Устройство для масс-спектрометрического анализа веществ

 

Изобретение относится к массспектрометрии и может быть использовано при исследовании элементного и химического состава сложных веществ. Целью изобретения является повышение разрешающей способности и расширение энергетической полосы пропускания анализатора при одновременном упрощении его конструкции и сохранении общих габаритов. Устройство содержит источник 1 ионов, детектор 5 и электростатический анализатор в виде двух коаксиальных электродов 2 и 3, выполненных с уменьшающимися в направлении вылета ионов радиусами поперечных сечений, а оси источника 1 ионов, детектора 5 и электродов 2, 3 анализатора пространственно разнесены, при этом плоскости старта ионов и пластины детектора пространственно совмещены. Поверхности внутреннего и внешнего электродов могут быть выполнены в виде поверхностей вращения, образующие которых заданы уравнением где z - координата, отсчитываемая от плоскости старта в направлении оси анализатора, r - текущий радиус соответствующего электрода анализатора (м); r₁, r₂ - радиусы внутреннего и внешнего электродов в плоскости старта ионов z = 0 (м), f(r) - положительная монотонно убывающая функция, определяемая соотношением f(r) = r²/2R² - ln(r/R), где R - линейный габаритный размер. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к масс-спектрометрии импульсных пакетов заряженных частиц и может быть использовано при исследовании элементного и химического состава сложных веществ методами масс-спектрометрии. Цель изобретения повышение разрешающей способности и расширение энергетической полосы пропускания анализатора при одновременном упрощении его конструкции и сохранении общих габаритов. Поверхности электродов анализатора могут быть описаны следующим выражением: z где z координата, отсчитываемая от плоскости старта в направлении оси анализатора; r₁, r₂ радиусы внутреннего и внешнего электродов в плоскости старта ионов; r текущий радиус соответствующего электрода анализатора, (м); f(r) положительная монотонно убывающая функция. При указанной конфигурации электродов анализатора и подаче соответствующих напряжений на внешний и внутренний электроды (на внешний тормозящего, на внутренний ускоряющего) оптимальная транспортировка ионов от источника до детектора обеспечивается совокупностью двух факторов: центробежной силой, направленной от оси анализатора и обусловленной вращением ионов вокруг последней, и центростремительной силой, направленной к оси и обусловленной соответствующей ориентацией вектора напряженности поля анализатора. Синхронизация ионов, имеющих различные энергии и направления вылета из источника, при их дрейфе от источника до детектора обеспечивается наличием аксиальной составляющей вектора напряженности поля анализатора, направленного вследствие сужения электродов навстречу движению ионов. При выполнении формы электродов в соответствии с приведенными выше зависимостью и расположением источника и детектора таким образом, чтобы плоскости старта и детектирования совпали, обеспечиваются условия идеальной синхронизации ионов в момент детектирования вне зависимости от их энергии и направления вылета из источника. При этом отпадает необходимость использования электростатического зеркала, что значительно упрощает конструкцию анализатора по сравнению с устройством-прототипом, где синхронизация ионов, имеющих различия в энергии, достигается применением дополнительного электростатического зеркала с соответствующими источниками питания и высоковольтными блоками стабилизации. Конструкция предлагаемого устройства изображена на чертеже. Устройство содержит источник 1 ионов с импульсным блоком питания, внешний 2 и внутренний 3 электроды анализатора, ось 4 анализатора, микроканальную пластину детектора 5, ось 6 источника, ось 7 детектора, траектория 8 иона. Источник 1 ионов формирует импульсные пакеты ионов, которые движутся в пространстве между коаксиальными электродами 2, 3 по оборотным вокруг оси 4 и поступательным в направлении сужения электродов траекториям 8. При подаче на внешний электрод 2 тормозящего напряжения, а на внутренний электрод 3 ускоряющего напряжения в пространстве между электродами создается тормозящее в направлении движения ионов поле, которое уменьшает энергию продольного движения и увеличивает энергию вращения ионов вокруг оси анализатора. Закон сохранения азимутального момента количества движения (справедливый для любой осесимметричной системы) обеспечивает устойчивость орбит ионов при приближении их к оси анализатора. При этом существует пороговое значение начального азимутального момента, обусловленное величиной начальной угловой скорости и радиусом внутреннего электрода в плоскости старта ионов. Уменьшение продольной составляющей скорости ионов в процессе торможения приводит, в конечном итоге, к изменению направления движения на противоположное и возвращению ионов к плоскости старта, где устанавливают микроканальную пластину детектора 3. Ось 6 источника и ось 7 детектора пространственно разнесены, что создает оптимальные условия для достижения максимального сбора ионов на детектор. В качестве возможной реализации предлагаемого технического решения можно выбрать форму электродов, описываемую зависимостью z R_o· (1) где r₁, r₂ радиусы внутреннего и внешнего электродов в плоскости старта z 0, r текущий радиус поперечного сечения электpодов, z продольная координата, f(r) положительная монотонно убывающая функция,
