Датчик гиперболоидного масс-спектрометра типа трехмерной ловушки

 

1. ДАТЧИК ГИПЕРБОЛОВДНОГО МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ТИПА ТРЕХМЕРНОЙ ЛОВУиГКИ, содержащий один кольцевой и два торцовых электрода, в которых J выполнены каналы для ввода и вывода заряженных частиц, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности и разрешающей способности за счет уменьшения искажений, вносимых этими каналами в распределение потенциала в рабочем объеме датчика, в торцовых и кольцевом электродах дополнительно вьтолнены компенсирующие каналы, при этом каждому каналу для ввода и вьшода заряженных частиц на кольцевом электроде соответствует один или два компенсирующих канала на торцовых электродах, а каждому каналу для ввода и вывода заряженных частиц на торцовом электроде соответствует ком- S пенсируюп;ий канал на кольцевом элек (Л троде.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

Ф

09) (И) (59 4 Н 01 J 49 42

ЙГ " - " ". " - - 7

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ11 1 "3j ВКЯ1 Ф;: Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (54)(57) 1. ДАТЧИК ГИПЕРБОЛОИДНОГО

МАСС-СПЕКТРОМЕТРА ТИПА ТРЕХМЕРНОЙ

ЛОВУШКИ, содержащий один кольцевой и два торцовых электрода, в которых выполнены каналы для ввода и вывода (21) 3384703/18-21 (22) 16.02.82 (46) 23.03.87. Бюл, Ф 11 (71) Рязанский радиотехнический институт (72) Э.П.Шеретов и М.П,Сафонов (53) 621,384(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 589573, кл. Н 01 J 49/42, 1976.

Шеретов Э.П, Гиперболоидные массспектрометры,лИзмерения, контроль, автоматизация", Р 11-12, с. 29, 1980. заряженных частиц, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения чувствительности и разрешающей способности за счет уменьшения искажений, вносимых этими каналами в распределение потенциала в рабочем объеме датчика, в торцовых и кольцевом электродах дополнительно выполнены компенсирующие каналы, при этом каждому каналу для ввода и вывода заряженных частиц на кольцевом электроде соответствует один или два компенсирующих канала на торцовых электродах, а каждому каналу для ввода и вывода заряженных частиц на торцовом электроде соответствует ком- S пенсирующий канал на кольцевом электроде.

999865

7., = Е„либ о

1 2

ZTp ZT

2 электроде;

Уа

К= а

2 ° Датчик по п. 1, о т л и ч а-ю шийся тем, что взаимное расположение каналов для ввода и вывода заряженных частиц, выполненных в виде кольцевых щелей, определяется соотношением а) q ) + г ) (° г

T Е,р х (---) — ) а где Х,Уц,d — - минимальные расстояния от центра датчика до электродов по координатам Х, У, Z соответственно;

И 2 Ъ т 1 расстояния от центра системы до краев канала на кольцевом электроде; расстояние от центра системы до краев канала на торцовом электроде, соответствующего каналу на кольцевом коэффициент эллипсности электродной системы.

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и может быть использоваио при создании гиперболоидных масс-спектрометров типа трехмерной ловушки с высокими чувствительностью и разрешающей способностью.

Известны датчики гиперболоидных масс-спектрометров на осесимметричной линзе и с электродами в виде гипер- t0 болоидов, состоящие из одного кольцевого и двух торцовых электродов.

Электронный поток для ионизации r àза в рабочем объеме датчика вводится через каналы в одном торцовом элек-15 троде в течение времени ионизации, образованные ионы no@„ действием высокочастотного с постоянной составляющей поля сортируются по удельным зарядам в течение времени сортировки, 20 а затем путем подачи выплескивающего импульса на один из электродов выводятся через каналы вывода во втором электроде в регистрирующее устройство. Однако оси электронной пушки и приемника ионов совмещены, вследствие чего из-эа попадания потока фотонов на вход умножителя снижается отношение сигнал/шум, т.е. чувствительность масс-спектрометра. 30

Наличие каналов для ввода и вывода заряженных частиц приводит к искажению рабочего поля в датчике (иногда весьма значительному) и, как следствие, к резкому ухудшению всех параметров датчика, прежде всего

2 чувствительности и разрешающей спо= собности.

