Способ образования двумерного линейного электрического поля и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, в основе которой лежит движение заряженных частиц в двумерных линейных высокочастотных электрических полях, и может быть использовано для усовершенствования конструкций приборов для масс-анализа и улучшения их аналитических и коммерческих характеристик. Устройство образования таких полей содержит плоские электроды с дискретным линейным по одной координате распределением потенциала. Для усовершенствования конструкции и системы высокочастотного питания анализаторов линейные по двум координатам электрические поля формируются с помощью двух дискретных из тонких металлических нитей с противоположными потенциалами электродов и трех сплошных заземленных электродов. Требуемое поле в рабочей области анализатора образуется путем неравномерного распределения координат нитей в плоскостях дискретных электродов, при котором заряды на электродах вдоль одной оси распределены по дискретному линейному закону. Технический результат - усовершенствование конструкции анализаторов с двумерными линейными электрическими полями, расширение возможности их использования для создания приборов для энерго- и масс-анализа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, в основе которой лежит движение заряженных частиц в двумерных линейных высокочастотных электрических полях, и может быть использовано для усовершенствования конструкций масс-спектрометрических приборов и улучшения их аналитических и коммерческих характеристик. Macс-анализаторы с гиперболическими электродами неэффективны для образования двумерных линейных электрических полей с протяженными вдоль одной координаты рабочими областями [1]. Анализаторы с плоскими электродами с дискретным линейным распределением потенциала [2] и с линейно распределенной емкостью дискретных элементов [3] решают эту задачу. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструктивно-технологических характеристик устройств образования двумерных линейных электрических полей, использующих системы с плоскими дискретными электродами.

Образование двумерного линейного электрического поля в рабочей области анализатора с размерами 2х₀, у₀, L по осям X, Y, Z при у₀>>x₀ можно осуществить, как и в [2,3], с помощью системы из плоских дискретных и сплошных электродов. Из электростатики известно, что электрическое поле системы зарядов определяется на основе принципа суперпозиции как сумма полей, создаваемых отдельными зарядами. При этом задачу образования электрических полей с заданным распределением потенциала в некоторой области пространства можно решать путем создания требуемого распределения поверхностных зарядов на границах этой области. Для случая двумерного линейного поля, протяженного вдоль одной оси Y, задача сводится к созданию на поверхностях х=x₀ и х=-x₀ линейных по координате у распределений плотностей зарядов противоположного знака. Практически требуемое распределение зарядов на непрерывной проводящей поверхности создать затруднительно. Задача решается с помощью проводящих поверхностей, состоящих из множества дискретных элементов [2,3]. С точки зрения практической реализации представляют интерес дискретные проводящие поверхности, состоящие из одинаковых эквипотенциальных элементов. Требуемое одномерное распределение зарядов на плоских поверхностях в этом случае формируется изменением плотности элементов дискретной поверхности вдоль одной координаты. Для образования двумерного линейного электрического поля с протяженной вдоль оси Y рабочей областью достаточно использовать две плоские, дискретные по координате у, проводящие поверхности х=х₀ и х=-x₀. В первом приближении, если не учитывать электростатические взаимодействия между элементами поверхностей, распределения плотностей зарядов и плотностей элементов на дискретных поверхностях вдоль координаты у можно считать связанными между собой соотношением пропорциональности. Из этого следует, что для образования линейного по осям Х и Y электрического поля координаты y_i элементов дискретных поверхностей х=x₀ и х=-x₀ должны рассчитываться по формуле

где y₁ - координата первого элемента, i - порядковый номер дискретных элементов поверхностей. Формула справедлива при условии, что размер d дискретных элементов по координатам х и у значительно меньше расстояний между ними. При этом в качестве дискретных элементов проводящих поверхностей могут использоваться параллельные оси Z тонкие металлические нити круглого или другого сечения.

