Способ времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и направлено на совершенствование методов и устройств масс-разделения по времени пролета в линейных высокочастотных полях. Технический результат - повышение разрешающей способности и решение проблемы конструктивного совмещения устройств ввода и вывода радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов. Для достижения результата предлагается минимизировать начальные координаты ионов по оси X и вводить ионы в анализатор с начальными скоростями по оси Z, обратно пропорциональными массам ионов. Способ реализуется в электродной системе с планарными дискретными электродами и заземленным электродом, в котором вдоль оси Z, симметрично относительно его середины, прорезаны две узкие щели для ввода и вывода ионов. Начальные скорости выбирают так, чтобы за время возвратного дрейфа по оси Y ионы по оси Z проходили расстояние, равное расстоянию между центрами щелей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и направлено на совершенствование методов и устройств масс-разделения ионов по времени пролета в линейных высокочастотных (ВЧ) электрических полях. В известных прототипах с планарными электродами с дискретно-линейными распределениями по оси Y ВЧ потенциалов ввод и вывод ионов осуществляется через апертуры в заземленном электроде, расположенные симметрично относительно оси Z на одинаковом расстоянии хщ<xa/2 от нее [1, 2], и на ионы с начальными координатами x0, y0=0, z0 и начальными скоростями ν0x≈0, ν0y>0, ν0z воздействует полем с линейными распределениями по осям X и Y высокочастотного потенциала масс-анализатора с размерами 2xa, ya, 2za по осям X, Y, Z, под действием которого ионы за время tA, пропорциональное массе ионов m, совершают возвратный по оси Y дрейф до конечной координаты yk=0. При этом начальные x0 и конечные xк координаты ионов определяются расстоянием апертур от оси Z x0=-xк≈хщ. При ненулевых начальных координатах ионов в радиочастотных времяпролетных масс-анализаторах возникает ряд проблем:

- из-за малых расстояний между входной и выходной апертурами конструктивно сложно совместить устройства ввода и вывода ионов;

- увеличиваются размеры анализатора по оси X;

- снижается разрешающая способность радиочастотного времяпролетного масс-анализатора из-за влияния на время дрейфа ВЧ составляющих колебаний ионов.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в улучшении аналитических параметров и усовершенствовании конструкции времяпролетных масс-анализаторов ионов с линейными ВЧ электрическими полями. За прототипы приняты времяпролетные масс-анализаторы ионов с планарными дискретными электродами [1, 2]. Предлагаемый способ состоит в том, что в пространство дрейфа масс-анализатора ионы вводятся по оси X с малыми координатами x0≈0, по оси Z с координатами -la-lb≤z0≤-lb, где la - размер по оси Z входной и выходной апертур, 2lb - расстояние между ними, и начальными скоростями ν0z, обратно пропорциональными массам ионов m, причем за время дрейфа tA конечные координаты ионов по осям X и Z принимают значения хк=-x0≈0, zк=-z0, совпадающие с координатами выходной апертуры анализатора.

Способ основан на независимости периода секулярных колебаний заряженных частиц в двумерных линейных электрических полях от начальных координат x0, z0 и скоростей ν0x, ν0z по осям X и Y [3].

где , 2xa, ya - размеры по осям X и Y масс-анализатора с планарными дискретными электродами, ω и V - частота и амплитуда ВЧ питающих напряжений U1=-U2=Vcosωt, e и m - заряд и масса ионов. В [3] показано, что расфокусировка времени возвратного дрейфа tA=T/2 из-за ВЧ составляющих колебаний ионов пропорциональна их начальным координатам x0:

где q=4eV/r02ω2m - параметр Матье.

Из (3) следует, что для увеличения разрешающей способности R=tA/Δt необходимо минимизировать начальные координаты x0 ионов. Это достигается при совмещении входной апертуры с осью Z. В этом случае начальные координаты будут лежать в диапазоне -d/2<x0<d/2, где d<<xa - ширина входной апертуры анализатора. Так как при возвратном дрейфе координаты ионов по оси X изменяют только знак хк=-x0, в случае x0≈0 выходная апертура как и входная должна лежать на оси Z.

