Времяпролетный масс-анализатор с многократными отражениями и времяпролетный масс-спектрометр, включающий в себя данный масс- анализатор

Времяпролетный масс-анализатор с многократными отражениями и времяпролетный масс-спектрометр, включающий в себя данный масс- анализатор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, в частности времяпролетной масс-спектрометрии. В частности, оно относится к TOF масс-спектрометру, имеющему увеличенный путь пролета вследствие многократных отражений.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Времяпролетный (TOF) способ масс-спектрометрии основан на измерении времени, которое занимает пролет ионов от источника ионов до детектора по одному и тому же пути. Источник ионов одновременно производит импульсы ионов, имеющих различные отношения массы к заряду, но одинаковую среднюю энергию. Соответственно, вследствие законов движения в электростатическом поле, время пролета ионов, имеющих различные отношения массы к заряду (m/e), обратно пропорционально квадратному корню m/e. Ионы, появляющиеся в детекторе, создают импульсы тока, которые измеряются системой управления и представляются в виде спектра. Исследуемое отношение массы к заряду ионов может быть выведено посредством сравнения положения их пиков по отношению к пикам известных ионов (относительная калибровка) или посредством прямого измерения времени прилета (абсолютная калибровка). Чем уже пик ионов сходной массы, тем выше точность измерения массы, при условии, что подаваемое напряжение и размеры системы являются неизменными. Для различных типов масс-спектрометров относительная ширина пиков характеризуется разрешающей способностью - отношением видимой массы к ширине пика в массовых единицах: R _m =m/Δm. В случае времяпролетных масс-спектрометров разрешающая способность массы равна половине отношения общего времени пролета по отношению к ширине пика во временных единицах: R _m =0,5t/Δt. Следовательно, для достижения более высокой точности является необходимым либо уменьшить ширину пика, насколько это возможно, либо увеличить время пролета.

Существуют определенные ограничения для ограничения ширины пика во времяпролетных масс-спектрометрах. Даже для ионов, имеющих одинаковое отношение массы к заряду, источник ионов создает частицы со сходной, но немного отличающейся энергией. Это происходит вследствие первоначального пространственного рассеивания ионов в источнике ионов до их выброса. Является существенным оптимизировать электростатические поля во времяпролетном масс-спектрометре таким способом, чтобы ионы, имеющие одинаковые отношения массы к заряду, но различные энергии, появлялись в детекторе в одно время. То есть оптический путь ионов во времяпролетном масс-спектрометре является «энергетически изохронным» вдоль направления пути пролета. Посредством соответствующей оптимизации может быть достигнут высокий уровень изохронности, так что ионы появляются в детекторе через время, которое слабо зависит от их первоначальных расположений внутри источника ионов. Дополнительно уменьшение ширины пиков ограничено разбросом первоначальных скоростей ионов. Последнее имеет результатом так называемое время пробега, которое равно разнице времен появления ионов, имеющих начальную скорость ν _T в направлении по пути пролета и начальную скорость -ν _T в противоположном направлении по пути пролета. Разница является обратно пропорциональной напряженности электрического поля в момент выделения иона из источника ионов: t _turn =2ν _T /(eE/m). Одним из способов уменьшения времени пробега является уменьшение начальной скорости ν _T, например, посредством охлаждения ионов внутри источника, другим способом является увеличение напряженности поля. Оба подхода имеют определенные практические ограничения, которые почти исчерпаны в современной времяпролетной масс-спектрометрии.

