Квадрупольный масс-спектрометр Советский патент 1983 года по МПК H01J49/42 

2.Масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве приемника ионов использован вторично-электронный умножитель с металлическими динодами.

3.Масс-спектрометр по пп. 1, 2, отличающийся тем, что за оптически прозрачной обкладкой первого конденсатора установлен цилиндр Фарадея, соосный анализатору между выходом анализатора и входом

в первый конденсатор на уровне торца большей обкладки этого конденсатора установлен вторично-электронный умножитель канального типа, обращенный входным отверстием к оси анализатора, а конденсаторы соединены с источникомпостоянного напряжения через коммутатор, причем большие обкладки конденсатора соединены с одним подвижным контактом коммутатора, меньшие обкладки и плоские

сетчатые электроды - со тЗторым подвижным контактом коммутатора, одна пара неподвижных контактов комм атора соединена соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника напряжения постоянного тока, другая пара неподвижных контактов коммутатора - с корпусом.

4. Масс-спектрометр по п. 4, отличающийся тем, что вторично-электронный умножитель канального типа установлен над оптически прозрачной обкладкой первого конденсатора, входное отверстие этого умножителя обращено к оси анализатора и расположено вблизи входного торца этой обкладки, которая снабжена отверстием, близким по размерам и соосным входному отверстию канального умножителя, а входной торец цилиндра Фарадея параллелен оптически прозрачной обкладке первого конденсатора.

КВАДРУПОЛЬНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР , содержащий источник ионов, анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода, и приемник. ионов, параксиальный анализатору. отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности работы масс-спектрометра, онснабжен источником постоянного напряжения и двумя 90-ми цилиндрическими электростатическими конденсаторами, установленными между анализатором и приемником ионов, сопряженными осями и противоположными по направлению кривизны, каждый из которых снабжен на выходе сетчатым оптически прозрачным плоским электродом, перпендикулярным оси, причем вход первого конденсатора соосен анализатору, а выход второго - приемнику ионов, большие из обкладок этих конденсаторов выполнены оптиче- S S ски прозрачньами и соединены друг с (Л другом и с положительным полюсом источника постоянного напряжения,а меньшие - друг с другом,с плоскими сетчатыми электродами и с отрицательным полюсом ичточника напряже1НИЯ постоянного тока.

1

Изобретение относится к массспектрометрии,

Известен, квадрупольный масс-спек рометр, содержащий источник ионов, анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода, и приемник онов, в котором между выходом анаизатора и входом приемника ионов установлена система отклонения и транспортировки ионного пучка, предназначенная для снижения фоновых токов на входе приемника ионов и представляющая собой квадрупольную систему, электроды которой изогнуты под углом 90° ll .

Недостатком этого квадрупольного масс-спектрометра являются низкие фокусирующие и транспортирующие свойства указанной системы, так как гиперболичность поля в ней резко нарушена.

Кроме того, конструкция системы сложна и неудобна для практического применения , так как расположена вместе с приемником ионов под углом 90 к оси анализатора, вследствие чего анализатор, система поворота и транспортировки ионов и приемник ионов не могут быть смонтированы на одном фланце.

Известен квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода, и приемник ионов, в котором на выходе анализатора одновременно установлены вторично - электронный умножитель с

металлическими динодами и коллекторная пластина 2j .

Умножитель является основным приемником ионов, установлен параксимально анализатору, а транспортировка ионов на его вход осуществляется системой дефлекторных электродов, установленных между выходом анализатора и входом умножителя.

Недостатками этого масс-спектрометра являются отсутствие в нем умножителя, пригодного для обеспечения режима счета ионов, а также замена классического цилиндра Фарадея плоской коллекторной пластиной.

Примененная дефлекторная система, не позволяет установить цилиндр Фарадея, не перекрыв путь ионам на вход умножителя. Коллекторная пластина мало пригодна для сбора ионов и предназначена для экранирования входа умножителя от фотонов, возникающих в области ионизации источника ионов.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является квад-, рупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода, и приемник ионов, параксимальный анализатору з} . Между выходом анализатора и входом приемника ионов установлена система дефлекторных электродов, представляющая последовательную совокупность.

четырех плоскопараллельных электродов и двух отклоняющих пластин.

а в качестве приемника ионов использован вторично-электронный умножитель с металлическими динодами.

Недостатками этого масс-спектрометра являются наличие одного при емкика ионов-умножителя с металлическими динодами, предназначенного для работы лишь в среднем интервале возможных рабочих токов массспектрометра, а также сложность системы отклонения и транспортировки ионов на вход умножителя, требующей для своего питания шести независимых высокостабильных источников напряжения постоянного тока. Замена типа приемника ионов может быт осуществлена только с нарушением вакуума.

