Времяпролетный масс-спектрометр

 

Изобретение относится к физической электронике. Цель изобретения - повышение чувствительности путем увеличения трансмиссии ионов при сохранении разрешающей способности. Масс-спектрометр содержит внешний электрод 1, на который подают одноименный со знаком исследуемых ионов потенциал. Внутренний электрод 2, выполненный в виде стержней, заземляют. При этом создается электростатическое поле "провисающее" между стержнями в объем внутреннего электрода. Ионы, вышедшие из источника под большими углами, отражаются в неоднородном поле 3 вблизи стержней и направляются к оси камеры дрейфа 4. Затем они попадают на детектор. Ионы, вышедшие из источника параллельно оси камеры или под малыми углами к ней, попадают в область однородного поля 5 и движутся к детектору по неискаженным траекториям. Диаметры входного D₁ и выходного D₂ торцов внутреннего электрода должны быть соизмеримы с диаметрами выходного отверстия источника и входного отверстия детектора соответственно. При этом максимальный поперечный размер стержней удовлетворяет соотношениям d≪L, d≪ l, ≅ l/2D₁, d≪ l₂ ≅ l/2D₂, где L - длина камеры дрейфа, l₁, l₂ - расстояние между стержнями на входном и выходном торцах соответственно. 1 ил.

