ДАТЧИК ГИПЕРБОЛОИДНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ТИПА ТРЕХМЕРНОЙ ЛОВУШКИ Советский патент 1997 года по МПК H01J49/42 

Изобретение относится к области гиперболоидной масс-спектрометрии, а точнее к гиперболоидным масс-спектрометрам типа трехмерной ловушки и может быть использовано при создании масс-спектрометров с высокой разрешающей способностью и чувствительностью.

Известны устройства датчиков гиперболоидных масс-спектрометров типа трехмерной ловушки, состоящие из двух торцевых электродов и одного кольцевого, системы сеток и приемника ионов. В качестве приемника ионов, как правило, используются электронные умножители, либо микроканальные пластины (1). Система сеток располагается между приемником (детектором) ионов и торцевым электродом и служит для предотвращения попадания электронных и ионных потоков в области детектора ионов. Для этих целей на систему сеток подаются соответствующие потенциалы во время сортировки и накопления частиц в рабочем объеме датчика (на первую к торцевому электроду отрицательный потенциал, а на вторую положительный для запирания ионного потока). Во время выплеска отсортированных частиц в детектор ионов, положительный потенциал на второй сетке импульсно снижается, и ионы проходят на детектор. Для уменьшения прямой засветки входного окна детектора ионов излучением, возникающим в области ионизации анализируемых частиц, в ряде случаев детекторы располагаются под углом к оси анализатора (2) и снабжаются поворотным устройством.

Существенным недостатком таких устройств является низкий коэффициент сбора ионов, малый уровень подавления фонового сигнала, невысокое отношение сигнал/шум и большие габариты датчика.

Наиболее близким техническим решением является известное устройство датчика гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки, в котором в полости выходного торцевого электрода расположен преобразовательный электрод, выполненный в виде системы соосных усеченных конусов. За преобразовательным электродом располагается электронный умножитель или сборка микроканальных пластин (3). Такое устройство датчика позволяет существенно уменьшить его габариты.

Недостатком известного устройства является его высокая прозрачность для излучения, идущего из области ионизации, а следовательно высокий уровень фонового сигнала. Это ограничивает возможности использования известного устройства в масс-спектрометрах с высоким разрешением и значительной относительной чувствительностью.

Целью настоящего изобретения является устранение отмеченных недостатков и создание устройства, позволяющего значительно повысить относительную чувствительность масс-спектрометра и уменьшить фоновый сигнал.

Указанная цель достигается тем, что в известный датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки, включающий один кольцевой, два торцевых электрода и детектор ионов, введен отражающий электрод, а детектор выполнен на основе микроканальных пластин и имеет центральное сквозное отверстие, при этом отражающий электрод расположен у входной поверхности микроканальных пластин. Между торцевым электродом и детектором электронов расположен экран, имеющий отверстие, соосное с отверстием в детекторе. Между торцевым электродом и экраном расположены диафрагма и управляющий электрод, выполненный в виде цилиндра с внутренним диаметром, большим чем диаметр отверстия в диафрагме. Отражающий электрод имеет форму части конуса, соосного с отверстием в детекторе и обращенного вершиной в сторону входной поверхности микроканальных пластин.

На чертеже приведен общий вид предлагаемого устройства датчика гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки.

Устройство состоит из одного кольцевого электрода 1 и двух торцевых электродов 2, которые выполнены полупрозрачными для вывода отсортированных частиц в детектор ионов. В полости торцевого электрода расположена диафрагма 3. Между детектором ионов и диафрагмой расположен управляющий электрод 4, выполненный в виде цилиндра. В детекторе ионов расположены микроканальные пластины 5 и детектор 6 электронов, в которых выполнены соосные сквозные отверстия. Между детектором 6 электронов и торцевым электродом 2 расположен экран 7. Отражающий электрод 8 располагается у входной поверхности микроканальных пластин. На эту поверхность направляются ионы, выплескиваемые из рабочего объема датчика после сортировки частиц по удельным зарядам. Для ввода в рабочий объем датчика ионизирующего электронного потока служит электронная пушка 9, а для сбора электронного потока коллектор 10.

Работает устройство следующим образом.

