Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду



Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду
Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду
Способ разделения заряженных частиц по удельному заряду

 


Владельцы патента RU 2533383:

Козловский Вячеслав Иванович (RU)

Способ разделения заряженных частиц по величине отношения массы к заряду относится к области масс-спектрометрии. Технический результат - повышение чувствительности и стабильности масс-анализа и улучшение масс-габаритных и конструктивно-технологических показателей масс-спектрометров. Способ включает воздействие на заряженные частицы неоднородного высокочастотного поля, при этом поле имеет градиент потенциала вдоль оси Y и близкий к нулевому градиент вдоль оси X, а пучок заряженных частиц с заданной величиной отношения кинетической энергии к заряду вводят в высокочастотное поле непрерывно в плоскости XY под острым углом α к оси Y. 3 ил.

 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использовано для повышения чувствительности и стабильности масс-анализа и для улучшения масс-габаритных и конструктивно-технологических показателей масс-спектрометров. В частности для выделения заряженных частиц, движущихся в потоке газа.

В настоящее время широко используются способы разделения заряженных частиц по удельному заряду (величине, обратной отношению массы к заряду m/q).

Известен способ разделения заряженных частиц по удельному заряду с помощью магнитных масс-анализаторов, заключающийся в том, что ионы с различными величинами m/z движутся под действием магнитного поля по радиусам, пропорциональным величине m/z. При этом ионы с различными массами и одинаковой энергией движутся по лежащим в одной плоскости различным траекториям. При сканировании выполняется развертка магнитного поля, и на детектор с фиксированными координатами попадают ионы с m/z в определенном узком диапазоне. В статическом масс-спектрометре имеется набор коллекторов, на которых измеряется одновременно ионные токи для различных m/z (Патент РФ RU 2456700 С1, МПК H01J 49/26 (2006.01), опубл. 20.07.2012).

Получаемое с помощью этого способа разделение имеет повышенную разрешающую способность в режиме одновременной регистрации масс-спектра заряженных частиц, однако использование магнитного поля для сепарации заряженных частиц значительно увеличивает размер, вес и стоимость изготовления масс-анализатора.

Известен принятый за прототип способ разделения заряженных частиц по удельному заряду, заключающийся в воздействии на ионы переменным электрическим полем монополярного анализатора с квадратичным распределением потенциала по осям х и у, отличающийся тем, что заряженные частицы вводятся в рабочее поле в течение короткого интервала времени tB с начальными координатами х0, у0 по осям х и у, близкими к нулевым, и с начальными скоростями vy и vz по координатам у и z, обратно пропорциональными массам заряженных частиц, и на заряженные частицы воздействуют переменным высоко частотным (ВЧ) полем с постоянной амплитудой и частотой.(частный случай неоднородного высокочастотного поля). При этом ионы по оси у совершают близкие к гармоническим колебания с периодом Т, а время нахождения заряженных частиц в анализаторе ta=T/2 пропорционально массе анализируемых заряженных частиц (Патент РФ №2293396, МПК H01J 49/22 (2006.01), H01J 49/42 (2006.01), опубл. 10.02.2007 г.).

Однако этот способ требует формирования коротких (во времени) пакетов заряженных частиц, что снижает стабильность, чувствительность и усложняет электронные блоки и систему регистрации заряженных частиц.

Предлагаемое изобретение решает задачу одновременной сепарации заряженных частиц и регистрации масс-спектра, обеспечивая высокую чувствительность при анализе непрерывного ионного пучка с помощью компактного масс-анализатора. Такой способ требует простого и относительно недорого технологического оборудования. В предлагаемом способе масс-анализа повышается стабильность регистрации масс-спектрометрического сигнала.

Способ разделения заряженных частиц по величине отношения массы к заряду, включающий воздействие на заряженные частицы неоднородного высокочастотного поля, новизна которого заключается в том, что поле имеет градиент потенциала вдоль оси Y и близкий к нулевому градиент вдоль оси X, а пучок заряженных частиц с заданной величиной отношения кинетической энергии к заряду ε вводят в высокочастотное поле непрерывно в плоскости XY, под острым углом α к оси У.

