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

Изобретение относится к области масс-анализа ионов в двумерных линейных электрических ВЧ полях и может быть использовано для улучшения аналитических и конструкционо-технологических характеристик динамических масс-спектрометров. Способ масс-разделения ионов по времени пролета заключается в совмещении области образования ионов с входной апертурой радиочастотного времяпролетного масс-спектрометра, при этом анализируемые ионы ускоряются и вводятся в пространство дрейфа под действием ВЧ электрического поля. Для этого начальные координаты х_o ионов по оси X берутся соизмеримыми с амплитудами у_m колебаний заряженных частиц по оси дрейфа Y. Для получения высокой линейности электрического поля в области дрейфа ионов используется замкнутая в плоскости XOY электродная система из трех плоских электродов с дискретно-линейными распределениями потенциала и одного плоского заземленного электрода со щелями для ввода-вывода ионов. Технический результат: усовершенствование системы ввода ионов и конструкции масс-анализаторов времяпролетного типа с двумерными линейными ВЧ электрическими полями. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области масс-анализа ионов в двумерных линейных ВЧ полях и может быть использовано для улучшения аналитических и конструкторско-технологических характеристик динамических масс-спектрометров. В радиочастотных времяпролетных масс-спектрометрах при образовании заряженных частиц в ионном источнике и их транспортировке в область входной апертуры анализатора из-за разброса начальных скоростей происходит временная расфокусировка пакета ионов, величина которой оказывается пропорциональна начальным координатам y₀ частиц по оси Y, что снижает разрешающую способность масс-спектрометров [1]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании систем ввода ионов и конструкции масс-анализаторов времяпролетного типа с двумерными линейными ВЧ электрическими полями.

Задача решается путем совмещения области образования ионов с входной апертурой радиочастотного времяпролетного масс-анализатора. При этом ионы образуются во входной апертуре (или транспортируются в нее) с начальными координатами y₀≈0 по оси Y и x₀≈x_a/2 по оси X, а затем под действием ВЧ электрического поля анализатора ускоряются и вводятся в пространство дрейфа радиочастотного времяпролетного масс-спектрометра. Схема времяпролетного масс-анализатора с двумерным линейным ВЧ электрическим полем с образованием ионов во входной апертуре показана на чертеже.

Электродная система из плоских с дискретно-линейным с шагом Δφ распределением потенциала электродов 1, 2, 3 и плоского со щелями для ввода вывода ионов заземленного электрода 4 создает в области дрейфа ионов анализатора -x_a<x<x_a, 0<y<y_a двумерное линейное ВЧ поле с распределением потенциала

Низкочастотные (секулярные) компоненты траекторий движения ионов в линейном ВЧ поле при y≈0 и начальной фазе ВЧ поля φ=π описывается выражениями

где ν_ox, ν_oy - проекции начальных скоростей ионов на оси X и Y, V, ω и φ - амплитуда, частота и фаза ВЧ питающего напряжения, m - масса анализируемых ионов. Из (2) видно, что при выполнении условия

колебания ионов в рабочей области анализатора по оси Y дрейфа имеют возвратный характер (см. чертеж), соответствующий колебаниям заряженных частиц в радиочастотном времяпролетном масс-спектрометре [3].

Условие (3) выполняется для всех положительных значений проекций начальных скоростей ионов ν_oy≥0 и отрицательных значений, модуль которых не превышает величины . Таким образом из (2) следует, что ввод ионов в пространство дрейфа радиочастотного времяпролетного масс-анализатора может осуществляться без их ускорения в ионном источнике. Начальное ускорение ионов в этом случае происходит под действием компоненты E_y электрического поля анализатора, имеющей в первую четверть периода ВЧ поля при фазе φ=π положительное значение

Размер x_а по оси Х радиочастотного времяпролетного анализатора должен выбираться с учетом выполнения условия (3), а величина y_a исходя из максимальной амплитуды колебаний ионов вдоль оси дрейфа Y

где ν_{oy max} - максимальное значение проекции начальной скорости ионов на ось Y.

Так как размеры 2x_a, y_a электродной системы по осям Х и Y оказываются соизмеримыми, для получения высокой линейности поля рабочая область анализатора в плоскости XOY должна быть замкнутой, что достигается введением электрода 3.

Предлагаемый способ и устройство масс-разделения ионов по времени пролета в двумерных линейных ВЧ электрических полях позволяют упростить конструкцию радиочастотных времяпролетных масс-спектрометров и повысить их разрешающую способность.

Литература

1. Мамонтов Е.В., Гуров В.С., Филиппов И.В., Дягилев А.А. Способ ввода заряженных частиц в радиочастотный времяпролетный масс-анализатор и устройство для его осуществления // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2007106273/28(006819), 19.02.2007.

2. Мамонтов Е.В., Филиппов И.В. Способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета и устройство для его осуществления // Патент №2327245. Приоритет изобретения 03.05.2006.

3. Мамонтов Е.В., Гуров В.С., Филиппов И.В., Дятлов Р.Н. Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду и устройство для его осуществления // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2005124794/28, 03.08.2005.

1. Способ масс-разделения ионов по времени пролета, заключающийся в воздействии на заряженные частицы линейным электрическим ВЧ полем, отличающийся тем, что анализируемые ионы образуются во входной апертуре масс-анализатора размером Δх<<х_а или транспортируют в нее с начальными координатами х₀≈х_а/2, у_о≈0, где х_а - размер анализатора по оси X, а затем ускоряются в направлении оси Y и вводятся в пространство дрейфа под действием двумерного линейного ВЧ электрического поля времяпролетного анализатора в определенные фазы ВЧ поля.

2. Устройство для масс-разделения ионов по времени пролета, содержащее электродную систему для формирования двумерного электрического ВЧ поля, отличающееся тем, что используют анализатор из трех плоских с дискретно-линейным с шагом Δφ распределением потенциала электродов, два из которых с размером у_а по оси Y расположены в плоскостях x=±x_a и ограничены плоскостью у=0, а третий электрод с размером 2х_а по оси X расположен в плоскости y=y_a, и заземленного четвертого электрода с размером 2х_а по оси X с рабочей поверхностью в плоскости y=0, причем в четвертом электроде имеются две протяженные по оси Z щели шириной Δx<<x_a с координатами центров х_а/2 и -x_a/2 для ввода и вывода ионов.