Способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области динамического масс-анализа заряженных частиц в переменных ВЧ полях. Способ масс-селективного разделения ионов основан на использовании анализатора, состоящего из двух плоских параллельных электродов с линейно-дискретными и противофазными по оси Y распределениями ВЧ потенциала и плоского заземленного электрода, ограничивающего электроды значениями у≥0. Дискретные электроды выполнены в виде емкостных или индуктивных линейных делителей ВЧ напряжения. К электродам приложены два противофазных ВЧ напряжения с постоянной амплитудой U_m и частотой ω, под воздействием которых в анализаторе создается линейное по осям X и Y переменное электрическое поле. В анализатор через щель в плоском заземленном электроде вводятся ионы с начальными координатами х_н>0, у_н=0 и начальными скоростями v_y, обратно пропорциональными массам m анализируемых ионов. При этом ионы по осям X и Y совершают близкие к гармоническим колебания с одинаковой амплитудой у_m и периодом Т, пропорциональным массе m. За время анализа координата х ионов изменяется на противоположную x(t_A)=-x_н, а координата у становится равной нулю у(t_A)=0. Отсортированные ионы последовательно во времени в соответствии с массой m выводятся из анализатора и поступают на систему регистрации. Технический результат: улучшение аналитических характеристик масс-спектрометров гиперболоидного и пролетного типа. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области динамического масс-анализа заряженных частиц в переменных ВЧ полях и может быть использовано для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских свойств масс-спектрометров гиперболоидного и времяпролетного типов. В известных гиперболоидных масс-спектрометрах развертка масс осуществляется последовательно, при этом скорость анализа оказывается невысокой, а для осуществления развертки масс требуется изменять во времени амплитуду или частоту питающего ВЧ напряжения. Обладающие высокой скоростью анализа времяпролетные масс-спектрометры со статическими электрическими полями чувствительны к разбросу начальных энергий и углов влета анализируемых ионов. За прототипы приняты динамические масс-анализаторы с квадратичным распределением ВЧ потенциала по двум координатам [1] и масс-анализаторы времяпролетного типа со статическими полями [2]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании способов масс-анализа заряженных частиц и конструкции анализаторов, использующих масс-селективную сортировку ионов в двумерных линейных ВЧ полях.

Предлагаемый способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета основан на формировании на граничных поверхностях х=x₀ и х=-x₀ масс-анализатора двух противофазных дискретно-линейных с шагом Δϕ по координате у распределений ВЧ потенциала

где n=0, 1, 2,...N - номер дискретных элементов поверхностей, N=L_y/d - число дискретных элементов поверхностей, y_n=n·d - координата n-го элемента, d - расстояние между соседними элементами. При условии, что размеры анализатора L_y и L_z по осям Y и Z достаточно велики L_y>>x₀, L_z>4x₀ распределение потенциала в области сортировки ионов с высокой точностью будет описываться выражением

Распределению потенциала (2) соответствуют линейные по координатам x и у распределения напряженности электрического поля

При малых значениях параметра , где е и m - заряд и масса иона, движение заряженных частиц с начальными координатами 0<х_н<х₀, y_н=0 и начальными скоростями по осям X и Y будет описываться функциями, близкими к гармоническим

Функции, описываемые выражениями (4), имеют период

За параметр времяпролетной масс-сортировки ионов принимается время t_А=Т/2, за которое ионы по оси Y совершают возвратные колебания от начальной координаты у_н=0 до конечной координаты у(Т/2)=0, а по оси Х их координата изменяет знак на противоположный х(Т/2)=-x_н. При этом время анализа оказывается пропорциональным массе ионов

В качестве устройства для масс-селективного анализа ионов по времени пролета предлагается использовать электродную систему, состоящую из двух дискретных по оси Y электродов 1 и 2 с рабочими поверхностями х=x₀ и х=-x₀ и размерами L_y>>x₀ и L_z>4x₀ по осям Y и Z, и одного сплошного электрода 3 с размерами L_x>2х₀ и L_z и рабочей поверхностью в плоскости у=0 (Фиг.1). Дискретные электроды 1 и 2 выполняются или в виде двух наборов из N=L_y/d плоских, шириной l>>d и длиной L_z, равномерно распределенных по оси Y с шагом d параллельных пластин, образующих два линейных емкостных делителя ВЧ напряжения, или в виде плоских частей однослойных с равномерным шагом d намоток двух катушек индуктивности из N витков каждая, образующих два линейных индуктивных делителя ВЧ напряжения. К электродам 1 и 2 приложены два противофазных гармонических напряжения с постоянными амплитудой U_m и частотой ω

