образом ионы этих масс на приемники ионов и регистрируют полный масс-спектр.

Предлагаемое устройство позволяет улучшить аналитические возможности известных устройств, поскольку оно обеспечивает многоканальную сепарацию ионных пучков, приближение структуры электрического поля к гиперболической с большой степенью точности, а именно 10 при Ойх ,25f, что дает возможность повысить разрешающую способность на 50% по сравнению с известным устройством.

Предлагаемое техническое решение позволяет упростить технологию изготовления квадрупольного масс-спектроме.тра, так как диаметр нитей практически не влияет на распределение и форму эквипотенциалей поля. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет повысить ресурс работы по сравнению с известными, так как нити, выполненные из высокоомных металлов и сплавов (например v, Р t) могут легко обезгаживаться и очищаться путем непосредственного подогрева.

Формула изобретения

1. Квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов.

масс-анализатор, состоящий из помещенных в электростатический экраь четырех полеобразующих систем, каждая из которых выполнена в виде группы проволочных электродов, и - приемник ионов, отличающийс я тем, что, с целью повышения чувствительности, экран выполнен в виде трубы квадратного сечения, каждая из упомянутых групп содержит четыре расположенных аксиально и симметрично проволочных электрода, при этом центры симметрии каждой группы находятся на диагоналях квадрата на расстоянии от центра, равном 1/4 длины диагонали,а расстоя- 5 ние между нитями в каждой группе и размер стороны экрана связаны COOT ноше н ием

0,383

1л /

Д I

20

где 2Д - расстояние между нитями

в группе, 2 - длина стороны квадрата.

2.Масс-спектрометр по п. 1,

5 отличающийся тем, что нити выполнены из высокоомных металлов и сплавов.

3.Масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что

0 с целью обеспечения одновременной многоканальной сепарации ионов, в него введены дополнительно по 4 ионных источника и приемника ионов, установленных коаксиально каждой из

5 полеобразующих систем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Dayton J.E. and others.-Rev. Sci. Jnstrument, 25, A85°, 1954.

0 2. Патент США № 3725700, кл. 250-419, 1973.

3.- Matsuda Н., Matsuo Т.-Mass , Spectrometry and Jon Phjs, 24, 1977, № Ip. 107-118 (прототип).