Квадрупольный масс-спектрометр Советский патент 1981 года по МПК H01J49/42 G01N27/62 B01D59/44 

(54) КВАДРУПОЛЬНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Изобретение относится к электронно-фиэическому приборостроению и предназначено для проведения массспектрального ансшиза веществ. Известен квадрупольный масс-спект рометр, содержащий источник ионов, масс-анализатор, в виде четырех гиперболических электродов теоретически неограниченной протяженности, и приемник ионов. В пространстве меж ду электродами создается квадрупольное радиочастотное поле, в котором происходит разделение по массам ионов 1. Недостатками такого устройства являются технологические трудности изготовления гиперболических электродов, сложность их точной установ ки Известен квгщрупольный масс-спек рометр, содержащий источник ионов, масс-анализатор, состоящий из четырех полеобразующих электродов, выполненных в виде стержней с круглым поперечным сечением, и приемник ионов. При этом, для приближения структ ры электрического поля внутри анали затора к гиперболической, отношение радиуса круглого электрода к наименьему расстоянию от поверхности круглого электрода до точки пересечения нулевых эквипотенциалей должно быть равно Г /Го 1,16 121., , Замена гиперболических электродов круглыми значительно упрощает технологию изготовления электродов массанализатора, однако это устройство обладает низким разрешением, так как йри расчете оптимальных параметров электрического поля не учитывается влияние зеркальных эффектов и искажений, которые вносят металлические поверхности вакуумной камеры. Наиболее близким к предлагаемому является квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, массанализатор, в виде четырех цилиндрических электродов круглого сечения, помшденных в экран квадратного сечения,и приемник ионов. Известное устройство обладает более высоким разрешением благодаря наличию экрана з Недостатком известного устройства является его большие габариты, так как для устранения влияния экрана на распределение электрического поля внутри квадрупольной системы, необходимо иметь R. Ь 10 , Общим недостатком известных устройств является невозможность одноBpeNieHHOft сепарации нескольких ионных пучков. Цель изобретения - улучшение аналитических возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем, что в известном квадрупольном масс-спектрометре, содержащем источник ионов, масс-анализатор, состоящи из четырех цилиндрических электродов круглого сечения, помещенных в экран квадратного сечения, и приемник ионо центЕМ круглых электродов расположены аксиально cи шeтpичнo на диагоналях квадрата на расстоянии от цент ра, равном 1/4 длины диагонали, а ге метрические размеры электродов и экрана выполнены в соотношении J2l 0,1855 - 0,1862 где г - радиус электрода, 2L - длина стороны квгщрата. Кроме того, для одновременной многоканальной сепарации ионов, в устройство введены дополнительно по четыре ионных источника и приемника ионов, каждая пара которых установлена на одной оси, причем, указанные оси совпадают с осью соответствуквдего тракта анализатора, расположенного в одной из вершин квадратного экрана. Заполнение экрана в виде трубы квадратного сечения и размещение .электродов указанным образом позволя т значительно снизить габариты ы устройства и получить, наряду с цент ральным квадрупольным каналом, четыре дополнительных монопольных канала, примыкающих к вершинам квадрата в которых эквипотенциальные линии электрического поля имеют форму гипербол. В результате, аналитические возможности прибора значительно рас ширяются, поскольку появляются возможности одновременно анализировать по пять самостоятельных ионных пучков. Указанное соотнесение геометриче ких размеров электродов и экрана, полученное из синтеза общего решени уравнения Пуассона,, представленног в виде двойного ряда Фурье, позволя ет обеспечить более строгую гиперболичность электрического поля, при этом оптимальное соотношение Г |6 0,3710 - 0,3725 и соответствует соотношению f/Го 1,1110. На чертеже схематически изображе но предлагаемое устройство. Устройство содержит источники ионов (не показаны), масс-анализатор, состоящий из четырех цилиндрич ких электродов 1 круглого сечения, помещенных в экран 2 квадратного се ения, приемник ионов и систему питания (не показаны). Экран выполнен в виде трубы квадратного сечения. лектроды расположены аксиально симметрично на диагонали квадрата на асстоянии от центра, равном 1/4 длины диагонали. Противолежащие по диагонали электроды соединены попарно. Геометрические размеры электродов и экрана выполнены в соотнсячении V-|2L 0,1855 - 0,1862. Устройство работает следующим- образом. Анализирующие ионные пучки формируются источниками ионов, например источниками сэлектронным ударом, и направляются в квадрупольную систему, состоящуюиз электродов 1 и экрана 2. При приложении к двум противолежащим электродам 1 потенциала вида .. U--Vco5(), где и - постоянная составляющая потенциала, V - амплитуда переменной сос тавляющей потенциала, .S -.соответственно круговая частота и начальная фаза переменной составляющей потенциала, t - время. В пространстве между электродами 1 создается аксиально-симметричное квадрупольное поле, в котором происходит разделение ионов по массам. При заданных величинах и,/и радиусе поля г, который равен половине расстояния между противолежащими стержнями, ионы с различными удельными зарядами B|VM (где m - масса, е - заряд иона), двигаются с начальной скоростью вдоль оси квадрупольной системы, и совершают колебания различного характера. Стабильными, т.е. не превышающими расстояния между противолежащими электродами, оказываются колебания ионов, масса которых может иметь значения Ж t uWi . Эти ионы проходят сквозь квадрупольную систему, достигают приемника ионов и регистрируются. Изменяя амплитуду V переменной составляющей или ее частоту f создают условия, при которых стабильными становятся последовательные колебания ионов всех возможных значений масс, выводят, таким образом, ионы этих масс на приемники ионов и регистрируют полный масс-спектр. Предлагаемое устройство по сравнению с известным обладает значительно меньшими габаритами, позволяет улучшить ансшитические возможности известных устройств, поскольку оно Обеспечивает многоканальную сепарацию ионных пучков, приближение стру туры электрического поля к гиперболической с большей степенью точности, а именно Ю 10, что дает возможность поклеить разрадающую сп собность на 50%. Перечисленгеле факторы дают возмо ность применения предлагаемого масс спектрометра при автоматизации технологических прсмцессов, где трег буется точная дозировка различных компонентов в широком интервале концентраций. Формула изобретения 1. Квадрупольный масс-спектрометр содержащий источник ионов, массанализатор, состоящий из четырех цилиндрических электродов круглого сечения, помещенных в экран квадратного сечения, и приемник ионов, отличающийся тем, что, с целью улучшения аналитических возможностей, центры круглых электродов расположены аксиально симметрично йа диагоналях квгщрата на расстояНИИ от центра, равном 1/4.дпины диагокали, а геометрические размеры электродов и экрана выпЬлнены в соотношении 0,1855 - 0,1862 где г - радиус электрода, длина стороны квадрата. 2.Масс-спектрометр по п.1/ отличающийся тем, что, с целью одновременной многоканальной сепарации ионов, в него введены дополнительно по че1:ыре ионных источника и приемника ионов, пара которых установлена на одной оси, причем, указанные оси совпащают с осью-соответствунадего тракта анализатора, расположенного в одной из вершин квадратного экрана. Источники информагши принятые во внимание при экспертизе 1. Слободенюк Г.И. Квадрупольные масс-спектрометры. М., 1974. 2. ХЕ-.юетаКегР.с.апй NvorEe Rf. ftev.S.ci 25,5, 485, 195.4. . 3.Авторские свидетельство СССР № 463055, кл. В 01 N 27/62, 1972 (прототип).