Приемное устройство квадрупольного масс-спектрометра

Приемное устройство квадрупольного масс-спектрометра

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано в приемных устройствах квадрупольных и монопольных масс-спектрометров для транспортировки пучков в различного рода детекторные системы. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет увеличения возможного количества входов, улучшение чувствительности и уменьшение габаритов, Устройство состоит из полого электрода 6. в котором расположен электрод 5. Сечение электрода 6 может иметь форму ромба, окружности или их комбинации. Ионный пучок 1 проходит через щели в электроде 5 и попадает на детектор. При соблюдении расчетных геометрических характеристик, указанных в описании, пучок может фокусироваться в двух плоскостях, а также регистрироваться различными детекторами. Устройство может быть двухканальным. При ромбическом сечении наружного электрода угол 90-100° в сечении является оптимальным. Щели могут иметь переменную ширину, что дает возможность регулировки энергетического разрешения. 3 з.п. ф-лы. 11 ил., 2 табл. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 49/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К.АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

72 (21) 4435948/21 (22) 06.08.88 (46) 15.09.91. Бюл, М 34 (71) Сумское производственное объединение "Электрон" (72) Э.И.Вайсберг, В.А.Сурков и Т.Я.Фишкова (53) 621.384(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

t+ 1492397, кл. Н 02 J 49/00, 1987.

Авторское свидетельство СССР

%860638, кл. Н 02 J 49/02, 1983. (54) ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО КВАДРУПОЛЬНОГО МАСС вЂ” CllEKTPOMETPA (57) Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано в приемных устройствах квадрупольных и монопольных масс-спектрометров для трансйортировки пучков в различного рода детекторные системы. Целью изобретенная

„,5U„„1677779А1 является расширение функциональных возможностей за счет увеличения возможного количества входов, улучшение чувствительности и уменьшение габаритов, Устройство состоит из полого электрода 6, в котором расположен электрод 5. Сечение электрода

6 может иметь форму ромба, окружности или их комбинации. Ионный пучок 1 проходит через щели в электроде 5 и попадает на детектор. При соблюдении расчетных геометрических характеристик, указанных в описании, пучок может фокусироваться в двух плоскостях, а также регистрироваться различными детекторами. Устройство может быть двухканальным. При ромбическом сечении наружного электрода угол 90-1000 . в сечении является оптимальным. Щели моI гут иметь переменную ширину, что дает возможность регулировки энергетического разрешения. 3 э.п. ф-лы, 11 ил., 2 табл.

1677779

Изобретение относится к масс-спектрометрии и может быть использовано в приемных устройствах квадрупольных масс-спектрометров для транспортировки пучков в различного рода детекторные сис- темы по одному или двум каналам. . Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем увеличения возможного количества входов, улучшение чувствительности, а также уменьшение габаритов.

На фиг.1 представлена траектория пучка в приемном устройстве; на фиг,2 — геометрические обозначения; на фиг.3 — 5— модификации устройства с различными формами наружного полого электрода и внутренним электродом в виде тонкой пластины; на фиг.6 — 8 — траектории и возможные конфигурации наружного полого электрода в сочетании с внутренним электродом в форме трубы прямоугольного сечения; на фиг.9 — 11 — ход траекторий и сечение электродов приемного устройства с двумя каналами приема пучка.

На фигурах приняты следующие, обозначения; пучок 1 ионов первого приема канала; пучок 2 ионов второго приемного канала; входная плоская диаграмма 3; выходная плоская диаграмма 4; плоский внутренний электрод

5; полый наружный электрод 6; щели 7 — 11 в плоском электроде; отверстия 12 и 13 в наружном электроде, эа которыми располагаются коллекторы 14 и 15 или вторичноэлектронные умножители (ВЭУ) 16 и 17.

Устройство работает следующим образом.

Пучок 1 ионов, выходящий из масс-анализатора, проходит через отверстие в плоской диафрагме 2, центр которой расположен на расстоянии Хо от оси системы, и попадает в электрическое поле, создаваемое в пространстве между электродами

5 и 6, В результате строго определенной разности потенциалов между этими электродами, зависящей от их формы, ионный пучок концентрируется на оси системы на расстоянии L/2 от входной плоской диаграммы 3 и далее, пройдя через щель 7, двигается по другую сторону от оси. Затем пучок снова заворачивается полем и снова фокусируется на оси системы на расстоянии

L от первого фокуса и т.д.

В электростатическом поле происходит разделение пучка по энергии так, что при заданных потенциалах на электродах 5 и 6 в щели 7 — 9, которые располагаются в фокусах, попадают ионы только одной энергии.

Непосредственно за щелями ставятся детекторы 14 или 15, а ВЭУ 16 и 17 помещают50 димо увеличить по сравнению с оптималь-: ным случаем, что ведет к уменьшению разрешающей способности.

