Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре

(я)5 Н 01,1 49(40 ГОСУДИРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ левом промежутке. 4 ил К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Самарский авиационный институт им. С,П. Королева(56) Сысоев.А.АЧупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию - М 1977ЖТФ, 1985, т.55, М 5, с.905 - 906, (54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАССОВОЙ ЛИНИИ ИОНОВ ВО ВРЕМЯПРОЛЕТНОМ МАСС-СПЕКТРОМЕТРЕ(57) Изобретение, относится к приборостроениюсредствавтоматиэацииисистем управления, в частности к технике масс-спектрометрии. Целью изобретения является уменьшение.Б.О., 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(Б;)У), импульсный усилитель 8, осциллограф 9, 303 аземленная сетка 2 расположена ме:к,пу ускоря(ощей сеткой 3 и приемником 7.ио:(ов, Поток электронов из электроннойпу)к(создает плоскость иониэации В ксто нике ионов; расположенную между ускоря ощей 3 и заземленной 2 сетками,Отхлоня(ошие пластины 6 раст)сложены вбспОлевом простГ)днстве (олизи сетки 2пе;)Г)ендикп)яро плоскости сетки 2,Выход синхронизации Генера)30(ОЗ 4 вытз)(кива(0)щих импупьсов соединен с входами синхронизации зл( ктронной пушки 1,Ге 8)Зторд 5 Отк/(Оняго щ(лх имт)уьсов, Ос"ци.(Г 3 грдф( ь, 3 ВтОГ)ОЙ ыход т(одкл(оче( кускоряюшй сйтки,), ПГ)и(;мник 7 ионов ч 8- 45рез импульсный усилитель Ясоеди-)ен с в);одом осцилпо рафа ,Генератар ВЫтдпклВЗЮщик ИМПУЛЬСОВфи.4) состоит иэ кварцевого резонатораО, (енерзгорз 11 запуска(ощих и(лпульспв, 50ГеВОЗТОрс 12, с(етчикз 13 Вреь(ени, ПЗУ 14,Ц,(Г 15, сче 3 чикз 16 масс, перемномителя17, Вь(ходного усилителя 18,Генератор 11 запускных импульсов О(3, -соединен к входу запуска счетчика 13 эреК 18 ни, к е(ходу ("(стчикз6 )ласс и к Вы)хДусинхронизации г(.,Оргггорз 4, Вытзлкивд(Ощих муг(ь(;О, Кодзцель(й резонатор (Оп(15(: пн)чсч к (Г)нер:т(0у 2 Выход кот 030 ГОсред(8(тО с(ым Входом ;че( .)к-., (3, тогда(1Ъ 12 =-,(г) (т ) (1 т + Чо, (2)0где Ч 12 - скорость вылета В бесполегоеи ространсво;т 1- момент вылета иона В бесполевоеПРОСТРЗНСТВО,Время т Опред(;)яется иэ урзвнеия(5) Выход с )т (икд (3 с81 Он с КОДОР 1 ПБУ 1 4, ( ь х и д к О т 0 Г) ОО и Г) д к и н)е и к (3 ь- ходу 3)ЛГ 5. Быход ЦА( 15 ( одкпючен к первом Входу, а выход Г четника 16 Р)дсс - к второму ВХОДУ перем ноя(ител Я 17, Б ыхОД перемножителя 17 подсоединен к входу усит(ителя 18, 5)ь(хОД которого ЯВЛЯетсЯ функциональным выхОДОм Генератора 4,Имт)уьсь)(ли с Ге)(ВГ)зторд 11 запускается счетчик 13, которь(й подсчитывает импульсы с гет ератора 12, чдс Гота которых определяется кварцевым резонатором 10. При этОм перебирд(отсЯ Все ЯчеЙки Г 13 У, В которых заг(исаны отсчеты сигР ала, который необходимо сформировать в заданные моменты времени, Коды поступа,от на ЦАП, который прсобразует их в аналоговый сигнал, представля(ощий собой ступенчатую функцию (л поступд(ощий нд (Зход умножителя 17 (коэффициент умножения пропорционален коду счетчика мосс и равен номеру Рлассы), 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 скоро- СтяМИ Чо%р, ГДЕ %о - ГРаНИЧНаЯ СКОРОСТЬ ионов, т,е. скорость ионов, пролета)ощих ускоряк)щий промежуток 01 за Время 10,В предлагаемом способе обеспечивается тем, что ионы, имеющие большую начальную скорость, вылета(от в бесполевое прас гранство со скорОст 5(ми (/12, меньшими, чем иОны, имею(цими меньшую начальную скорость.