Способ масс-спектрометрического анализа ионов

 

Изобретение относится к физической электронике, в частности к разделению пучков ускоренных ионов. Целью изобретения является повышение разрешающей способности и расширение диапазона анализируемых масс. Для разделения ионов используют скрещенные электрическое и магнитное поля. При этом электрическое поле создается посредством сферического конденсатора. Ионы инжектируют в анализатор вдоль магнитного поля.. Выделение ионов заданной массы осуществляется с помощью системы равноотстоящих диафрагм, расположенных в экваториальной плоскости анализатора. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 49/30

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4756315/21 (22) 04.11.89 (46) 15.03.92. Бюл. ¹ 10 (71) Институт металлофизики АН УССР (72) B,Т.Черепин (53) 621.384(088.8) (56) Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию..М.: Атомиздат, 1977, с.55 — 61.

Кремков М.В. Корпускуллярная низкоэнергетическая диагностика поверхности тела. Ташкент. Изд-во ФАН, Узбекской ССР, 1986, с.36 — 45. (54) СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ В

МАСС-СП Е КТРОМ ЕТРИ И

Изобретение относится к физической электронике, в частности к разделению пучков ускоренных ионов по отношению их массы к заряду, называемой масс-спектрометрией.

Известны способы разделения ускоренных ионов по отношению их массы к заряду (m/q),основанные на последовательном пропускании разделяемых ионов через однородные или неоднородные статические секторные магнитные и электрические поля, в которых ионы равной энергии, но с различным отношением m/q описывают различные траектории, чаще всего дуги окружностей, и при определенном соотношении энергии ионов, их m/q, напряженности полей и их геометрических параметров через выходную диафрагму проходят лишь ионы с определенной величиной m/q, Эти способы реализуются в известных секторных магнитных масс-спектрометрах.

Известны также способы разделения ионов по m/q, основанные на пропускании

„„. Ж „„1 720108 А1 (57) Изобретение относится к физической электронике, в частности к разделению пучков ускоренных ионов, Целью изобретения является повышение разрешающей способности и расширение диапазона анализируемых масс. Дпя разделения ионов используют скрещенные электрическое и магнитное поля. При этом электрическое поле создается посредством сферического конденсатора. Ионы инжектируют в анализатор вдоль магнитного поля.. Выделение ионов заданной массы осуществляется с помощью системы равноотстоящих диафрагм, расположенных в экваториальной плоскости анализатора. 4 ил. ионных пучков через скрещенные статические магнитные и электрические поля, в которых на выходной диафрагме фокусируются лишь ионы с определенным отношением m/q при определенных соотношениях между энергией ионов, напряженностью магнитного и электрического поля и их геометрических параметров. Примером реализации такого способа является известный фильтр Вина, Недостатки известных способов — необходимость обеспечить большие отрезки бесполевых пространств между входными диафрагмами, сепарирующими полями и выходной диафрагмой для осуществления удовлетворительного масс-спектрального анализа, также необходимость создания магнитных попей высокой напряженности, что приводит к необходимости использовать магнитопроводы с катушками и полюсными наконечниками или мощные постоянные магниты, вакуумные ионопроводы, откачка которых затруднена, 1720108

mx=qVyHz+q Ex, my=-qVxHz+qEy (2) mz=q Ez, 35 (3) где m — масса иона;

q — заряд;

Н вЂ” напряженность магнитного поля;

Ex,Ey Ez — компоненты напряженности электрического поля, Ч; — т и я движется в вкввторивлвП1 ной плоскости в магнитном поле Н, то под

Во всем простРанстве, занимаемо 55 действиемсилыдоренцатраекториястаносфеРическим э е ростатическим полем, в вится дугой окружности с радиусом соответствии .с предлагаемым способом возбуждается однородное магнитное поле, (М), где М вЂ” массополюсов, например, с помощью (фиг.1) соЦель изобретения — повышение разрешающей способности и расширение диапазона анализируемых масс.

