Ионно-циклотронный масс-спектрометр

)5 Н 01 3 49/3 И%-; ОСУДАРСТВЕННЫЙО ИЗОБРЕТЕНИЯМРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИЯ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВИДЕТЕЛЬСТ(71) Институт энергетических. проблем химической физики АН СССР(56) Леман Т., Берси М, Спектрометрия ионного циклотронного резонанса. - М.: Мир,1980, с. 13-41,М, МЧап 9, А.О. МапзЬаИ, Ала Сйеп),1989, Ч 61, р, 1288.(54) ИОННЫЙ ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ МАСС- СПЕКТРОМЕТР(57) Использование: в научном приборостроении, а именно в технике масс-спектрометИзобретение относится к технике массспектрометрии и преимущественно используется в областях исследования механизмов и кинетики ионно-молекулярных реакций, прецизионного измерения масс ионов, анализа и идентификации веществ и их смесей,Известны ионно-циклотронные резонансные масс-спектрометры, содержащие измерительную ячейку с боковыми электродами детектирования и возбуждения и двумя задерживающими торцовыми электродами, которые подключены к источнику постоянного напряжения по знаку, совпадающему со знаком исследуемых ионов. В таких масс-спектрометрах функциональные возможности ограничены воэможностью удержания и исследования в измерительрии и преимущественно при исследовании механизмов и кинетики ионно-молекулярных реакций, прецизионном измерении масс ионов, анализе и идентификации веществ и их смесей, Сущность изобретения: торцовые электроды удержания выполнены из двух наружного 1(2) и внутреннего 3(4) параллельно установленных сетчатых электродов на расстоянии меньшем, чем размер элеьгентарной ячейки сетки, и смещенных друг относительно друга на У 2, а между боковыми электродами 7, 8,9, 10 и торцовыми электродами установлены кольцевые электроды 5, 6 удержания, причем кольцевые электроды 5 и 6 и наружные сетчатые электроды 1, 2 удержания соединены с источником опорных напряжений противопо- З ложного знака, а внутренний сетчатый электрод заземлен. 3 ил. ной ячейке одновременно только либо положительных, либо отрицательных ионов.Наиболее близким к предлагаемому является ионна-циклотронный резонансный масс-спектрометр, содержащий измерительную ячейку с источником ионов, боковыми электродами возбуждения и детектирования и составными торцовыми . электродами, каждый иэ которых состоит из двух параллельно установленных наружного и внутреннего, причем внутренние электроды выполнены сетчатйми и заземлены,Однако функциональные возможности устройства ограничены воэможностью удержания в измерительной ячейке только ионов одинаковой полярности, Удержание ионов осуществляется в статических условиях скрещенных электрических и магнитных40 45 50 полей, причем в измерительной ячейке невозможно одновременно удерживать положительные и отрицательные ионы. Функциональные возможности устройства не позволяют исследовать ионно-молекулярные реакции с участием ионов разного знака,Целью изобретения является расширение функциональных возможностей прибора за счет возможности одновременного удержания и исследования ионов разного знака в измерительной ячейке спектрометра,Поставленная цель достигается тем, что в известном ионно-циклотронном резонансном масс-спектрометре, содержащем измерительную ячейку с источником ионов, боковыми электродами возбуждения и детектирования и составными торцовыми электродами, каждый из которых состоит из двух параллельно установленных наружного и внутреннего, причем внутренние элек.троды выполнены сетчатыми и заземлены, между боковыми электродами и торцовыми электродами дополнительно установлены кольцевые электроды удержания, причем кольцевые электроды удержания и наружные торцовые электроды соединены с источниками опорных напряжений противоположного знака.На фиг. 1 показан общий вид предлагаемого устройства; на фиг, 2 - продольное йечение; на фиг, 3 - график распределения потенциала электрического поля 0 вдоль оси измерительной ячейки, где 1 - расстояние между торцовыми сетчатыми электродами, 2 - расстояние между центрами кольцевых электродов удержания,Измерительная ячейка спектрометра содержит: 1, 2 - наружные торцовые электроды; 3, 4 - внутренние торцовые сетчатые электроды; 5, 6 - кольцевые электроды удержания; 7, 8 - боковые электроды возбукдения; 9, 10 - боковые электроды детектирования; 11 - источник ионов; 12, 13 - источники опорных напряжений внутренних кольцевых электродов удержания; 14, 15 - источники опорных напряжений внешних электродов удержания,Устройство работает следующим образом.На наружные торцовые электроды 1, 2 и на кольцевые электроды удержания 5, 6 подают постоянные потенциалы от опорных источников 12 - 15. При этом в измерительной ячейке спектрометра создается конфигурация электрических полей, обеспечивающих удержание как положительных, так и отрицательных ионов, Источник ионов 11 создает жгут положительных и отрицательных ионов в измерительной ячейке спектрометра. Для положительных ионов 5 10 20 25 30 35(при указанной на фиг. 1 полярности опорных напряжений) удержание происходит в центре измерительной ячейки в электрическом поле, аппроксимируемом гиперболоидальным, удержание отрицательных ионов осуществляется в непосредственной близости от торцовых сетчатых электродов вследствие их отражения от сильно неоднородного электрического поля, создаваемого наружным и внутренним торцовыми электродами. боковые электроды возбуждения 7, 8 подключают к генератору переменного радиочастотного напряжения с частотой, равной циклотронной частоте ас исследуемых ионов, для возбуждения их циклотронного движения.