Для полного пропускания ионов через анализатор необходимо выполнить условие zк=-z0, где zк - конечная координата ионов по оси Z при возвратном дрейфе. Из этого следует, что координата z ионов за время tA изменится на величину 2la=tAν0z. С учетом (1) условие выполняется для ионов с начальными скоростями:

Длина la входной и выходной апертур при заданных размерах анализатора xa и za ограничивается краевыми искажениями поля на границах z=±za электродной системы:

Устройство для времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле состоит из 2-х планарных в плоскостях x=±xa, с размерами ya, 2za по осям Y и Z, с дискретно-линейными, противофазными по оси Y, распределениями высокочастотных потенциалов, электродов и планарного в плоскости y=0 заземленного электрода с размерами 2ха, 2za по осям X и Z. Предлагаемое устройство отличается тем, что входная и выходная апертуры (щели) шириной d<<xa, длиной la<za-2xa, с расстоянием между щелями 2lb прорезаны в заземленном электроде вдоль оси Z симметрично относительно начала координат. Входная щель используется для ввода ионов от источника в анализатор, выходная для вывода ионов из анализатора на детектор. Размеры электродов xa, za и щелей la, lb, d выбираются с учетом параметров источников и детекторов ионов при выполнении условия (4).

Предлагаемый способ и устройство позволяют улучшить конструкцию и уменьшить размеры электродной системы времяпролетных масс-анализаторов ионов с радиочастотными линейными электрическими полями, повысить их разрешающую способность и чувствительность.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мамонтов Е.В., Филиппов И.В. Способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета и устройство для его осуществления. Патент РФ №2327245. 2006.

2. Мамонтов Е.В., Гуров B.C., Дягилев А.А. Способ масс-разделения ионов по времени пролета и устройство для его осуществления. Патент РФ №2398308. 2009.

3. Мамонтов Е.В., Гуров B.C. Радиочастотные времяпролетные масс-анализаторы ионов. Москва, Горячая линия - Телеком 2012. 98 с.

4. Мамонтов Е.В. Способ образования двумерного линейного высокочастотного электрического поля и устройство для его осуществления. Патент РФ №2497226, 2012 г.

Способ времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле и устройство для его осуществления

Фиг. 1. Схема радиочастотного времяпролетного масс-анализатора ионов с планарными дискретными электродами 1 - планарные дискретные электроды, 2 - планарный заземленный электрод, 3, 4 - входная и выходная апертуры, 5 - источник ионов, 6 - детектор, 7 - генератор высокой частоты, 8 - траектории ионов

1. Способ времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном поле, заключающийся в воздействии на ионы с начальными координатами x0, y0=0, z0 и начальными скоростями ν0x≈0, ν0y>0, ν0z полем с линейными распределениями по осям X и Y высокочастотного потенциала масс-анализатора с размерами 2ха, уа, 2zа по осям X, Y, Z, под действием которого ионы за время tA, пропорциональное массе ионов m, совершают возвратный по оси Y дрейф до конечной координаты yk=0, отличающийся тем, что в пространство дрейфа масс-анализатора ионы вводятся по оси X с малыми координатами х0≈0, по оси Z с координатами -la-lb≤z0≤-lb, где la - размер по оси Z входной и выходной апертур, 2lb - расстояние между ними, и начальными скоростями ν0z, обратно пропорциональными массам ионов m, причем за время дрейфа tA конечные координаты ионов по осям X и Z принимают значения хк=-х0≈0, zк=-z0, совпадающие с координатами выходной апертуры анализатора.

2. Устройство для времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле, состоящее из планарных электродов, одного в плоскости у=0 с размерами 2ха, 2za по осям X и Z заземленного и двух в плоскостях х=±ха с размерами yа, 2za по осям Y, Z, с дискретно-линейными, противофазными по оси Y, распределениями высокочастотных потенциалов, отличающееся тем, что входную и выходную апертуры шириной d<<ха, длиной la<za-2ха, расстоянием между ними 2lb располагают в заземленном электроде на оси Z симметрично относительно начала координат, причем через входную апертуру ионы вводят в пространство дрейфа анализатора с линейным высокочастотным электрическим полем, а через выходную апертуру ионы выводятся на детектор.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области обнаружения веществ в образце, в частности к спектрометрам ионной подвижности. Устройство обнаружения, содержащее участок ионизации, ионный затвор, содержащий два электрода, ионный модификатор, содержащий два электрода, дрейфовую камеру и коллектор.