Выполнение предложенных операций приводит к тому, что траектории заряженных частиц с различными значениями m/q в результате прохождения неоднородного высокочастотного электрического поля оказываются разделенными в пространстве в соответствии с их отношением массы к заряду m/q.

При движении в неоднородном высокочастотном электрическом поле ионы совершают периодические колебания и отклоняются от направления их первоначального движения, таким образом, усредненное движение заряженной частицы с массой m и зарядом q в переменном электрическом поле может быть описано с помощью псевдопотенциала U e f f = E 2 4 ( m / q ) ω 2 , где ω - угловая частота осцилляции, Е - амплитуда зависящей от координаты напряженности электрического поля. Если поле неоднородно вдоль одной из осей координат, например Y U e f f y 0 , и однородно вдоль другой оси координат, например X U e f f x 0 , то если направить пучок заряженных частиц под острым углом 0°<α<90° к оси Y, то в результате движения в таком поле группы заряженных частиц с различными значениями m/q станут двигаться по набору траекторий, смещенных друг относительно друга в соответствии с величиной m/q. Соотношение градиента псевдопотенциала U e f f y , энергии заряженных частиц ε и угла ввода заряженных частиц α по отношению к оси Y определяют смещение траекторий заряженных частиц с различными m/q друг относительно друга и, соответственно, эффективность сепарации заряженных частиц.

На основании приведенного выше выражения для псевдопотенциала Ueff нами было выведено, что если псевдопотенциал меняется квадратично вдоль оси Y, U e f f a y 2 ( m / q ) (а - постоянный коэффициент), то смещение траекторий частиц по оси Х при введении их под углом α после прохождения высокочастотного поля можно выразить как X m / d = π S i n α ( m / q ) ε a . Таким образом, смещение точки выхода траектории заряженной частицы относительно точки входа оказывается пропорциональным величине ( m / q ) .

Если, например, псевдопотенциал меняется линейно с координатой Y, U e f f a y ( m / q ) , то смещение по Х на выходе будет X m / d = ε ( m / q ) S i n 2 α a . Таким образом, смещение точки выхода траектории заряженной частицы относительно точки входа будет пропорционально величине m/q.

Если детектировать таким образом разделенные в пространстве заряженные частицы с помощью соответственно расположенных детекторов, то возможно использовать данный способ для масс-анализа (получения масс-спектра) заряженных частиц из непрерывного пучка.

Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения заключается в осуществлении разделения в пространстве непрерывного пучка заряженных частиц по величине m/q, а также в случае необходимости в выделении из первоначального пучка заряженных частиц с величинами m/q, лежащими в определенном (заданном) диапазоне. При этом, поскольку в нашем способе разделенные по величине m/q заряженные частицы регистрируются непрерывно, повышаются чувствительность и стабильность сигнала по сравнению со способами, в которых для масс анализа из непрерывного пучка предварительно формируются короткие пакеты заряженных частиц, которые затем импульсно вводятся в масс-анализатор.

На Фиг.1. представлены проекции траекторий заряженных частиц в плоскости XY при пространственном разделении непрерывного пучка заряженных частиц в соответствии с величинами m/q в неоднородном высокочастотном электрическом поле.

На Фиг.2. представлена предварительная сепарация непрерывного пучка заряженных частиц в неоднородном высокочастотном электрическом поле для повышения эффективности последующего масс-анализа

На Фиг.3. представлена сепарация пучка заряженных частиц из потока газа, в котором они двигались первоначально.

Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.

Неоднородное высокочастотное поле, имеющее градиент потенциала вдоль оси Y, и близкий к нулевому градиент вдоль оси X, может быть создано, например, с помощью двух параллельных электродов, расположенных симметрично относительно плоскости XY, параллельных оси X, оси которых лежат в плоскости XZ. К стержням подаются напряжения U1=U0Sin(ωt) и U2=-U0Sin(ωt) соответственно. Если сделать эти электроды цилиндрическими с радиусами цилиндров R0 и расположить их оси на расстоянии 1.75R0 друг от друга, то псевдопотенциал в плоскости XY будет зависеть квадратично от координаты Y.

