Способ времяпролетного разделения ионов по массам и устройство для его осуществления



Способ времяпролетного разделения ионов по массам и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2444083:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Рязанский государственный радиотехнический университет (RU)

Изобретение относится к области масс-анализа заряженных частиц в линейных электрических ВЧ полях и может быть использовано для улучшения конструкторско-технологических и коммерческих характеристик радиочастотных времяпролетных масс-спектрометров. Технический результат - усовершенствование конструкции радиочастотных масс-анализаторов ионов и устройств их ВЧ питания. Способ основан на добавлении к переменному электрическому полю медленно изменяющейся экспоненциальной составляющей, под действием которой колебания ионов в направлении, перпендикулярном оси дрейфа, становятся однополярными. В этом случае в качестве радиочастотного времяпролетного масс-анализатора можно использовать электродную систему монопольного типа. Рабочая область анализатора, протяженная вдоль оси дрейфа, образуется уголковым заземленным электродом и потенциальным электродом, состоящим из двух частей - одной с гиперболическим профилем и другой в виде плоской дискретной поверхности. ВЧ питание анализатора однофазное. Ввод и вывод ионов осуществляется через щель и отверстие в плоскости у=0 в уголковом электроде, пространственное разделение которых обеспечивается углами влета заряженных частиц в плоскости OYZ порядка 1-3°. Способ позволяет упростить конструкцию и уменьшить габариты радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов, усовершенствовать систему их ВЧ питания и может использоваться для создания времяпролетных масс-спектрометров с высокими аналитическими и потребительскими свойствами. 12 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области масс-анализа заряженных частиц в линейных электрических ВЧ полях и может быть использовано для улучшения конструкторско-технологических и коммерческих характеристик времяпролетных масс-спектрометров. Времяпролетное разделение ионов может осуществляться в ВЧ полях с двумерным линейным распределением потенциала в полупространстве y>0, создаваемых одним заземленным и парой эквипотенциальных гиперболических или плоских с дискретно-линейным распределением потенциала электродов, с приложенными к ним противофазными ВЧ напряжениями [1, 2]. Для получения высокой разрешающей способности и точности определения масс в этом случае необходимо обеспечить высокую степень симметрии геометрии электродной системы масс-анализатора, а так же симметрию ВЧ питающих ее напряжений. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов и устройств их ВЧ питания.

В известных радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах траектории ионов при движении в двумерном линейном ВЧ поле без постоянной составляющей в первом приближении описываются гармоническими функциями [1]:

х=х0·cosΩt

где x0 и νy - начальная координата и скорость ионов по осям Х и Y, Ω - секулярная частота колебаний ионов. За время дрейфа tA=2π/Ω, ионы по оси Y совершают возвратные колебания, а по оси Х их координата изменяет знак x(tА)=-x0. При этом пространство дрейфа анализатора должно состоять из двух, расположенных в полупространстве y≥0, симметричных относительно оси Y, областей с линейным распределением потенциала вида

Такое распределение создается в дипольных анализаторах с гиперболическими или плоскими дискретными электродами [2].

Схема электродной системы радиочастотного времяпролетного масс-анализатора и способ его ВЧ питания существенно упростятся, если колебания ионов по координате x модифицировать в однополярные с координатами x>0. Тогда в качестве радиочастотного времяпролетного масс-анализатора можно использовать монопольную систему из уголкового заземленного и потенциального электродов с однофазной системой ВЧ питания.

Для преобразования колебаний ионов по оси Х из двухполярных в монополярные достаточно к гармонической составляющей Vm·sinωt питающего напряжения добавить постоянную составляющую U0<0. В этом случае колебания ионов по оси X будут описываться функцией

где , e и m - заряд и масса ионов, ym - амплитуда колебаний ионов по оси Y. Из (3) видно, что при определенных значениях U0 дрейф ионов в течение интервала tA происходит в монополярном пространстве x>0, y>0 с распределением потенциала вида (2).

Двумерное линейное электрическое поле в одном квадранте может быть образовано в монополярных анализаторах с заземленным уголковым и одним потенциальным электродами. В качестве потенциального может быть использован гиперболический или плоский электрод с дискретно-линейным распределением потенциала [2, 3]. В первом случае размеры анализатора вдоль оси Х значительно превышают размеры рабочей области в этом направлении. В другом случае плоский с дискретно-линейным распределением потенциала электрод имеет сложную систему ВЧ питания. Более эффективным является компромиссный вариант анализатора, у которого одна часть потенциального электрода образована гиперболическим электродом 2, а другая часть плоским дискретным электродом 3 (Фиг.1). При этом до величины Lx≅0,2Ly сокращается размер анализатора по оси Х и в 4-5 раз уменьшается число элементов плоского дискретного электрода, что делает электродную систему анализатора приемлемой для практической реализации как по габаритным, так и по конструктивно-технологическим параметрам.

