Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением

725289 СООЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) (11)1) Н 01 1 49 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВТОРСКОМУ СВИ ЬСТВ СЗ Ь 3 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ П.(НТ СССР(71) Институт ядерной Физики АН КазССР(56) Хай. Ю,Иазз-Брес 1 гощ,топ Ргос. ,1989., чЯ 8, р.21-28,Сысоев А.А.Применение ионных зеркал во времяпролетном масс-спектрометре МСХ. Приборы и техникаэксперимента, 1973 Г 5, с.174-176.Дауменбв Т.Д. и др, Ионно-опти, ческие характеристики времяпролетного зеркального масс-спектрометра. "Изв.АН КазССР. Сер.физ.-мат,".1986 й 2, с.77-78.(57) Изобретение относится к массспектрометрииЦелью изобретенияявляется увеличение светосилы и повышение разрешающей способности засчет обеспечения пространственнойфокусировки, Цель достигается тем,что в устройство введены два бессеточных электростатических зеркала,каждое из которых состоит из электродов 3, 4, 5 и 6, 7, 8 соответствен"но. Электроды зеркал выполнены ввиде пластин, симметрично располо" .женных относительно средней плоскости, а источник 1 и приемник 2 ионоврасположены в бесполевом пространстве между ионными зеркалами, Зерка:ла обеспечивают многократное отражение ионного пакета1 ил.Изобретение относится к масс"спектрометрии, физической электронике и электронной оптике.Известны времяпролетные массспектрометры с многократным отраже-,нием ионного пучка, в которых в качестве отражающих элементов используются электростатические зеркала,составленные из электродов, выполненных в виде диафрагм и трубок илив виде сеток,Зеркала обеспечивают беспрепятственное прохождение ионного пучка,одновременную пространственную фоку" 15сировку и времяпролетную фокусиров"ку по энергии второго порядка. Каждое отражение ионного пучка осуществляется отдельным ионным зеркалом,что усложняет конструкцию прибора инакладывает определенные трудностив юстировке при реализации многократного отражения Многократное отраже"ние может .осуществляться двумя зеркалами. Отражение ионного пучка вних производится электростатическимиеполни, формируемыми сеточными эле ктродами. Проходя сквозь, эти эле"ктроды, ионный пакет теряет частьинтенсивности вследствие Физического перекрытия пучка сетками и егорассеяния на них. Электростатиче. ские зеркала обеспечивают тольковремяпролетную Фокусировку. С цельюввода и вывода ионов обеспечи-вается импульсное питание элек"тродов ионных зеркал, что накладывает дополнительные ограничения начастоту подачи анализируемых пакетов.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсявермяпролетный масс-спектрометр,содержащий источник и приемник ионов 45и два ионных зеркала, обеспечивающих многократное отражение ионногопакета; Электроды каждого из зеркалвыполнены в виде плоских, параллельных одна другой сеток, находящихся под постоянными потенциала"ми. Ионные зеркала расположены пообе стороны от дрейфового.пространства и параллельны между собой.Недостатком известного прибора 55является то, что на пути движенияионного пакета расположены сеточныеэлектроды, которые частично перекрывают ионный поток из-за ограниченной прозрачности и рассеивают его вслед" ствие наличия линзовых эффектов на ячейках сетки. Кроме того, под воз.- действием ионного потока сами сетки заряжаются, что приводит к возникновению неконтролируемых потенциалов, ухудшающих характеристики прибора. Сетки в процессе работы подвержены таким явлениям, как провисание, перекосы, вздутие и так далее, которые также приводят к некон-тролируемому изменению электрического поля Указанные недостатки сетчатых зеркал приводят к уменьшению разрешения и светосилы, причем при многократном отражении и с учетом того, что ионный поток проходит каждую из сеток дважды, ситуация существенно усугубляется и становится непрогнозируемой. Кроме того,отсутствует пространственная фокусировка, что определяет малую егосветосилу.