В масс-спектрометрах 1 и 2 установлен один приемник ионов (обычно умножитель) и переход от одного приемника, к другому требует разгерметизации анализатора и. замены приемника ионов. Это снижает эффективность использования масс-спектрометра из-за непроизводительных затрат времени, не позволяет в одном эксперименте провести измерения в полном динамическом диапазоне сигналов масс-спектрометра и затрудняет получение сопоставимых результатов и т.п.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности работы масс- спектрометра.

Это достигается тем, что предложенный квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода и приемник ионов, параксиальный анализатору, снабжен источником постоянного напряжения и двумя 9 о-ми цилиндрическими электростатическими конденсатора- м, сопряженными осями и противоположными по направлению кривизны каждый из которых снабжен на выходе сетчатым оптически прозрачным плоским электродом, перпендикулярным оси. Вход первого конденсатора соосен анализатору, выход второго приемнику ионов. Большие обкладки этих конденсаторов выполнены оптически прозрачными и соединены друг с другом и с положительным полюсом источника напряжения постоянного тока,а меньшие соединены друг с другом, с плоскими сетчатыми электродами и с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения. Геометрические размеры конденсаторов одинаковы, зазор между их обкладками не меньше диаметра поля анализатора, а расстояния между последовательно расположенными анализатором, конденсатором и приемником ионов минимальны.

Наиболее целесообразно в каче.стве параксиально расположенного

приемника ионов использовать вторично-электронный умножитель с металлическими динодами, как наиболе громоздкий. Именно в таком положении его наиболее удобно монтироват на общем фланце с анализатором и ибежать нежелательного увеличения этого фланца.

Если умножитель с металлическими динодами, предназначенный для работы с относительно большими ионными токами, располагают параксиально анализатору, целесообразно за оптически прозрачной обкладкой. первого конденсатора установить цилиндр Фарадея, соосный анализатору , а между выходом анализатора и входом в первый конденсатор на уровне торца большей обкладки этог конденсатора установить вторичноэлектронный умножитель канального типа, обращенный входным отверстием к оси анализатора. При этом для электрического управления выводом ионов на любой из трех приемников ионов конденсаторы должны быть соединены с источником напряжения постоянного тока через коммутатор. При этом большие обкладки конденсаторов должны быть соединены с . одним подвижным контактом коммутатора, меньшие обкладки и плоские сетчатые электроды - со вторым подвижным контактом коммутатора. Одна пара неподвижных контактов коммутатора должна быть соединена соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного напряжения, другая пара - с корпусом.

Наиболее полный сбор ионов на каждый из приемников ионов достигается в случае, когда вторичноэлектронный умножитель канального типа установлен над оптически прозрачной обкладкой первого конденса-, тора. Входное отверстие этого умножителя обращено к оси анализатор и расположено вблизи входного торца этой обкладки, которая снабжена отверстием, близким по размерам и соосным входному отверстию канального умножителя, а входной торе цилиндра Фарадея параллелен прозрачной обкладке первого конденсатора.

Предлагаемый масс-спектрометр представлен на фиг. 1-3, где обозначены источник ионов 1, анализатор 2, приемник ионов 3, параксиальный анализатору, большая оптически прозрачная обкладка 4, . меньшая обкладка 5, ось б и плоский оптически прозрачный электрод 7 первого конденсатора, большая оптически прозрачная обкладка 8, меньшая обкладка 9, ось 10 и плоский оптически прозрачный электрод 11

второго конденсатора, источник постоянного напряжения 12, ось 13 анализатора, параксиального анализатору приемника ионов 14, цилиндр Фарадея 15, умножитель 16 канальног типа, цилиндр Фарадея 15, умножитель 16 канального типа, коммутатор 17, отверстия 18 в обкладке,.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Ионы, выходящие из анализатора, поступают в первый конденсатор, где испытывают отклонение на 90 относительно оси 6 анализатора и одновременно ускоряются потенциалом, приложенным электроду 7 этого конденсатора. Попадая из первого конденсатора непосредственно во второй конденсатор, эти ионы отклоня7 ются во втором конденсаторе на 90 , но в противоположном, чем в первом, направлении, одновременно ускоряясь .потенциалом, приложенным к электрод 11 второго конденсатора. Проходя этот электрод, ионы поступают на вход приемника ионов 3, параксиально анализатору.

Так как энергия ионов, выходящих из источника ионов квадрупольного масс-спектрометра, одинакова для ионов всех масс, и с этой энергией ионы поступают на вход первого конденсатора, предлагаемая система отклонения и транспортировки ионов одинаково отклоняет и транспортирует ионы любых масс. Излучение, распространяющееся в направлении от источника ионов вдоль оси анализатора, практически не отражается от большей обкладки конденсатора 5, так как оптически прозрачна. Та незнчительная доля этого излучения, которая все же может отразиться от этой обкладки за счет ее конечной прозрачности, практически полностью проходит большую обкладку 8 конденсатора и не попадает на вход приемника 3, так как обкладка конденсатора также оптически прозрачна.

