Статический масс-анализатор ионов



Статический масс-анализатор ионов
Статический масс-анализатор ионов

 


Владельцы патента RU 2456700:

Саченко Вячеслав Данилович (RU)

Заявленное изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к статическим приборам и устройствам для анализа масс-спектрального состава веществ. Статический масс-анализатор ионов включает источник ионов, фокусирующую систему, объектную щель, апертурную диафрагму, дисперсионные по энергии электростатический сектор и магнитный сектор. Электростатический сектор установлен относительно магнитного сектора так, что направления поворота оптических осей в электростатическом секторе и магнитном секторе совпадают. Электростатический сектор установлен относительно источника ионов таким образом, что плоскость оптического изображения объектной щели расположена между электростатическим сектором и магнитным сектором. В плоскости оптического изображения объектной щели установлена энергофильтрующая диафрагма. Между электростатическим сектором и магнитным сектором установлена коллимирующая линза. Техническим результатом является повышенная разрешающая способность в режиме одновременной регистрации масс-спектра ионов в условиях неоднородного по энергии ионного пучка. 5. з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к статическим приборам и устройствам для анализа масс-спектрального состава веществ.

Статические масс-анализаторы (СМА) ионов основаны на принципе пространственного разделения ионов по импульсам в статическом магнитном секторе (МС), где каждой моноимпульсной группе ионов соответствует своя осевая орбита. В однородном магнитном поле, наиболее часто применяемом в СМА, осевые орбиты моноимпульсных групп представляют собой дуги окружностей, радиусы которых, в случае незначительного разброса энергий ионов, зависят от их массы, что обусловливает возможность осуществления прецизионного масс-спектрального анализа ионов. При неоднородности ионов по энергии дисперсия ионов по энергии в МС является основным фактором, ухудшающим разрешающую способность. Поэтому в современных СМА, наряду с фокусировкой по угловому разбросу ионов, обеспечивается компенсация энергетической дисперсии МС, называемая фокусировкой ионов по энергии, путем включения в состав СМА электростатического сектора (ЭС); СМА, обеспечивающий обе указанные фокусировки, называют «СМА с двойной фокусировкой». В условиях значительного разброса энергий ионов выполнение двойной фокусировки становится не достаточно для достижения высокой разрешающей способности СМА из-за хроматических аберраций 2-го и выше порядков, пропорциональных степеням величины отношения энергетического разброса к ускоряющему ионы напряжению. В этих условиях для повышения разрешающей способности СМА необходимо применять энергофильтрацию для уменьшения указанных хроматических аберраций, устанавливая энергетическую диафрагму в плоскость оптического изображения объектной щели СМА, если оно формируется перед МС.

Известен одноколлекторный масс-спектрометр с двойной фокусировкой (см. патент US 4766314, МПК H01J 49/32, опубл. 23.08.1988), включающий источник ионов (ИИ), фокусирующую систему (ФС), выходную щель (ВЩ), являющуюся объектной щелью (ОЩ) масс-анализатора, апертурную диафрагму (АД), последовательно расположенные статический магнитный сектор (МС), промежуточную электростатическую линзу (ЭЛ) для электрической настройки спектрометра, электростатический сектор (ЭС) и одноколлекторный детектор (ОКД) масс-спектров. ЭС установлен относительно МС таким образом, что направление поворота его оптической оси сохраняет направление поворота оптической оси МС. Такой вариант взаимного расположения МС и ЭС исторически назван С-схемой, в отличие от S-схемы, при которой повороты оптических осей в ЭС и МС направлены противоположно. ЭЛ установлена в плоскости промежуточного оптического изображения ОЩ, что позволяет упростить экспериментальную настройку двойной фокусировки ионов.

Известный масс-спектрометр не позволяет регистрировать одновременно весь спектр или его часть, что обусловлено как порядком следования МС и ЭС (ЭС установлен за МС), так и выполнением условия двойной фокусировки только лишь для одной наперед заданной орбиты в МС. Поэтому детектирование линий масс-спектра осуществляется путем, так называемой, развертки, обеспечивающей выведение каждой из мономассовых групп ионов на выделенную орбиту и регистрации масс-спектра одноколлекторным детектором, что сопряжено с низкой производительностью масс-спектрометра.

Известен масс-спектрометр с энергофильтрацией ионов после их разделения по массам в магнитном поле (см. патент US 5166518, МПК H01J 49/32, опубликован 24.11.1992), включающий ИИ, ФС, ОЩ, АД, последовательно установленные МС, щель, фильтрующую ионы по импульсам, первую транспортирующую линзу, ЭС, вторую транспортирующую линзу, ЭД и ОКД. МС и ЭС установлены по S-схеме.

Недостатками известного масс-спектрометра являются невысокая разрешающая способность и низкая производительность, обусловленная одноколлекторным методом детектирования масс-спектра.

Известен тандемный масс-спектрометр типа MS/MS, вторая ступень которого выполнена в виде двухкаскадного СМА с двойной фокусировкой (см. патент US 4866267, МПК H01J 49/32, опубликован 23.08.1988), включающего источник «дочерних» ионов из выделенных на первой ступени масс-спектрометра мономассовых «родительских» ионов, и последовательно расположенные фильтр Вина, МС и пространственно протяженный детектор (ППД) дочерних ионов.