В известном устройстве источник и детектор ионов расположены с двух противоположных сторон пространства, занятого ионными зеркалами и дрейФовыи пространством. Такое расположение исключает возможность изменения числа отражений ионного пакетабез нарушения выбранных начальных параметров ионно-оптической схемы. Это накладывает ограничения на аналитические возможности прибора, так как не позволяет в процессе работы варьировать величины разрешающей способности и светосилы в зависимости отусловий аналитической задачи,Целью изобретения является увеличение светосилы и повышение разрешающей способности путем обеспечения пространственной фокусировки время- пролетного масс-спектрометра с многократным отражением.Во времяпролетном масс-спектрометре с многократным отражением, содержащем источник и детектор ионов идва ионных зеркала, состоящих из электродов, соединенных с источниками постоянного напряжения, каждый из электродов ионных зеркал выполнен в виде пары пластин, симметрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости, причем источник и приемник ионов распо89 обеспечивает в плоскости детектораионов как пространственную, так ивремяпролетную фокусировку, Однако впредлагаемом устройстве два подобных зеркала используются для многократного отражения ионных пакетовво времяпролетном масс-спектрометре,причем электроды того и другого зер"кала определенным образом ориентированы один относительно другогоони имеют общую плоскость симметрии.Вследствие указанного появляетсяновое свойство, приводящее к увеличению разрешающей способности времяпролетного масс-спектрометра (специфическое расположение электродовобоих зеркал).На чертеже представлена аналитическая часть времяпролетного массспектрометра с многократным отражением, общий вид,Масс-спектрометр содержит источник 1 ионов, приемник 2 ионов, дваидентичных ионных зеркала, каждоеиз которых состоит из электродов3-5 и 6-8 соответственно. Каждый эле-.ктрод состоит из двух пластин д ипараллельных между собой, находящихся под одинаковым потенциалом ирасположенных симметрично относительно общей для обоих зеркал среднейплоскости хз, в которой находятсяцентры выходного и входного окон источника и приемника ионов. Пунктирнойлинией показана траектория движенияионного пакета при многократном отражении. Центры входного и выходногоокон источника и приемника ионов находятся на линии СС пересечениясвзаимно перпендикулярных плоскостейсимметрии ионных зеркал (плоскостихг и ху),Масс-спектрометр работает следующим образом,Ионный пакет, вылетевший из источника ионов по направлению к одному из зеркал, отражается в нем и попадает в другое зеркало, отразившись вГ котором, снова попадает в поле первого зеркала и т.д. В процессе дрейфа ионный пакет расслаивается по массам и, отразившись многократнов поле ионных зеркал, попадает вприемное окно детектора, При этом дисперсия прибора равна 517252 ложены в свободном от поля пространстве между ионными зеркалами.Указанные зеркала создают свобод- ный для прохождения ионов ионно-оптический тракт. При этом полностью5 устраняются такие характерные для се" точных зеркал потери разрешения и чувствительности, которые связаны с ,перекрытием пучка, а также с возникновением неконтролируемых зарядовПри этом при определенных соотношениях потенциалов на электродах таких зеркал наряду с времяпролетной мож" . но обеспечить и пространственную 15 Фокусировку ионов на детектор, что устраняет указанный недостаток известного устройства и приводит к повышению по сравнению с известным разрешающей способности и светосилы во, 20 времяпролетном масс-спектрометре с многократным. отражением.Расположение источника и детектора ионов в бесполевом пространстве между зеркалами обеспечивает возможность изменения числа отражений без нарушения выбранных начальных ,параметров ионна-оптической схемы и качества пространственно-временной фокусировки из-за возможности обеспечения пространственно-временной Фокусировки при каждом отражении (многократная Фокусировка), что расширяет аналитические возможности прибора, так как позволяет в процессе работы простым перемещением источни ка или детектора ионов варьировать величины разрешающей способности и светосилы в зависимости от условий 40 аналитической задачи.