Другим способом улучшения разрешающей способности для массы является увеличение времени пролета с использованием более длинного пути пролета. Хотя является возможным увеличить путь пролета просто посредством увеличения размеров инструмента, этот способ является непригодным к использованию, поскольку современные времяпролетные системы уже имеют типичный размер в 1 м. Прекрасным способом увеличения пути пролета является использование многократных отражений от электростатических зеркал. Некоторые известные системы, увеличивающие количество отражений, пытаются удовлетворить нескольким условиям одновременно; то есть многократно свернутая траектория луча, вдоль которой время пролета ионов, имеющих одинаковое отношение массы к заряду, но разные энергии, по существу, независимо от энергии внутри диапазона энергий, генерируемых источником ионов (продольная изохронность), неизменное движение ионов в поперечном направлении, так что пучок ионов может перенести многократные отражения, и время пролета, которое по существу независимо от углового и пространственного разброса ионного пучка в поперечном направлении (минимальные поперечные аберрации). Этим условиям оказывается сложно удовлетворить одновременно, и известные системы, которые удовлетворяют условиям, имеют тенденцию к сложности изготовления и/или недостатку гибкости.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Многократно свернутая траектория со многократными отражениями может быть достигнута при использовании импульсного источника питания (Х.Воллник, Международный журнал масс-спектрометрии и ионных процессов, 227, 2003, 217). В системе, имеющей два аксиально-симметричных коаксиальных зеркала (фиг. 1) ионы впускаются в систему посредством уменьшения напряжения на короткое время на входном зеркале I. После того, как ионы вошли в систему, напряжение на зеркале I восстанавливается и ионы оставляют осциллировать между двумя зеркалами в течение по существу длительного времени. В конце концов, ионы выпускаются из системы для детектирования на детекторе посредством уменьшения напряжения на выходном зеркале II. К сожалению, этот способ страдает от ограничений по диапазону масс, поскольку только небольшой диапазон масс ионов может быть выпущен из системы в одном эксперименте. Ионы меньшей массы двигаются быстрее и делают больше оборотов, чем более тяжелые ионы, после определенного количества оборотов, N, невозможно сделать различие между более тяжелыми ионами, которые сделали N оборотов и более легкими ионами, которые сделали N+1 оборотов. Следовательно, диапазон масс ионов, выпущенных из системы за одну попытку без перекрытия поддиапазонов масс обратно пропорционален количеству оборотов. Этот недостаток распространяется на все системы, в которых ионы следуют по одной траектории за несколько проходов и выпускаются из системы пульсирующим напряжением (М.Тойода и другие, Журнал масс-спектрометрии, 2003, т.38, С. 1125-1142).

Некоторое количество электростатических систем с многократными отражениями было предложено Х.Воллником в патенте Великобритании GB 2080021. Системы, описанные Х.Воллником, требуют сложного изготовления и тщательной оптимизации. Более простая система описана в патенте Советского Союза SU 1725289, выданном Назаренко и другим (фиг. 2). Их система имеет два параллельных, бессеточных ионных зеркала для осуществления многократных отражений. Напряжения на электродах 11, 12, 13 и 21, 22, 23 зеркал оптимизированы таким образом, что период одного полного цикла с отражениями от верхнего зеркала и нижнего зеркала по существу не зависим от энергии ионов в направлении (X) полета. Вследствие этого, пакеты ионов сжимаются (энергетически фокусируются) в некоторой точке между зеркалами после каждого полного цикла. Пучок ионов впускается в систему под небольшим углом по отношению к оси X. В результате этого поток ионов перемещается сравнительно медленно в направлении (Z) дрейфа, в то время как он повторно отражается от двух параллельных зеркал, таким образом создавая многократно свернутую зигзагообразную траекторию с увеличенным временем пролета. Преимущество данной системы состоит в том, что количество отражений, которые имеют место до того, как ионы достигнут детектор, может быть скорректировано посредством изменения угла ввода. В то же время эта система не имеет никаких средств для предотвращения расхождения пучка в направлении дрейфа. Вследствие начального углового разброса ширина пучка может превышать ширину детектора, делая дополнительное увеличение времени пролета ионов непригодным к использованию вследствие потери чувствительности.