Существенным ограничением известного масс-спектрометра является то, что двойная фокусировка дочерних ионов на ППД имеет место лишь в условиях приблизительно равных начальных скоростей детектируемых ионов, что имеет место лишь в тандемных масс-спектрометрах указанного типа, чем обусловлена сравнительно узкая область применения данного аналога.

Недостатки одноколлекторных масс-спектрометров с двойной фокусировкой привели к разработке многоколлекторных масс-спектрометров, в которых двойная фокусировка имеет место для всех орбит мономассовых групп ионов. Такие приборы обладают преимуществами в сравнении с масс-спектрометрами с одноколлекторной регистрацией. Увеличение числа коллекторов и оптимальное их размещение позволяет уменьшить диапазон изменения величины индукции магнитного поля или ускоряющего ионы потенциала, а значит, и время регистрации масс-спектра, чем повышается экспрессность и производительность анализа. Однако реализация многоколлекторного режима масс-анализа накладывает на СМА ряд принципиальных оптических и конструктивных условий, а именно, многоколлекторный масс-спектрометр должен: а) обеспечивать двойную фокусировку для всех регистрируемых мономассовых групп ионов одновременно, б) обеспечивать равенство углов поворота оптических осей мономассовых групп ионов в МС, в) иметь прямолинейную линию фокусов МС, г) включать дисперсионные по энергии ЭС и МС для обеспечения фокусировки ионов по энергии, при этом ЭС должен предшествовать МС.

Указанным условиям удовлетворяет СМА типа Маттауха-Герцога, в которой ЭС и МС расположены по S-схеме (повороты оптических осей в ЭС и МС направлены противоположно), объектная щель (ОЩ) расположена в передней фокальной плоскости ЭС, а линия фокусов совпадает с геометрическим местом оптических фокусов МС, соответствующих осевым орбитам мономассовых групп. Существенной особенностью СМА типа Маттауха-Герцога (МГ) является конструкция МС, выполненного двухполюсным с постоянным зазором между полюсными наконечниками, выходная граница МС прямолинейна и пересекает оптическую ось в точке ее пересечения с входной границей. Такая особая конструкция, впервые описанная Маттаухом и Герцогом (см. Z.Phys., 89, р. 7891934, J Mattauch and R.J.,Herzog), обеспечивает независимость угла поворота ионов в поле МС от их массы. Ниже будем обозначать МС с указанной особенностью геометрии полюсных наконечников «конструкцией МГ». Практически все СМА, выполненные по типу Маттауха-Герцога, включают в свой состав МС конструкции МГ. Наряду с достоинствами СМА типа Маттауха-Герцога, отметим их общий принципиальный недостаток из-за жесткого требования на установку ЭС: отсутствие промежуточной фокусировки ионов по их угловому разбросу, что не предоставляет возможности установить ЭД для уменьшения энергетического разброса анализируемых ионных пучков в условиях их неоднородности по энергии.

Известен многоколлекторный магнитный масс-спектрометр с двойной фокусировкой, СМА которого выполнен по типу Маттауха-Герцога (см. Высокоэффективный масс-спектрометр с двойной фокусировкой. Приборы для научных исследований, №2, с.37-44, 1985, А.О.Нир и др.), включающий ИИ, ФС, ОЩ, ЭС в виде сектора цилиндрического конденсатора, МС конструкции МГ и многоколлекторный детектор (МКД), приемные щели которого установлены вдоль линии фокусов МС.

Недостатком известного масс-спектрометра является низкая разрешающая способность, ограниченная хроматическими аберрациями в условиях значительного энергетического разброса ионов в ИИ.

Известен многоколлекторный магнитный масс-спектрометр с двойной фокусировкой, СМА которого выполнен по геометрии Маттауха-Герцога (см. Development of a miniaturized gas chromatograph-mass spectrometer with a microbore capillary columns and array detector. Analytical Chemistry, vol. 63, No. 18, p.2012-2016, 1991, M.P.Sinha et al.), включающий ИИ, ФС, ОЩ, ЭС в виде сектора цилиндрического конденсатора, МС конструкции МГ, электрооптический детектор с микроканальной пластиной, установленной вдоль линии фокусов МС, и автоматизированную систему управления масс-спектрометром.

Недостатком данного масс-спектрометра, как и предыдущего аналога, является отсутствие системы энергофильтрации ионов, что ограничивает разрешающую способность прибора в условиях значительного энергетического разброса ионов в ИИ.

Известен статический масс-анализатор ионов с двойной фокусировкой (см. патент RU 2231165, МПК H01J 49/26, опубликован 20.06.2004), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. СМА выполнен по геометрии Маттауха-Герцога и включает ИИ, ФС, ОЩ, апертурную диафрагму, дисперсионные по энергии электростатический сектор (ЭС) и магнитный сектор (МС) в виде двухполюсного магнита с постоянным зазором между полюсами. ЭС выполнен в виде сектора цилиндрического конденсатора. Выходная граница МС прямолинейна и пересекает оптическую ось в точке ее пересечения с входной границей МС. СМА также включает систему одновременной регистрации масс-спектральных линий в виде многоколлекторного детектора, приемные щели которого установлены вдоль линии фокусов масс-анализатора, систему управления прибором и автоматизированную систему сбора данных на базе ЭВМ для циклической регистрации и сохранения масс-спектров.

