Датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки Советский патент 1987 года по МПК H01J49/42 

2. Датчик по п. 1, ющийся тем, что положение каналов для да заряженных частии;, виде кольцевых щелей, соотношением

11.2.л i+K.;,,.

К уа - j -

минимальные расстояния от центра датчика до электродов по координатам X, У, Z соответственно;

Z., либо Z,,

Z, либо ZT,

и Z| - расстояния от центра

системы до краев канала на кольцевом электроде J -, ZT расстояние от центра

системы до краев канала на торцовом электроде, соответствующего каналу на кольцевом электроде;

К- а

коэффициент эллипсносГчти электродной системы,

1. ДАТЧИК ГИПЕРБОЛОВДНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ТИПА ТРЕХМЕРНОЙ ЛОВУиГКИ, содержащий один кольцевой и два торцовых электрода, в которых J выполнены каналы для ввода и вывода заряженных частиц, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности и разрешающей способности за счет уменьшения искажений, вносимых этими каналами в распределение потенциала в рабочем объеме датчика, в торцовых и кольцевом электродах дополнительно вьтолнены компенсирующие каналы, при этом каждому каналу для ввода и вьшода заряженных частиц на кольцевом электроде соответствует один или два компенсирующих канала на торцовых электродах, а каждому каналу для ввода и вывода заряженных частиц на тор- цовом электроде соответствует ком- S пенсируюп;ий канал на кольцевом элек(Л троде.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовайо при создании гиперболоид ных масс-спектрометров типа трехмер ной ловуипси с высокими чувствитель ностью и разрешающей способностью. Известны датчики г перболоидных масс-спектрометров на осесимметрично линзе и с электродами в виде гиперболоидов, состоящие из одного кольцевого и двух торцовых электродов. Электронный поток для ионизации газа в рабочем объеме датчика вводится через каналы в одном торцовом эле троде в течение времени ионизации, образованные ионы под действием высо кочастотного с постоянной составляющей поля сортируются по удельным зарядам в течение времени сортировки, а затем путем подачи выплескивающего импульса на один из электродов выводятся через каналы вывода во втором электроде в регистрирующее устройство. Однако оси электронной nyinки и приемника ионов совмещены, вследствие чего из-за попадания потока фотонов на вход умножителя снижается отношение сигнал/шум, т.е чувствительность масс-спектрометра. Наличие каналов для ввода и вывода заряженных частиц приводит к искажению рабочего поля в датчике (иногда весьма значительному) и, как следствие, к резкому ухудшению всех параметров датчика, прежде всего чувствительности и разрешающей способности. Наиболее близким техническим решением является датчик масс-спектрометра, в котором каналы для ввода ионизирующего электронного потока выполнены на кольцевом электроде, а каналы для вывода отсортированных ионов расположены на торцовых электродах, т.е. оптические оси источника электронов и приемника ионов разнесены (перпендикулярны друг другу). Недостатком такого устройства являются большие искажения поля, вызваннъ е наличием каналов в электродах . Целью изобретения является увеличение чувствительности и разрешающей способности масс-спектрометра за счет уменьшения искажений поля в рабочем объеме датчика, вызванных наличием каналов для ввода в датчик и вывода из него заряженных частиц. Указанная цель достигается тем, что в датчике гиперболоидного массспектрометра типа трехмерной ловушки, содержащем один кольцевой и два торцовых электрода, в которых выполнены каналы для ввода и вывода заряженных частиц, в торцовых и кольцевом электродах дополнительно выполнены компенсирующие каналы,при этом каждому каналу для ввода и вывода заряженных частиц на кольцевом электроде соответствует один или два компенсируюпщх канала на торцовых электродах, а каждому каналу для ввода и вывода заряженных частиц на торцовом электроде соответствует компенсирующий канал на кольцевом электроде. Взаимное расположение каналов для ввода и вьгоода заряженных частиц, выполненных в виде кольцевых щелей, определяется соотношением (b)(|i-).ni/(|i-) liS-(|I-- Хд,У ,d минимальные расстояния от центра датчика до электродов по координатам X, У, Z соответственно;,либо Z,; ., либо ZT,; Zy и Z - расстояния от центра системы до краев канала на кольцевом элек- 25 троде; ZT и Z - расстояния от центра системы до краев канала на торцовом электроде, соответствующе- Q го каналу на кольцевом электроде; - коэффициент эллипснос ти электродной системь. На фиг. показано схематично 35 предлагаемое устройство; на фиг.2 схематическая конструкция предлагавмого датчика, в котором каналы ввода и вьшода заряженных частиц и компенсирующие каналы совмещены, на фиг.З- 40 зависимость относительной ошибки отклонения потенциала в центре датчика от идеального до величины Z /d при Zro Пунктиром показано значение , соответствующее соотношению (1). Датчик состоит из кольцевого электрода 1, торцовых электродов 2, канала 3 для ввода заряженных частиц в кольцевом электроде и соответствующих компенсирующих каналов 4 в торцовых электродах, каналов 5 для вывода заряженных частиц в торцовых электродах и соответствующих компенсирующих каналов 6 на кольцевом электроде. Предлагаемое устройство датчика типа трехмерной ловушки работает сле дующим образом. 99 t5 20 4 Ионизирующий электронный поток вводится в рабочий объем датчика через канал 3 ввода. Под действием высокочастотного с постоянной составляюией поля, приложенного между кольцевым 1 и торцовыми 2 электродами, образованные ионы начинают двигаться. Причем параметры ВЧ поля подбираются так, что в рабочем объеме датчика остаются только ионы с заданным удельным зарядом - , все остальные (нестабильные) ионы рассеиваются на полеобразующие электроды. По прошествии времени сортировки, достаточного для рассеивания нестабильных ионов, на один из электродов подается выплескивающий импульс и отсортированные ионы выводятся в регистрирующее устройство через каналы 5 вывода. Степень сортировки, определяющая разрешающую способность масс-спектрометра, и количество выводимых ионов т.е, чувствительность, в первую очередь определяются качеством поля в датчике. Р еальное поле создается системой электродов в виде гиперболоидов. Наличие каналов для ввода н вывода заряженных частиц приводит к искажениям идеального поля и к уменьшению чувствительности и разрешающей способности. Для уменьтения искажений поля в рабочем объеме датчика выполнены компенсирующие каналы 4 и 6. причем канал 4 вводится для компенсации канала 3 для ввода в кольцевом электроде, а канал 6 - для компенсации каналов 5 вывода в торцовых электродах. Размеры и положение компенсирующих каналов выбираются на основе принципа скомпенсированных заря,ч дов, по которому наиболее оптималь ° конструкцией датчика является такая, в которой на внутренних по-, верхностях кольцевого и торцовых электродов будут сосредоточены одинаковые поверхностные заряды, а искаж ия поля в рабочем объеме датчика будут минимальными, Если распределение потенциала в рабочем объеме датчика записать в виде qi(X,y,Z) io+o6,xVi) 2) где (xi-c ,) ,o:i, постоянные коэффициенты, определяющие характер поля в датчике, то поверхностный заряд