Существенное улучшение системы с многократными отражениями, основанной на двух параллельных плоских ионных зеркалах, было предложено А.Веренчиковым и М.Явором в WO 2005001878 А2. Угловое расхождение пучка в направлении Z было компенсировано набором линз, расположенных в области вне поля между зеркалами (фиг.3). Как и в системе Назаренко, ионный пучок впрыскивается в пространство между зеркалами под малым углом по отношению к оси X, но угол выбирается так, что пучок ионов проходит через набор линз L1, L2, …, LD2. В качестве результата, пучок ионов становится перефокусированным после каждого отражения и не расходится в направлении дрейфа. Последняя линза LD2 системы также приводится в действие в качестве дефлектора для того, чтобы обратить направление дрейфа пучка в направлении выхода из системы. В данном режиме функционирования система предоставляет полный диапазон масс функционирования с продленным путем пролета. Дефлектор LD2 может также использоваться для ограничения потока ионов в конечном сегменте системы для того, чтобы позволить происходить там многократным отражениям. В данном режиме функционирования поток ионов выпускается из конечного сегмента посредством приложения импульсного напряжения к дефлектору. В данном случае система страдает от ограничений по диапазону масс тем же образом, что и в системе X. Воллника. Как показывает эксперимент, в данном режиме функционирования разрешающая способность в 200000 может быть достигнута с менее чем 50% потерей передачи. Высокая разрешающая способность происходит из оптимальной конструкции зеркал, которые не только предоставляют фокусирование по энергии третьего порядка, но и также имеют минимальные поперечные аберрации до второго порядка. Конструкция, предложенная в WO 2005001878 A2 имеет множество преимуществ над оригинальной системой Назаренко, но эти преимущества достигаются посредством принесения в жертву очень полезного свойства исходной системы; то есть возможности увеличить количество отражений посредством уменьшения угла ввода. В системе Веренчикова и Явора угол ввода фиксирован, заданный геометрией системы; то есть расстояниями между зеркалами и положениями и расстояниями между линзами. Общее количество отражений задано как удвоенное количество линз и не может быть изменено, пока используется импульсный режим функционирования, но это приводит к уменьшенному диапазону масс. Это является недостатком системы, который решается вариантами осуществления настоящего изобретения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно изобретению здесь предоставлен времяпролетный масс-анализатор с многократными отражениями, содержащий средства создания электростатического поля, сконфигурированные для определения двух параллельных бессеточных ионных зеркал, каждое из которых имеет удлиненную конструкцию в направлении дрейфа, упомянутые ионные зеркала, обеспечивающие свернутый путь ионов, формируемый многократными отражениями ионов в направлении пролета, ортогональном направлению дрейфа, и смещение ионов в направлении дрейфа, и являющиеся дополнительно сконфигурированными для определения дополнительного бессеточного ионного зеркала для отражения ионов в упомянутом направлении дрейфа, в соответствии с чем при функционировании ионы пространственно разделяются согласно отношению массы к заряду вследствие их различных времен пролета вдоль свернутого пути ионов, и ионы, имеющие по существу одинаковые отношения массы к заряду, подвергаются энергетическому фокусированию по отношению к упомянутому направлению пролета и упомянутому направлению дрейфа.

В варианте осуществления изобретения времяпролетный масс-анализатор может использоваться в качестве линии задержки, которая может быть включена в путь пролета практически любого существующего времяпролетного масс-спектрометра с намерением улучшения общей разрешающей способности в силу продленного времени пролета, созданного линией задержки. Со свернутой конфигурацией пути изобретения не существует ограничений на диапазон отношений массы к заряду, что может быть приспособлено аналитиком, и отменяется необходимость в манипулировании траекторией ионов с использованием импульсного напряжения. Сверх того, движение ионов в обратном направлении является относительно стабильным. Это в соединении с использованием бессеточных ионных зеркал помогает уменьшить потерю ионов от анализатора. Увеличенное время дает улучшенную разрешающую возможность масс-анализатора и в предпочтительных вариантах осуществления количество отражений может быть скорректировано с использованием электростатически управляемых средств отражения для управления углом, относительно направления полета, под которым ионы направляются на свернутый путь ионов. Подобные корректировки не возможны с использованием известных систем, имеющих линзы.