Недостатком прототипа является отсутствие системы энергофильтрации ионного пучка и принципиальная невозможность ее установки, что существенно ограничивает уровень разрешающей способности прототипа в условиях, когда ионный пучок, подлежащий масс-спектральному анализу, неоднороден по энергии.

Задачей настоящего изобретения является повышение разрешающей способности СМА в режиме одновременной регистрации масс-спектра ионов в условиях неоднородного по энергии ионного пучка.

Поставленная задача решается тем, что статический масс-анализатор ионов включает источник ионов (ИИ), фокусирующую систему, объектную щель, апертурную диафрагму, дисперсионные по энергии электростатический сектор (ЭС) и магнитный сектор (МС) в виде двухполюсного магнита с постоянным зазором между полюсами, и систему одновременной регистрации масс-спектральных линий. Выходная граница МС прямолинейна и пересекает оптическую ось в точке ее пересечения с входной границей МС. ЭС установлен относительно МС так, что направления поворота оптических осей в ЭС и МС совпадают. Относительно ИИ ЭС установлен таким образом, что плоскость оптического изображения объектной щели расположена между ЭС и МС. В плоскости оптического изображения объектной щели установлена энергофильтрующая диафрагма (ЭД). Между ЭД и МС установлена коллимирующая линза (КЛ), передняя фокальная плоскость которой расположена в плоскости ЭД при величине оптической силы КЛ, удовлетворяющей соотношению:

PL=Cm/De,

где PL - оптическая сила КЛ, мм-1;

De - коэффициент дисперсии по энергии ЭС в плоскости ЭД, мм;

Cm - безразмерный коэффициент, определяемый конструкцией магнитного сектора, численно равный произведению коэффициента дисперсии по массе и оптической силы МС, одинаковый для всех осевых орбит мономассовых групп ионов в поле МС.

Система одновременной регистрации масс-спектральных линий может быть выполнена в виде многоколлекторного детектора ионов с электрической регистрацией ионных токов, приемные щели которого установлены в фокальных плоскостях МС, соответствующих осевым орбитам регистрируемых мономасовых компонент ионного пучка.

В альтернативном варианте система одновременной регистрации масс-спектральных линий может быть выполнена в виде ППД, приемная поверхность которого установлена на линии фокусов статического масс-анализатора.

Между объектной щелью и ЭС может быть установлена по меньшей мере одна линза для электрической настройки СМА.

ЭС может быть выполнен, например, в виде сектора цилиндрического конденсатора с углом φе и радиусом оптической оси re. В этом случае расстояние L' от объектной щели до ЭС, расстояние L'' от ЭС до ЭД и коэффициент De дисперсии ЭС по энергии, как можно показать, связаны параметрической зависимостью:

L'= re·(ce+1/t)/(ω·se)q', мм;

L''=re·(ce+t)/(ω·se)·q'', мм;

De=rе·(1+t)/ω2·q, мм;

где параметр t>0,

ω=√2, ce=cos(ω·φe),

se=sin(ω·φe),

q, q', q'' - безразмерные множители, обусловленные малыми поправками на влияние краевых полей ЭС, значения q, q', q'' лежат в диапазоне от 0,9 до 1,1.

Также относительно простая конструкция ЭС может быть выполнена в виде сектора сферического конденсатора с углом φе и радиусом оптической оси re. В этом случае расстояние L' от объектной щели до ЭС, расстояние L'' от ЭС до ЭД и коэффициент De дисперсии ЭС по энергии, как можно показать, связаны параметрической зависимостью:

L'=re·(ce+1/t)/se·q', мм;

L''=re·(ce+t)/se·q'', мм;

De=re·(1+t)·q, мм;

где параметр t>0;

ce=cos(φe);

se=sin(φe);

q, q', q'' - безразмерные множители, обусловленные малыми поправками на влияние краевых полей ЭС, значения q, q', q'' лежат в диапазоне от 0,9 до 1,1.

В отличие от СМА-прототипа, в настоящем СМА дисперсионные по энергии ЭС и МС установлены по С-схеме, что позволяет осуществить фокусировку ионов в некоторой плоскости между ЭС и МС и установить ЭД в ней; поэтому ЭС в настоящем СМА установлен относительно ИИ таким образом, чтобы ЭС формировал реальное оптическое изображение ОЩ перед МС (в прототипе положение ЭС относительно ИИ жестко подчинено условию, чтобы ОЩ была расположена в передней фокальной плоскости ЭС, поэтому оптическое изображение ОЩ расположено в «бесконечности»), в плоскости которого установлена ЭД; перед МС установлена коллимирующая линза (КЛ), конструкция и положение которой относительно ЭД выполнены из расчета, что ее передняя фокальная плоскость расположена в плоскости ЭД при величине оптической силы КЛ, зависящей от коэффициента дисперсии ЭС в плоскости ЭД согласно равенству

где PL - оптическая сила КЛ;

De - коэффициент дисперсии по энергии ЭС в плоскости ЭД, мм;

Cm - безразмерный коэффициент, определяемый конструкцией магнитного сектора, численно равный произведению коэффициента дисперсии по массе и оптической силы МС, одинаковый для всех осевых орбит мономассовых групп ионов в поле МС.