Изобретение относится к области газового анализа и предназначено для обнаружения малых концентраций целевых веществ в газовых средах со сложным составом примесей, концентрации которых превышают концентрации целевых веществ.

(57) Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения зарядового и массового состава ионов плазмы. Времяпролетный спектрометр содержит вакуумную камеру (1), в которой последовательно расположены труба дрейфа (2) и детектор ионов (7), на входном и выходном торцах трубы дрейфа (2) установлены электроды (3, 4), прозрачные для ионов и электрически связанные с ней, перед входным электродом (3) размещен заземленный электрод (5), труба дрейфа (2) электрически соединена с импульсным источником ускоряющего напряжения (8).

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований. Технический результат - повышение разрешения и чувствительности при анализе ионного нейтрального газа.

Изобретение относится к области газового анализа и предназначено для обнаружения микропримесей веществ в газовых средах, в частности атмосфере воздуха, имеет применение в газовой хроматографии в качестве чувствительного детектора.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в конструкторских разработках и в производстве приборов для быстрого масс-спектрометрического анализа твердотельных проб и сухих остатков растворов.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, в частности времяпролетной масс-спектрометрии. .

Изобретение относится к области газового анализа и может использоваться для определения микропримесей различных веществ в газах. .
Изобретение относится к области аналитического приборостроения для исследования и анализа веществ и преимущественно может быть использовано в целях испытаний, например, при проверке работоспособности приборов спектрометрии подвижности ионов, которые предназначены для обнаружения и идентификации паров следовых количеств органических веществ, прежде всего, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ.

Изобретение относится к устройству транспортировки заряженных частиц. .