Конструктивное выполнение системы отклонения при предлагаемом способе транспортировки пучка обеспечивает перекрытие прямого попадания в детекторы фотонов и нейтралей. При этом потери основного ионного пучка сведены к минимуму ввиду отсутствия на его пути сетчатых

Ф ся или за отверстиями 12 и 13 в наружном электроде 6, или у торца электродов 5 и 6.

При таком расположении ВЭУ исключается прямое попадание в них фотонов и нейтра5 лей из масс-анализатора, При работе массанализатора по двум каналам пучки 1 и 2 ионов проводят в один и тот же ВЭУ (16 или

17), расположенный в пространстве между плоскопараллельными электродами (фиг.6), 10 или выводят из системы через плоскую диафрагму 4, установленную на другом ее торце, симметричную диафрагме 3 (фиг.9).

При вводе пучка в эту систему таким образом, что его ось параллельная плоским

15 электродам, электростатическое поле в режиме торможения при определенных геометрических и электрических параметрах (см. табл.1) позволяет получить периодическую фокусировку пучка на щели в плоских

20 электродах. При этом пучок ионов разделяется по энергии, а величина линейной дисперсии по энергии может варьироваться длиной пути ионов в поле, которая непосредственно связана с количеством пересе25 чений пучка оси системы, не ухудшаюц; м остроту фокусировки. Таким образом, достигается разделение пучка по энергии в требуемой степени и тем самым улучшается разрешающая способность масс-спектро30 метра.

Выполнение внешнего электрода в виде параллелепипеда ромбовидного сечения с величиной двугранного угла, противолежащего плоскому электроду ф = 95+5, позвоо

35 ляет получить наиболее острую фокусировку пучка на выходную щель (см. табл.2 и пояснения к ней). При этом площадь входного отверстия, из которо-о пучок фокусируется на щель, максимальна, а следовательно, возра40 стает светосила масс-спектрометра (этот ре-, жим позволяет также увеличить разрешающую способность масс-спектрометра в результате возможности уменьшения ширины выходной щели).

45 При выходе за указанный верхний предел (ф >100 пучок фокусируется, недоходя до щели, при выходе за нижний предел (у> < 90О) — за щелью. В обоих случаях для прохождения пучка размер щели необхо1677779 электродов. Оба эти фактора улучшают порог чувствительности масс-спектрометра.

Устройство просто в изготовлении, расположено параллельно оси квадрупольного масс-анализатора и хорошо сочетаетЧя с 5 ним конструктивно. что обеспечивает меньшие габариты прибора, Расчет электронно-оптических характеристик приемного устройства ведется следующим образом. 10

Выражение для потенциала электростатического поля, образованного в пространстве между плоским электродом и

Л двугранным углом величиной ф = — в двуП 15 мерном приближении, имеет вид уЪ (х,у) = — (Uz — 01) arctg x

2 и 2 и 4 ()

2(х" — Pnx у +Рйх у ) 20 х (х2+у2)п где Vz — V> = Ь V — разность потенциалов между электродами;

Pn — биноминальные коэффициенты, при п=2, ф=90 и 25 (x,y) = — (L4 — 01 ) arctg() °

2 2 х — у

X +(x +y ) (2)

Для потенциала пространства между плоским электродом и электродом в виде части цилиндрической поверхности радиуса

r имеем следующее выражение:

p(x, y)=(Lb — U4 ) 8 arctg(), 1 2 Ах

А-(х+ ) (3)

40 где А = f p 2 - р1

B=$+arctg(+);

Поле системы отклонения предлагаемого приемного устройства для транспорти- 55 ровки ионного пучка в детекторные системы квадрупольного масс-спектрометра описывается выражениями (2)-(4) или их комбинацией. р — максимальное расстояние по нормали от плоского электрода от цилиндриче- 45 .ской поверхности. В формулах р, х и у выражены в единицах радиуса r. Для получения полуцилиндрического внешнего электрода о =1 имеем г 50

pl (x,ó ) = д (0з-Uw )arctg(). (4)

1 (x2+y2) В качестве примера рассчитаем геометрические и электрические параметры двух систем отклонения, каждая из которых образована двумя электродами, внешним — в виде прямого параллелепипеда квадратного сечения или полного цилиндра, и внутренним — в виде плоской пластины (фиг.4 и

5). Потенциал первой из этих систем описывается формулой (2), второй — формулой (4).

На основании указанных формул написаны уравнения движения для пучка заряженных частиц. С помощью ЭВМ по этим уравнениям найдены основные параметры предлагаемых систем при впуске в них параллельного пучка, а именна расстояния между щелями в плоском электроде L и от оси до центральной траектории пуска Хо в плоскости дисперсии, а также величина разности потенциалов между электродами .