Неочевидность и новизна настоящего изобретения определяется следующим. Первые двухкаскадные СМА с двойной фокусировкой по S-схеме были описаны Маттаухом и Герцогом в 1934; примерно с этого же времени известны варианты двухкаскадных СМА с двойной фокусировкой по С-схеме. С тех пор было предложено множество вариантов СМА с двойной фокусировкой, отличающихся, как взаимным расположением ЭС и МС, так и их конструкцией, с расположением ЭС и МС преимущественно по С-схеме, что объясняется преимуществами таких вариантов в коэффициенте дисперсии и большей свободой выбора геометрий СМА с коррекцией геометрических и хроматических аберраций (см. Хинтенбергер, Кёниг. В кн. Успехи масс-спектрометрии. Изд-во ин.лит., 1963, с.26-45). Кроме того, С-схема расположения ЭС и МС в условиях двойной фокусировки допускает возможность фокусировки ионов по угловому разбросу в пространстве между ЭС и МС, что при анализе ионов, неоднородных по энергии, дает возможность установить ЭД в плоскости данной фокусировки. Однако общим недостатком всех известных вариантов СМА с двойной фокусировкой по С-схеме является криволинейная линия фокусов и выполнение условия двойной фокусировки лишь для одной наперед заданной орбиты, что не позволяет использовать многоколлекторные детекторы и требует применения последовательной развертки масс-спектра с выведением каждой из мономассовых групп в приемную щель одноколлекторного детектора. На сегодняшний день известна лишь одна группа вариантов двухкаскадных СМА с двойной фокусировкой, допускающих возможность достижения двойной фокусировки одновременно по всему масс-спектру. Это варианты типа Маттауха-Герцога с расположением ЭС и МС по S-схеме и выполнением МС по конструкции МГ. Вариантность указанной группы СМА и возможности их оптимизации связаны с возможностью относительно свободного выбора конструкции ЭС, а также геометрии входной границы МС и угла поворота орбит ионов в поле МС с целью отдаления линии фокусов от магнитного поля МС и улучшения его оптических характеристик (см. А.А.Сысоев, М.С.Чупахин. Введение в масс-спектрометрию, Атомиздат, 1977, с.74). Однако общим недостатком данной группы СМА является отсутствие возможности энергофильтрации ионов в связи с принципиальным отсутствием промежуточной фокусировки между ЭС и МС, поскольку выходная щель ИИ в таких вариантах СМА должна располагаться в фокальной плоскости ЭС. Неочевидность настоящего технического решения обусловлена тем, что, как отмечалось выше, наличие промежуточной фокусировки ионов и возможность обеспечить условия для их энергофильтрации в известных СМА с двойной фокусировкой сопряжена с криволинейностью линии фокусов и невозможностью обеспечения двойной фокусировки более чем для одной осевой орбиты в МС, а известные варианты СМА с двойной фокусировкой, допускающие двойную фокусировку по всему спектру орбит мономассовых групп, не допускают возможности энергофильтрации ионов. Неочевидность и новизна настоящего изобретения обусловлены тем, что за 80-летнюю историю развития СМА с двойной фокусировкой не было найдено и предложено ни одного технического решения, которое нарушило бы указанную коллизию. Настоящее техническое решение впервые ее разрешило.

В настоящем изобретении поставленная задача решается в рамках С-схем, в которых направления поворота оптических осей в ЭС и МС совпадают. В случае промежуточной фокусировки ионов, это создает благоприятные условия как для двойной фокусировки ионов, ввиду суммирования дисперсионных коэффициентов ЭС и МС с противоположными знаками, так и для установки ЭД. Автором обнаружено, что для обеспечения двойной фокусировки одновременно по всему диапазону осевых орбит мономассовых групп ионов необходимо между ЭД и МС дополнительно установить коллимирующую линзу (КЛ) из расчета, что при величине оптической силы, определяемой коэффициентом дисперсии ЭС в плоскости ЭД согласно равенству (1), ее передняя фокальная плоскость расположена в плоскости оптического изображения ОЩ, в которой установлена ЭД.

В этом случае плоскости приемных щелей МКД должны быть установлены в фокальных плоскостях МС, соответствующих осевым орбитам мономассовых групп ионов; при масс-спектрографическом режиме СМА при использовании пространственно протяженного детектора (ППД), приемная поверхность ППД должна быть расположена на линии фокусов, образованной точками двойной фокусировки мономассовых групп ионов. Автором обнаружено, что при выполнении МС по конструкции МГ, условием расположения передней фокальной плоскости КЛ, рассчитанной при значении оптической силы КЛ, определяемом уравнением (1), в плоскости оптического изображения ОЩ, обеспечивается двойная фокусировка произвольной мономассовой группы в соответствующую ей фокальную плоскость МС. Величины дисперсионного коэффициента МС и его оптической силы, следовательно, и коэффициента Cm в правой части (1), однозначно определяются конструкцией МС. Анализ показывает, что, в случае МС конструкции МГ, указанный коэффициент безразмерен, и его величина не зависит от радиусов осевых орбит мономассовых групп. Таким образом, для обеспечения двойной фокусировки по всем мономассовым орбитам необходимо: выбрать конструкцию ЭС и его расположение относительно ИИ, рассчитать дисперсионный коэффициент ЭС в плоскости оптического изображения ОЩ, в соответствии с выбранной конструкцией МС рассчитать его оптическую силу и дисперсионный коэффициент, определив, тем самым, величину коэффициента Cm в правой части (1), выбрать удобную конструкцию КЛ, рассчитать положение ее передней фокальной плоскости при возбуждении КЛ, соответствующим величине оптической силы, определенной правой частью (1), после чего установить КЛ между ЭД и МС так, чтобы ее передняя фокальная плоскость, рассчитанная в указанных условиях, совместилась бы с плоскостью ЭД.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 приведена оптическая часть СМА-прототипа;