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для обнаружения микропримесей веществ в газовых средах, в частности атмосфере воздуха. Устройство включает цилиндрический корпус, внешний и внутренний цилиндрические электроды, расположенные концентрически относительно цилиндрического корпуса и образующие аналитический канал спектрометра, диэлектрический цилиндр, изолирующий внешний цилиндрический электрод от корпуса, источник ионизации, расположенный на входе в аналитический канал, входную камеру, штуцера для ввода пробы исследуемой газовой фазы, штуцеры для ввода чистого газа носителя, обтекатель, установленный на входе в аналитический канал и изолированный от внутреннего цилиндрического электрода диэлектрической вставкой; выходной штуцер, апертурную сетку, электрод электрометра, кольцевой блокирующий электрод, фокусирующие электроды. Технический результат - снижение порога обнаружения целевого вещества. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для бесконтактного дистанционного отбора проб воздуха с твердых поверхностей и подачи их в аналитический тракт приборов газового анализа для обнаружения следов взрывчатых веществ. Устройство дистанционного отбора воздушной пробы включает корпус воздухозаборника, насадку для формирования воздушных потоков, на внутренней поверхности которой расположены сопла, внутреннюю кольцевую полость между корпусом и насадкой для накачки газа, трубку, расположенную внутри корпуса и насадки, обеспечивающую ввод в аналитическую камеру прибора, аналитическую камеру прибора, насос, обеспечивающий всасывание воздуха, содержащего целевое вещество, и одновременно нагнетание воздуха во внутреннюю кольцевую полость, нагреватель (опционально) для предварительного нагревания газа, нагнетаемого насосом в полость для накачки газа, трубопроводы, соединяющие устройство для отбора воздушной пробы с насосом. Изобретение применимо для обнаружения следовых количеств взрывчатых, отравляющих, наркотических веществ, мониторинга промышленных загрязнений в атмосфере, контроля пищевых продуктов по выделяемым испарениям, медицинской диагностики по составу выдыхаемого воздуха. Технический результат - повышение эффективности отбора пробы, упрощение конструкции и снижение энергопотребления. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области спектрометрии. Модификатор ионов может применяться для модификации части ионов, которые входят в дрейфовую камеру через затвор, управляющий входом ионов в дрейфовую камеру. Контроллер, который связан с модификатором ионов, конфигурирован для управления модификатором ионов для выбора части ионов, которые будут модифицированы, и выбирает эту часть ионов на основе предшествующей реакции на другие ионы, полученные от того же образца. Упомянутые другие ионы соответствуют, например, ионам, которые связаны с пиком, имевшим место при предшествующем измерении с помощью спектрометра. Технический результат - упрощение идентификации молекул образца. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к спектрометрам ионной подвижности, которые находят широкое применение для контроля содержания различных веществ в воздухе и, в частности, для обнаружения малых концентраций взрывчатых, наркотических, опасных и токсичных веществ, проведения медицинской диагностики, контроля качества пищевой продукции и промышленных материалов. Один из вариантов реализации устройства формирования напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока заключается в использовании повторителя напряжения, который может быть реализован на операционном усилителе с обратной связью, на эмиттерном или истоковом повторителе, при этом для стабилизации уровня напряжения и исключения пульсаций на защитной сетке на выходе повторителя напряжения устанавливается по крайней мере один конденсатор и один резистор. Другой вариант реализации устройства формирования напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока заключается в использовании управляемого двухполярного источника напряжения с быстрым переключением полярности выходного напряжения, например реализованного на основе двух независимых управляемых источников напряжения, один для положительной, а другой для отрицательной полярности, оснащенные каждый по крайней мере одним конденсатором и одним резистором для ограничения пульсаций и дрейфа выходного напряжения и по крайней мере одним ключом для коммутации выходного напряжения на защитную сетку при переключении полярности. Технический результат - возможность регулирования уровня напряжения на защитной сетке независимо для положительной и отрицательной полярностей для гибкой настройки электрического поля в области коллектора и оптимизации сбора ионов разных полярностей, высокая скорость переключения полярности напряжения на защитной сетке, отсутствие дрейфа напряжения на защитной сетке после переключения полярности, снижение требований к частотной компенсации и времени установления потенциалов на делителе высокого напряжения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, преимущественно для космических исследований и для применения в других областях при условиях жестких ограничений массы и габаритов. Способ основан на выталкивании ионов из ускоряющего промежутка нелинейным полем и отклонении ионов в бесполевом пространстве двумя парами отклоняющих пластин, формирующих динамическое электрическое поле. Технический результат - повышение разрешающей способности и чувствительности времяпролетных масс-спектрометров, работающих в режиме сепарации массовых линий. 2 ил.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии. Двухканальный масс-спектрометр по времени пролета с однонаправленными каналами включает параллельные двухканальные ускорители (1), вакуум-камеру (2), источник (3) ионов в виде лазерной установки ионного распыления, два детектора (4, 5) ионов и ионный коллиматор (6); при этом, когда ионные пучки, создаваемые источником (3) ионов в виде лазерной установки ионного распыления, поступают в двухканальные ускорители (1), части ионных пучков соответственно ускоряются в одном направлении к двум детекторам (4, 5) ионов и регистрируются. Ионные пучки, созданные источником (3) ионов в виде лазерной установки ионного распыления, проходят через ионный коллиматор (6) и разделяются двухканальным масс-спектрометром по времени пролета на верхнюю часть и нижнюю часть, при этом верхняя часть и нижняя часть, соответственно, отклоняются под косым углом и фокусируются на верхний и нижний детекторы (4, 5) ионов, и, таким образом, формируется спектр масс ионов по времени пролета. Если один детектор ионов заменить электронным анализатором энергии, то одновременно с этим можно провести эксперимент с фотоэлектронным энергетическим спектром для отбора определенного иона. Данное изобретение можно сочетать с электронным анализатором энергии для того, чтобы быстро выполнить эксперимент с лазерным облучением на ионах, имеющих множество пиков масс, и электронный спектр обнаруженного иона может строго соответствовать времени пролета для его максимума масс. Технический результат - повышение отношения сигнал-шум и разрешения по энергии. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и направлено на совершенствование методов и устройств масс-разделения по времени пролета в линейных высокочастотных полях. Технический результат - повышение разрешающей способности и решение проблемы конструктивного совмещения устройств ввода и вывода радиочастотных времяпролетных масс-анализаторов ионов. Для достижения результата предлагается минимизировать начальные координаты ионов по оси X и вводить ионы в анализатор с начальными скоростями по оси Z, обратно пропорциональными массам ионов. Способ реализуется в электродной системе с планарными дискретными электродами и заземленным электродом, в котором вдоль оси Z, симметрично относительно его середины, прорезаны две узкие щели для ввода и вывода ионов. Начальные скорости выбирают так, чтобы за время возвратного дрейфа по оси Y ионы по оси Z проходили расстояние, равное расстоянию между центрами щелей. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Наверх