Масс-спектрометрический способ анализа ионов
Иллюстрации
Реферат
ОП ИСАН ИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ (ii) 493723
Союз Советскик
Социалистическими
Республик
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26.07.71 (21) 1687733/26-25 (51) М. Кл, 6 01п 27/62
В 01(1 59/44 с присоединением заявки № 1891478/26-25
Гасударственный комитет
Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет
Опубликовано 30.11.75. Бюллетень № 44
Дата опубликования описания 01.04.76 (53) УДК 543.51(088.8) (72) Автор изооретения
Г. И, Слободенюк (71) Заявитель (54) МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ АНАЛИЗА ИОНОВ
Изобретение относится к способам анализа ионов квадрупольным и матисс-спвктрометрами и может быть использовано в тех областях науки и техники, в которых необходимо проводить молекулярный анализ состава вещества методами масс-спектрометрии, например, при анализе состава разряженной парогазовой среды в вакуумных установках различного назначения (вакуумные напылительные установки, вакуумная плавка металлов и т. д.) ..
В известных ивадруполых масс-спектрометрах при величинах L — длина анализатора U, и f, выбранных,в соответствии с рекомвндациями работы Пауля, распределение плотности тока ионов, летящим по стабильным траекториям, усредненной за период В. I. поля на выходе анализатора, достаточно равномерно во всем,межэлвкт)родном пространстве.
Этим объясняется примвнение .в конст)рукциях масс-спектрометров, реализующих известный способ анализа ионов, выходных диафрагм, расположенных вблизи выходных торцов электродов анализатора, с отверстиями, диаметр которых соизмерим, или лишь слегка меньше кратчайшего расстояния между диагонально расположенным и электродами. Делается это в целях более полного сбора стабильных ионов на выходе анализатора. При этом, однако, как показывает расчет и эксперимент, на выход анализатора п ронпкает и некоторая часть ионов, близких по массам к стабильным, летящим по нестабильным траекториям, плотности которых на выходе анализатора также близки к равномерной. Этот нестабильные ионы соседних с анализируемой массой при развертке спектра масс образуют хвосты соседних импульсов, заходящие в область импульса анализируемой матиссы и обуславливаю10 щие величину разрешающей способности массспектрометра, точнее величину уровня, по которому обеспечивается гарантируемая прибором разрешающая способность. Улучшить разрешающую способность анализатора можно
15 удлиняя его, т. е. увеличивая длину его полеобразующих электродов. Однако это в конечном счете приводит к падению величины полезного сигнала и, следовательно, к ухудшению чувствительности.
20 Таким образом, недостатком известного способа анализа ионов является несоблюдение требования к длине полеобразующих электродов анализатора, вытекающих из рассматриваемого ниже условия фокусировки стабиль25 ных ионов, и в,связи с этим невозможность более жесткого диафрагми рования ионного потока на выходе анализатора с целью более качвственного отделения стабильных ионов от нестабильных, т. е. повышения разрешаю30 щей способности анализа ионов при сохране493723
Зо
19 1 1 У»о
f gl1>W (3) нии преж ней или лишь слепка меньшей чувсввительности анализа.
Целью предполагаемого изобретения является устра нение указа нного недостатка, В основу предполагаемого изобретения положена задача разработки такого способа анализа ионов квадрупольным масс-спектрометром, который обеспечивал бы при прочих равных условиях большую разрешающую способность анализа, чем при реализации известного способа анализа, при сохранении прежней, или близко к ней, чувствительности анализа, оцениваемой по превышению интенсивности ионного тока в несколько раз уровня шумового фонового сигнала, приведенного к входу приемника ионов,в масс-спектрометре.
Поставленная задача .решается тем, что в предлагаемом способе анализа измерение интенсивности ионного пучка производят,на расстоянии I оoт T иHоoнного ысточника, определя1>gU y»»» емом соотношением L= у р лм, и выделяют ионы анализируемой массы с помощью д иаграммы (диаметр выходной диафрагмы анализатора выбирают равным 0,2 — 0,3 от кратчайшего расстояния между диагонально расположенными полеобразующими электродами анализатора), причем Uy„, — в вольтах, f— в Мгц, ЛМ вЂ” в а.е. м.
