Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре

Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение, относится к приборостроению средств автоматизации исистем управления, в частности к технике масс-спектрометрии. Целью изобретения является уменьшение временной дисперсии массовой линии, связанной с дисперсией начальных скоростей ионов. Способ обеспечивает пространственно-временную фокусировку ионов, имеющих различные начальные скорости движения, не превышающие заданную величину . Устройство, реализующее способ, содержит ионный источник с электронной пушкой 1, заземленную сетку 2, ускоряющую сетку 3, генератор 4 выталкивающих импульсов, генератор 5 отклоняющих импульсов , отклоняющие пластины 6 поперечного электрического поля, приемник 7 ионов, импульсный усилитель 8 и осциллограф 9. Для устранения влияния ионов, имеющих начальную скорость выше заданной, предусматривается их отклонение в бесполевом промежутке. 4 ил (Л С

С и! 1 1 Сi1пf TС1%1Х ся!идпис и л-(KL1x

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 01 J 49/40

ГОСУДИРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ левом промежутке. 4 ил

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4467226/21 (22) 29.07.88 (46) 15.11.91. Бюл. М 42 (71) Самарский авиационный институт им.С.П. Королева (72) Н.Д,Семкин, Г.Я.Юсупов, В.А,Бочкарев и С.M.Ñåìåí÷óê (53) 621.384(088.8) (56) Сысоев.А.А., Чупахин M.Ñ. Введение в масс-спектрометрию — M., 1977..

ЖТФ, 1985, т.55, М5, с.905 — 906. (54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАССОВОЙ ЛИНИИ ИОНОВ ВО ВРЕМЯПРОЛЕТН ОМ МАСС-СП Е KTPOMETP Е (57) Изобретение. относится к приборостроению средствавтоматизации и систем управления, в частности к технике масс-спектрометрии.

Целью изобретения является уменьшение

„„5U „„1691905 А временной дисперсии массовой линии, связанной с дисперсией начальных скоростей ионов. Способ обеспечивает пространственно-временную фокусировку ионов, имеющих различные начальные скорости движения, не превышающие заданную величину, Устройство, реализующее способ. содержит ионный источник с электронной пушкой 1, заземленную сетку 2, ускоряющую сетку 3, генератор 4 выталкивающих импульсов, генератор 5 отклоняющих импульсов, отклоняющие пластины 6 поперечного электрического поля, приемник 7 ионов, импульсный усилитель 8 и осциллограф 9, Для устранения влияния ионов, имеющих начальную скорость выше заданной, предусматривается их отклонение в беспо. : и1()::-теi!«() 011!<:!.(Itcxt v; !Ои .()1хн...fix)<-.!í1; с", л . f tftlof;I;)11133!1!1!1 и (-«стем

Ц«!1(изобрете»ИЯ -,меньше»ие вр",-меtl <сй дисперсии B(,tpçÜOTBtkikioé массово:,. 5 ! (ИННИ, СВЯЗВ Н НОЙ С ДИСПЕРСИЕЙ !13 IBOÜLI ЫХ (; V i) f) O C T P. é Vi 0 t 4 0 B

На фиг,1 изображена гео1 <етри-:еская

СхЕМа ВРЕМЯПРОЛЕтНОГСР МВСС-СПЕКтРОМЕтРВ, Х= 0-- »лоскость ионизацил; на фиг,2 — i рафик 10 зависимосги выталкиваю(цего импульга электрическэго поля ц(1) -- E(t) (lol -l. Оз); »3

«)иг.3 -- структурная схеР:..3 время п ролетного масс-спектрометра, реализующего Г!р<эдлаг!емь:й способ формирования массовой линии; 15 на фиг.4 — структурная cxPMi3 электронно(0 блока, с пом<эщью которого вырабатывается импульс U==U(t) в соответствии с временной

ЗВПИСИМОСТЬЮ СОГЛаСНО ПРЕДЛаГаЕМОР«У способу, 20

Устройство, реализующее предлагаемы<л способ (фиг 3), содержит ионнь,й ис Гочник с электронной flóøêîé 1, заземлеfl:ttóIO сетку 2, ускоряющую сетку 3, генератор 4 выталкиваю!цих имг!ульсоэ, генератор 5 отклоня!ощих импульсов, откло! яK)щие пластины 6 поперечного электрическогo поля, приемник 7 ио!!Ов (Б. -:)У), импульсный усилитель 8, осциллограф 9, 30

Заземленная сетка 2 располо)ке»а ме:к,пу ускоря!ощей .сеткой 3 и приемником 7.

io loB, Поток электре! 10В из электрОннОЙ

1-ушки 1 создает плоскость ионизации в ксто- нике ионов; расположеHHую ме)кду уско- 35 ря:оц(ей 3 и заBQM!;(:íHoé 2 сетками, От<(лоняlошие плдстит!ы 6 ОасГlоло ксны в бе<.:п олеиом пространстве вблизи сетки 2

1 .ерГlендик! ляр!!О Гlлоскости сетки 2.