Из электронной пушки 9 в рабочий объем датчика вводят ионизирующий электронный поток. Образованные ионы сортируются в высокочастотном с постоянной составляющей поле по удельным зарядам. Во время сортировки из объема датчика выходят "нестабильные" ионы. В это время на управляющий электрод 4 подается большой положительный потенциал, и эти ионы не проходят через центральное отверстие в экране 7 в детектор ионов. После сортировки путем, например, подачи на торцевой электрод 2 выплескивающего импульса, отсортированные ионы выводятся в сторону детектора ионов. Диафрагма 3 совместно с торцевым электродом 2, управляющим электродом 4 и экраном 7 образуют ионно-оптическую систему, эффективно собирающую ионы на входное отверстие детектора ионов, выполненное в экране 7. Ионы, прошедшие через отверстие в экране 7, с одной стороны тормозятся отражающим электродам 8, а с другой стороны ускоряются в сторону рабочих поверхностей микроканальных пластин 5 и, таким образом, рассеиваются по всей рабочей поверхности пластин. Для более эффективного рассеивания ионов по рабочей поверхности пластин отражающий электрод 8 можно выполнять в виде части конуса с вершиной, обращенной к пластинам. Эффективное рассеивание частиц по поверхности пластин существенно увеличивает предельную скорость счета детектора, а, следовательно, динамический диапазон масс-спектрометра. В предлагаемом устройстве, как видно из рисунка, рабочие поверхности микроканальных пластин "не смотрят" в сторону датчика и поэтому его фон, вызванный засветкой излучением, идущим из области ионизации, практически отсутствует тем более, если поверхность отражающего электрода характеризуется малым коэффициентом отражения.

Пример реализации устройства:
В торцевом электроде осесимметричного датчика с характерными размерами r_a 19 мм и d=19 мм выполнена сетка с прозрачностью 70% и диаметром сетчатой области 19 мм. На расстоянии 10 мм от вершины торцевого электрода расположена диафрагма с отверстием диаметром 20 мм. На расстоянии 30 мм от диафрагмы расположен экран детектора ионов. Между детектором ионов и диафрагмой расположен цилиндрический электрод с внутренним диаметром 24 мм. Расстояние от управляющего электрода до диафрагмы 3 мм, а до экрана 4 мм. Диаметр центрального отверстия в экране 9 мм, а толщина микроканальной сборки 6 мм. На расстоянии 20 мм от поверхности микроканальной пластины расположен отражающий электрод.

На поверхности пластин задан потенциал 2000В, на отражающем электроде + 200 В. При такой геометрии предлагаемого устройства коэффициент сбора ионов составляет 33% Этот режим является оптимальным. В этом случае потенциал диафрагмы равен потенциалу торцевого электрода, а потенциал на управляющем электроде на 20% выше потенциала на кольцевом электроде и равен 240 В. В таком режиме уровень фона вызванный оптической связью входа детектора ионов с датчиком на 10² раз ниже, чем в обычных устройствах и составляет 10^-2 имп/с.

Таким образом, предлагаемое устройство при значительном уменьшении габаритов датчика (габариты датчика удается уменьшить почти на 50%) позволяет резко (в 10² раз) уменьшить фон анализатора и увеличить относительную чувствительность масс-спектрометра почти на два порядка. При этом также на два порядка увеличивается динамический диапазон анализатора.

1. Датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки содержащий один кольцевой, два торцевых электрода и детектор, отличающийся тем, что, с целью повышения относительной чувствительности и уменьшения фонового сигнала, в датчик введен отражательный электрод, а детектор выполнен на основе микроканальных пластин и имеет центральное сквозное отверстие, при этом отражающий электрод расположен у входной поверхности микроканальных пластин.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между торцевым электродом и детектором электронов расположен экран, имеющий отверстие, соосное с отверстием в детекторе.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что между торцевым электродом и экраном расположены диафрагма и управляющий электрод, выполненный в виде цилиндра с внутренним диаметром, большим, чем диаметр отверстия в диафрагме.

4. Устройство по пп. 1 - 3, отличающееся тем, что отражающий электрод имеет форму части конуса, соосного с отверстием в детекторе и обращенного вершиной в сторону входной поверхности микроканальных пластин.

1. Датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки содержащий один кольцевой, два торцевых электрода и детектор, отличающийся тем, что, с целью повышения относительной чувствительности и уменьшения фонового сигнала, в датчик введен отражательный электрод, а детектор выполнен на основе микроканальных пластин и имеет центральное сквозное отверстие, при этом отражающий электрод расположен у входной поверхности микроканальных пластин. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между торцевым электродом и детектором электронов расположен экран, имеющий отверстие, соосное с отверстием в детекторе. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что между торцевым электродом и экраном расположены диафрагма и управляющий электрод, выполненный в виде цилиндра с внутренним диаметром, большим, чем диаметр отверстия в диафрагме. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что отражающий электрод имеет форму части конуса, соосного с отверстием в детекторе и обращенного вершиной в сторону входной поверхности микроканальных пластин.