Изобретение вводит полностью новый признак в конструкцию времяпролетных систем - то есть энергетическое фокусирование в направлении дрейфа, ортогональном к направлению полета. До этого времяпролетные системы строились таким способом, чтобы минимизировать рассеивание пучка в направлении дрейфа посредством ускорения пучков до высокой энергии для того, чтобы уменьшить общее угловое рассеивание или посредством использования линзы для перефокусировки пучка. В дополнение к предоставлению ионных зеркал в направлении пролета, настоящее изобретение предлагает применения ионного зеркала в направлении дрейфа (ортогональном к направлению полета) и может быть использовано для создания энергетической фокусировки в конечном расположении на детекторе, одновременно по отношению к направлению полета и направлению дрейфа. Вследствие свойства изохронности системы ширина пучка в направлении дрейфа во время полета является несущественной, хотя предпочтительно пучок не должен быть шире детектора, когда он детектируется. Это имеет дополнительное преимущество в уменьшении влияния пространственного заряда, поскольку большую часть времени пакеты ионов движутся вытянуто в направлении дрейфа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны, только в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 является схематическим представлением известного аксиально-симметричного многооборотного времяпролетного масс-спектрометра, описанного Х.Воллником.

Фиг. 2 является схематическим представлением известного плоского времяпролетного масс-спектрометра с многократными отражениями, описанного Назаренко.

Фиг. 2 является схематическим представлением известного плоского времяпролетного масс-спектрометра с многократными отражениями, описанного Веренчиковым и Явором.

Фиг.4 показывает трехмерный вид двумерного изохронного времяпролетного масс-спектрометра с многократными отражениями предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 является схематическим представлением двумерного изохронного времяпролетного масс-спектрометра с многократными отражениями предпочтительного варианта осуществления изобретения.

Фиг.6 показывает распределение электрического потенциала вдоль оси пролета системы с многократными отражениями, показанной на фигуре 5.

Фиг. с 7a по 7d иллюстрируют зависимость времени пролета от энергии иона во времяпролетной системе со свойством энергетической изохронности.

Фиг. 8 показывает поперечный разрез трехмерного источника ионной ловушки.

Фиг. 9 показывает поперечный профиль со стороны линейного источника ионной ловушки с ортогональным выделением.

Фиг. 10 показывает поперечный разрез линейного источника ионной ловушки с аксиальным выделением и дополнительной ступенью ускорения. Также показано распределение потенциала вдоль оси двухступенчатого источника.

Фиг. с 11a по 11c показывают различные расположения для ввода ионов в путь пролета изохронной двумерной времяпролетной системы изобретения.

Фиг. 12 является схематическим представлением двумерного времяпролетного (2DTOF) анализатора, имеющего два ионных зеркала в направлении дрейфа и многократно свернутую закольцованную траекторию пучка, использующего импульсный детектор.

Фиг. 13 является схематическим представлением двумерного времяпролетного (2DTOF) анализатора, имеющего два ионных зеркала в направлении дрейфа и многократно свернутый пучок, без использования импульсов.

Фиг. 14 является схематическим представлением двумерного времяпролетного (2DTOF) анализатора используемого в качестве A) линии задержки в традиционном времяпролетном масс-спектрометре и B) масс-селектора для ионов-предшественников.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг.4 показывает трехмерный вид нового двумерного изохронного времяпролетного масс-анализатора с многократными отражениями согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Двумерный времяпролетный (2DTOF) анализатор состоит из набора металлических пластин - электродов, расположенных в двух параллельных плоскостях ортогонально оси Y. Электроды в верхней и нижней плоскостях симметричны и имеют одинаковые прилагаемые напряжения. Пластины-электроды расположены линиями Х₁, Х₂, ..., X_n и X_-1, X_-2, ..., X_-n параллельно оси Z. Эти электроды формируют два бессеточных электростатических ионных зеркала для отражения ионов в направлении полета X. Каждый электрод линии X разделен на некоторое количество сегментов, с тем чтобы создавать линии Z₁, Z₂, ..., Z_k электродов, которые продолжаются параллельно оси X. Эти линии электродов используются для формирования ионного зеркала в направлении Z дрейфа. Фигура 5 показывает схематическое представление двумерной времяпролетной системы в трех ортогональных проекциях с типичной траекторией (T) ионов через систему. Двумерный времяпролетный анализатор 3 содержит источник S ионов и приемник D ионов. Два набора пластин X0, X1, X2, ..., Xn и X-1, X-2, X-n в параллельных плоскостях формируют ионные зеркала (верхнее и нижнее) для многократных отражений в направлении X, и набор пластин в колоннах Z1, Z2, ..., Zk, которые создают ионное зеркало (правое) для отражения в направлении дрейфа Z. Подобное расположение ионных зеркал делает возможным, чтобы ионы имели многократно свернутую траекторию с многократными отражениями между верхним и нижним зеркалами и одно отражение от правого зеркала. Траектория ионов начинается в источнике ионов и заканчивается в приемнике ионов.