Ь kdxog синхронизац ли генерат0133 4 Bbl- 40

131!Кива Ощих импупьсов соединен с входами синхронизации эл(ктронной пушки 1, ГеllQI)3TOр3 5 ÎTк/10нЯн" щ<лх имГlуль "ОВ, Ос"

Ци.<1)<ОГРафс! Ь, а ВТОРОЙ ftbixoP 1(ОДключе» к ускоряюшей сетке 3. Пр«ВР«ник 7 иОнОВ че- 45

p(1B им пул ьснь<Й усилитель 8 cÎеди!!е!! с Б);0 дом осциллографа (1, ! ЕНЕРатОР ВЫтапк!ЛВВЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ (ф«1.4) состоит из кварцевого pc",зонатора

10, <енер3гора 11 запускающиx импульсов, 50

Генератор,".! 12, с <стчика 13 времен!л, ПЗУ 14, Ц, 1!П 15, сче) !«ка 16 М3сс, перемном«теля

17, выходного усилителя 18, Генератор 11 запускных иР(пульсов подсоединен к входу запуска счетчика 13 зре- 55 (лени v» е!Коду (lстчика i б )ляг C и v, вы)<Г лg сx*,HxpoH!1331! !ill г< .I!,Qpo Ãoðo 4, Бьггалкив.:!1г)Щ;lх !1M f)у l ь<.ОЯ, Киа ацi»!bié резо I! ";тоp i 0

Г1x«>!i.! т i I . с . < I ы Р 1 1!ходэ<л .че <1 К.,13.

В ы ход с It!т l! 11(3 3 (г)е fl «i! (it (: fl 0ËÎÐ1 (1, > «

14. IIÛ X<1@, V(ТОI)оf O ПОJ

K BTopoixI/ Входу перемноя(ит(ля 17. Вь,ход поремножителя 17 подсоединен к входу усилителя 18, выход которого является функциОнальным выходом генератора 4, Импут!ьсами с ге)(Оратора 11 запускается счетчик 13, которь!й подсчитывает импульсы с гет ератора 12, част(!та которых определяется кварцевым резонатором 10.

При этом перебира)отся все ячейки ПЗУ, в которых заг!исаны отсчеты сигР ала, который необходимо сформировать в заданные моменты времени, Коды поступа,от на ЦАП, который прсобразует «х В аналоговый сигнал, представля<ощий собой ступенчатую функцию !л поступа!Ощий на зход умножителя 17 (коэффициент умножения пропорционален коду счетчика масс и равен номеру массы). !ройдя через умножитель, сигнал усиливается в блоке 18 усиления до необходимой величины и сглаживается.

Перебор масс осуществляется изменением состояния счетчика 16 на "1" в момент формирования импульса с генератора 11.

Изохронность пролета ионов со скоростями VO V

Временную зависимость E(t) находят из уравнений движения ионов в переменнотл поле и условия изохронности пролета ионов до приемн«ка ионов

9ЕЫ (1)

П)

Начальные условия: и ри t=0, Xo=-.0;

Ч(0) =- V

Обозначим — = у«(т)

Ц Е 1 1 тогда

)< 12 =- ) !<«(t ) (1 t + о,>

ГдЕ VI — СКОрОСтЬ ВЫЛЕта В бЕСПОЛЕГОЕ пространс)во;

tl — момент вылета иона в бесполевое

П РОСТРВН СТВО, Время tl опред(.)яется из уравнения

l1 Г

Iol = V tl + j 1 к (t ) (it <1 г.

О () Тогда получим б

} .о

I », t I 1 (4)

11{Т-- .)2

ГОО» {О{1}ение (4) дает искомый зз,oH ycvОрения, з знэ{иг, 11 временную зависиMooòü для 1{мпульсз электрического поля.

Поскольку прл t ë=-0»ч(0)==,to для физической реализации данного способа ускорения ипнoв и течение времени to усKорение

vvО 1{е обходи ма брать II ocT0$1 H li bi M, 3 зат ем о момента времени t- О изменять ускорение

w(t) в соответствии с законом.