Пример 1. Реализация масс-анализа путем пространственного разделения непрерывного пучка заряженных частиц в соответствии с величинами m/q в неоднородном высокочастотном электрическом поле (Фиг.1).

Высокочастотное электрическое поле (1), имеющее положительный градиент вдоль оси Y (2) и близкий к нулю градиент вдоль оси Х (3), создают с помощью двух параллельных цилиндрических стержней радиусом 1.15R0, расположенных симметрично относительно плоскости XY, оси которых лежат в плоскости, параллельной XZ, смещенной по оси Y на ro, расстояние между поверхностями стержней равно R0. К стержням подаются напряжения U1=U0Sin(ωt) и U2=-U0Sin(ωt) соответственно. Непрерывный пучок заряженных частиц (4) с заданным отношением кинетической энергии к заряду ε вводят в высокочастотное поле (1) в плоскости XY под острым углом α к оси Y. Движение заряженных частиц в таком высокочастотном поле приближенно может быть описано как движение зарядов в поле псевдопотенциала U e f f = U 0 2 ( m / q ) ω 2 y 2 R 4 0 , где m/q - отношение массы и заряда заряженной частицы. Псевдопотенциал такого поля квадратично возрастает от координаты y и имеет близкий к нулю U e f f x 0 градиент вдоль оси координат X. Смещение траекторий частиц оси Х при введении их под углом α после прохождения высокочастотного поля можно выразить как X m / d = π S i n α U 0 2 ( m / q ) ε ω 2 R 0 4 {1} Таким образом, смещение точки выхода траектории заряженной частицы относительно точки входа оказывается пропорциональным величине ( m / q ) . Значит, заряженные частицы из пучка с различными m/q на выходе из области высокочастотного поля движутся по траекториям (6, 7, 8, 9), смещенным в пространстве друг относительно друга пропорционально величинам m/q. Разделенные пучки заряженных частиц регистрируются набором дискретных детекторов (10, 11, 12, 13), расположенных в позициях в соответствии с формулой {1}. Величины сигнала, регистрируемые набором детекторов, составляют масс-спектр. Техническое осуществление получения масс-спектра таким способом проще в сравнении со статическим масс-анализом, проводимым с помощью магнитного масс-спектрометра (магнит имеет большой вес, требуется мощный стабильный источник тока для создания необходимого магнитного поля). Чувствительность и стабильность сигнала при таком способе получения масс-спектра возрастают по сравнению со способами, в которых для масс анализа из непрерывного пучка предварительно формируются короткие пакеты заряженных частиц, которые затем импульсно вводятся в масс-анализатор.

Пример. 2. Предварительная сепарация непрерывного пучка заряженных частиц в неоднородном высокочастотном электрическом поле для повышения эффективности последующего масс-анализа (увеличение динамического диапазона, повышения срока службы детекторов). (Фиг.2)

Непрерывный пучок заряженных частиц с заданным отношением кинетической энергии к заряду ε (4) разделяется в высокочастотном неоднородном электрическом поле (1), путем введения под острым углом а к оси Y(2). Поле имеет ненулевой градиент вдоль оси Y (2), и близкий к нулевому градиент вдоль оси Х (3). На выходе из высокочастотного неоднородного поля (1) заряженные частицы с различными значениями m/q движутся по траекториям (6, 7, 8, 9), разделенным в пространстве в соответствии с величинами m/q. На пути движения заряженных частиц располагают масс-анализатор (14) (может быть время-пролетный, орбитальная ионная ловушка и др.). На входе в данный масс-анализатор (14) имеется ограничивающая щель (15). Таким образом, после сепарации пучка заряженных частиц (4) в высокочастотном неоднородном поле (1), через щель (15) в масс-анализатор (14) попадут лишь заряженные частицы из определенного диапазона m/q, например (7, 8); интенсивные пучки заряженных частиц (6, 9), не несущих аналитической информации, теряются на ограничивающей щели (15) и не попадают в последующий масс-анализатор (14). Таким образом увеличивается динамический диапазон и увеличивается срок службы детектора масс-анализатора (14), поскольку отсекаются интенсивные пучки заряженных частиц (6, 9)? не несущие аналитической информации, а лишь вызывающие перегрузку детекторов масс-анализатора (14).