ЛV, при которых осуществляется пространственная фокусировка пучка с начальной энергией («) в области щели одновременно в плоскости дисперсии XOZ и вертикальной плоскости YOZ.

Для этого режима найдены величины линейной дисперсии О, относительно Do =

О/L, а также удельной дисперсии д =

D/C»cI", являющейся мерой разрешающей способности по энергии (С» — старший аберрационный коэффициент; a— угол раствора пучка в точке фокуса). Если внешний электрод выполнен в виде параллелепипеда, то удается получить в плоскости дисперсии фокусировку порядка С1 = С2

= О, если — в виде цилиндра, то только первого порядка С1 = О, Поэтому светосила первого устройства выше, т.е, ширина входной щели может быть выбрана большей, Однородное поле плоского конденсатора также может быть использовано при предлагаемом способе транспортировки пучка. При этом система отклонения приемного устройства должна быть выполнена в виде трех плоскопараллельных пластин со щелями в средней. Эта система хуже предлагаемых, так как имеет большую дисперсию и светосилу.(последнее — вследствие отсутствия фокусировки в вертикальной плоскости, присущее однородному полю).

Расчетные параметры всех систем, равно как и параметры системы отклонения прототипа — сдвоенного 90 цилиндрического конденсатора — приведены в табл.1.

Сравнение параметров, приведенных в таблице, показывает, что предлагаемые системы характеризуются более высокими диспергирующими и фокусирующими свойствами по сравнению с прототипом, а также

1б77779

Таблица1

Вертикалью 8 рн ная фоку= 10 сировка

С I Ъ

k =+3

A. U

L д

Д С

Тип системы отклонения

3,09 10

А

3,06 10

Система согласно фиг.4 0,64

Система свгласно фнг.5 0,96

Трехэлектродный плоский конденсатор

Прототип

4 4 Есть

1,7 Есть

1,55 0,92 3,65 2,35 0 8,20

2,68 0,75 4,95 1,85 5,90

1,82 10

2,08 10

1,3 Нет

1,4 Нет

0,75 2,67 1,00 5,33

1,61 0,8 2,81

2,67

П р и м е ч а н и е. Линейные параметры вырахены в единицах расстояния от.внутреннего плоского электрода до своего внешнего, для прототипа — в единицах радиуса центральной траектории.

Вертикальная фокусировке - фокусировка в плоскости YZ (фнг.1 и 2)> перпендикулярной плоскости дисперсии, ср — ускоряющий потенциал, отношение кинетической энергии иона к его эаряду.

Таблица2 с трехэлектродным плоским конденсатором.

Предлагаемая конструкция системы отклонения приемного устройства дает возможность увеличить светосилу при высоких дисперсии и разрешающей способности прибора, Это достигается при выполнении внешнего электрода в виде параллелепипеда ромбовидного сечения эа счет величины двугранного угла, противолежащего плоскому электроду.

Найден оптимальный угол ф 95 «+ +1 (см. табл.2), при котором осуществляется фокусировка второго порядка в плоскости дисперсии и одновременно. вертикальная фокусировка точно на щели в плоском электроде (h = 0 — расстояние от оси системы до плоского электрода). При достижении такой оптимальной фокусировки в вертикальной плоскости светосила системы максимальна, а остальные параметры близки к аналогичным для других двугранных углов ф, Формула изобретения

1. Приемное устройство квадрупольного масс-спектрометра, содержащее. электрическую систему отклонения и детекторы, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет увеличения возможного количества входов, улучшения чувствительности, а также уменьшения габаритов, электростатическая система отклонения выполнена в аиде плоского внутреннего и полого наружного электродов, причем плоский электрод

5 установлен параллельно оси пучка на входе приемного устройства и имеет. по крайней мере одну щель прямоугольной формы, а внутренняя поверхность наружного электрода имеет форму цилиндра общего вида, 10 образующая которого г1араллельна оси пучка на входе приемного устройства, а направляющая является замкнутой кривой, лежащей в плоскости, перпендикулярной вышеупомянутой оси и имеющей центр сим15 метрии, расположенный в центре сечения плоского внутреннего электрода, 2. Устройство по п,1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что направляющая имеет форму окружности или ромба, диагональ которого

20 проходит параллельно плоскости внутреннего электрода через его среднее сечение.

3. Устройство по п.2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что величины противоположных углов ромба, лежащих на диагонали, пер25 пендикулярной плоскости внутреннего электрода, находятся в пределах от 90 до

4. Устройство по пп,1 — 3, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что по крайней мере одна щель

30 выполнена с возможностью регулирования ее ширины.

1677779

УО фС/Я 7

1677779 фиг 10 фон И

Составитель К. Меньшиков

Техред М.Моргентал Корректор О. Ципле

Редактор С.Лисина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3119 Тираж 302 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5