на фиг.2 показан один из вариантов СМА по настоящему изобретению.

На фиг.1 обозначены: источник 1 ионов, выходная щель 2, апертурная диафрагма 3, оптическая ось 4 дисперсионного по энергии электростатического сектора (ЭС) 5, оптическая ось 6 дисперсионного по энергии магнитного сектора (МС) 7, имеющего входную границу 8 и выходную границу 9.

На фиг.2 обозначены: источник 1 ионов, выходная щель 2, апертурная диафрагма 3, оптическая ось 4 дисперсионного по энергии электростатического сектора (ЭС) 5, энергофильтрующая диафрагма (ЭД) 10 и коллимирующая линза (КЛ) 11, оптическая ось 6 дисперсионного по энергии магнитного сектора (МС) 7, имеющего входную границу 8 и выходную границу 9.

СМА-прототип (см. фиг.1) выполнен по геометрии Маттауха-Герцога. Выходная щель 2, в плоскость которой фокусирующая система (не показана) источника 1 ионов сжимает ионный пучок, расположена в передней фокальной плоскости дисперсионного по энергии электростатического сектора 5. Направления поворота оптической оси 4 в ЭС 5 и оптической оси 6 в дисперсионном по импульсам МС 7 противоположны (S-схема). МС 7 выполнен по конструкции МГ, согласно которой выходная граница 9 пересекает оптическую ось 6 в точке 12 ее пересечения с входной границей 8. Пучок ионов, образованный в источнике 1 ионов, сжимается в плоскости выходной щели 2 фокусирующей системой (не показана), ограничивается по размеру выходной щелью 2 и по углу расходимости апертурной диафрагмой 3, далее вблизи оси 4 ионы следуют в направлении электростатического сектора 5, где пространственно разделяются по энергии. После выхода из ЭС 5 ионы движутся вблизи оптической оси 6 в направлении магнитного сектора 7, входят в МС 7 через границу 8, выходят из него через прямолинейную границу 9 и, будучи разделенными по массе и собранными в мономассовые группы в поле МС, движутся вблизи соответствующих осевых орбит 13 в направлении приемных щелей МКД (на чертеже не показаны). На фиг.1 обозначены 3 осевые орбиты 13, соответствующие трем линиям масс-спектра. После выхода из МС 7 каждая мономассовая группа ионов фокусируется вблизи точек, обозначенных, соответственно, D1,D2, D3, которые образуют линию фокусов 14, совпадающей в прототипе с выходной границей 9, вдоль которой установлены приемные щели МКД (на чертеже не показаны).

В изображенном на фиг.2 одном из вариантов настоящего СМА ионов между дисперсионными по энергии ЭС 5 и МС 7 установлены энергофильтрующая диафрагма (ЭД) 10 и коллимирующая линза (КЛ) 11. ЭД 10 установлена в плоскости оптического изображения щели 2, КЛ 11 установлена таким образом, что плоскость ее переднего фокуса при оптической силе КЛ, соответствующей уравнению (1), расположена в плоскости ЭД 10. ЭС 5 и МС 7 установлены по С-схеме. МС 7 выполнен по конструкции МГ аналогично прототипу, однако в варианте СМА, приведенном на фиг.2, входная граница 8 МС 7 неортогональна оптической оси и расположена под некоторым углом к нормали границы, что обусловливает отдаление линии фокусов 14 от выходной границы МС 7. Пучок ионов, образованный в источнике 1 ионов, сжимается в плоскости выходной щели 2 фокусирующей системой (не показана), ограничивается по размеру выходной щелью 2 и по углу расходимости апертурной диафрагмой 3, далее вблизи оси 4 ионы следуют в направлении электростатического сектора 5, где пространственно разделяются на моноэнергетичные группы, каждая из которых фокусируется по угловому разбросу в плоскости ЭД 10, уменьшающей энергетический разброс ионов в соответствии с размером щели ЭД 10. Пропущенные сквозь ЭД 10 ионы фокусируются вблизи точки 15. Далее, они следуют вблизи оси 6 в направлении КЛ 11 и далее к МС 7, выходя из МС 7 в виде пространственно разделенных мономассовых групп, движущихся вблизи соответствующих осевых орбит 13 в направлении детектора (не показан). На фиг.2 обозначены три осевые орбиты 13, соответствующие трем линиям масс-спектра. На выходе из МС 7 мономассовые группы ионов фокусируются вблизи точек, обозначенных, соответственно, D1, D2, D3, которые образуют линию фокусов 14, на которой могут быть установлены, например, микроканальная пластина ППД (режим масс-спектрографа) или приемные щели МКД (режим многоколлекторного масс-спектрометра).

