Времяпролетный масс-спектрометр

 

(В) RU (11) 2003199 С1 (51) 5 Н 01 3 49 46

Комитет Российской Федерации по патентам н товарным знакам

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ „

К ПАТЕНТУ Ы...-. @ЛЩ (21) 4897842/21 (22) 19.10.91 (46) 15.1 1.93 Бюл. Ма 41-42 (71) Самарский авиационный институт имакад.С.П.Королева (72) бочкарев ВА; Семкин НД; Колесников O.tO. (73) Бочкарев Валерий Александрович. .Семкин Николай Данилович; Колесников Oner Юрьевич (54) ЗРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР (57) Использование: в приборостроении, средствах автоматизации и системах управления, в технике масс- пектрометрии. Сущность: времяпролетный масс-спектрометр содержит источник ионов 1, сетчатые электроды 2 — 5, приемник ионов 6, расположенные осесимметрично в корпусе 7. Сетчатые электроды 2 — 5 подключены к генераторам нелинейных напряжений 8 — 11, входы их соединены с блоком управления 12. Приемник ионов 6 соединен с первым входом блока обработки спектра масс 13, а выход его соединен с входом блока управления

12. Еще один выход блока управления Ф2 соединен с вторым входом блока обработки спектра масс

13. Спектрометр позволяет повысить разрешающую способность по массе за счет динамической компенсации начального разброса ионов источника по координате и времени вылета. 2 ил.

2603199

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к технике масс-спектрометрии.

Известен времяпролетный масс-спектрометр, содержащий ионный источник, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, генератор выталкивающих импульсов, приемник ионов.

Недостатком его является низкая разрешающая способность по массе.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому масс-спектрометру является выбранный в качестве прототипа .времяпролетный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, камеру дрейфа, детектор и двухзазорный отражатель ионов, состоящий из последовательно расположенных, параллельных друг другу сетчатых электродов, причем электроды подключены к источнику питания через делитель напряжения, состоящий из резисторов.

Недостатком данного времяпролетного масс-спектрометра является недостаточно высокая разрешающая способность по массе вследствие того, что она определяется, в основном, длиной пролетной базы, ускоряющим напряжением и величинами начального разброса ионов по скоростям, координатам и моментам вылета.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности масс-спектрометра по массе за счет динамической компенсации начального разброса ионов источника по координате и времени вылета, Указанная цель достигается тем, что во времяпролетном масс-спектрометре, содержащем корпус и расположенные в нем симметрично относительно оси масс-спектрометра источник ионов, сетчатые электроды, приемник ионов, счетные электроды подключены к генераторам нелинейных напряжений, входы которых соединены с выходами .блока управления. Приемник ионов соединен с первым входом блока обработки спектра масс, а. выход его соединен с входом блока управления. еще один выход которого соединен со вторым входом блока обработки.

Сопоставительный анализ, с прототипом показывает, что предлагаемый массспектрометр содержит новые блоки— управляемые генераторы нелинейных напряжений, подключенные к сетчатым электродам, что говорит о соответствии его критерию изобретения "новизна", Сравнение же его с другими техническими решениями в данной области техники говорит о соответствии его и критерию изобретения

"существенные отличия", т,к. при этом не были выявлены технические решения, содержащие признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа.

5 На фиг.1 представлена схема времяпролетного масс-спектрометра; на фиг,2 — временные диаграммы, изменения нап ряжений, поясняющие его работу.

Времяпролетный масс-спектрометр со10 держит источник ионов 1, сетчатые электроды 2-5, приемник ионов 6, расположенные симметрично оси в корпусе 7, Сетчатые электроды 2 — 5 подключены к генераторам нелинейных напряжений 8-11, входы кото15 рых соединены с блоком управления 12.

Приемник ионов 6 соединен с первым входом блока обработки спектра масс 13, а выход его соединен с входом блока управления 12. Еще один выход блока уп20 равления 12 соединен с вторым входом блока обработки спектра масс 13. Источник ионов 1 содержит электронную пушку (не показана), которая создает зону ионизации шириной ЛХ и длительностью то под воздействием запускающего импульса от блока управления 12.

Устройство работает в двух режимахстатическом (грубый отсчет) и динамическом (точи ый отсчет).