Наиболее близким техническим решением является датчик масс-спектрометра, в котором каналы для ввода ионизирующего электронного потока выполнены на кольцевом электроде, а каналы для вывода отсортированных ионов расположены на торцовых электродах, т.е. оптические оси источника электронов и приемника ионов разнесены {перпендикулярны друг другу) °

Недостатком такого устройства являются большие искажения поля, вызванные наличием каналов в элек-. тродах.

Целью изобре ения является увеличение чувствительности и разрешающей способности масс-спектрометра за счет уменьшения искажений поля в рабочем объеме датчика„ вызванных наличием каналов для ввода в датчик и вывода из него заряженных частиц, Указанная цель достигается тем, что в датчике гиперболоидного массспектрометра типа трехмерной ловушки, содержащем один кольцевой и два торцoBb!x eK, K opb RbI полнены каналы для ввода и вывода заряженных частиц, в торцовых и кольцевом электродах дополнительно выполнены компенсирующие каналы,при этом каждому каналу для ввода и вывода заряженных частиц на кольцевом

999865 электроде соответствует один или два компенсирующих канала на торцовых электродах, а каждому каналу для ввода и вывода заряженных частиц на торцовом электроде соответствует 5 компенсирующий канал на кольцевом электроде, Взаимное расположение каналов для ввода и вывода заряженных частиц, выполненных в виде кольцевых щелей, определяется соотношением !О к 7 т

Уа > Zrp f !+К Zrp 1+К Егр (— ) (— -) !+ — —,-(— -) = — —,-(— -)

d У К Уа К d (-""-) -1",, (!) с! 1 !

5 где X Ó,d — минимальные расстояния от центра датчика до электродов по координатам Х, У, Z соответственно; м1 к Ь

Z p=Z „либо Z,;

Е„и Z„— расстояния от центра

К1 К2 системы до краев канала на кольцевом электроде;

Z и Š— расстояния от центра т1 т2 системы до краев канала на торцовом электроде, соответствующего каналу на кольцевом электроде;

Yà

К= — — коэффициент эллипсносХа ти электродной системы.

Па фиг. показано схематично 35 предлагаемое устройство; на фиг.2 схематическая конструкция предлагаемого датчика, в котором каналы ввода и вывода заряженных частиц и компенсирующие каналы совмещены; на фиг.3- 40 зависимость относительной ошибки отклонения потенциала в центре датчика от идеального до величины 7, /d npu к п1

Z, /Уа А,!. Пунктиром показано знаТ чение 7,,>/d, соответствующее соотно- 45 шению (l ) .

Датчик состоит из кольцевого электрода 1, торцовых электродов 2, канала 3 для ввода заряженных частиц в кольцевом электроде и соответствую в gg щих компенсирующих каналов 4 B торцовых электродах, каналов S для вывода заряженных частиц в торцовых электродах и соответствующих компенсирующих каналов 6 на кольцевом элек- 55 троде.

Предлагаемое устройство датчика типа трехмерной ловушки работает следующим образом, Ионизирующий электронный поток вводится в рабочий объем датчика через канал 3 ввода. Под действием высокочастотного с постоянной составляющей поля, прилаженного между кольцевым 1 и торцовыми 2 электродами, образованные ионы начинают двигаться. Причем параметры ВЧ поля подбираются так, что в рабочем объеме датчика остаются только ионы с заданI е ным удельным зарядом —, все остальш ные (нестабильные) ионы рассеиваются на полеобразующие электроды. По прошествии времени сортировки, достаточного для рассеивания нестабильных ионов, на один из электродов подается выплескивающий импульс и отсортированные ионы выводятся в регистрирующее устройство через каналы 5 вывода.