Между ИИ 1 и ЭС 5 может быть установлена электростатическая линза или система линз (на фиг.2 не показаны) для осуществления возможности электрической настройки масс-спектрального разрешения СМА.

При выполнении ЭС 5 в виде сектора цилиндрического конденсатора с углом φе и радиусом оптической оси rе, расстояние L' от объектной щели 2 до ЭС 5, расстояние L'' от ЭС 5 до ЭД 10 и коэффициент De дисперсии ЭС по энергии связаны параметрической зависимостью:

L'=re·(ce+1/t)/((ω·se)·q', мм;

L''=re·(ce+t)/(ω·se)·q'', мм;

Dе=rе·(1+t)/ω2·q, мм;

где параметр t>0;

ω=√2, ce=cos(ω·φе);

se=sin(ω·φe);

q, q', q'' - безразмерные множители, обусловленные малыми поправками на влияние краевых полей ЭС 5 (см. Г.Вольник. Оптика заряженных частиц, Энергоиздат, 1987, с.191-196), при этом величины q, q', q'' пропорциональны величине отношения межэлектродного зазора ЭС 5 к радиусу rе и, практически, не выходят за пределы диапазона между 0,9 и 1,1.

При выполнении ЭС в виде сектора сферического конденсатора с углом φе и радиусом оптической оси rе, расстояние L' от объектной щели до ЭС, расстояние L'' от ЭС до ЭД и коэффициент De дисперсии ЭС по энергии связаны параметрической зависимостью:

L'=re·(ce+1/t)/se·q', мм;

L''=re·(ce+t)/se·q'', мм;

De=re·(1+t)·q, мм;

где параметр t>0,

ce=cos(φe), se=sin(φe),

q, q', q'' - безразмерные множители, обусловленные поправками на влияние краевых полей ЭС 5 (см. Г.Вольник. Оптика заряженных частиц, Энергоиздат, 1987, с.191-196), при этом величины q, q', q'' пропорциональны величине отношения межэлектродного зазора ЭС 5 к радиусу rе и, практически, не выходят за пределы диапазона между 0,9 и 1,1.

1. Статический масс-анализатор ионов, включающий источник ионов (ИИ), фокусирующую систему, объектную щель, апертурную диафрагму, дисперсионные по энергии электростатический сектор (ЭС) и магнитный сектор (МС) в виде двухполюсного магнита с постоянным зазором между полюсами, и систему одновременной регистрации масс-спектральных линий, при этом выходная граница МС прямолинейна и пересекает оптическую ось в точке ее пересечения с входной границей МС, ЭС установлен относительно МС так, что направления поворота оптических осей в ЭС и МС совпадают, и установлен относительно ИИ таким образом, что плоскость оптического изображения объектной щели расположена между ЭС и МС, в плоскости оптического изображения объектной щели установлена энергофильтрующая диафрагма (ЭД), между ЭД и МС установлена коллимирующая линза (КЛ), передняя фокальная плоскость которой расположена в плоскости ЭД при величине оптической силы КЛ, удовлетворяющей соотношению:
PL=Cm/De,
где PL - оптическая сила КЛ, мм-1;
De - коэффициент дисперсии по энергии ЭС в плоскости ЭД, мм;
Cm - безразмерный коэффициент, определяемый конструкцией магнитного сектора, численно равный произведению коэффициента дисперсии по массе и оптической силы МС, одинаковый для всех осевых орбит мономассовых групп ионов в поле МС.

2. Статический масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что система одновременной регистрации масс-спектральных линий выполнена в виде многоколлекторного приемника ионов с электрической регистрацией ионных токов, приемные щели которого установлены в фокальных плоскостях МС, соответствующих осевым орбитам регистрируемых мономасовых компонент ионного пучка.

3. Статический масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что система одновременной регистрации масс-спектральных линий выполнена в виде пространственно протяженного детектора, приемная поверхность которого установлена на линии фокусов статического масс-анализатора.

4. Статический масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что между объектной щелью и ЭС установлена по меньшей мере одна линза для электрической настройки СМА.

5. Статический масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что ЭС выполнен в виде сектора цилиндрического конденсатора с углом φе и радиусом оптической оси rе, а расстояние L' от объектной щели до ЭС, расстояние L'' от ЭС до ЭД, а также коэффициент дисперсии De связаны параметрической зависимостью:
L'=re·(ce+1/t)/(ω·se)q′, мм;
L''=re·(ce+t)/(cose)q′′, мм;
De=re(1+t)/ω2·q, мм;
где параметр t>0,

ce=cos(ω·φe),
se=sin(ω·φe),
q, q', q'' - поправочные множители, обусловленные малыми поправками, связанными с учетом влияния краевых полей ЭС, значения которых лежат в диапазоне между 0,9 и 1,1.

