Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением

 

Изобретение относится к массспектрометрии. Целью изобретения является увеличение светосилы и повышение разрешающей способности за счет обеспечения пространственной фокусировки. Цель достигается тем, что в устройство введены два бессеточных электростатических зеркала, каждое из которых состоит из электродов 3, , 5 и 6, 7, 8 соответственно . Электроды зеркал выполнены в виде пластин, симметрично располо- . женных относительно средней плоскости , а источник 1 и приемник 2 ионов расположены в бесполевом пространстве между ионными зеркалами. Зеркала обеспечивают многократное отражение ионного пакета. -1 ил. с е (Л

„„SU„„1725289 А 1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (gg)g Н 01 J 49/40

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ к втоеСКомМ СвиДьтИЛьСтам

2 (54) 8РЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-CllEKTPOMETP С МНОГОКРАТНЫМ ОТРАЖЕНИЕМ (57) Изобретение относится к массспектрометрии ° Целью изобретения является увеличение светосилы и повышение разрешающей способности за счет обеспечения пространственной фокусировки. Цель достигается тем, что в устройство введены два бессеточных электростатических зеркала, каждое из которых состоит из электро" дов 3, 4, 5 и 6, 7, 8 соответственно. Электроды зеркал выполнены в виде пластин, симметрично располо" . женных относительно средней плоскости, а источник 1 и приемник 2 ионов расположены в бесполевом пространстве между ионными зеркалами. Зеркала обеспечивают многократное отражение ионного пакета ° 1 ил. !

1 (21) 4722073/21 (22) 20,07,89 (46) 07;04.92.. Бюл. У 13 (71) Институт ядерной физики

АН КазССР (72) Л.М.Назаренко, Л.М.Секунова и Е.М.Якушев (53), 621.384(088 .8) (5б) Int. J,Nass-Spectrnm.Ion Proc. .

,1989. v.88, р.21-28.

Сысоев А,А.Применение ионных зеркал во времяпролетном масс-спектрометре МСХ-34. Приборы и техника эксперимента, 1973, ll 5, с. 174-176.

Дауменбв Т.Д. и др. Ионно-опти, ческие характеристики времяпролетного зеркального масс-спектрометра.

"Изв.AH КазССР. Сер.физ.-мат.".

1986, и 2, с.77-78.

Сд

Ьф

Яб

1725289 4

Изобретение относится к масс" спектрометрии, физической электрони ке и электронной оптике.

Известны времяпролетные массспектрометры с многократным отраже-.

5 нием ионного пучка, в которых в качестве отражающих элементов используются электростатические зеркала, составленные из электродов, выпол- О ненных в виде диафрагм и трубок или в виде сеток, Зеркала обеспечивают беспрепятственное прохождение ионного пучка, одновременную пространственную фоку" 1» сировку и времяпролетную фокусиров" ку по энергии второго порядка. Каждое отражение ионного пучка осуществляется отдельным ионным зеркалом, что усложняет конструкцию прибора и накладывает определенные трудности в юстировке при реализации многократного отражения.. Многократное отраже" ние может .осуществляться двумя зеркалами. Отражение ионного пучка в них производится электростатическими е

° .

-пол :--.и, формируемыми сеточными эле-1 ктродами. Проходя сквозь, эти эле" ктроды, ионный пакет теряет часть интенсивности вследствие физическо го перекрытия пучка сетками и его рассеяния на них. Электростатиче. ские зеркала обеспечивают только времяпролетную фокусировку. С целью ввода и вывода ионов обеспечи вается импульсное питание электродов ионных зеркал, что накладывает дополнительные ограничения на частоту подачи анализируемых паке- 40 тов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является вермяпролетный масс-спектрометр, содержащий источник и приемник ионов 4» и два ионных зеркала, обеспечивающих многократное отражение ионного пакета. Электроды каждого из зеркал выполнены в виде плоских, параллельных одна другой сеток, находя- 56 щихся под постоянными потенциала" ми. Ионные зеркала расположены по обе стороны от дрейфового.пространства и параллельны между собой.

Недостатком известного прибора 5» является то, что на ну движения ионного пакета расположены сеточные электроды, которые частично перекрывают ионный поток из-за ограниченнойпрозрачности и рассеивают erî вслед" ствие наличия линзовых эффектов на ячейках сетки. Кроме того, под воз.действием ионного потока сами сетки заряжаются, что приводит к возникновению неконтролируемых потенциалов, ухудшающих характеристики прибора. Сетки в процессе работы подвержены таким явлениям, как провисание, перекосы, вздутие и так далее, которые также приводят к неконтролируемому изменению электрического поля„ указанные недостатки сетчатых зеркал приводят к уменьшению разрешения и светосилы, причем при многократном отражении и с учетом того, что ионный поток проходит каждую из сеток дважды, ситуация существенно усугубляется и становится непрогнозируемой. Кроме того, отсутствует пространственная фокусировка, что определяет малую его светосилу.