8 статическом режиме по команде с блока управления 12 генераторы 8 — 11 устанавливают постоянные потенциалы на сетчатых электродах 2-5 масс — спектрометрэ.

Ионы, вылетающие из источника 1, ускоряются в промежутках d<, d> и, пройдя участки линейного зеркала (p> и (<2, возвращаются в приемник ионов 6 (траектория иона abcdef — фиг,1).

В этом режиме при длине конструкции

"0 порядка 20 — 25 см можно получить разрешающую способность не более 100-300, Далее, полученный спектр масс анализируется в блоке обработки 13 следующим образом: массовые линии, которые четко генерируются (длительность которых, например, не превышает заданной величины), обрабатываются и заносятся в выходной регистр блока обработки 13, Сомнительные же участки спектра-импульсы с длительностями. превышающими заданную, фиксируются в запоминающем устройстве блока обработки

13 путем занесения кодов, соответствующих временным положениям передних фронтов этих импульсов.

Далее блок управления 12 переводит систему в динамический режим — режим точного отсчета. При этом из блока обработки 13 передается информация в блок управления 12 о каждом сомнительном поддиэпазоне масс (последовательно во

2003199

) (9)

Яи, 50

55 времени) и каждый раз включается источник ионов 1. В динамическом режиме обеспечивается обработка задаваемых блоком управления 12 диапазонов масс с разрешающей способностью на 1 — 2 порядка более высокой, чем в статическом режиме. Это достигается за счет формирования генератором lO управляющего переменного во времени поля в промежутке lo>, Закон управления синтезируется из условия компенсации разброса, времен прихода ионов с одинаковой массой в плоскость приемника

7, а также с учетом требования обеспечения постоянства ускорения, действующего на ионы на возвратном участке траектории 15

cdef, Это требование выполняется путем установления постоянных (различных по величине) напряжений на всех сетчатых электродах 2 — 5 масс-спектрометра в момент tx (см. временные диаграммы на 20 фиг.2). К этому моменту все ионы анализируемого диапазона масс будут находится внутри промежутка 2 из-за относительной

"узости" сомнительного участка спектра масс. 25

Обозначим 0 = dx + оа + lo> — длина участка def траектории. Пусть ускорение на

0 равно ат = l ац2 l и пусть на начальном участке траектории иона dx в зоне источника

1 поле отсутствует. Тогда ионы одинаковых 30 масс из источника 1. двигаясь под действием тепловых скоростей, попадают в ускоряющий промежуток da (Оба=80-200 В. da

=3 — 5 мм, ускоряются (при этом почти компенсируется разброс по скоростям) и входят в управляющий промежуток lo> e разные моменты времени. Очевидно, момент появления иона в промежутке lo< будет определяться его начальной координатой, начальной тепловой скоростью и моментом

"рождения" под действием электронного пучка источника ионов l. Находим управляющее поле с ускорением а(1) в промежутке

lo>, чтобы в плоскости приемника 6 ионы оказались в один и тот же момент времени.

С учетом сказанного, время пролета траектории acdf ионом с массой m равно:

T=ti+ vb+ Wi+2a,D, (1) ат где tt время пролета участка аь (!о ) под действием упр. поля a(t).

vb = v - f, a2(t) dt (2) ат — ускорение иона на участке 0 при возврате иона, ч — скорость на выходе ускоряющего промежутка dd, m

vD — начальная тепловая скорость иона, Оуск — ускор. напряжение в промежутке

da. т т — ИНтЕРВаЛ ВРЕМЕНИ, В ТЕЧЕНИЕ Кстсрого a2(t) = О, т.е.

a2(t) = Е О, t c (Ол)

a(t), t 1 (3)

Интервал т равен времени пролета промежутка lo> самой легкой массой из просматриваемого диапазона масс то =— (а (4)

vm8x

Учитывая, что ч» чс, — тепловая скорость, можно принять v = const для данной массы, тогда из (2) следует: а(() =

dvb

dt> (5)

Из условия временной фокусировки данной массы Т = const имеем (" -") — — 0

20 чь—

2 — — P-ta) — (6) — (T — т )

2 Т вЂ” t> ат

Подставив (б) в (5) получим искомый заКоН управления в промежутке lol

a(t) = — (— + 2), t>t (7) г (Т,)2

Полагая, что условие идеальной временной фокусировки только для базовой массы me, имеем Т = Ть, и для произвольной массы m а(1) = — — (— +

m6 ат 0

), т2 -то (8)

m 2 (Т- <)2

Учитывая, что для m = ma

1о1 eUT мь = езус . т, = —, a,—

vá m6 l12 получим выражение для базового времени пролета Тв путем решения уравнения (2) — (+,, П Ц; - уск 2lt2

0т 01

Очевидно, 0уск (цт.