Степень сортировки, опредеЛяющая разрешающую способность масс-спектрометра, и количество выводимых ионов т,е. чувствительность, в первую очередь определяются качеством поля в датчике. Идеальное поле создается системой электродов в виде гиперболоидов, Наличие каналов для ввода и вывода заряженных частиц приводит к искажениям идеального поля и к уменьшению чувствительности и разрешающей способности. Для уменьшения искажений поля в рабочем объеме датчика выполнены компенсирующие каналы 4 и

6, причем канал 4 вводится для компенсации канала 3 для ввода в кольцевом электроде, а канал 6 — для компенсации каналов S вывода в торцовых электродах.

Размеры и положение компенсирующих каналов выбираются на основе принципа "скомпенсированных заря11 дов, по которому наиболее оптимальной конструкцией датчика является такая, в которой на внутренних поверхностях кольцевого и торцовых электродов будут сосредоточены одинаковые поверхностные заряды, а искажения поля в рабочем объеме датчика будут минимальными.

Если распределение потенциала в рабочем объеме датчика записать в виде

q(X У,Е)=о „+el„X ос У +4zZ, (2) где о,, о1-»a >, < — постоянные коэффициенты, определяющие характер поля в датчике, то поверхностный заряд

999йб5 на поверхности S в такам пале «иражается интегралам

2 яХ +&2 7) +(- 2 с

cc) у

151 5 в котором интегрирование ведется па

Х и Z.

Так как коэффициенты R., в соотношении (2} определяются из граничных условий, та по соотношению (3) мага- 10 но оПределить поверхностные заряди

G которые должны бы быть сосредоточены на поверхности кольцевого электрода на месте компенсирлощега канала или канала ввода, и 0 íà 15 поверхности торцового электрода на месте канала вывода или компенсирующего канала. Так как наименьшие искажения в рабочем объеме датчика будут тогда, когда поверхностные за- 20 ряды будут скомпенсированы, то равенства б„ =б позволит выбрать размеры и расположение каналов, причем конструкция датчика буде= оптимальной и иметь наименьшие искажения по- 25 ля в рабочем объеме датчика.

С целью упрощения конструкции датчика соответствующие каналы для ввода и вывода заряженных частиц и компенсирующие каналы совмещены 30 (каналы 3 и б на кольцевом электроде, каналы 4 и 5 на торцовых электродах), Эти каналы на фиг. 2 выполнены в виде кольцевых щелей и oëаимное. расположение каналов для ввода и вывода заряженных частиц определяется соотношением (1}.„ которое получено иэ соотношения (3}. Каэффициенти с„, b .>, ь . при этом определяются из уравнения (2) при учете граничных условий. Пунктирам на фиг. 2 показан экран 7, имеющий нулевой потенциал. В реальных конструкциях датчиков он соответствует камере датчика.

11а фиг. 3 приведена зависимость относительной ошибки отклонения потенциала в центре датчика от идеальнога F в реальной конструкции датчика, схематически изображенной на фиг, 2 от размера кольцевой ще1, т ли в торцовых электродах (Z, /d) при фиксированном значении размера кольцевой щели в кольцевом электроде к

7., /У =0,1 для осесимметричного датчика (К=1) и У /d=1. Пунктиром покат зана значение Z, /д, удовлетворяющс< соотношению (1), Случай, когда .т

Z /d=1 соответствует тому., что торцовый электрод является сплошным.

Ошибка при этом Е =-0,82%. При увелит чении 7.„„ /d, то есть при увеличении размера пели Е уменьшается и переходит через нуль вблизи оптимального т значения Х„ /d

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с гиперболоидным масс-спектраметром типа трехмерной ловушки, позволяет путем введения компенсирующих каналов снизить в десятки раз искажения в распределении потенциала в рабочем объеме датчика, вызванные наличием каналав для ввода и вывода заряженных ч-тстиц, /

999865

Составитель Н.Алимова

Редактор О.Филиппова Техред Н.Глущенко Еорректор О.Луговая

Заказ 911/3

Тираж 699 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

I I 3035, Иосква, Ж-35, Раупская наб. ° д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4