В известном устройстве источник и детектор ионов расположены с двух противоположных сторон пространства, занятого ионными зеркалами и дрейфовым пространством. Такое расположение исключает возможность изменения числа отражений ионного пакета без нарушения выбранных начальных параметров ионно -оптической схемы.

Это накладывает ограничения на анали" тические возможности прибора, так как не позволяет в процессе работы варьировать величины разрешающей способности и светосилы в зависимости от условий аналитической задачи.

Целью изобретения является увеличение светосилы и повышение разрешающей способности путем обеспечения пространственной фокусировки времяпролетного масс-спектрометра с многократным отражением.

Во времяпролетном масс-спектрометре с многократным отражением, содержащем источник. и детектор ионов и два ионных зеркала, состоящих из электродов, соединенных с источниками постоянного напряжения, каждый из электродов ионных зеркал выполнен в виде пары пластин, симметрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости, причем источник и приемник ионов распо89 обеспечивает в плоскости детектора ионов как пространственную, так и времяпролетную фокусировку. Однако в предлагаемом устройстве два подобных зеркала используются для многократного отражения ионных пакетов во времяпролетном масс-спектрометре, причем электроды того и другого зер" кала определенным образом ориентированы один относительно другогоони имеют общую плоскость симметрии.

Вследствие указанного появляется новое свойство, приводящее к увеличению разрешающей способности времяпролетного масс-спектрометра (специфическое расположение электродов обоих зеркал).

На чертеже представлена аналитическая часть времяпролетного массспектрометра с многократным отражением, общий вид.

Масс-спектрометр содержит источник 1 ионов, приемник 2 ионов, два идентичных ионных зеркала, каждое из которых состоит из электродов

3-5 и 6-8 соответственно. Каждый эле-. ктрод состоит из двух пластин д и

Я, параллельных между собой, находящихся под одинаковым потенциалом и расположенных симметрично относительно общей для обоих зеркал средней плоскости xz, в которой находятся центры выходного и входного окон источника и приемника ионов. Пунктирной линией показана траектория движения ионного пакета при многократном отражении. Центры входного и выходного окон источника и приемника ионов находятся на линии СС пересечения

C взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии ионных зеркал (плоскости

xz и ху).

Масс-спектрометр работает следующим образом.

Ионный пакет, вылетевший из источника ионов по направлению к одному из зеркал, отражается в нем и попадает в другое зеркало, отразившись в

J котором, снова попадает в поле первого зеркала и т.д. В процессе дрейфа ионный пакет расслаивается по массам и, отразившись многократно в поле ионных зеркал, попадает в приемное окно детектора. При этом дисперсия прибора равна

17252 ложены в свободном от поля пространстве между ионными зеркалами.

Указанные зеркала создают свобод- ный для прохождения ионов ионно-оптический тракт. При этом полностью

5 устраняются такие характерные для ce" точных зеркал потери разрешения и чувствительности, которые связаны с ,перекрытием пучка, а также с возник1 новением неконтролируемых зарядов °

При этом при определенных соотношениях потенциалов на электродах таких зеркал наряду с времяпролетной мож" . но обеспечить и пространственную 15 фокусировку ионов на детектор, что устраняет указанный недостаток известного устройства и. приводит к повышению по сравнению с известным разрешающей способности и светосилы во, 20 времяпролетном масс-спектрометре с многократным. отражением.

Расположение источника и детектора ионов в бесполевом пространстве между зеркалами обеспечивает возможность изменения числа отражений

6е3 нарушения выбранных начальных .параметров ионна-оптической схемы и качества пространственно-временноФ фокусировки из-за возможности обеспечения пространственно-временной фокусировки при каждом отражении (многократная фокусировка), что расширяет аналитические возможност" 35 прибора, так как позволяет в процессе работы простым перемещением источни ка или детектора ионов варьировать величины разрешающей способности и светосилы в зависимости от условий 40 аналитической задачи.

Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением отличает" ся тем, что каждый из электродов ионных зеркал выполнены в виде пары 45 пластин, симметрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости, причем источник и .детектор ионов расположены в свободном от поля пространстве между .50 ионными зеркалами.

