Способ масс-спектрометрического анализа и устройство для его осуществления

 

1. Способ масс-спектрометрического анализа, по которому пучок ионбв разделяют по отношению заряда к массе в зависимости от времени пролета при воздействии на пучок однородным электростатическим отклоняющим полем, эквипотенциальные поверхности которого образуют с траекторией пучка уголб1, удовлетворяющий условию , и детектируют разделенные ионы, отличающийся тем, что, с целью повьшения разрешающей способносг ти и чувствительности и упрощения процесса детектирования, однородное электростатическое отклоняннцее поле отключают в момент времени, когда пучок ионов находится в этом поле, и детектируют разделенные ионы на линии энергетических фокусов мономассо-, вых пучков.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11)

-(594 Н 01 J

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3615079/24-21; 3623781/24-21 (22) 07.07.83 (46) 30.10.87. Бюл. № 40 (71) Институт аналитического приборостроения научно-технического объединения АН СССР (72) M.Ë. Александров, Л.Н. Галль, Г.В. Лебедев и В.Д. Саченко (53) 621.384.6(088.8) (56) Патент Великобритании № 1302193, кл. Н 01 J 39/36, 1972 °

Патент Франции № 93032, кл. В 03 С, 1968.

Авторское свидетельство СССР № 198034, кл. Н 01 J 49/40, 1966. (54) СПОСОБ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ масс-спектрометрического анализа, по которому пучок ионов. разделяют по отношению заряда к массе в зависимости от времени пролета при воздействии на пучок однородным электростатическим отклоняющим полем, эквипотенциальные поверхности которого образуют с траекторией пучка угол d., удовлетворяющий условию 0<о((,90 и детектируют разделенные ионы, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения разрешающей способнос.— ти и чувствительности и упрощения процесса детектирования, однородное электростатическое отклоняющее поле

O отключают в момент времени; когда Е пучок ионов находится в этом поле, и детектируют разделенные ионы на ли-. МФ нии энергетических фокусов мономассо- . С вых пучков.

1172405

2. Устройство для масс-спектрометрического анализа, содержащее последовательно расположенные источник ионов, пролетное пространство, электростатический рефлектор и детектор ионов;отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и чувствительности, электроды рефлектора через управляемый ключ соединены с источником питания, а детектор выполнен в виде пространственного детектора.

3. Устройство по и. 2, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что электростатический рефлектор образован плоскими электродами,а поверхность пространственного детектора является циИзобретение относится к массспектрометрии, электронной оптике, физике плазмы, ускорительной технике.

Целью изобретения является увеличение чувствительности, разрешающей способности, точности количественного анализа, упрощение процесса детектирования, конструкции устройства, а также расширение возможности применения, в частности, получение возможности статистического исследования: быстропротекающих процессов.

В предлагаемом техническом решении разделение пакетов ионов разной массы во времени детектирования заменяется .разделением их в пространстве, при этом пакеты ионов различной массы, пространственно разделенные на своей траектории, пространственно фокусируют по энергии в меняющемся во вре- 20 мени электрическом поле и детектируют на линии фокусов по энергии пространственно разделенными по массам.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Сформированные и ускоренные в источнике ионов ионные пакеты пространственно разделяются в зависимости от массы вдоль своей траектории. Попадая в меняющееся во времени поле между электродами плос- 30 кого, цилиндрического или сферического рефлектора-конденсатора, ионы разной массы движутся по разным траекто-риям, причем ионы одной массы, но линдрнческой, определяемой зависимостью

5 L. L

У(х) = — — — — - sing+(ctg p—

Sx

L sinР

2S sin (3 4Ях где L — длина пролетной камеры;

p — угол между осью пролетной камеры и нормалью к электродам рефлектора;

S — расстояние между электродами рефлектора, при этом электроды рефлектора расположены параллельно оси ОХ и перпендикулярно оси OY системы координат, а начало координат совпадает с выходс ной щелью источника ионов. имеющие разную энергию, фокусируются в точку, лежащую на линии фокусов по энергии, центральная часть которой расположена между электродами рефлектора. Положение этой точки на линии энергетического фокуса определяется массой ионов данного пакета. Сфокусированные по энергии пакеты ионов детектируют на линии фокусов, получая пространственный масс-спектр.

На фиг. 1 представлена схема времяпролетного масс-спектрометра; на фиг. 2 изображен управляемый коммутатор.

