Монопольный масс-анализатор Советский патент 1981 года по МПК H01J49/42 G01N27/62 B01D59/44 

Изобретение относится к измерител ной технике, а именно к масс-спектро метрии, и может быть использовано в аналитических приборах для химическо го и изотопного анализа видеств. Известен масс-спектрометр, анализатор которого содержит четыре полеобразующих электрода, выполненных в виде стержней с круглым поперечным сочением. Сепарация ионов по массам осуществляется в созданном электродами квадрупольном .. Недостатком устройства является большая металлоемкость и высокое потребление энергии. Кроме того, оно не обеспечивает многоканальной сепарации. Известен также монопольный массспектрометр, анализатор которого содержит два полеобразующих электрода, один из которых в сечении предст ляет собой прямой угол, а второй является стержнем круглого сечения. Электроды создают часть квадрупольного поля, в котором осуществляется одноканальная сепаргщия ионов по массам 2 . Недостатком устройства является то, что для обеспечения нормсшьных аналитических характеристик электроды должны быть выполнены с высокой точностью, что связано с определенными технологическими трудностями. Нс1иболее близким является монопольный масс-анализатор, содержащий систему полеобразуквдих электродов, в которой внаиний электрод представляет собой трубу квсщратного сечения, а внутренний - стержень,с круглым поперечным сечением, расположенный коаксиапьно относительно внешнего электрода. Электроды создают квадрупольное поле, в котором осуществляется многоканальная сепарация ионов определенной массы в нескольких самостоятельных ионных пучках f3j. Недостатком известного масс-анализатора является то, что на его электродах образуются диэлектрические пленки, на которые оседают ионы, имеювше нестабильные траектории. Осевшие ионы образуют на диэлектрических плёнках поверхностные заряды, которые ухудшают разрешающую способность масс-анализатора. На внутреннем электроде диэлектрическая пленка образуется примерно через 48 ч работы, после чего масс-анализатор необходимо разбирать и чистить, что делает его неудобным в эксгшуатгщии. Цель изобретения - повышение раз-решакяцей способности прибора, поставленная цель достигается тем что в монопольном масс-анализаторе, содержащем систему полеобразуквдих электродов, в которой вноиний элект.трод представляет собой трубу квадратного сечения, внутренний электрод выполнен в виде четырех электропроводных нитей электрически соединенных между собой и расположенных аксиально симметрично относительно осей симметрии внешнего электрода. Расстояние между противолежащими нитями и сторона квадрата сечения внешнего электрода находятся в соот-ношении2л 0,4071. где 2 fi: - расстояние между противолежащими нитями;, L - сторона квадрата, сечения внешнего электрода. Нити выполнены из высокоомных мег таллов и сплавов.. Выполнение внутреннего электрода в виде четырех электропроводных нитей и расположение их аксиально симметрично относительно осей симмет рии внешнего электрода позволяет получить поле, структура которого близ ка к гиперболической. Действительно, теоретические расчеты показывают, что потенциал систе мы квадрат-круг (для двумерного случая), на основе обще-го ранения уравнения Лапласа представляется в виде двойного ряда Фурье VV.. M - П:-| - . (ап,.)Гсо. (к,.0-сов тс к 51И -- 1 L . к Потенциал Ф(х,) обладает осью симметрии четвертого порядка, совпадающей с осями симметрии квадрата что позволяет получить аксиально си метричное квадрупольное поле с высо кой, степенью точности, располагая а сиально симметрично четыре электропроводных нити. При этом потенцигш имеет в качестве одной иЪ экви потенциалей окружность, центр котор совпадает с центром квадрата. В результате расчетов получено, что при Л - 0,2035 поле в рабочей области обладает гиперболичностью с высокой степенью точности, а имен но 10 - 10 т.е. при выполнении указанного соотношения/ разрешающая способность прибора оптимальна. Выполнение нитей из высокоомных металлов и сплавов позволяет снять электрические пленки за счет непоср . ственного прогрева путем пропускани ока через нити без разборки массанализатора. На чертеже схематично изображен онопольный масс-анализатор. Устройство содержит внешний электод 1, представлякяций собой трубу квадратного сечения, четыре электропроводные нити 2, расположенные аксиально симметрично относительно осей симметрии внец1него электрода. Расстояние между противолежащими ни-, тями 2 (2А) и длина внутренней стооны квадрата сечения внешнего электрода 1 находятся в соотношении 2 Д 0,407. Нити выполнены из высокоомных металлов и сплавов, например, на основе вольфрама, платины. Предварительный расчет влияния нити на гиперболичность создаваемого поля показал, что если диаметр нити удовлетворяет соотношению ,24Д то она вносит искажения в поле. Для реальной системы с внутренней стороны квадрата внешнего электродаЬ 20мм диаметр нити не должен быть больше Фц U О ,8 мм. Устройство работает следующим образом. При приложении постоянного и переменного напряжений к электродам 1 и 2, между ними образуется квадрупольное поле. Анализируемые ионные пучки формируются источниками ионов (не показаны) и направляются в соответствующие места 3 ввода, в которых структурачполя максимально приближается к гиперболической. При заданной величине приложенного потенциала, ионы с различными удельными зарядами е/т (где е - заряд, m - масса иона)., двигаясь с начальной скоростью вдоль оси систеила, совершают колебания различного характера. Стабильными оказываются колебания ионов, масса которых может иметь значения Yn iiutM. Эти ионы проходят сквозь квадрупольную систему и достигают приемника ионов (не показан). Изменяя приложенный потенциал, создают условия,при которых стабильными становятся последовательно колебания ионов всех возможных значений масс. Ионы этих масс выводятся на приемник ионов, где регистрируется полный масс-спектр. При анализе веществ на электродах 1 и 2 образуются диэлектрические пленки, и хотя они образуются значительно медленнее чем у известных устройств, их необходимо убирать, поскольку они ухудшают аналитические характеристики масс-анализатора. Пленки убирают непосредственным прогревом пропускания тока через нити 2, при этом не требуется разбирать масс-анализатор,,что значительно упрощает работу с ним.

Разрешающая способность предлагаемого масс-анализатора повышается на 50% по сравнению с известным.Кроме того, предлагаемое устройство обладает меньшим весом и потребляет значительно меньшую энергию. Так, при анализе тяжелого компонента смеси устройство потребляет 26 Вт, тогда как известное - 130 Вт.

Снижение веса и потребляемой мощности особенно важно при использовании предлагаемого монопольного массанализатора.в космической аппаратуре для научных исследований.

Форгу1ула изобретения

1. Монопольный масс-анализатор, содержащий систему полеобразукацих электродов, в которой внешний электрод представляет собой трубу квадрат.ного сечения, отличающийс я тем, что, с целью повышения разраиающей способности, внутренний электрод выполнен в виДе.четырех электропроводных нитей, электрически соединенных между собой и расположенных аксиально симметрично относительно осей симметрии внеанего электрода.

2. Масс-анализатор по п,1, отличающийся тем, что, расстояние между противолежащими нитями и сторона квадрата сечения внешнего электрода находятся в соотношении

o

2 Д - 0,4071.

где 2л - расстояние между противоле 5жащими нитями ,

L - сторона квадрата сечения вннего электрода.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе 20 1. Слобеденюк Г.И. Квадрупольные масс-спектрометры. М., 1974

2.Авторское свидетельство СССР №433917, кл. G 01 N 27/62, 1972.

3.Авторское свидетельство СССР .jV № 418785, кл. G 01 N 27/62, 1972

(прототип).