6. Статический масс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что ЭС выполнен в виде сектора сферического конденсатора с углом φе и радиусом оптической оси rе, а расстояние L' от объектной щели до ЭС, расстояние L'' от ЭС до ЭД и коэффициент De дисперсии ЭС по энергии связаны параметрической зависимостью:
L′=re·(ce+1/t)/Se·q′, мм;
L′′=re·(ce+t)/Se·q′′, мм;
De=re(1+t)·q, мм;
где параметр t>0,
ce=cos(φe),
se=sin(φe),
q, q', q'' - безразмерные множители, обусловленные малыми поправками на влияние краевых полей ЭС, значения q, q', q'' лежат в диапазоне 0,9-1,1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к контрольно-измерительной технике, а именно к многоколлекторным масс-спектрометрам, и может быть использовано в различных отраслях химической промышленности для определения изотопного состава веществ, в частности, на предприятиях ядерно-топливного цикла - для определения изотопного состава гексафторида урана (ГФУ).

Изобретение относится к области электротехники, в частности к аналитическому оборудованию, а именно к разработке изотопных многоколлекторных масс-спектрометров, используемых для определения изотопного состава различных газообразных веществ.

Изобретение относится к физическим методам анализа состава и структуры вещества, а именно к применению метода вторично-ионной масс-спектрометрии для анализа структурно-энергетического состояния поверхностного слоя вещества, и может быть использовано в структурообразовании и повышении износостойкости новых материалов при изготовлении деталей ответственного назначения.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а конкретно к спектрометрам дрейфовой подвижности для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к дрейф-спектрометрам для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха.

Изобретение относится к поверхностно-ионизационным источникам ионов органических соединений, применяемым, например, в дрейф-спектрометрах или иных аналитических устройствах.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к спектрометрам дрейфовой ионной подвижности, предназначенным для обнаружения следовых количеств паров органических веществ в составе воздуха, в частности паров органических молекул из класса взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения для целей газового анализа, а более конкретно к способам контроля состояния спектрометров ионной подвижности с поверхностно-ионизационным термоэмиттером ионов, в частности к способам калибровки спектрометров, включая контроль состояния геометрических характеристик спектрометров, наличие посторонних загрязнений на поверхности электродов спектрометров, приводящих к ухудшению аналитических характеристик спектрометров.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к многоколлекторным магнитным масс-спектрометрам, предназначенным для качественного и количественного анализа примесей в матрицах сложного состава, в частности в качестве детектора газового хроматографа с высокоэффективными капиллярными колонками.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам определения изотопного состава вещества, предназначенным для анализа изотопного состава примесей в матрицах сложного состава, в частности для изотопного анализа метана в полевых условиях в воздухе, воде, грунте, снеге и бурильном растворе

Заявленное изобретение относится к трубке для измерения подвижности ионов. Заявленное устройство содержит камеру источника ионизации с центральным отверстием, впускной элемент для ионов, блок зоны дрейфа ионов с центральной камерой трубки, экранирующую сетку и диск Фарадея, причем камеру источника ионизации, впускной элемент для ионов, блок зоны дрейфа ионов, экранирующую сетку и диск Фарадея последовательно составляют вместе в направлении спереди назад. При этом блок зоны дрейфа ионов содержит первый изолятор и первые металлические пластины электродов, концентрично прикрепленные к передней и к задней поверхностям первого изолятора. Блок зоны дрейфа ионов содержит первый изолятор и первые металлические пластины электродов, которые вместе составляют одно целое. Техническим результатом является возможность упрощения конструкции трубки для измерения подвижности ионов и облегчение сборки и разборки трубки. 25 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии высокого разрешения. Технический результат - улучшение масс-габаритных и эксплуатационных характеристик масс-спектрометров с преобразованием Фурье путем повышения давления в измерительных ячейках. Способ обеспечивает n-кратное сокращение длительности циклов масс-анализа с преобразованием Фурье и их периодическое с периодом T=Ta/n повторение в течение времени анализа Та. Сокращение в n раз длительности циклов позволяет в такое же число раз увеличивать давление в измерительных ячейках без изменения соотношения между сохранившимися и выбывшими при столкновениях ионами. Требуемое разрешение анализатора, определяемое временем Ta, обеспечивается n-кратным периодическим повторением циклов анализа. При вычислениях масс-спектров периодический режим масс-анализа учитывается введением в преобразования Фурье каждого цикла множителей, компенсирующих фазовые сдвиги гармоник и устраняющих периодическую амплитудную модуляцию наведенного тока. 1 ил.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам для анализа масс-спектрального состава веществ с источниками ионов с напуском пробы с атмосферы. Технический результат - повышение точности определения площади хроматографического пика. В масс-спектрометре камера ионизации разделена на две части металлической газопроницаемой перегородкой, в каждой части камеры ионизации имеется свой катод, подающий в нее пучок электронов, ионно-оптическая система вытягивает ионы из первой части камеры, энергия электронов E, подаваемых с катода во вторую часть камеры, выбирается, исходя из соотношения E<I, где I - потенциал ионизации молекул или атомов газа-носителя. Ионы, образующиеся во второй части камеры, поступают на коллектор, расположенный так, чтобы на него не попадали ионизирующие или вторичные электроны, и регистрируются на нем. 1 ил.