Включение ионного зеркала для отражения в направлении дрейфа является полностью новым свойством во времяпролетном масс-спектрометре с многократными отражениями, что дает возможность избежать рассеивания пучка в направлении дрейфа без необходимости использования линз и дефлекторов. Данная конструкция двумерного времяпролетного анализатора позволяет электронным способом корректировать количество отражений, что не возможно в конфигурациях предшествующего уровня техники, имеющего закрепленные линзы. Требования для достижения этого являются следующими.

1. При появлении на поверхности детектора ионные пакеты одинаковой массы, но различной энергии, сжимаются (фокусируются) в направлении полета (X-фокусирование).

2. При появлении на поверхности детектора ионные пакеты одинаковой массы, но различной энергии, сжимаются (фокусируются) в направлении дрейфа (Z-фокусирование).

3. Перемещение ионов в направлении Y ограничено в границах по существу малого диапазона около плоскости ZX.

4. Время пролета по существу независимо от осевого и позиционного рассеивания в направлении, ортогональном плоскости ZX.

Средства для достижения данных характеристик рассматриваются далее с большей подробностью.

Вообще, оптическая ионная схема двумерного времяпролетного масс-анализатора устроена таким образом, что поле внутри зеркала является сложением двух полей:

Обе функции φ ₁ (x,y), и φ ₂ (z,y) удовлетворяют уравнению Лапласа для потенциала электростатического поля. Перемещение иона в направлениях x и z описывается следующими уравнениями:

Смещение в направлении y обычно по существу меньше, чем характерный размер системы, что позволяет принять y равным 0 в вышеприведенных уравнениях. В данном случае, перемещение в направлении X полета и в направлении Z дрейфа не зависимы друг от друга и могут рассматриваться по отдельности.

Рассматривая сначала перемещение X, распределение потенциала в направлении X описывается функцией φ ₁ (х,0), которая имеет вид потенциального колодца, который может иметь сложную форму, как показано на фиг. 6. Кинетическая энергия К ₀ в направлении X лежит ниже верха потенциального колодца, как показано на фиг. 6, заставляя ионы подвергаться множеству отражений между точками разворота x ₁ и х ₂. Из уравнения (2) период полной осцилляции между точками разворота x ₁ и х ₂ выводится следующим образом:

Для множества применений времяпролетной техники форма функции потенциала φ ₁ (x,0) выбирается таким способом, что период ионных осцилляций (4) не зависим от энергии ионов в некотором диапазоне энергий ΔK около К ₀, как показано на фиг. 7. Существует бесконечное количество возможностей (функций φ ₁ (х,0)) которые удовлетворяют условию с разными уровнями точности. Согласно уравнению Лапласа, распределение потенциала вдоль оси φ ₁ (х,0) также определяет поле поблизости оси φ ₁ (x, у). Для многократных отражений между зеркалами распределение поля должно также удовлетворять требованиям устойчивости движения по y и независимости времени пролета от первоначального смещения ионов в направлении y (продольных аберраций). Такие распределения могут быть найдены посредством оптимизации зависимости времени пролета иона от кинетической энергии и поперечного положения на выбранном классе потенциальных функций. На практике распределения полей реализуются наборами электродов X ₁ , X ₂ , ..., X _n , и X _-1 , X _-2 , ..., X _-n. Общее количество электродов, их размер и прилагаемые напряжения Vx1, Vx2, .., Vxn выбираются таким способом, чтобы воспроизводить требуемое распределение потенциалов вдоль оси X наиболее близким возможным способом. Оптимизированная времяпролетная система имеет свойство изохронности в направлении пролета, что значит, что ионы, имеющие одинаковые отношения массы к заряду, но различные энергии в направлении пролета, стартующие одновременно от средней плоскости между двумя ионными зеркалами, появятся на той же плоскости одновременно после того, как подвергнутся одному (или нескольким) отражениям на зеркалах. Она также подразумевает, что если ионы пересекают среднюю плоскость в различные моменты времени, они будут иметь ту же разницу во времени после нескольких отражений между ионными зеркалами. Таким образом, если ионы, имеющие различные энергии, входят в систему в разные моменты времени, они будут выходить из системы с той же разницей во времени. Другими словами, двумерная времяпролетная система сохраняет временную задержку между ионами, имеющими одинаковые отношения массы к заряду, но различные энергии в направлении пролета после нескольких отражений в направлении пролета.