В уголковом электроде в плоскости y=0 имеется щель с размерами Δxщ≅0,1Lx и Δzщ≅0,1Lz с координатами центра xщ≅0,025Lx, zщ≅0,4Lz для ввода ионов и отверстие диаметром dom≅0,2Lz с координатами центра xom≅0,25Lx и zom≅0,6Lz для вывода ионов из анализатора.

Из (3) следует, что при постоянных значениях параметров Vm, U0 и ω ВЧ напряжения с увеличением m максимальные координаты xm траекторий ионов линейно возрастают и диапазон D=mmax/mmin анализируемых масс оказывается ограниченным. Диапазон может быть расширен до величины D=10 при добавлении к гармонической составляющей питающего напряжения вместо постоянной U0 медленно изменяющейся компоненты U0·exp(-t/τ), где параметр τ≅π/Ω.

В этом случае на ионы, образованные с начальными координатами 0<x0<0.1Lx, y0=0, z0<Lz/2 и начальными скоростями νy>>νz>0 по осям Y и Z, обратно пропорциональными массам анализируемых частиц, будет действовать линейное по осям Х и Y переменное электрическое поле, под воздействием которого ионы за время дрейфа tA, пропорциональное их массам m, совершат по оси Y возвратные колебания, по оси Х колебания с конечными координатами 0<x(tA)<Lx/4, а по оси Z поступательное движение с конечной координатой z(tA)=z0z·tA. В результате за время дрейфа tA ионы достигнут выходного отверстия анализатора.

Для пространственного разделения вводимых и выводимых ионов угол ввода заряженных частиц в плоскости OYZ выбирается в пределах αz=1-3°. В этом случае за время дрейфа tA ионы по координате Z из области щели перемещаются в область отверстия и затем выводятся из анализатора.

Предлагаемый способ масс-разделения ионов в линейных ВЧ полях по времени пролета и устройство для его осуществления упрощают конструкцию и систему ВЧ питания электродных систем радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов, делает ее более технологичной, что способствует улучшению потребительских и коммерческих характеристик масс-спектрометрических приборов времяпролетного типа.

1. Способ времяпролетного разделения ионов по массам, заключающийся в воздействии на заряженные частицы линейным электрическим ВЧ полем, отличающийся тем, что в масс-анализаторе с размерами Ly>>Ly, Lz>r0 по осям X, Y, Z, где r0 - геометрический параметр анализатора, на граничных поверхностях х=0 и y=0 устанавливают нулевые потенциалы, на гиперболической поверхности y=r20/2x переменный потенциал u=Vm·sinωt+U0-exp(-t/τ), где Vm и ω, U0, τ - параметры высокочастотной и экспоненциальной составляющих потенциала, а на поверхности x=Lx дискретно-линейное по оси Y - распределение потенциала ui=u·i/n, где i и n - номер и количество дискретных элементов поверхности, и на ионы, образованные с начальными координатами 0<x0<0,1Lx, y0=0, z0<Lz/2 и начальными скоростями νy>>νz>0 по осям Y и Z, обратно пропорциональными массам m анализируемых частиц, воздействуют переменным линейным по осям Х и Y электрическим полем, при этом ионы за время дрейфа tA, пропорциональное их массам m, совершают по оси Y возвратные колебания, по оси Х колебания с конечными координатами 0<x(tA)<Lх/4, а по оси Z поступательное движение с конечной координатой z(tA)=z0z·tA.

2. Устройство для времяпролетного разделения ионов по массам, содержащее длиной Lz>r0 по оси Z электродную систему для образования в рабочей области масс-анализатора линейного по осям Х и Y электрического поля, отличающееся тем, что используют два с размерами Ly>>Lx по осям Y и Х и расположенных в плоскостях х=0 и y=0 заземленных электрода и два потенциальных электрода, один из которых с гиперболическим профилем y=r20/2x с конечными по осям Х и Y координатами Lx и Ly, а другой с размером r20/2Lx по оси Y, лежащий в плоскости x=Lx, образован из дискретных с размерами Δyi по оси Y элементов, причем в заземленном электроде в плоскости y=0 имеется щель шириной Δx<<Lx, длиной Δz<Lz/8 с координатами центра xщ<<Lх, zщ≈Lz/8 для ввода ионов и полупрозрачное отверстие диаметром dот≅Lz/4 с координатами центра xот≈Lx/8, zom≅-Lz/4 для вывода ионов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области спектрометрии, а точнее к статистическим масс-спектрометрам, и может быть использовано при создании портативных приборов для изучения химического и изотопного состава газообразных жидких и твердых веществ.