Устройство содержит источник 1 ионов (фиг. 1), первую пролетную камеру 2, первый сетчатый электрод 3, второй сплошной электрод 4, детектирующую пластину 5 с фотоэмульсионным слоем, источник питания б, управляемый коммутатор 7, вторую пролетную камеру 8, детектор 9 по времени попадания ионов. Управляемый коммутатор содержит генератор 10 прямоугольных импульсов (например, Г556) с диапазоном длительности импульсов 10 +1000 мкс, генератор ll источника ионов, генератор 12 разрядника 13, блок 14 питания.

Принцип работы электронного коммутирующего устройства. Генератор 10 вырабатывает прямоугольные импульсы

" «заданной длительности t . Передний фронт прямоугольного импульса служит

5 у (х)=—

25 при L<4ScosP кратного повторения. з 11724 управляющим сигналом для генератора

ll, подающего высокое напряжение на электроды искрового источника 1. Задний фронт прямоугольного импульса служит управляющим сигналом для генератора 12, подающего напряжение на поджигающий электрод разрядника 13, через который разряжается емкость конденсатора, образованного электродами 3 и 4. Изменением длительности

10 прямоугольного импульса проводится развертка по массе на щели коллектора в режиме масс †спектромет.

В режиме масс-спектрографа измене35 ние длительности импульсов определяется диапазоном одновременно регистрируемых масс:

2е C t 2eCt" ри 2)4

1.+4Ясозр е1 " 2eCt"2

2 — с М (, при L<4Scos/3 (1)

2 и относительное изменение длины импульса определяется из условия перекрытия массового ряда соотношением

L+4ScosР— — при L>4Scos(5;

1 М =2 (2) %

В режиме масс-спектрометра шаг изме-.

ЗО нения определяется соотношением

"2 Е1

1 RS (3)

1 1 где RS — разрешение прибора.

Точность задания времени t прямо влияет на точность масс-анализа и приближенно определяется соотношением (3), где л — флуктуация времени выключения поля.

В предлагаемом времяпролетном масс-спектрометре пакеты ионов разной массы, вышедшие из источника ионов, разделяются в пролетной камере, попадают в зазор между плоскими электродами, между которыми приложена тормозящая разность потенциалов, и летят по параболическим траекториям. В момент времен, t, отсчитанном от момента выхода ионов из источника ионов, разность потенциалов между плоскими электродами электронный блок делает .равным нулю и, так как в момент t ионы разной массы находятся в разных точках пространства между плоскими электродами, то они летят по различным прямолинейным траекто- 55 риям, причем ионы одной массы, но разной энергии фокусируются в точку на линии, уравнение которой задается выражением

L L-" siп Р

Sx

L sing

+(ctg р — . ) х+ — -- --, (4)

2Ssinр 4Ях где L — длина пролетной камеры;

p — угол между осью пролетной камеры и нормалью к плоским электродам рефлектора-конденсатора;

S — расстояние между электродами рефлектора, а система координат выбрана таким образом, что ось ОХ направлена параллельно электродам конденсатора, а ось OY — перпендикулярно к ним, при этом начало координат совпадает с местом вылета ионов из источника. Положение энергетического фокуса ионов массы М на линии фокусов можно представить в параметрической форме . (1) = .З (М) + —"

4 4 2 е-с23(М)

e sing (5)

22 е е - ее И 2 где е=И 2;,ХИ)= — ф —;

Я t — средняя энергия ионов, вышедших из источника. Из уравнения (5) видно, что прибор может работать как в режиме масс-спектрометра, когда развертка по массе осуществляется за счет изменения времени отключения поля, так и в режиме масс-спектрогра- фа, когда спектр массы представляется на линии фокусов и положение пика определяется массой ионов его образующих. Режим масс-спектрографа позволяет существенно повысить чуствительность анализа за счет его многоДисперсия прибора по массам вдоль фокальной линии в окрестности массы определяется выражением с), i 1,. е (2cosP-е) р о )+

2 4 2 (2е<) >

e sin (Ъ) (2е-о), ) J

/ где cd, =<)(1 ), и, как видно из приведенного выражения, D неограниченно возрастает при 2е=

Техред И.Попович Корректор А. Обручар

Редактор Н.Сильнягина

Заказ 5205

Тираж 696 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

l)3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 I! 72405 б ния фокусов миимая; в последнем слу- изображения в систему должна быть

1 чае для получения действительного включена электростатическая линза.