Известно использование для однократного отражения во времяпролетном масс-спектрометре одного ионного . зеркала, составленного из электро- 55 дов, выполненных в виде пары пластин, симметрично расположенных относительно средней плоскости, котороФ 725289

ЭТ

D= km дш где Т - время прохождения ионами

5 участка пути, ограниченного плоскостью ху, m — масса иона, — число отражений в ионных зеркалах. 10

Положение источника и приемника ионов выбрано так, что плоскость ху, в которой лежат центры входного и

15 .выходного окон источника и приемни, ка, совпадает с главной плоскостью времяпролетной фокусировки, в кото"

„ЭТ рой — — = О, причем специальным выл ь

20 бором геометрических и электрических параметров ионных зеркал здесь же обеспечивается одновременно времяпролетная фокусировка по энергии

3 т 25 второго порядка ---- = 0 и простд Я ранственная фокусировка - - = 0

Э Ь ион,ого пучка в направлении, перпендикулярном к средней плоскости xz, где Я - начальный разброс энергий в пакете относительно средней энергии, - начальный угол расходимости ионного пакета в плоскости yz.

При этом разрешающая способность равна

R — k- — — — ——

d (g t + k g t< ) где g t - начальная длительность импульса, 40

Qt — времяпролетная аберрация третьего порядка малости по энергии при однократ- . ном отражении.

Величина R увеличивается с,ростом числа отражений до тех пор пока величина k 5t мала по сравнению с

Перемещение источника или детектора ионов в направлении оси. х поз" воляет использовать масс-спектрометр с различным числом отражений при сохранении выбранных начальных параметров его ионно-оптической схемы, причем качество пространственно-временной фокусировки не нарушается. Этим обеспечивается работа при повышенных разрешении или светосиле в зависимости ат условий поставленной аналитиче" м скои задачи, т.е. расширяются анапитические возможности прибора.

Параметры ионно-оптической схемы, : при которых реализуется пространственно-временная фокусировка, находятся решением уравнений движения с учетом распределения потенциала в средней плоскости ионных зеркал

- „ (z-г, )

+ 2 (7 - 74)>

+ (v5 — ч, ) à r.tge И и наложения условий

3t 3t () =0 (-) аУ =0 ая -.

3v .яр (=о ист Ает

V„ V (или соответственно где 7

Ч потенциалы на электродах 3-5 (или

6-8); расстояние между пластинами каждого электрода 1 гь ) Z >< И З4З (ИЛИ

78 67) координаты середины межэлектродных щелей, время пролета ионов с произвольной энергией участка пути, ограниченного плоскостью ху координаты выходного и входного окон источника и приемника ионов. йст дат

Например, прибор содержит трехэлек.тродное зеркало со следующими парамет,рами: размер электродов 3 и 5 (6 и

8) в направлении оси z не менее 3d, размер электрода 4 (.7) - 0,83d, расстояние от плоскости ху до параллельной ей плоскости, проходящей через, центр щели между электродами 3 н4 (7и 8)

? равно 5,67d. Зазор. между электродами составляет 0,1d.

1725289

10 по сравнению с известным вследствие отсутствия сеток на пути движения ионного пакета и наличия простран" ственной фокусировки светосила при бора увеличивается в 10-20 раз. Одновременно расширяются аналитические возможности прибора.

Значения потенциалов на электродах, выраженные в относительных единицах,. равны

Vq V Vg V — = -0,546; — = - - = О, Формула изобретения

Составитель Л.Секунова

Техред М.Дндык Корректор М.Самборская

Редактор И.йулла

" » М»»

Заказ 1180 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбннат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10!

V 76

» f 6 Vo

10 где е7д - средняя энергия монов в пакете, е - заряд иона.

Выбор размера электродов в направлении оси х зависит от максималь-15 но задаваемого числа отражеНий и угла наклона траектории ионов к оси z в момент вылета их из источника в проекции на среднюю плоскость. В конкретном приборе при пятикратном отражении и угле падения а 3 этот

; размер равен 8,5d.

Предлагаемый масс-спектрометр несложен в исполнении, его детали и узлы технологичны. В нем осуществля-ется двойная фокусировка ионного пучка: по времени пролета (с точностью до аберраций второго порядка малости),и пространственная фокусировка в одном направлении. При этом

Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением, содержащий источник и детектор ионов и два ионйых зеркала, состоящих из элек-. тродов, соединенных с источником постоянного напряжения, о t л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения светосилы и повьинения разрешающей сйособности путем обеспечения пространственной фокусировки». каждый из электродов ионных зеркал выполнен в виде пары пластин, симметрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости, причем- источник и приемник ионов располонйны в свободном от (: поля пространстве между ионными зер" калами.