Ионы, зылета{о{цие в бесполевое пp0стрзнгтво раньше времени lo, будут отклоняться поперечным пслем Е1 в поперечном направлении и не будут участвовать в фармлронзнии массовой линии времяпролстнаго масс-спектрометра. Таким образом, в отгичие от известного способа формирования массовой линии в предлагаемом способе в формировании массовой линии учзству{от все ионы с начальными скоростями Vo(VI-p, где /г}» — граничная скорость фокусирования, а ионы со скоростями ЧО> Jlp. не обладающие лзохронностью пролета, в формировании массовой линии не участвуют. Предлагаемый способ формирования массовой линии полностью устраняет временную дисперсию массовой линии, связанную с диспер- сией начальных скоростей.

При формировании массовой линии ва времяпролетном масс-спектрометре, кроме уменьшений временной дисперсии массовой линии, принципиально важно, чтобы н формировании ее не {аствонали ионы с другой массой ml, Можно доказать, чта предлагаемый способ формирования массовой линии удовлетворяет этому условию.

Пусть вытэлкинэюыц и импульс E(t) настроен нз ионы с массой гг{Д. Тогда уравнение движения для иона с массой mAmh будет иметь вид.

mX=c}E(t; {т}„с), (5) где

Е,, О=-.т<1о гпД То }12, tc

g (ТД вЂ” t)

Начальные условия: при t=0, Х(0)=-0, V(0)=-Vo.

Интегрируя уравнение движения (5) и выражая Vo через tl (момент вылета в бесполевае пространство со скоростью V1z), можно получить выражение для скорости V;z кэк функцию t г Д {о — 1 " 12 "IO1 — —,> — + 12 гп 2 т0 1о то 11 } ! (8) Базовое время пролета T

О

} 12

ГД = tff 4- — ----- — — ---, (б)

} 01 1 ото

5 с» 2

Таким образом, время пролета Т ионов о массой гг1 будет равно

T=- t l+ (7) " Д " Д 11 }12

m ) m (ГД вЂ” t1)

TBK как время ti зависит от начальной скорости Vo. т.е. т,=-t1 (Vo), To из в{ыражения (2) следует, чго для ионов с массой m m

Т Тг, и наоборот, при m=m4-Т=-Тс.

Можно показать. что для ионон с массой п} {пг время пролета Т Тр.

Ионы с массой {п п1, которые вылетают в" беспалевое пространство" в течение времени to, будут отклоняться от продольного направления поперечным полем Е,, действующим в течение этого времени, в приемник ионов не попадут, à "íà÷èò, не будут принимать у}астие в формировании массовой линии во времяпролетнам масс-спектрометре. .»

Изменяя параметры выталкивающего импульса электрического поля E(t), майно формировать массовые линии с разной массой m. Параметры to. Eo влияют на величину граничной скорости Vip временной фокусироЕ », тзк кзк

lo1 m то

Vl-p=- — — Eo — „tî 2я 2

При увеличении длительности to граничная скорость V;}» уменьшается.

При увеличении начальной напряженности ЕО граничная скорость Ч,}» также уменьшается. Характерной особенностью временной зависимости выталкивающего

40 импульса Е=-E(t) является скачек в момент

t=to. Величина скачка AF=F(to)-ЕО. Если ЛЕ=О (условие непрерывности в момент t=to).òî граничная с.корость

V 12 0

45 гТ вЂ” t,)2

Таким образом. если функцию E(t) реализовать непрерывным способом, то область фокусирования ионов сдвигается в область отрицательных скоростей.

В качестве конкретного примерз, реализующего предложенный способ, использовался нремяпоолетный масс-спектрометр со следующими параметрами; }О1=1 см;

}Оз=2см; } 12=9 см; со=10мкс; Ту=-100мкс. Eo — — 0

Закон изменения напряжения выталкивэюще}о импульса имеет вид

0,0 St< tf»

l12 ТД }„з m„

t{ ГД вЂ” t) 1 j(11(lîã) 1д» AI;IT(мнь(и H(nMOI3 иона с I-и массой л, е,("1,, (т1н атомная единица масс61, (1 3 а р я д и О н 2.

lion(:тавляя в1,(бранное значения параметров масс-спектрометра, получим для иона водорода U(tn)=-3,46 В, для иона с

AI=100 а.е.м. U(tn)---346 В. При этом точка расположения массовой линии на временной Оси будет также равна T1oo = 10 мкс, Формирование массовой линии во времяпролетном масс-спектрометре осуществляется следующим образом.