Пользуясь известными тригонометрическими разложениями функций Матье примениråëüíî к данному конкретному случаю для решения можно показать, что Х и У вЂ” параметры стабильной траектории иона в достаточно хорошем приближении будут иметь вид: х = sin (h, (i — "-.о)) (-r =î î хо) () у. з1п «/г (», —,)) Fz (С,С, Po go) (2) где — начальный момент влета иона в анализатор, — текущее безразмерное время, Х>, Уо, Хо, Уо — начальные условия влета иона в анализатор h,«1, h <<1, h,+hg, F,, и Fz— сложные периодические функции времени т. е. коэффициенты, изменяющиеся с частотой
В.Ч. электрического поля, присутствующего в межэлектродном пространстве анализатора. ь1исленный расчет коэффициентов hr и h показал, что они находятся в отношении друг к другу, кратном 7: 5, т. е. hr/h> — 7: 5. Полученный результат означает, что при выборе строго определенной длины анализатора, равной в первом приближении будет иметь место соотношение
si и (h, (" — ».,)) = sin (h, (—,) ), (4) т. е. будет реализована фокусировка ионного пучка, состоящего из стабильных ионов на
65 выходе анализатора вблизи его оси. Найденное свой ство фокусировки стабильных ионов в анализаторе квад рупольного масс- спектрометра позволяет при соблюдении указанного выше условия (3) получить существенно .неравномер ное распределение плотности тока стабильных ионов на выходе анализатора с максимумом плотности на его оси и спаданием до уровня нескольких сотых долей от максимального значения плотности на расстояниях (0,2 — 0,3) Rp.Rp, где Rp — определено выше как кратчайшее расстояние от оси анализатора до любо,о из его электродов. Значит установка на выходе анализатора диафрагм с отверстием, диаметр которого равен (0,4 — 0,6) Rp (ось анализатора должна при этом проходить через центр отверстия диафрагмы) не будет препятствовать выходу из анализатора практически всех стабильных ионов.
Вместе с тем она сущеспвенно (не менее чем на,порядок) снизит количество поступивших на приемHHIK нестабилыных ионов, дошедших до выхода анализатора при прочих ра вных условиях, что, как уже отмечалось выше, равносильно увеличению раз решающей способности квадрупольного масс-спектрометра при сохранении прежней (ил и близкой к ней) чувствительности.
Конкретный .п ример выбора длины анализатора, удовлетворяющего условию фокусировки (3): при Uypp — 10 в, f=3 Мгц, ЛМ=
=1 а.е.м. длина полеобразующих электродов анализатора согласно формулы (3) должна быть равна 1=20 см.
В дальнейшем предполагаемое изобретение поясняется примером реализации его в квадрупольном масс-спектрометре, Квадрупольный масс-спектрометр содержит установленные последовательно друг за другом источник ионов, квадрупольный анализатор длиной L, выбранной в соответствии с соотношением (3), выходную диафрагму с отверстием в ней диаметра (0,2 — 0,3). 2Rp, расположенным соосно с анализатором, и приемник ионов.
В но ином источ нике нейтральные молекулы анализируемой среды под воздействием какого-либо ионизирующего излучения (например, потока электронов) ионизируются, и образовавшиеся ионы инжектируются в анализатор, длина которого выбрана с таким расчетом, чтобы было выполнено условие фокусировки (3), при котором, стабильные ионы собирутся на выходе а нализатора вблизи его оси в пучок с эквивалентным диаметром 0,2 — 0,25 от кратчайшего расстоя ния, обозначенного выше величиной 2Rp, тогда как часть нестабильных ионов соседних с анализируемой массой М (т.е, с массами М вЂ” ЛМ и М+ЛМ), не попавших на полеобразующие электроды и долетевших до выхода анализатора, распределены достаточно равномерно во всем межэлектрод493723
Составитель Н, Алинова
Текред Е. Подурушина Корректор И. Позняковская
Редактор В. Булдаков
Заказ 569/13 Изд. № 2020 Тираж 902 Подписное
ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, if(-35, Раушская наб., д. 4 5
Типография, пр. Сапунова, 2
5 ном пространстве на выходе анализатора, Стабильные ионы, будучи сфокусированными на выходе анализатора, практически все свободно проходят че1рез выходную диафрагму анал изатора и попадают в приемяик ионов, где регистрируются, образуя электрический сигнал, пропорциональный парциальному содержа нию B анализируемой среде молекул с массой М. Из числа нестабильных ионов с массами М вЂ” ЛМ и М+ЛМ, долетевших до выхода анализатОра через отверстие в выходной диафрагме,,пройдет только часть ионов, составляющая пример но 1/20 — 1/10 от общего числа нестабильных ионов в том случае, когда диаметр отверстия в выходной диафрагме равен или близок величине 2Ro.
Предмет изобретения
Масс- спекцрометричеокий способ анализа ионов, заключающийся в том, что пучок ионов разделяют в пролетном пространстве поле квадрупольного анализатора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения разрешающей апособности а нализа, разделение ионов производят в пролетном пространстве длиной р уск
L= 19 У ", где j — частота высокочастоту лм ного электрического поля анализатора (Мгц), Vz„— потенциал ускоряющего ионы электрического поля при влете ионов в анализатор
1s (3), ЛМ вЂ” абсолютная разрешающая способность анализа (а.с. м), и выделяют ионы анал изируемой массы с помощью диафрагмы.