Пример.3. Сепарация пучка заряженных частиц из потока газа. (Фиг.3)

Пучок заряженных частиц (4), движущихся в потоке газа (16), вводят в высокочастотное поле (1) под острым углом α к оси Y(2). Поток газа (16), состоящий из нейтральных незаряженных молекул, продолжает свое движение в первоначальном направлении, в то время как поток заряженных частиц (4) на выходе из области высокочастотного поля изменяет направление движения и движется по траекториям (6, 7, 8, 9), отклоненным относительно первоначального пучка (4). Далее заряженные частицы попадают в отверстие в диафрагме (17), за которым расположен масс-анализатор (14). Отклонение пучка заряженных частиц в неоднородном высокочастотном поле позволяет расположить отверстие для заряженных частиц в диафрагме в стороне от оси газового потока. Таким образом, поток газа будет двигаться мимо отверстия в диафрагме (17), снизится газовая нагрузка на область масс-анализатора и можно будет получить более высокую эффективность масс-анализа и/или использовать менее мощный/более простой/дешевый/компактный насос, откачивающий область масс-анализатора.

Таким образом, приведенные выше примеры подтверждают, что предлагаемый способ позволяет производить как масс-анализ, так и сепарацию заряженных частиц по удельному заряду. Использование высокочастотного поля упрощает техническое осуществление масс-анализа по сравнению с использованием магнитного поля; возможность масс-анализа непрерывного пучка заряженных частиц обеспечивает высокую чувствительность и стабильность сигнала по сравнению со способами, где требуется создание коротких пакетов заряженных частиц и импульсного ввода этих пакетов в масс-анализатор.

Способ разделения заряженных частиц по величине отношения массы к заряду, включающий воздействие на заряженные частицы неоднородного высокочастотного поля, отличающийся тем, что поле имеет градиент потенциала вдоль оси Y и близкий к нулевому градиент вдоль оси X, а пучок заряженных частиц с заданной величиной отношения кинетической энергии к заряду ε вводят в высокочастотное поле непрерывно в плоскости XY под острым углом α к оси Y.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области фокусировки, энерго и масс-анализа заряженных частиц в линейных высокочастотных электрических полях и может использовано для улучшения конструкторских и коммерческих характеристик приборов для микроанализа вещества.

Изобретение относится к области энергетического анализа потоков заряженных частиц, возбуждаемых первичными электронами с поверхности твердого тела, и может быть использовано для улучшения аналитических и потребительских свойств электронных спектрометров, используемых для исследования объектов твердотельной электроники методами электронной спектроскопии.

Изобретение относится к области энергетического анализа потоков заряженных частиц, возбуждаемых рентгеновским излучением с поверхности твердого тела, и может быть использовано для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских свойств электронных спектрометров, используемых для исследования объектов микро- и наноэлектроники методами рентгено-электронной спектроскопии.

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.

Изобретение относится к области масс-спектрометрических приборов, основанных на движении заряженных частиц в двумерных линейных электрических полях, и может быть использовано для улучшения аналитических и потребительских характеристик таких приборов.

Изобретение относится к области масс-селективного анализа заряженных частиц в двумерных линейных ВЧ полях и может быть использовано для улучшения аналитических, эксплуатационных и потребительских свойств масс-спектрометров времяпролетного типа.

Изобретение относится к области динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для совершенствования способов развертки масс, улучшения аналитических и потребительских свойств гиперболоидных и времяпролетных масс-спектрометров.

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения потребительских свойств и увеличения срока службы масс-спектрометров с гиперболоидными электродными системами.

Изобретение относится к динамической масс-спектрометрии и может быть использовано для улучшения технологических и аналитических свойств гиперболоидных масс-спектрометров.

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано для создания гиперболоидных масс-спектрометров с простыми анализаторами и высокими аналитическими показателями.
Наверх