Поставленная цель достигается тем, что инжектируют сфокусированный пучок ускоренных ионов через входную диафрагму в пересекающиеся электрическое и магнитное поля, пропускают отклоненные ионы с определенным отношением массы к заряду через селекторную диафрагму или щель, причем сфокусированный пучок ускоренных ионов инжектируют в электрическое поле сферического конденсатора. помещенного в однородное магнитное поле, инжекцию производят параллельно силовым линиям магнитного поля, которые параллельны оси полюсов сферического конденсатора через входную диафрагму, расположенную в экваториальной плоскости сферического конденсатора, электрическое поле устанавливают путем подачи определенного потенциала на электроды сферического конденсатора так, чтобы ионы описывали круговую траекторию с центром в центре сферы, развертку по массам осуществляют путем изменения напряженности магнитного поля, а сепарацию по массам осуществляют путем пропускания отклоненного электрическим и магнитным полями пучка ионов через последовательность равностоящих диафрагм или щелей, расположенных в экваториальной плоскости.

В соответствии с этим способом, анализируемые ионы с помощью известных средств электростатической оптики формируются в пучок малого диаметра б и фокусируются на входной диафрагме. Через эту входную диафрагму анализируемый пучок ионов впускают (инжектируют) в электростатическое поле со сферической симметрией, образованное, например, двумя концентрическими сферическими поверхностями радиуса R1 и R2. Если для определенности геометрических соотношений ввести ось полюсов сферы, экваториальную плоскость и меридиональную плоскость, то в соответствии с предлагаемым способом инжекция ионов осуществляется параллельно оси полюсов в меридиональной плоскости, т,е. по нормали к экваториальной плоскости, например посредине между поверхностями радиуса Й1 и R2. леноида, окружающего сферу и имеющего ось, параллельную оси полюсов.

Способ реализуют путем подачи на проводящие сферические поверхности напря5 жений 01 и Uz в соотношении 01=U0+ ЛО, Uz=Up — ЛОи 2 AU=Up (— — — ), где Uo—

R1 2

Rz R1 ускоряющее напряжение для ионов с энергией е00, и последующего увеличения

10 напряженности магнитного поля Н от минимального значения, например, в линейной зависимости от времени.

В отсутствии магнитного поля ионы с энергией eUo описывают в меридиональной

15 плоскости окружность радиуса Ro-—

R1 + R2

При возбуждении магнитного поля ионы отклоняются под действием силы Лоренца F, равной Р=р(Чхй), где V скорость иона, Суммарное действие электрического и магнитного поля может быть представлено как движение иона в меридиональной плоскости, которая сама поворачивается относительно оси полюсов. Для строгого описания такого движения иона решают связанные дифференциальные уравнения движения вида:

В аналитическом виде решить эти уравнения невозможно и нужно применять чис45 ленные методы, Однако для обоснования предлагаемого способа достаточно приближенной оценки, основанной на рассмотрении проекции траектории ионов на экваториальную плоскость (фиг.2).

Если ион с энергией qU< и скоростью

1720108

2Ro полуоборот, причем 2 0=,а Rm=

Rm, то условие пропускания соответствует М/Н =K=const, т.е. шкала масс является квадратичной функцией поля, а масс-спектральное разрешение должно быть постоянным и пропорциональным числу оборотов в сферическом поле.

Величина К определяется из значения поля Н, соответствующего М=1.

Пример . В электрическое поле радиуса Ro=0,04 м впускаются ионы с массовым числом М=1, единичным зарядом р=1 с энергией 1000 эВ, а магнитное поле устанавливается равным 50 10 Т.

В этом случае

Rm=

= 0,910 м, М 1 — 104

Н2 ЦР.10 â

40 б м„м,= N (Л м1 — Л бм2 ) = 4NRo х х (— ) =4NRo х

1 1

Вщы1 Вщи2

45 (тт

Масс-спектральное разрешение в этом случае

М М dLмм

ЛМ S

55 напряженности магнитного поля.

При d=S=0,35 мм, М/ Л М=100, и этот

Поскольку условием пропускания явля- показатель указывает на работоспособется повороттраектории на угол 20 за один ность предлагаемого способа даже при вое число иона, а.е,м„Н вЂ” напряженность поля, Т, а конечное угловое отклонение ме2Ро ридиональной плоскости 2 0 = из

Rm простых геометрических соображений (фиг.2).

Поворот меридиональной плоскости обеспечивается действием силы Лоренца еЧоН на расстоянии -2Ro, поэтому

2 0-eVoH 2Во. При движении иона по окружности радиуса Ro проекция V«, ответственная за возникновение силы Лоренца, действует на расстоянии л Во в верхнем полушарии. Поэтому угол поворота должен быть пропорционален величине еЧН

Л

« f sing(R — Rcos p)dp =eVoH 2Ro, т.е. угол о поворота меридиональной плоскости должен быть тем же.