О на поверхности S в таком поле ражается интегралом

G ( .)-liiiz.zll

dS, (3)

JJ У

(S)

в котором интегрирование ведется но X и Z,

Так как коэффициенты ix.; в соотно01ении (2) определяются граничных условий, то по соотношению (3) мож но ог(ределить поверхностные заряды G, которые должны бы быть сосредоточены на поверхности кольцевого электрода на месте компенсирующего канала или канала ввода, и G на поверхности торцового электрода на месте канала вывода или компенсируЮD eгo канала. Так как наименьшие искажения в рабочем объеме датчика будут тогда, когда поверхностные за ряды будут скомпенсированы, то равенство Cl G позволит выбрать размеры и расположение каналов, npH4eN конструкция датчика будет оптимальной и иметь наименьшие искажения по ля Б рабочем объеме датчика. С ц;елью упроп ения конструкции датчика соответствующие каналы для ввода и вывода заряженных частиц и компенсирующие каналы совмещены (каналы 3 и 6 на кольцевом электроде , каналы 4 и 5 на торцовых электродах) , Эти каналы на фиг, 2 выполнены в виде кольцевых щелей к вз имное расположение каналов для ввода и вьшода заряженных частиц определяется соотношением (О которое получено из соотношения (3). Коэффииие1ггы 0 X 5 у 2 при этом определяюГся из уравнения (2) при учете 1-раничных условий. Пунктиром на фиг-. 2 показан экран 7, имеющий нулево11 потенциал. В реальных конструкциях датчиков он соответствует камере датчика.

На фиг. 3 приведена зависимость относительной ошибки отклонения цотенциала в центре датчика от идеального в реальной конструкции датчика, схематически изображенной на фиг. 2j от размера кольцевой njeли в торцовых электродах ( /d) при фиксированном значении размера кольцеиой щели в кольцевом электроде Zrp ,1 для осесимметричного датчика () и УО/Л. Пунктиром показано значение Z. /d, удовлетворяю f- соотношению (1). Случай, кЪгда соответствует тому, что торцовый электрод является сплошным. Ошибка при этом -0,82%. При увеличении Z|.p /d, то есть при увеличении размера иели уменьшается и переходит через нуль вблизи оптимального значения 7.„ /d. Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с гиперболоидным масс-спектрометром типа трехмерной ловушки, позволяет путем введения компенсирующих каналов сниэ.чть в десятки раз искажения в распределении потенциала в рабочем объеме датчика, вызванные наличием каналов для ввода и вывода заряженных