Воеменную зависимость Е(т) находдт из уравнений движения ионов в переменноРл поле и условия изохронности пролета ионов до приемника ионовс Е (,т)1 го :, 111 (4)11 ( 111 )Гоот цпшение(4) дает искомый закан ускорения, з значит, и временную зависимость для импульса электрического поля, Поскольку при 1 л=О чч(0) оо,то для физической реализации данного способа ускорения ионов в течение времени со ускорение чго необходимо брать постоянным, а затем с 1 ломентэ времени 1-,о изменять ускорение чч(ц в соответствии с законом,Ионы, вылета 1 о 1 цие в беспалевое прастрзнгтво раньше времени 1 с, будут отклоняться поперечным пслем Е 1 в поперечном направлении и не будут участвовать в формировании массовой линии времяпролстнаго масс-спектрометра, Таким образом, в отличие от известного способа формирования массовой линии в предлагаемом способе в формировании массовой линии участвуют все ионы с начальными скоростями Чо Чгр, где Чгр - граничная скорость фокусирования, з ионы со скоростями ЧоОгр. 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 во времяпролетном масс-спектрометре, кроме уменьшений временной дисперсии массовой линии, принципиально важно, чтобы в формировании ее не участвовали ионы с другой массой гп 1,Можно доказать, чта предлагаемый способ формирования массовой линии удовлетворяет этому условию,Пусть выталкивающий импульс Е(т) настроен нз ионы с массой птд. Тогда уравнение движения для иона с массой птгпд будет иметь вид, гпХ=г 1 Е(г; гпг), (5) гдеЕо, 0 11 о, то т Тгг.а (Тд - т)Начальные условия: при 1=0, Х(0)=-.0, Ч(0)=-ЧОИнтегрируя уравнение движения (5) ивыражая ЧО через т 1(момент вылета в бесг 1 олевае пространство са скоростью Ч 12), можно получлть выражение для скорости Ч 12 кэк функцию 1гпд чо(огп 2 тО - го т, - г 11(8) БаЗОВОЕ ВрЕМя Прапатэ ТГГ дпо ИэакрЕНной массы гп.г определяетсц соотношениглг,112Гд = 1 о 4- - .- --- -, 1 б)1 01 хого5 1, 2Таким образом, время пролета Т ионовс массой г 1 будет равно1 1 11(7)гп д гп д 11 1 12п 1 ) гп (Гд - т 1)Тэк как время г 1 зависит от начальнойскорости Чо. т,е. т;=-т 1 (Чо), та из выражения(2) слеДУет, чго ДлЯ ионов с массой птпг 1- ТТр, и наоборот, при пт=гп,4 Т=Т 1,Можно показать. что для ионов с массойгпФ 1 п. время пролета Т Тр.Ионы с массой гппт, которые вылетают в" беспалевое пространство" в течениевремени 1 О, будут отклоняться от продольного направления поперечным. полем Е действующим в течение этого времени, в приемникионов не попадут, а значит, не будут принимать участие в формировании массовой линии во времяпролетнам масс-спектрометре.Изменяя параметры выталкивающегоимпульса электрического поля Е(т), можноформировать массовые линии с разной массой т. Параметры то, Ео влияют на величину80 граничной скорости Чгр временной фокусираеки, тзк кзк101 гп гоЧгр= - Ео - , -Со 2 яПри увеличении длительности со граничная скорость Чгр уменьшается.При увеличении начальной напряженности Ес граничная скорость Чгр такжеуменьшается. Характерной особенностьювременной зависимости выталкивающего40 импульса Е=-.Е(1) является скачек в моментт=.о. Величина скачка ЛЕ=Е(то)-Ее. Если ЛЕ=О(условие непрерывности в момент 1=со),тограничная скоростьО45 Т - г )гТаким образам если функцию Е(т) реализовать непрерывным способом, то область фокусирования ионов сдвигается вобласть отрицательных скоростей.В качестве конкретного примерэ, реализующего предложенный способ, использовался времяпоолетный масс-спектрометрса следующими параметрами; 1 о 1=1 сгл;1 оз=2 см; 112=9 см; со=10 мкс; Ту=.100 мкс, Ео - -0Закон изменения напряжения выталкивэюще 1 о импульса имеет вид0,0 тто112 тд 11 з гпг( Гд - )16121005 ОСто 1 РА Тт. Т - т ) 1 Г 1) Е(т) = 1 д Л; (1 тмньй нмер иона с 1-й массойа,е,11 1 т 1 Н - ЭТОМНЭЯ ЕДИНИЦЭ МЭССВ 1,ЗЭРЯД ИОН 2,Ппдг;тавляя выбранное значения параметров масс-сгектрометра, получим дл 5 иона водорода Ото).=3,46 В, для иона с Л 1=100 а.е.м. О(то):346 В, При этом точка расположения массовой линии на временной оси будет также равна Т 1 оо = 10 мкс,Формирование массовой линии во времяпролетном масс-спектрометре осуществляется следующим образом,В источнике 1 ионов потоком электронов ЬЧ образуемых в течение короткого времени ,0,05-0,1 мс), ионизацией атомов создакт ионь 1 в узкой зоне (1 - 2 мм) в плоскости Х.