Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано для создания гиперболоидных масс-спектрометров с простыми анализаторами и высокими аналитическими показателями. Технический результат состоит в упрощении конструкции электродной системы анализаторов, повышении их срока службы, а также в улучшении параметров гиперболоидных масс-спектрометров. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду заключается в ограничении по оси сортировки рабочего объема трехмерного гиперболоидного анализатора областью 0, где под действием переменного поля анализируемые ионы совершают периодические или близкие к периодическим однополярные колебания. Рабочие точки анализируемых ионов по оси сортировки располагают на границе зоны стабильности, а по другим координатам - в глубине зоны стабильности. Анализатор одномерного гиперболоидного масс-спектрометра состоит из двух осесимметричных гиперболоидных электродов с радиусами r₁>r₂, расположенных в полусфере Z>0, а также из экранирующего электрода в форме усеченного конуса и полупрозрачного корректирующего электрода. Образование ионов под воздействием электронного пучка происходит в рабочем объеме анализатора при нулевых напряжениях на электродах. Размеры полеобразующих электродов определeны с учетом свободного прохождения пучка электронов. Фаза переменного поля согласована с начальными координатами и скоростями частиц. Вывод отсортированных ионов происходит через отверстие в нижнем полеобразующем электроде. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано для создания гиперболоидных масс-спектрометров с простыми анализаторами и высокими аналитическими показателями.

В существующих геперболоидных масс-спектрометрах сортировку заряженных частиц по удельному заряду осуществляют по двум или трем координатам, а рабочие точки анализируемых ионов располагают в зоне стабильности [1, 2]. Анализаторы таких масс-спектрометров состоят из трех или более полеобразующих электродов и сложны в изготовлении и сборке. Монопольный масс-спектрометр с простой электродной системой имеет низкую разрешающую способность. За прототип принята трехмерная ионная ловушка [2]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в упрощении конструкции электродной системы гиперболоидных анализаторов, повышении срока их службы, а также в увеличении скорости анализа гиперболоидных масс-спектрометров. Поставленная задача осуществляется в предлагаемом способе и устройстве.

Предлагаемый способ разделения частиц по удельному заряду основан на ограничении по оси сортировки Z рабочего объема трехмерного гиперболоидного анализатора областью r₂<z, где под действием переменного электрического поля анализируемые ионы совершают вдоль координаты Z периодические или близкие к периодическим колебаниям, описываемые решениями нулевого порядка ce₀(t) и fe₀(t) уравнения Хилла для границы стабильности a₀(q) [1]. На основе однополярных свойств функций ce₀(t) и fe₀(t) осуществляется сортировка частиц по удельному заряду вдоль одной координаты Z. По другим координатам рабочая точка анализируемых ионов расположена в глубине зоны стабильности.

На фиг. 1 представлена электродная система одномерного однополярного анализатора частиц по удельному заряду. Анализатор состоит из двух осесимметричных гиперболоидных электродов 1 и 2 с радиусами r₁>r₂, расположенных в полусфере Z>0, экранирующего электрода 3 в форме усеченного конуса и полупрозрачного корректирующего электрода 4. Активная зона 5 анализатора имеет форму цилиндра с радиусом R_A≅0,5r₁, ограниченного по оси сортировки радиусами r₁ и r₂ полеобразующих электродов. Диаметр d₂ нижнего электрода 1 выбран из условия d₂≅ 2,82[(r₁-d_э)²-r²₂]^1/2, свободного прохождения между полеобразующими электродами ленточного пучка ионизирующих электронов 6 толщиной d₂. Диаметр d₁ оптимизирован по минимуму отклонения распределения потенциала в активной зоне анализатора от квадратичного. В центральной части электрода 2 находится отверстие диаметром d_B=0,2r₁, за которым расположен полупрозрачный электрод 4 с потенциалом ϕ_K. Между полеообразующими электродами приложено импульсное периодическое с периодом 2T напряжение U(t)=U₁(t)-U₂(t), начальная фаза которого согласована с координатами и начальными скоростями ионов (фиг. 2). На экранирующем электроде 3 напряжение равно оптимальному U_э= (U₁+U₂)/2, при котором отклонения потенциала в активной зоне анализатора от идеального распределения минимальные.