Для того, чтобы создать двумерную времяпролетную систему изобретения, необходимо ввести другое поле в направлении Z, которое будет обеспечивать свойство изохронности в направлении дрейфа. Распределение потенциала φ ₂ (z,y) находится из оптимизации двумерной системы тем же способом, что был описан выше для X-зеркал. В частности, то же самое распределение поля φ ₁ (x,y) может быть использовано для поля в направлении Z, но с меньшими напряжениями для того, чтобы учесть меньшую энергию полета в направлении дрейфа. В этом случае распределение напряжения в направлении Z может быть выражено просто как:

Распределение поля уравнения 5 будет обеспечивать изохронное перемещение в направлении Z для энергии Kz в пределах такого же рассеивания энергии ΔKz/Kz в качестве зеркала в направлении X. Как будет описано позднее, ионный пучок имеет сходное относительное рассеяние энергии в направлениях пролета и дрейфа. Поэтому поле уравнения 5 будет предоставлять ионное зеркало с существенным диапазоном энергий. Недостатком данной конструкции является то, что длина Z зеркала будет половиной длины в направлении X, что может быть несущественно, если требуется более длинный путь пролета. Когда требуется более длинное расстояние в направлении дрейфа, может быть использовано зеркало с более длинным фокусным расстоянием в направлении Z.

Двумерное зеркало в направлении Z может быть сформировано из набора пластин-электродов, установленных параллельно оси X полета и ортогонально оси Z дрейфа. Общее количество электродов k, их размер, расположения и прилагаемые напряжения Vz1, Vz2, ..., Vzk определяются из свойств распределения поля вдоль оси Z. Для того, чтобы создать подобные пластины в дополнение к пластинам для X зеркал, каждый электрод X зеркала разделен на K+2 сегментов, каждый сегмент имеет одинаковую ширину в каждой Z колонке. Как результат, верхняя и нижняя пластины электродов двумерной времяпролетной системы созданы из параллельных наборов плоских сегментов, расположенных 2N+3 линиями и K+2 колонками, как показано на фиг. 5. Электроды в X линиях несут напряжения, требуемые для создания ионных зеркал в направлении X: Vx1, Vx2, ..., Vxn. Наложенные на эти напряжения, дополнительные напряжения приложены для создания полей в Z направлении, Vz1, Vz2, ..., Vzk. Например, для создания поля φ ₂ (z,y) в плоскости ZY, то же напряжение Vz1 прибавлено ко всем плоскостям в колонке Z1, то же напряжение Vz2 прибавлено ко всем плоскостям в колонке Z2, и так далее. Или, другими словами, напряжение, приложенное к пластине электрода в линии i и колонке j должно быть равно Vxi+Vzj. Вследствие принципа суперпозиции, подобное расположение электродов и подаваемые напряжения будут создавать распределение поля уравнения 1 в пространстве между ними.