« -

Измерения показали, что фоновые токи умножителя, установленного соосно анализатору, снижаются при параксиальной установке умножителя и использовании предлагаемой системы от 100 имп/с до 0,1-0,01 имп/с т.е. на 4-5 порядков, что означает отсутствие фонового тока, обусловленного процессами в источнике ионо и анализаторе.

Для упрощения конструкции и снижения потерь при их транспортировке с выхода анализатора на вхо приемника ионов целесообразно, чтоб геометрические размеры конденсаторо Ьыли одинаковыми, зазор между их обкладками был не меньше диаметра поля анализатора (т.е. расстояния

между протигзолежащими электродами анализатора), а расстояния между последовательно расположенными анализатором, конденсаторами и приемником ионов - минимальны.

Устройства, представленные на фиг. 2 работают следующим образом.

При выводе ионов на умножитель 3 параксиальный анализатору 2, подвижные контакты коммутатора- 17, устанавливают в положение, при котором они соединены с полюсами источника постоянного напряжения 12.

Для вывода ионов на цилиндр Фарадея 15 либо на вход канального умножителя 16 подвижные контакты коммутатора 17 устанавливают в положение, при котором они соединены с корпусом масс-спектрометра. В этом случае ионы достигают входа цилиндра Фарадея 15 за счет своих скоростей движения вдоль оси анализатора Для более эффективного сбора ионов удобно использовать цилиндр Фарадея несколько больших рамеров, чтобы избежать потерь ионов за счет отклонения их скоростей от продольных. Фоновые токи / 10 Л/, возникающие за счет попадания на цилиндр Фарадея излучений из источников ионов, несущественны, так как этот приемник используется для работы с токами , большими А. Для сбора ионо на входе канального умножителя 16 н этот умножитель подается необходимое для его работы напряжение (обычно 3-4 кВ). Возникающий при этом потенциал провисает от входа умножит€2ля в направлении оси анализатора, затягивает и фокусирует ионы на входном отверстии этого умножителя. Так как вход канального умножителя расположен в оптической тени рабочего пространства анализатора, фоновые токи, обусловленные излучением источника ионов и процессами в анализаторе, практически отсутствуют обычно менее 0,1 имп/с . Малы размеры входного отверстия канального умножителя позволяют легко расположить его входную часть между выходом анализатора и входом первого конденсатора. Этот умножитель может быть легко установлен на общем фланце, на котором собраны анализатор, умножитель с металлическими динодами и цилиндр Фарадея, установка каналотрона перпендикулярно оси анализатора не влечет за собой увеличения диаметра фланца вследствие малости размеров каналотрона.

Устройство изображенное на фиг.3 работает так же, как устройство показанное на фиг. 2. Однако вход первого конд нсатора максимально приближен к выходу анализатора, вхоцилиндра Фарадея максимально приближен к оптически прозрачной сет:Ке первого конденсатора, а расположение входа канального умножителя и эффективность затягивания ионов на его вход не отличаются от рассмотренных для устройства, пред ставленного на фиг. 2.

При работе с газовыми молекулярными пучками, когда с целью их наиболее эффективной ионизации такой молекулярный пучок направляют вдоль оси источника ионов (фиг. 2), возможно отражение газовых молекул от дна цилиндра Фарадея и возвращение их обратно через анализатор в источник ионов. Это ведет к ошибкам измерения состава первичного пучка. Такого эффекта не наблюдается, когда молекулярный пучок образован молекулами твердого вещества, коэффициент аккомодации которых близок к 1. в этом случае молекулы конденсируются на- дне цилиндра Фарадея и не могут вернуться в источник ионов, в случае же газового молекулярного пучка избежать нежелательных эффектор можно, если дно цилиндра Фарадея снабжено отвевстием сросным анализатору и соизмеримым

с диаметром поля анализатора ( диаметр молекулярного пучка обычно несколько меньше диаметра поля анализатора) . Тогда молекулярный пучок проходит цилиндр Фарадея и выходит за его пределы через упомянутое отверстие, где может быть уловлен обычными методами, например ловушкой , охлажденной жидким азотом.

Проверка работы предлагаемого масс-спектрометра показала полную его работоспособность, высокую эффективность сбора ионов и подавления фона, конструктивную простоту и удобство в работе. Устройство позволяет не только с высокой эффективностью транспортировать ионный пучок на вход приемника ионов, параксиального анализатору, но и устанавливать на выходе анализатора одновременно три приемника ионов, умножитель с металлическими динодами, умножитель канального типа и цилиндр Фарадея. Кроме того, оно позволяет осуществлять как высокоэффективный сбор ионов на любой из этих приемников, так и быстрый переход от одного приемника ионов к другому непосредственно в процессе работы масс-спектрометра.

6 5