Единичный цикл масс-анализа состоит из ионизации, сортировки и регистрации (фиг. 2). Во время ионизации T_и под действием ленточного пучка электронов 6 при нулевых напряжениях на электродах анализатора в активной зоне 5 образуются ионы с начальными координатами Z₀≈r₁ и тепловыми начальными скоростями. Малый разброс начальных координат ионов ΔZ₀/Z₀ ≅ 0,05 достигается при толщине пучка электронов d_э≅0,1r₁. Свободное прохождение через анализатор электронного пучка устраняет возможность попадания ионизирующих электронов на полеобразующие электроды, что снижает скорость образования на электродах диэлектрических пленок.

Сортировка заряженных частиц по удельному заряду происходит на интервале T_с под действием напряжения U(t). Для ионов с начальными координатами Z₀≈r₁ и малыми тепловыми начальными скоростями оптимальная начальная фаза ϕ₀₁ = 0 установлена длительностью t₁= T/2 и положительной полярностью первого импульса питающего напряжения U(t) (фиг.2). Из-за тепловых начальных скоростей траектории части ионов анализируемой массы m₀ не являются строго периодическими, их огибающие убывают или нарастают в процессе сортировки по линейному закону. Доля удерживаемых в течение n периодов сортировки ионов оценивается коэффициентом η ≈ 0,1(U_m/ρ₀)^1/2, где U_m - амплитуда импульсного напряжения U(t), ρ₀ - разрешающая способность анализатора по нулевому уровню массового пика. Зависимость коэффициента η, характеризующего чувствительность анализатора, от параметра ρ₀ оказывается слабой, что важно при создании масс-спектрометров с высоким разрешением.

Ионы других масс m≠m₀ при сортировке смещаются по координате Z в сторону одного из полеобразующих электродов и выводятся из анализатора. Малый разброс начальных координат частиц ΔZ₀/Z₀ ≅ 0,05 и свойства одномерной однополярной сортировки ионов улучшают форму массовых пиков и повышают скорость масс-анализа. Массовые пики имеют строго ограниченную протяженность, а скорость сортировки, оцениваемая соотношением n = (0,4÷0,7)ρ^1/2, оказывается в 2-5 раз выше чем у других гиперболоидных масс-спектрометров.

Цикл сортировки завершается в фазе питающего напряжения ϕ_в = π/2 (фиг. 2), отсортированные ионы на интервале T_p через отверстие в электроде 2 и полупрозрачный электрод 4 выводятся из анализатора и поступают на блок регистрации.

Предлагаемый способ сортировки частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления улучшают форму массовых пиков, повышают скорость масс-анализа, упрощают конструкцию электродной системы анализатора и повышают срок его службы.

Литература 1. Г.И.Слабоденюк. Квадрупольные масс-спектрометры. - Атомиздат, 1974.

2. Э.П.Шеретов. Гиперболоидные масс-спектрометры. - Измерения, контроль, автоматизация, 1980, N 11-12.

Формула изобретения

1. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду заключается в воздействии на находящиеся в анализаторе с квадратичным распределением потенциала ионы переменным электрическим полем, отличающийся тем, что путем ограничения области сортировки по оси Z положительными значениями r₂<r, где r₁ и r₂ - радиусы граничных эквипотенциалей электрического поля, область стабильности по координате сортировки Z преобразуют в линию, совпадающую с границей устойчивости, а по другим координатам рабочую точку анализируемых ионов располагают в глубине области стабильности, и на заряженные частицы, образованные с близкими к r₁ начальными координатами и малым начальными скоростями, воздействуют импульсным электрическим полем с оптимальной начальной фазой.

2. Одномерный однополярный анализатор частиц по удельному заряду с квадратным распределением потенциала, содержащий электродную систему, отличающийся тем, что в качестве электродной системы анализатора используют два осесимметричных гиперболоидных электрода с r₁>r₂, расположенных в положительной области оси сортировки Z>0, с диаметром нижнего электрода d₂≅ 2,82[(r₁-d_э)²-r²₂]^1/2, где d_э - толщина ленточного пучка ионизирующих электронов, причем в центральной части нижнего электрода имеется отверстие диаметром d_В≅0,2 r₁, по границам гиперболоидных электродов установлен экранирующий электрод в форме усеченного конуса, а за нижним полеобразующим электродом расположен плоский полупрозрачный корректирующий электрод диаметром d_к≅3 d_в.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2