О, Ионы, имеющие начальную скоро. сть 30, ускоряют с помощью вытал кивающего импульса, который подается на сетки 2-3 с генератора выталкивающих импульсов, вы. рабэть 1 вающего импульс О(т) в соответствии с законом изменения его напряжения во времеи, предложенным в предлагаемом спогобе формирования массовой линии во время и рол етном масс-спектро метрефиг,2),Ионы, вылетевшие в бесполевое пространство, в течение времени от нуля до 10 отклоняют поперечным полем Е, которое создается генератором 5 отклоняющих им ульсов при подаче импульса нэ отклоняющие 1 лэстины 6. Стклон 5 юциЙ импульс имеет прямоугольную форму, амплитуду 200 В и длительность то,Причем 12 приемник 7 ионов прих эдит в расчетное время только заданная масса, т,е. массовая линия содержит одну массу, все другие массы приходят раньше или позж 2 по воемени. Ионный импульс исследуемой массы усиливается импульсным усилителем 8 и регистрируется осциллографом 9, Для исследования другой массовой линии необходимо изменить амплитуду выталкиваощего импульса, причем зависимость ее от номера массы ионов является линейной.Использование предлагаемого сг 1 особэ Формирования массовой линии во времяпролетном лэсс-спектрометре позгюляет по сра 211 енио с существуощими повысить ра- решение по массе независимо от ее номера и дисперсии 1 ачальных скоростей ионов, что невозможно достичь ни Одним из известных спосг бог Фоусировэния массовой линии,Другим достои 1 ством предлагаемого спссоба Формирования массовой линии во вр;,- мяпролетном масс-спектрометре является возмгжост сжатия диапазона изменения НЭП)ЧЖЕ 1111 Я 1 ф За Сгвт ДОГ 1 ОЛНИТЕЛЬНОГО ИЗМЕРЕЧИЯ 1 гЕМЕНЛ Т СОЬЧИЕСтНО С аМПЛИтУДОй Цтг),;тг ВЬ 1 Г.;КЭЕт ГЗ СООГ 11 ошвния Где12 13 Пн . 25 Р= -Т, В: С;2С 1 ТнТ, - положение массовой линии ионовводорода Н,С;Гп- масса атома водорода, кт,При выбранных параметрах масс-спектрометра О(10)=346 ВТаким образом, развертыьание масс вданном масс-спектрометре можно осуществить следующим образом.В диапазоне масс А 1=-1-100 а.е,м,Отог-.3,46-346 В; ТД 1=10 мкс = сопвт; Го=-1 мкс, Вдиапазоне масс А 1=100-10000 а.е,м, О(то 346В=сапы, ТДГ = Тн ъА; 11 = Тг 4/10,так что20ТД 1=10-1000 мкс; то=1-100 мкс. формула изобретенияСпособ Формирования массовой линииионов во времяпролетном масс-спектро метре, включэгоший ионизацию атомов в источнике ионов. ускорение ионов с помощью выталкивающего импульса однородного электрического поля, дрейф ионов в бесполевом пространстве и регистрацию ионов в 30 приемнике ионов, о т л и ч э о щ и й с я тем, что, с целью уменьшения временной дисперсии массовой линии, ионы ускоряют выталкивающим импульсом электрического поля, временная зависимость которого имеет вид 35 Е, 0 тт, т тТЧ 1(Т -т)параметры Е, то связаны соотношениями 40 . 12 о Т=т+ 01 о Ео то то 2 п 2 01 ц Ео то Чгр - " 2 гп 45 гче Ег, - напряженность электрического по ГГ 5, В/м; п- масса иона, кг;з- заряд иона, К;Т - точка расположения массовой линии на временной оси, с;112- длина бесполевого пространства, м;1 о 1- расстояние от области ионизации до бесполевого пространства, м;то- длительность, в течение которой напряженность поля постоянна во времени,с;Чгр - СКОРОСТЬ ИОНа, ПРОЛЕтаЮЩЕГО УС- коря 1 ощий промежуток Г 1 за время т, (м(с). характеризующая максимэльну 1 о энергию Фокусируемх ионов. и в бесполевом пр стрлнстве отклоняют поперечным полем все ионы вылеернл 1 ,; , 1 г 111 л,ме+:7 п ка за время 1 фОГ 4Составитель В. Кащееведактор А. Маковская Техред М.Моргентэл Корректор А.О ен роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 10 з 3932 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5