Для расчета времени пролета иона с массой m и произвольными v> и t< — момент

"рождения" иона по формуле (1), необходимо решить уравнение движения

lot = v («-1,) — — (— (t t-to) (10)

Тб то Тб то относительно момента t> и вычислить (2) 2003199 чь=:ч — — ) — )и-to)+D (— )) )) I)

m6 ат 1 . 1

m 2 T6 — tt Тб to

Для оценки разрешающей способности времяпролетного масс-спектрометра с управляющим промежутком !О1 проводилоСь моделирование процесса фокусировки ионов. Так, при температуре газа Т =300 К, ширине электронного пучка АХ = 0,5-2 we, разбросе моментов "рождения" ионов t=0, I -5 мкс. Iо1 = 112 = 12 см, дх = 3 мм, да 5 мм. 1 Оу I= I V I= 200 В, разрешение, определяемое по "нулям" импульса ионного тока, оказалось равным 23000. Расчеты также показали, что разрешение пропорционально ускоряющему напряжению и обратно пропорционально температуре газа.

На фиг.2 показаны законы изменения напряжений в промежутках дх, да, Io1 и ltz в зависимости от времени. За начало отсчета (t О} принят момент включения электронной пушки т — время действия эл.пучка (время ион и за ц и и}; р — начало отсчета для формирования спектра масс;

tx — момент установления в промежутке

0 постоянного ускоряющего поля с ускорением ат.

Величина Ь берется иэ условия %х-tp—

:5 2 О, При этом напряжение U)o< (t} меняется незначительно в процессе фокусировки от V®)< до Отах и обеспечивается фокусировка с большим разрешением для масс ионов лежащих в пределах

Формула изобретения

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий источник ионов, сетчатые электроды, приемник ионов, расположенные симметрично относительно оси масс-спектрометра. отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности по массе, сетчатые электроды

ma щ 1,1m6

Работа времяпролетного масс-спектрометра с динамич. управлением описана в предположении, что анализируется диапа5 зон масс в окрестности m = me.

В момент времени t = 0 в промежутке dx включается ионизирующий электронный поток, который действует в течение тсек.

Образующиеся ионы свободно движутся в

10 бесполевом пространстве (Vd< = О}, Нужный диапазон анализируемых масс выбирается параметрами tp, to. t Так, для того; чтобы отсечь ионы с массами m < mg на сетчатые электроды 3, 4, 5 промежутков Io> и lie под15 ают ускоряющие напряжения в течение tp сек. При этом ионы более легких, чем mo масс проходят сквозь масс-спектрометр и не участвуют в формировании спектра.

Ионы масс более тяжелых, чем максималь20 ная масса ms просматриваемого диапазона, отсекаются путем подачи тормозящих напряжений на сетчатые электроды 2, 3 при

t = tp + то в промежутках дх и да.

8 моМент времени t = tx на все

25 сетчатые электроды 2-5 масс-спектрометра подаются постоянные напряжения для формирования однородного поля с одинаковыми напряженностями во всех промежутках I)2, Iot, да, dx

30 Теоретические и экспериментальные исследования масс-спектрометра показали, что по сравнению с прототипом он обеспечивает повышение разрешающей способности на 1 — 2 порядка.

35 (56} Авторское свидетельство СССР

М 1241303, кл. Н 01 3 49/40, 1986.

40 подключены к генераторам нелинейных напряжений, входы которых соединены с выходами блока управления, приемник ионов соединен с первым входом блока

45 обработки .спектра масс, выход его соеди5 нен с входом блока управления, еще один выход которого соединен с вторым входом блока обработки спектра масс.

2003199

Составитель О. Колесников

Техред M.Moðãåíòàë Корректор M.Максимишинец

Редактор Н.Семенова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3236

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