Для бесконечной длины граничных пластин в направлениях X и Z является возможным создать систему, для которой уравнение 1 является справедливым полностью. Однако на практике электроды имеют конечную длину, что значит, что поле рядом с краями и боковыми плоскостями системы будет искажено, делая уравнение (1) неприменимым. Хотя является возможным оптимизировать систему, когда (1) не применимо, является предпочтительным работать с ситуацией, когда движения в направлениях X и Z разделены. Известно, что в системе из двух параллельных пластин искажения поля убывают экспоненциально как exp(-3,42•x/R), где x - расстояние от искривления, а R - расстояние между пластинами. На расстоянии R искажение будет убывать на 3%, а на расстоянии 2R оно будет меньше, чем 0,1% исходного значения. Следовательно, всегда возможно создать систему, где влияние краевых полей является несущественным, делая задние пластины ионных зеркал существенно широкими. Является предпочтительным удостовериться, что траектория (T) ионов не приближается к задним панелям ближе, чем зазор между параллельными пластинами электродов, формирующими ионные зеркала, как показано на фигуре 5. Является возможным обеспечить это, делая ширину задних пластин в каждом зеркале большей, чем зазор между пластинами, или изготавливая задний электрод из нескольких электродов.

Хотя является возможным создать суперпозицию двух независимых полей в направлении полета и дрейфа, на поперечное движение оказывают влияние оба поля. Перемещение в направлении Y описывается уравнением

Из этого следует, что перемещение в направлении Y зависит от обоих полей. В то же время, влияние этих полей разное. Причина этого в том, что существует большая разница между энергиями ионов в направлениях X и Z. Типично, энергия дрейфа ионов в 100, раз меньше энергии пролета и, соответствующим образом, максимальное напряжение, прилагаемое к зеркалу 100 может быть в 100 раз меньше напряжения прилагаемого к пластинам X. Следует, что поле, создаваемое ионным зеркалом в направлении Z, будет по меньшей мере на два порядка меньше по величине, чем поля, создаваемые ионными зеркалами оси X. Вот почему второй член в уравнении (6) по меньшей мере на два порядка по значению меньше, чем первый. Другой причиной для слабого влияния поля Z является то, что большинство из отражений ионов происходит в свободной от поля области зеркала Z, где поле φ ₂ (z,у) равно нулю. Влияние Z полей на движение в направлении Y оказывает эффект только когда ионы входят в Z зеркало, и может быть дополнительно уменьшено, сделав поле φ ₂ (z,y) почти независимым от y. Это имеет место в случае, когда поле имеет линейную зависимость в направлении Z. Бессеточное зеркало, имеющее линейное поле, по-прежнему имеет зависимость в направлении Y в начале линейного поля, но эта зависимость локализована и намного меньше по значению, чем в других зеркалах. Зеркало с линейным полем не обеспечивает фокусирование высокого уровня, но для движения в направлении дрейфа этого не требуется из-за меньшего количества оборотов. По этим причинам влияние Z полей на Y перемещение в системе является незначительным или малым по сравнению с влиянием X полей, и может быть выполнена оптимизация ионного движения в направлении Y только для X перемещения, по меньшей мере в первом приближении.

Вышеизложенное описывает способ для создания требуемых распределений поля с использованием параллельных пластин электродов. Могут быть использованы другие способы для создания требуемых электростатических полей. Традиционным подходом является замена эквипотенциальных поверхностей поля металлическими электродами и приложения соответствующих напряжений к этим электродам. В данном подходе распределение потенциала создается формой электродов и не может быть изменено электронным способом. Другим подходом получения требуемых полей в пространстве между двумя пластинами является создание резистивного покрытия с переменной глубиной на поверхностях пластин; глубина резистивного покрытия вычисляется из требуемого распределения потенциалов на поверхности. Когда прилагается подаваемое напряжение, создается неоднородное распределение напряжения на поверхности пластины электрода вследствие резистивного покрытия, что имеет результатом требуемое распределение поля между пластинами. Этот способ не предлагает возможности электронным способом корректировать поле и не является предпочтительным.