В источнике 1 ионов потоком электронов hV, образуемых в течение короткого времени (0,05-0,1мс), ионизацией атомов создaioT ионы в узкой зоне (1 — 2 мм) в плоскости Х--О, Ионы, имеющие начальнуюскорость|/и, ускоряют с помощью выталкивающего импульса, который подается на сетки 2-3 с генератора выталкивающих импульсов, вырабатываюгцего импульс U(t) в соответствии с законом изменения егo напряжения Во вре,ен(п, предложенным в предлагаемом спогобе формирования массовой линии во время и рол етном масс-спектро метре (фиг.2), Ионы, вылетевшие в бесполевое npocTprJHcTBo, в течение времени от нуля до tn откло((яют поперечным полем Е, которое соз,дается генератором 5 отклоняющих импульсов при подаче импульса на отклоняющvle IITiecT I bi 6. 01 Kло н яющий импульс имеет прямоугольную форму, амплитуду 200

В и длительность tp, Причем Гз приемник 7 ионов приходит в расчетное время только заданная масса, т,е. массовая линия содержит одну массу, все другие массы приходят раньше или позже по воемени. Ионный импульс исследуемой массы усиливается импульсным усилителем

8 и регистрируется осциллографом 9. Для исследования другой массовой линии необходи 10 изменить амплитуду выта 11(I4BBIo щего импульса. причем зависимость ее or номера массы ионов является линейной.

Использование предлагаемого с(1особа формирования массовой линии во времяпролетном л1асс-спектрометре позв(зляет по

cpanIieII»Io с существуктщими повысить рареше((ие 10 массе независимо от ее номера и дисперсии начальных скоростей ионов, что невозможно достичь ни Одним из известных способов фо<усироьания массовой линии.

Другим достоинством предлагаемого спссоба формирования массовой линии во вр-;.мяпролетном масс-спектрометре является воз(тожност(сжатия диапазона изменения на(тр (жен(тя Ujt) За c«i т ДОГ10(1нительн ОГО из мерения (трел1ени Т со(1лтестг(о с амплитудой

U(tnl, .=Это вы гекает Гтз с(тоттношения

U(tol

А Т тр 1 T — to )2

Где

I12 I1;3 Гт(н - 2

5 l =-- — ------- Т,, В: С;

q "(н

Tii — положение массовой линии ионов водорода Н,С;

mii- масса атома водорода, кг, При выбранных параметрах масс-спектрометра U(to)=346 В

Таким образом, развертыьание масс в данном масс-спектрометре можно осуществить следующим образом.

В диапазоне масс Ai=-1-100 à.e,ì, U(to}=3,46-346 В; ТДЖХ=10 мкс = const; to(=-1 мкс. В диапазоне масс Ai=100-10000 à.eM. U(to)= 346

8=const, ТД1 = T„VAI, toi = THЙ((/10,так что

Т(1 =10-1000 мк с; to=1-100 мкс.

Формула изобретения

Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектро25 метре, включа(оший ионизацию атомов в источнике ионов. ускорение ионов с помощью выталкивающего импульса однородного электрического поля, дрейф ионов в бесполевом пространстве и регистрацию ионов в приемнике ионов, о т л и " а О шийся тем, что, с целью уменьшe Ièÿ временной дисперсии массовой линии, ионы ускоряют выталкивающим импульсом электрического поля, soeменная зависимость которого имеет вид

35 Ер, 0 ==t

E(t)

m Т I12

2 to -1(Т х (Т -() параметры Ер, to связаны соо.гношениями

40 112 о

Т=т +

Ioi q Ер to

to 2 п1

IO1 q Eo1o

\lггт — "--2m

45 (qe Eo —. напряженность электрического поля, В/м;

m- масса иона, кг;

q- заряд иона, К;

Т вЂ” точка расположения массовой линии на временной оси, с;

I12- длина бесполевого пространства, м;

lв1 расстояние от области ионизации до бесполевого пространства, м; тр длительность, в течение которой напряженность поля постоянна во времени,с;

Vrp — скорость иона, пролетающе(o ускоРЯюЩий пРомежУток Ioi за вРемЯ to (м/с).

ХаРаКтЕРИЗУГОЩаЯ ЛтаКСИМаЛЬНУ О ЭНЕРГИЮ фоСоставитель В. Кащеев

Редактор А. Маковская Техред M.Mîðãåíòýë Корректор А.Осауленко

Заказ 3932 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

133035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 101 кgcируем х 110нов. и в бес (1олево 1 I1!)( странстве отклоняют поперечным Il(lëå 1 в(ппны Bt л Гевнлi I . 3 (1 i f1ill/i It мf.:+:v1 ка за время