Для случая нитей круглого сечения анализатор с линейным по осям Х и Y электрическим полем, создаваемым дискретно распределенными по координате у зарядами, представлен на Фиг.1. Анализатор состоит из двух плоских дискретных электродов 1 и 2, расположенных в плоскостях х=x₀ и х=-x₀, составленных из параллельных оси Z металлических нитей длиной L и диаметром d<<x₀, двух сплошных электродов 3 и 4 с размерами у₀ и L по осям Y и Z, расположенных в плоскостях х=х₀+h и х=-x₀-h и одного сплошного электрода 5 с размерами 2х₀ и L по осям Х и Z, расположенного в плоскости у=0. Электроды 3, 4 и 5 заземлены, а к электродам 1 и 2 приложены противофазные потенциалы -φ и φ. Электроды 3 и 4 выполняют роль экранов, а 1, 2 и 5 являются полеобразующими электродами анализатора. При равенстве диаметров и потенциалов нитей плотность распределения зарядов на них будет одинаковой. Если координаты центров нитей определить по формуле (1), плотность распределения зарядов на электродах 1 и 2 вдоль оси Y будет описываться дискретно-линейным законом. При этом в рабочей области анализатора х<x₀ образуется близкое к линейному по координатам x и у электрическое поле.

Степень линейности поля ограничивается дискретностью электродов, электростатическими связями между элементами электродов и конечными размерами электродов по координате у. Отклонения поля от линейного из-за дискретности электродов могут быть снижены до требуемого уровня ограничением размера рабочей области анализатора по оси X. Нелинейность электрического поля, возникающая по двум другим причинам, минимизируется коррекцией распределения координат у нитей добавлением к (1) полиномиальной функции вида

Коэффициенты а₀, а₁, а_2, а_3… при заданных геометрических параметрах x₀, y₀, d и h определяются в процессе компьютерного моделирования электрического поля в анализаторе с плоскими электродами из проводящих нитей по критерию минимума отклонений расчетного распределения потенциала в рабочей области |х|<x₁, у<у₁ от двумерного линейного распределения.

Технологичная конструкция предлагаемого анализатора с плоскими сплошными и дискретными электродами из тонких металлических нитей и простой способ его электрического питания позволяют создавать на его основе эффективные приборы для фокусировки, энерго- и масс-анализа заряженных частиц с высокими аналитическими и коммерческими характеристиками.

На чертеже изображена схема анализатора заряженных частиц с двумерным линейным по осям Х и Y электрическим полем, 1, 2 - плоские дискретные электроды из тонких металлических нитей; 3, 4 - плоские заземленные экранирующие электроды; 5 - плоский заземленный полеобразующий электрод.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мамонтов Е.В., Гуров В.С., Филиппов И.В., Дятлов Р.Н. Времяпролетное разделение ионов по удельному заряду в ВЧ-полях с квадратичным распределением потенциала // ЖТФ. - 2007. - Т.77. - Вып.7. - С.139-142.

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

3. Гуров В.С., Мамонтов Е.В., Дягилев А.А. Электродные системы с дискретным линейным распределением ВЧ-потенциала // Масс-спектрометрия. - 2007. - Т.4. - №2. - С.139-142.

1. Способ образования двумерного линейного электрического поля, заключающийся в создании по границам области плоских, параллельных оси Z, проводящих поверхностей с размерами 2х₀, у₀ и L по осям X, Y и Z, отличающийся тем, что в качестве проводящих используют две дискретные с противоположными потенциалами φ и -φ поверхности х=х₀ и х=-x₀, составленные из параллельных оси Z и расположенных на различных расстояниях друг от друга по оси Y тонких проводящих нитей, и три непрерывные заземленные поверхности x=x₀+h и х=-х₀- h и у=0.

2. Устройство для образования двумерного линейного электрического поля, содержащее параллельные оси Z электроды длиной L, где L>2x₀, с приложенными к ним потенциалами, отличающееся тем, что используют два расположенных в плоскостях х=х₀ и х=-х₀ дискретных, составленных из параллельных оси Z тонких металлических нитей с координатами, пропорциональными корню квадратному из номера нитей, электрода с размером у₀ по оси Y с приложенными к ним противоположными потенциалами φ и -φ и три сплошных заземленных электрода, причем два из них с размером у₀ по оси Y расположены в плоскостях x=x₀+h и x=-x₀-h и один с размером 2(x₀+h) по оси X расположен в плоскости у=0.