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к статическим магнитным масс- спектрометрическим анализаторам со 180-градусным поворотом и двойной магнитной фокусировкой, и может быть использовано в газовых течеискателях, в том числе гелиевых, предназначенных для испытания на герметичность различных систем и объектов, допускающих откачку внутренней полости до глубокого вакуума или заполнение ее гелийсодержащей смесью или другим пробным газом под избыточным давлением. Технический результат - повышение надежности и увеличение срока службы масс-спектрометрического анализатора; снижение вакуумных требований. Масс-спектрометрический анализатор газового течеискателя содержит вакуумную камеру с присоединительными фланцами, внутри которой размещены: источник ионов пробного газового вещества, состоящий из источника электронов и камеры ионизации; магнитная система, обеспечивающая разделение ионов по массам; приемник ионов. При этом в качестве источника электронов использован плазменный катод на основе плазмы тлеющего разряда, представляющий собой помещенную в аксиальное магнитное поле ячейку Пеннинга с эмиттером электронов, выполненным в виде щели для формирования ленточного электронного пучка в антикатоде ячейки, со стороны камеры ионизации. Предпочтительно, чтобы в центральной части анода ячейки Пеннинга были выполнены отверстия для «подкачки» остаточного газа из вакуумной камеры. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области времяпролетной масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении задач органической и биоорганической химии, токсикологии, криминалистики, иммунологии и медицины при ионизации молекул исследуемых веществ методами электронный удар, «электроспрей». Устройство ортогонального ввода ионов во времяпролетный масс-спектрометр (ВПМС) включает канал транспортировки поступающего из источника непрерывного пучка ионов, сформированный двумя электродами, ориентированными параллельно направлению движения непрерывного ионного пучка и предназначенными для создания импульсного электрического поля, выталкивающего ионы в направлении, перпендикулярном непрерывному пучку, и электроды для электростатического ускорения ионов, расположенные вне указанного канала. В промежуток между электродами, формирующими канал транспортировки заряженных частиц, введены дополнительные электроды, ориентированные параллельно направлению движения непрерывного ионного пучка, а приложенные к этим электродам статические электрические потенциалы обеспечивают сжатие непрерывного ионного пучка в направлении импульсного выталкивания ионов из канала. Технический результат - увеличение чувствительности ВПМС. 3 ил.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, а именно к источникам ионов с ионизацией при атмосферном давлении (фотоионизация, химическая ионизация при атмосферном давлении в коронном разряде и другие), и найдет широкое применение в масс-спектрометрии, спектрометрии подвижности ионов при решении задач органической и биоорганической химии, иммунологии, медицины, диагностики заболеваний, биохимических исследований, фармацевтике, токсикологии и экологии, проведении анализов в криминалистике и следового анализа наркотиков и их метаболитов. Способ основан на формировании газовой, транспортирующей ионы, струи, коаксиально обдувающей область образования ионов закрученной вихревой струей с образованием объемного закрученного потока с осевым течением, и дополнительного газового потока, формирующего вихревую пробоотборную струю в виде составного вихря, фокусирующего ионы на оси пробоотборного потока в центре вихревого ядра. Особенностью способа являются равенство линейных скоростей ламинарных потоков: газа-носителя из хроматографической колонки и внешнего коаксиального потока газа; при этом суммарный объемный поток, транспортирующий ионы, должен немного превышать поток газа с транспортируемыми ионами, поступающего в интерфейс масс-спектрометра. Техническим результатом является обеспечение транспортировки ионных потоков без дискриминации ионов по массам, уменьшения плотности ионов в транспортируемом потоке, потери хроматографического разделения при нормальных условиях, не прибегая к нагреву внешнего газа носителя, что существенно упрощает реализацию метода в широком диапазоне объемных скоростей потоков газа-носителя, при этом ионный ток анализируемых веществ хроматографической фракции поступает в анализатор без примесей из лабораторного воздуха. 1 ил.

Изобретение относится к области ион-дрейфовой и масс-спектрометрии и найдет широкое применение при решении аналитических задач органической и биоорганической химии, иммунологии, биотехнологии, криминалистики, протеомики, метаболомики, медицины, экологии и охраны окружающей среды. Устройство непрерывного стабильного электрораспыления растворов в источнике ионов при атмосферном давлении выполнено в виде коаксиально расположенных капилляров, ориентированных вертикально. По внутреннему металлическому капилляру подается анализируемый раствор, к этому же капилляру прикладывается напряжение от высоковольтного источника питания. С торца этого капилляра происходит электрораспыление вертикально вверх. Для непрерывного стабильного электрораспыления вводимых проб (анализируемых растворов в узел электораспыления) и стабильного процесса распыления в канал подачи растворов устанавливается инжектор, например кран-переключатель с петлевым вводом пробы, позволяющий проводить ввод пробы без разрыва потока жидкости, а следовательно, и без переходных неустойчивых процессов выхода на стабильный режим распыления. В канал откачки парогазовой смеси из зазора между коаксиальными капиллярами устанавливается осушитель. Излишки нераспыленного раствора отделяются от парогазовой смеси и осушенный лабораторный воздух откачивается воздушным насосом. Технический результат - увеличение времени непрерывного стабильного распыления раствора, а следовательно. устойчивой работы прибора и стабильности регистрируемых спектров, уменьшение частоты обслуживания устройства распыления и источника ионов для их чистки. 4 ил.
Наверх