В результате действия переменного напряжения в ячейке спектрометра образуется вращающийся жгут ионов, который создает наведенный заряд на боковых электродах детектирования 9, 16, Наведенный ток через дифференциальный усилитель электронной системы поступает в систему обработки данных и представляется в виде масс-спектра ионов. содержащихся в измерительной ячейке спектрометра, при этом пики положительных и отрицательных ионов различны по их положению в масс- спектре, так как они отличаются на величину, соответствующую массе электрона,Расширение функциональных возможностей прибора, т, е, возможности удержания и исследования разноименно заряженных ионов в измерительной ячейке, достигается за счет установки кольцевых электродов удержания, а также их соответствующего подключения к источникам опорного напряжения,Убеганию ионов из измерительной ячейки в поперечном направлении препятствует наличие магнитного поля В, удержание ионов в направлении силовых линий магнитного поля осуществляется за счет создания специального распределения электрического поля (фиг. 3) путем приложения противоположных по полярности опорных напряжений 01 и 02 на торцовые наружные электроды и кольцевые электроды удержания. Области локализации положительных и отрицательных ионов обозначены А 1 и А 2 соответственно. Удержание положительно заряженных ионов происходит в электростатическом поле, создаваемом потенциалом кольцевых электродов удержания 02. Удержание отрицательно заряженных ионов происходит в результате воздействия на них вблизи внутренних торцовых сетчатых электродов силы, направленной к центру ячейки со стороны сильно неоднородного электрического поля и определяемой разностью потенциалов между наружным и внутренним торцовыми электродами.Рассмотрим теперь условия удержания ионов в процессе детектирования, т. е. после того, как их циклотронное движение возбуждено. Положительно заряженные ионы удерживаются в результате гиперболоидального электрического доля, создаваемого кольцевыми электродами удержания 5, б. Отрицательно заряженные ионы вытал киваются гиперболоидальным полем на периферию измерительной ячейки, где они попадают в пространственно неоднородное поле, создаваемое наружным и внутренним торцовыми электродами,.В случае, 15 когда расстояние между наружным и внут-: ренним торцовыми электродами меньше, чем размер элементарной ячейки сетки 1, в серединах элементарных ячеек внутренних сетчатых электродов происходит заметное 20 провисание потенциала, вызванное потенциалом на внешнем сетчатом электроде удержания. В измерительной ячейке на ее периферии конфигурация электрических полей является периодической с периодом 25 1. При вращении отрицательно заряженных ионов с циклотронной частотой вс в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, условиями их удержания будет отражение от периодически повторяющихся областей 30 задерживающего потенциала:Ч 1 ЩР,(1)где Ч 11 - уводящая скорость иона в направлении сетчатых электродов удержания; . - 35 диаметр проволочек сетчатых электродов; Вс- радиус циклотронного вращения ионов,Для типичных величин Чц, соответствующих энергии торцового движения 1 эВ, и циклотронных скоростей Чс = Вс мс. соответствующих энергиям 10-100 эВ, условие удержания (1) заведомо выполняется.Использование изобретения расширит аналитические возможности масс-спектрометрии ионна-циклотронного резонанса по анализу веществ и их смесей вследствие одновременного получения масс-спектра исследуемой смеси как в положительных, так и в отрицательных ионах, а также позволит исследовать малоизученную область ионных и ионно-молекулярных реаций с участием разноименно заряженных ионов. Формула изобретения Ион но-циклотронный масс-спектрометр, содержащий измерительную ячейку с источником ионов, боковыми электродами возбуждения и детектирования и составными торцовыми. электродами, каждый из которых состоит из двух параллельно установленных наружного и внутреннего, причем внутренние электроды выполнены сетчатыми и заземлены, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей прибора за счет одновременного анализа в измерительной ячейке ионов разного знака, между боковыми электродами и торцовыми электродами дополнительно установлены кольцевые электроды удержания, причем кольцевые электроды удержания и наружные торцовые электроды соединены с источниками опорных напряжений противоположного знака.1742901 7 3 Составитель А. МордехайРедактор О, Стенина Техред М.Моргентал Корректор О, Ципле ственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Про акаэ 2290 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва,Ж, Раушская наб., 4/5