Изобретение относится к диагностике поверхности ионными пучками низких энергий (1 - 10 кэВ), в частности к энергомасс-спектрометрии вторичных ионов - интенсивно разрабатываемому в настоящее время методу элементного, фазового и химического анализа поверхности твердых тел.

Изобретение относится к физическому приборостроению, в частности к ;устройствам для анализа ионов и электронов и может быть использовано при анализе поверхностных слоев материала .

Изобретение относится к области анализа заряженных частиц. Масс-спектрометр содержит камеру, инжектор, способный инжектировать в камеру заряженные частицы, и генератор поля. Генератор поля выполнен с возможностью формирования по меньшей мере одного поля, действующего на заряженные частицы и имеющего улавливающий угловой компонент, сконфигурированный с возможностью образования между осью вращения и периферией камеры по меньшей мере одного канала, задаваемого энергетическими минимумами улавливающего углового компонента. Генератор поля выполнен с возможностью вращения улавливающего углового компонента вокруг оси вращения. Благодаря этому при использовании масс-спектрометра перемещение заряженных частиц ограничено посредством улавливающего углового компонента движением в угловом направлении внутри по меньшей мере одного канала вместе с указанным угловым компонентом, в результате чего на заряженные частицы действует центробежная сила. Созданное генератором поле дополнительно имеет уравновешивающий радиальный компонент, монотонно возрастающий по мере увеличения радиального расстояния от оси вращения по меньшей мере вблизи по меньшей мере одного канала. В результате при использовании масс-спектрометра заряженные частицы движутся по меньшей мере по одному каналу под совместным влиянием центробежной силы и уравновешивающего радиального компонента с формированием одной или более орбит в соответствии с отношениями зарядов частиц к их массам. Масс-спектрометр содержит также детектор, способный детектировать по меньшей мере одну из указанных орбит. Предложены также способы масс-спектрометрии. Технический результат - упрощение конструкции масс-спектрометра и расширение диапазона анализируемых частиц. 7 н. и 26 з.п. ф-лы, 28 ил.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для расширения аналитических возможностей масс-анализаторов времяпролетного типа. Технический результат - повышение чувствительности и расширение динамического диапазона времяпролетных масс-спектрометров путем увеличения средних значений токов анализируемых ионов. Пакеты ионов на каждом цикле ввода распределены во времени по псевдослучайному закону, который выбирается таким образом, чтобы периодическая автокорреляционная функция последовательности имела нулевые боковые лепестки, а величина главного максимума была равна числу единиц в последовательности. При детектировании сигналы, соответствующие импульсам выходного ионного тока времяпролетного масс-анализатора, обрабатываются в согласованном фильтре, который работает по принципу суммирования входной и сдвинутых последовательностей со знаками плюс и минус в соответствии с распределением символов «1» и «0» в псевдослучайной последовательности. Устройство для времяпролетного масс-анализа содержит генератор псевдослучайных последовательностей и согласованный фильтр, которые включаются соответственно в источники и детекторы ионов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области масс-анализа вещества высокого разрешения и может быть использовано для улучшения аналитических и коммерческих характеристик масс-спектрометрических приборов с преобразованием Фурье. Способ состоит в создании периодических колебаний ионов по осям X и Y под действием комбинации линейного высокочастотного и однородного статического электрических полей в полупространстве x>0. В этом случае плоскость x=0 может быть по радиочастоте заземлена и на ней возможно измерение с высоким отношением сигнал/помеха наведенных от колебаний ионов токов. Такой режим колебаний ионов реализуется в устройстве, представляющем собой линейную ионную ловушку из заземленного по радиочастоте и с постоянным положительным потенциалом электрода 1 в плоскости x=0, электрода 2 в плоскости x=xа с дискретно-линейным распределением высокочастотного потенциала и в плоскостях z=0, z=za электродов 3, 4 с положительным в несколько вольт потенциалом. Ввод ионов в ловушку осуществляется через щель в электроде 1. Технический результат - упрощение конструкции и улучшение массогабаритных характеристик масс-спектрометров с преобразованием Фурье. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области пространственно-временной фокусировки и масс-анализа заряженных частиц по времени пролета в двумерных линейных высокочастотных электрических полях и может быть использовано для улучшения аналитических характеристик приборов микроанализа вещества, использующих ионно-оптические системы с планарными дискретными электродами. Технический результат - расширение пространства с линейным электрическим полем радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов в направлении дрейфа ионов без увеличения размеров планарных дискретных электродов. Указанный результат достигается путем замыкания граничной области ионно-оптической системы с помощью двух дополнительных планарных электродов с противофазными потенциалами. 3 ил.
Наверх