Изобретение относится к физической электронике, в частности к масс-спектрометрии, и может быть использовано при изучении элементного состава веществ. Широкое применение в научных исследованиях находят времяпролетные масс-спектрометры. К их достоинствам относятся высокая разрешающая способность, быстродействие, широкий диапазон спектра масс. Целью изобретения является повышение чувствительности времяпролетного масс-спектрометра путем увеличения коэффициента трансмиссии ионов при сохранении величин разрешающей способности. Во времяпролетном масс-спектрометре, включающем источник ионов, детектор и камеру дрейфа, внутри которой вдоль всей ее длины коаксиально установлены электроды в виде тел вращения, внутренний электрод выполнен из электрически соединенных одинаковых стержней, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Диаметры входного D₁ и выходного D₂торцов внутреннего электрода соизмеримы с диаметрами выходного и входного отверстий источника и детектора соответственно, при этом максимальный поперечный размер стержней d удовлетворяет соотношениям d << L; d << l₁ ≅1/2D₁; d << l₂ ≅ 1/2D₂; где L - длина камеры дрейфа; l₁, l₂ - расстояния между стержнями на входном и выходном торцах соответственно. На чертеже показана плоскость поперечного сечения электродов, установленных в камере дрейфа, и конфигурация электростатического поля в этой плоскости. На чертеже обозначены: 1 - внешний электрод, 2 - внутренний электрод (стержни), 3 - область неоднородного электрического поля, 4 - ось камеры дрейфа, 5 - область однородного электростатического поля. На внешний электрод 1 подают положительный (в случае положительных ионов) потенциал, а внутренний электрод 2 (стержни) заземляют. При этом создается электростатическое поле, "провисающее" между стержнями в объем внутреннего электрода. Ионы, вышедшие из источника под большими углами, отражаются в неоднородном поле 3 вблизи стержней, направляются к оси камеры дрейфа 4 и попадают на детектор. Ионы, вышедшие из источника параллельно оси камеры или под малыми углами к ней, попадают в область однородного поля 5 и движутся к детектору по неискаженным траекториям. Выполнение внутреннего электрода в виде электрически соединенных одинаковых стержней, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, дает возможность создать симметричное электростатическое поле, конфигурация которого, отличная от электростатического поля в прототипе, оказывается наиболее выгодной для транспортировки всех ионов от источника к детектору, и обеспечивает вместе с другими признаками изобретения повышение чувствительности спектрометра при сохранении разрешающей способности прибора. При этом необходимо, чтобы геометрические параметры электродов были связаны между собой и с параметрами источника и детектора ионов, а именно: - все вышедшие из источника ионы должны попадать в область электростатического поля, ограниченную стержнями, а все транспортированные ионы - на детектор, поэтому диаметры входного D₁ и выходного D₂ торцов внутреннего электрода должны быть соизмеримы с диаметрами выходного отверстия источника и входного отверстия детектора соответственно; - с помощью моделирования на ЭВМ и экспериментально было установлено, что наилучший эффект достигается при количестве не менее шести стержней в системе, при этом необходимы и достаточны условия d << L; d << l₁ ≅ 1/2D₁; d << l₂ ≅ 1/2D₂; где d - максимальный поперечный размер стержней;
l₁ и l₂ - расстояния между ними;
L - длина камеры дрейфа. В изобретении в отличие от известных устройств с помощью коаксиальных электродов в виде тел вращения, где внутренний электрод выполнен в виде стержней, создается электростатическое поле иного вида: электростатическое поле, проникающее в пространство между стержнями, существенно неоднородное на периферии и однородное вблизи оси системы. Так как поперечный размер каждого стержневого электрода существенно меньше его длины и расстояния между соседними стержнями (d << L; d << l₁; d << l₂), то электростатическое поле "провисает" между стержнями так, чтобы ионы, вышедшие под углом, отталкиваются им к оси камеры дрейфа, но практически не попадают на сами электроды и достигают детектора. В то же время, ионы с параллельным импульсом не изменяют траектории своего движения и также достигают детектора. П р и м е р. Создан времяпролетный масс-спектрометр, включающий источник ионов с электронным ударом с выходным отверстием диаметром 16 мм, детектор, представляющий собой блок из двух микроканальных пластин типа МКП-28-10 диаметром 28 мм, камеру дрейфа, выполненную в виде цилиндра длиной L = 700 мм, диаметром 60 мм и коаксиальные электроды в ней. Наружный электрод представляет собой боковую поверхность усеченного конуса, выполненную из дюралюминия длиной 650 мм, с диаметрами: у источника 40 мм, а вблизи детектора 48 мм. Внутренний электрод выполнен в виде стержней из никеля диаметром d = 0,3 мм, лежащих вдоль боковой поверхности усеченного конуса с диаметрами D₁ = 20 мм и D₂ = 28 мм. Количество стержневых электродов в экспериментах менялось от 6 до 32, при этом выполнялись условия d << l₁ ≅ 1/2D₁ и d << l₂ ≅ 1/2D₂. Наружный электрод подключен к источнику постоянного напряжения Б5-8, стержневые электроды - под нулевым потенциалом. Разброс углов вылета ионов из источника был искусственно увеличен и составлял ±8^о. Выходное ток источника составлял I₁ = = 8,2˙10^-10 А. При отсутствии потенциала на внешнем электроде входной ток детектора был I₂ = 4,3˙10^-12 А, а при подаче на внешний электрод потенциала U = 15 В ток детектора возрастал до I' = 7,1˙10^-10 А. Таким образом, коэффициент трансмиссии ионов увеличился более, чем в 100 раз. При этом разрешающаяся способность масс-спектрометра не уменьшалась и составляла величину R = 650 на половине высоты массовых линий. Возможны другие варианты формы электродов, например два цилиндра, цилиндр и усеченный конус, "бочкообразные" электроды и т. п. причем внешний (наружный) электрод может быть как сплошным, так и сетчатым, или с отверстиями. (56) Афанасьев В. П. , Явор С. Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. М. : Наука, 1978, с. 78. Oakey N. S. , Macfarlane R. D. An electrostatic particle guide for high resolution charged particle spectrometry in intense reactor fluxes Nucl. Instr. and meth, 49, 1967, p. 220-228.

Формула изобретения

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР , включающий источник ионов, детектоp и камеpу дpейфа, внутpи котоpой вдоль всей ее длины коаксиально установлены электpоды в виде тел вpащения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности путем увеличения коэффициента тpансмиссии ионов пpи сохpанении pазpешающей способности, внутpенней электpод выполнен из электpически соединенных эквидистантно pасположенных одинаковых стеpжней, пpичем входной и выходной тоpцы внутpеннего электpода pасположены в области выходного отвеpстия источника и входного отвеpстия детектоpа соответственно и соpазмеpны с ними, пpи этом максимальный попеpечный pазмеp стеpжней d удовлетвоpяет выpажениям
d ≅ L;
d ≅ l₁ < 1/2 D₁;
d ≅ l₂ < 1/2 D₂,
где L - длина камеры дрейфа, м;
l - расстояние между стержнями на входном торце внутреннего электрода, м;
l₂ - расстояние между стержнями на выходном торце внутреннего электрода, м;
D₁ - диаметр входного торца внутреннего электрода, м;
D₂ - диаметр выходного торца внутреннего электрода, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 18.02.1996

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2002

Извещение опубликовано: 27.12.2002        

---