B подтверждение правильности вышеприведенных оценок на фиг,3 показаны результаты строгого численного решения дифференциальных уравнений движения ионов в соответствующей предлагаемому способу конфигурации полей, Поворот траектории в нижнем полушарии происходит в противоположном относительно оси полюсов направлении, поскольку сила Лоренца меняет знак, в результате чего ион описывает траекторию, которую можно назвать сферической спиралью, причем после поворота в нижнем полушарии ионы приходят на экватор в точке, отстоящей от точки инжекции

4Ро на угол, равный 4 0 =

Rm

Размещение в точке пересечения траектории ионов с экваториальной плоскостью щели определенной ширины позволяет пропустить для дальнейшего движения лишь ионы с определенным диапазоном, т.е. р осуществить сепарацию Ro массам.

Выделенный пучок совершает следующий оборот, поворачиваясь снова на 4 О, что приводит к дополнительной дисперсии по массам. Размещение в экваториальной плоскости последовательности равноотстоящих щелей или диафрагм позволяет выделить из потока ионов и пропустить на детектор ионов лишь те из них, которые имеют определенное m/q при данной энергии и напряженности поля. В соответствии с предлагаемым способом положения диафрагм или щелей фиксировано, а развертку по массам осуществляют путем вариации

При инжекции ионов с массовыми числами, например, 99 и 100 и поле, настроенном на пропускание ионов с М=100, при

М/Н = 4 10, Н=500 10 Т.

Первое смещение вдоль экваториальной окружности за полуоборот (фиг,2)

2Ro

ALos = Ro, а за полный оборот

Rm

35 = 4Ro

1=

Rm

Смещение за N оборотов равно N hL1.

Разность смещений ионов с разными M

При К=10 подстановка указанных числен50 ных значений дает dLv м,=0,35 мм.

1720108 весьма умеренных физических и геометрических параметрах.

Результаты прямого компьютерного измерения Л для разных М показано на фиг.4.

Поскольку в соответствии с предлагаемым способом магнитное поле однородно и имеет относительно небольшую напряженность, то оно может быть легко получено без применения ферромагнитных магнитоприводов, а например, с помощью простого соленоида, ось которого параллельна оси полюсов. Напряженность поля может быть в этом случае рассчитана по величине тока, числу витков и размерам соленоида, т.е. легко может быть достигнута относительная погрешность в измерении и воспроизведении поля на уровне 10 — 10

Предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет повысить точность масс-спектрального анализа за счет исключения трудно контролируемых геометрических параметров взаимного расположения магнитных и электрических полей, бесполевых пространств и диафрагм или щелей, увеличения радиуса траектории ионов в магнитном поле, увеличения суммарной длины пролета ионов в полеобразующих пространствах, что при уменьшении напряженности бесполевых пространств Roзволит уменьшить габариты самого масс-спектрометра.

Формула изобретения

Способ масс-спектрометрического анализа ионов, по которому сфокусированный

5 пучок ускоренных ионов через входную диафрагму инжектируют в скрещенные электрическое и постоянное магнитное поля, осуществляют развертку по массам изменением магнитного поля, пропускают откло10 ненные ионы с анализируемым отношением массы к заряду через селекторную диафрагму и детектируют анализируемые ионы, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и расшире15 ния диапазона анализируемых масс, в качестве электрического поля используют поле сферического конденсатора, ось полюсов которого параллельна силовым линиям магнитного поля, инжекцию пучка ионов

20 осуществляют параллельно силовым линиям магнитного поля, а входную диафрагму располагают в экваториальной плоскости сферического конденсатора, потенциалы на электродах сферического конденсатора ус25 танавливают из условия движения ионов по круговой траектории, при этом выделение ионов определенной массы осуществляют путем пропускания отклоненного электрическим и магнитным полями пучка ионов

30 через последовательность равноотстоящих диафрагм в экваториальной плоскости, 1720108

1720108 очка иижекции ©„

Составитель В.Черепин

Редактор М.Бандура Техред М.Моргентал Корректор О.Кравцова

Заказ 774 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101