Требования энергетической фокусировки в направлении X являются очень жесткими из-за того, что ионы подвергаются множеству отражений. Является предпочтительным использовать ионные зеркала в направлении X с фокусированием высокого порядка и минимальными аберрациями в настолько широком диапазоне энергий, насколько возможно, и вдоль большого продольного расстояния (направлении Z) и настолько широком угловом рассеянии (направлении Z), насколько возможно. Единственным ионным зеркалом, которое имеет идеальные фокусирующие свойства, для полного диапазона энергий, является зеркало, имеющее параболическое распределение потенциала: φ ₂ (х,у)=-c(x ² -y ² ). К сожалению, для такого зеркала продольное перемещение (в направлении Y) является неустойчивым. Зеркала с другим типом распределения потенциала могут предоставлять устойчивое движение в направлении Y, но они имеют свойство энергетической фокусировки только для ограниченного диапазона энергий. Чем меньше разброс энергии пучка, тем лучше достигаемая энергетическая фокусировка. Способы получения пучков ионов с ограниченным разбросом энергий известны в данной области техники. Такие пучки создаются пульсирующими ионами из области между двумя пластинами (импульсный источник), или из ионной ловушки. В случае ввода из импульсного источника новый импульс ионов не может быть введен до тех пор, пока ионы предыдущего импульса не появятся на детекторе. Из-за этого только малая часть пучка может быть проанализирована, тем самым уменьшая рабочий цикл. Для двумерного времяпролетного устройства согласно данному изобретению предпочтительным является ввод из ионной ловушки. Фиг. 8 показывает поперечный разрез трехмерного источника ионной ловушки, как описано в US 6,380,666 B1, состоящего из кольцевого электрода 101 и пары концевых элементов 102 и 103. До выделения, ионы ограничены внутри ловушки посредством осциллирующих радиочастотных потенциалов. Вследствие столкновений с нейтральными частицами (типично используется газообразный гелий) ионы собираются в небольшое облако вблизи центра ловушки. В некоторое время высокая разница потенциалов прилагается к конечным элементам, и ионы извлекаются во времяпролетное устройство через отверстие 104 в выходном концевом элементе 103. Различные виды ионных ловушек могут быть использованы в качестве источника для времяпролетной системы. Фиг. 9 показывает поперечный разрез источника линейной ионной ловушки с ортогональным выделением, как описано в WO 2005083742. Функционирование данного источника ионной ловушки сходно с функционированием трехмерной ионной ловушки. Ловушка включает в себя четыре удлиненных стержня 201, 202, 203, 204. До извлечения, ионы ограничиваются в радиальном направлении в ловушке посредством осциллирующих радиочастотных потенциалов на стержнях и вдоль оси ловушки посредством отталкивающего потенциала постоянного тока, прилагаемого к соседним электродам (не показаны). Ионы собираются рядом с центром ловушки в облако, которое вытянуто вдоль оси ловушки. Во время извлечения высокая разность потенциалов прилагается между стержнями 203 и 204 и по выбору к стержням 201, 202. Ионы выталкиваются из ловушки через узкую щель 205 в одном из стержней.

До выделения ионы имеют почти одинаковую энергию, как и буферный газ, которая существенно меньше энергии полета. Вследствие свойств движения иона в электростатическом поле энергия иона равна разнице потенциалов между начальной точкой и конечной точкой. Следовательно, после выделения разница энергий между ионами равна разнице между выделяющими потенциалами внутри ионного облака. Средняя энергия полета, с другой стороны, равна разнице потенциалов между центром облака и выбрасывающим электродом. Допуская, что поле выделения почти однородно, разброс энергии в луче может быть оценен как отношение ширины облака к расстоянию до центра облака от выделяющего электрода. С ионным облаком в 0,5 мм в диаметре и расстоянием выделения в 5 мм это отношение равно 0,1 и соответствующий разброс энергий меньше, чем 10%.

Дополнительное уменьшение разброса энергий может быть достигнуто посредством использования источника с двухстадийным ускорением с фиг. 10. Он основан на линейной ионной ловушке с сегментированными стержнями 302. По направлению потока от ионной ловушки находится набор электродов-диафрагм 303, которые создают поле, обеспечивающее второе ускорение. Ионы захватываются и собираются в облаке 301, которое вытянуто вдоль оси Z ионной ловушки. Для выделения разность потенциалов прилагается на все сегменты ловушки через делитель 304 потенциалов. Дополнительное напряжение U2 ускорения прилагается на электроды второй ступени ускорения через делитель 305 напряжения. Распределение 307 потенциала вдоль оси Z системы устанавливается для выделения. Ионы покидают ионную ловушку через отверстие в выделяющем электроде 306 со средней энергией, равной разности потенциалов между