Делители ВЧ напряжения создают на рабочих поверхностях х=x₀ и х=-x₀ электродов 1 и 2 дискретно-линейные по оси Y распределения ВЧ потенциала. Заземленный электрод 3 с нулевым потенциалом ϕ₃=0 ограничивает пространство сортировки по оси Y областью значений у≥0. В электроде 3 имеется щель шириной Δх<<x₀, длиной Δz<х₀/2 с координатами центра х₀/2<x_щ<x₀, z_щ=0, через которую осуществляется ввод ионов в область сортировки масс-анализатора. Вывод отсортированных ионов из масс-анализатора происходит через отверстие в электроде 3 диаметром D<x₀/2 с координатами центра x_отв=-x_щ, z_отв=0.

Цикл масс-анализа начинается с образования за пределами области сортировки ионов с начальными координатами x₀/2<х_н<x₀, у_н=0, начальными скоростями по оси Y, обратно пропорциональными массам анализируемых ионов v_y≈eΔϕL_y/(2ωx₀m), а по осям Х и Z с малыми скоростями v_x, v_z<<v_y. Затем ионы в течение короткого промежутка времени t_в<<t_A вводятся через щель в электроде 3 в область сортировки масс-анализатора. В течение времени анализа t_A, пропорционального массе m анализируемых ионов, заряженные частицы совершают в двумерном линейном ВЧ поле возвратные с одинаковыми амплитудами у_m<L_y колебания по координате у и далее последовательно во времени в соответствии с массой m ионы через отверстие в электроде 3 выводятся из масс-анализатора и поступают на систему регистрации.

Предлагаемый способ масс-селективной сортировки ионов в двумерном линейном ВЧ поле по времени пролета и устройство для его осуществления обладают свойством временной фокусировки ионов с различными начальными координатами по осям X и Z, энергиями, углами и фазами влета, что улучшает аналитические характеристики масс-спектрометров пролетного типа. Технологичная конструкция электродной системы предлагаемого времяпролетного масс-анализатора и простой способ ВЧ питания улучшают эксплутационные и потребительские параметры приборов такого типа.

Фиг.1. Электродная система времяпролетного масс-анализатора

а) с линейными емкостными ВЧ делителями, б) с линейными индуктивными делителями ВЧ напряжения.

Фиг.2. Способ ВЧ питания и траектории ионов во времяпролетном масс-анализаторе с дискретными электродами

Литература

1. Р.Н.Dawson «Quadrupole Mass Spectrometry and Its Applications», Elsevier, Amsterdam, 1976.

2. Н.Д.Семкин, И.В.Пиянов, К.Е.Воронов, Р.А.Похмельников. Перспективы развития времяпролетных масс-спектрометров для анализа газовых и пылевых частиц. Прикладная физика, 2002, №2, с.124-141.

1. Способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета в линейном ВЧ поле, отличающийся тем, что на граничных поверхностях х=х₀ и х=-х₀ масс-анализатора с размерами L_y>>x₀ и L_z>4x₀ по осям Y и Z под действием двух противофазных напряжений с постоянными амплитудой U_m и частотой ω создаются два противофазных дискретно-линейных по оси Y распределения ВЧ потенциала и на ионы, образованные с начальными координатами х₀/2<х_н<х₀, у_н=0, |z_н|<x₀/2 и начальными скоростями v_y по оси Y, обратно пропорциональными массам m анализируемых ионов, воздействуют линейным по осям X и Y ВЧ полем, при этом ионы за время t_A, пропорциональное массе m, совершают по осям X и Y близкие к гармоническим колебания с конечными координатами x(t_A)=-x_н, у(t_A)=у_н=0.

2. Устройство для масс-селективного анализа ионов по времени пролета, содержащее электродную систему для создания в рабочей области масс-анализатора двумерного линейного поля, отличающееся тем, что в качестве электродной системы масс-анализатора используют два ограниченных плоскостью у=0 дискретных по оси Y с шагом d электрода 1 и 2 с размерами L_y и L_z по осям Y и Z, расположенных в плоскостях х=x₀ и х=-х₀, выполненных или в виде наборов равномерно распределенных с шагом d плоских металлических пластин или в виде плоских частей равномерных с шагом d однослойных намоток катушек индуктивности, и заземленный электрод 3 с рабочей поверхностью в плоскости у=0, причем в электроде 3 имеется щель для ввода ионов шириной Δх<<х₀, длиной Δz<x₀/2 с координатами центра х_щ<х₀, z_щ=0 и отверстие для вывода ионов с координатами центра х_отв=-х_щ, z_отв=0.