R_o линейный размер, определяющий габариты анализатора. В рассматриваемом случае скалярное поле в пространстве между электродами описывается потенциалом Φ(r,z)Φ_о ˙ (f(r/R_o)= z²R_o²), где Φ_o величина, имеющая размерность напряжения. Продольное движение ионов подчинено уравнению. mz -2qΦ_о ˙ z/R_o², z'(0) z_o, z(0) 0 (2) где q, m заряд и масса иона. Решение дифференциального уравнения (2), которое можно записать в виде
sint· показывает, что каковы бы ни были начальная энергия и направление вылета ионов из источника, расположенного в плоскости z=0, время возвращения на эту же плоскость не зависит от указанных начальных параметров движения, а определяется лишь отношением массы иона к его заряду, т.е. величиной m/q:
t_k= π·R_o / где t_к время дрейфа ионов от источника до момента возвращения на плоскость z=0. Таким образом, в рассматриваемом поле плоскость z=0 является плоскостью идеальной синхронизации пакта, однородного по величине m/q. Указанный факт обосновывает расположение микроканальной пластины детектора в плоскости старта ионов. Если же детектирующая плоскость не совпадает с плоскостью старта ионов, происходит аберрационное уширение пакета, обусловленное различием начальных параметров вылета ионов из источника, что ограничивает разрешающую способность предлагаемого устройства. Возможность реализации предлагаемого устройства покажет на частном случае задания функции f(r) формулы заявки в виде
f(r) r²/2R² ln(r)R), где R линейный габаритный размер анализатора. Указанная функция при r > R положительная и монотонно убывающая, поскольку
f'(r) r/R² 1/r (r² R²)/rR² < 0
Управление движения ионов по координате r с учетом вращения вокруг оси z имеет вид
r r + 2 где r_н начальное значение r,
g начальная угловая скорость. Это уравнение допускает получение решения в виде квадратуры
t
Динамику ионного пакета от источника до детектора, расположенных некоаксиально оси анализатора, рассчитывали на ЭВМ методом статистического моделирования. При этом угол раствора пакета ионов в момент старта полагали равные 60^о с косинусным распределением интенсивности по направлению вылета, разброс энергий моделировали по нормальному закону со средним значением 20 эВ. Геометрические размеры анализатора выбрали следующими: R 250 мм, r₁ 5 мм, r₂ 100 мм (r₁, r₂ радиусы электродов анализатора в плоскости старта ионов). Диаметр микроканальной пластины был принят 30 мм. Все вышеуказанные размеры соответствуют реальной технической ситуации. Расчет показал, что при расположении оси источника на расстоянии 50 мм и оси детектирующей микроканальной пластины на расстоянии 42 мм от оси анализатора можно собрать на детектор около 20% всех вылетевших из источника ионов. При этом разрешающая способность анализатора по массам длительности импульса 10 нс и значения массы 10000 а.е.м. порядка 50000 по основанию вниз. Приведенный пример показывает реальную возможность осуществления предлагаемого технического решения, хотя и является лишь частным случаем, соответствующим конкретному заданию функции f(r). Путем оптимизации геометрических параметров анализатора, положения источника и детектора, а также выбора другого вида монотонно убывающей функции f(r) можно еще более улучшить пропускание масс-анализатора без ухудшения разрешающей способности.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ, содержащее электростатический анализатор в виде двух коаксиальных электрически изолированных электродов, соединенных с блоком питания, источник ионов и детектор, соединенные с импульсным блоком питания и обращенные рабочей поверхностью в пространство между электродами анализатора, отличающееся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и расширения энергетической полосы пропускания при сохранении габаритов анализатора и одновременном упрощении его конструкции, внутренний и внешний коаксиальные электроды анализатора выполнены с уменьшающимися в направлении вылета ионов радиусами поперечных сечений, а оси источника, детектора и электродов анализатора пространственно разнесены, при этом плоскости старта ионов и пластины детектора пространственно совмещены. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхности внутреннего и внешнего электродов выполнены в виде поверхностей вращения, образующие которых заданы уравнением

где z - координата, отсчитываемая от плоскости старта в направлении оси анализатора;
r - текущий радиус соответствующего электрода анализатора, (м);
r₁, r₂ - радиусы внутреннего и внешнего электродов в плоскости старта ионов z = 0 (м);
f(r) - положительная монотонно убывающая функция. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что положительная монотонно убывающая функция определяется соотношением f(r) = r² / 2R² - l_n (r / R), где R - линейный габаритный размер.

РИСУНКИ

Рисунок 1

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

Номер и год публикации бюллетеня: 8-2000

Извещение опубликовано: 20.03.2000        

---