Времяпролетный масс-спектрометр с многократным отражением отличает" ся тем, что каждый из электродов ионных зеркал выполнены в виде пары45 пластин, симметрично расположенных относительно общей для обоих зеркал средней плоскости, причем источник и .детектор ионов расположены в свободном от поля пространстве между .50 ионными зеркалами.Известно использование для однократного отражения во времяпролетном масс-спектрометре одного ионного . зеркала, составленного из электро. дов, выполненных в виде пары пластин, симметрично расположенных относи" тельно средней плоскости, котороЕЭТВ=1 сшдшгде Т - время прохождения ионами5участка пути, ограниченного плоскостью ху,ш - масса иона,- число отражений в ионныхзеркалах. 10Положение источника и приемника ионов выбрано так, что плоскость ху,в которой лежат центры входного и15 .выходного окон источника и приемни, ка, совпадает с главной плоскостьювремяпролетной Фокусировки, в кото"ЭТрой -- = О, причем специальным выЭ20 бором геометрических и электрицеских параметров ионных зеркал здесь жеобеспечивается одновременно время- пролетная Фокусировка по энергии3 Т 25второго порядка= 0 и простЯЯранственная Фокусировка = 0Э ион,ого пучка в направлении, перпендикулярном к средней плоскости хз, где Я - начальный разброс энергий в пакете относительно средней энер" гии,- начальный угол расходимости ионного пакета в плоскости уя.При этом разрешающая способность равнаТ к - Е ------- . д(Ь Е+ ТАЛЕ где 6 с - начальная длительность импульса,40с - времяпролетная аберрациятретьего порядка малостипо энергии при однократном отражении,Величина К увеличивается с,ростомчисла отражений до тех пор, пока величина К Ьс мала по сравнениюсПеремещение источника или детектора ионов в направлении оси. х поз"воляет использовать масс-спектрометрс различным числом отражений при сохранении выбранных начальных параметров его ионно-оптической схемы, причем качество пространственно"времен"ной фокусировки не нарушается. Этимобеспечивается работа при повышенныхразрешении или светосиле в зависимости ат условий поставленной аналитичечскои задачи, т.е. расширяются анапитицеские возможности прибора.Параметры ионно-оптицеской схемы,. при которых реализуется пространственно-временная фокусировка, находятся решением уравнений движенияс учетом распределения потенциала всредней плоскости ионных зеркал+ .- (Ч - 7, ) асеЦи наложения условий 31 3(д( )о ф ист Ает фгде 7, Ч, 7 (или соответственноЧ, Ч) - потенциалы на электродах 3-5 (или6-8);й - расстояние междупластинами каждогоэлектрода 1Би е з (или.кто и я ) - координаты середины межэлектродныхщелей,- время пролета ионовс произвольной энергией участка пути,ограниченного плоскостью хуя и з - координаты выходного и входного оконисточника и приемника ионов,Например, прибор содержит трехэлек.тродное зеркало со следующими парамет., рами: размер электродов 3 и 5 (6 и 8) в направлении оси з не менее 3 д,размер электрода ч(.7) - 0,830, расстояние от плоскости ху до параллельной ей плоскости, проходящей церез , центр щели между электродами 3 и 4 (Уи 8)йравно 5,676. Зазор. между электродамисоставляет 0,1 д.1725289 10 по сравнению с известным вследствиеотсутствия сеток на пути движенияионного пакета и наличия простран"ственной фокусировки светосила прибора увеличивается в 10-20 раз. Одновременно расширяются аналитическиевозможности прибора. Значения потенциалов на электродах, выраженные в относительных единицах,. равны Чз Ча Ч Ч- = -0,546; - = -. = О,формула изобретения 1 г1 Составитель Л.Секунова Техред М,Дидык Корректор М.Самборская Редактор И.йуллаетттитавеети тт веющам щ Щ Заказ 1180 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5Производственно-издательский комбннат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10 Ъ Ч 6Чб Чо1 О где еЧд - средняя энергия монов в пакете,е - заряд иона.Выбор размера электродов в направлении оси х зависит от максималь" 15 но задаваемого числа отражеНий и угла наклона траектории ионов к оси в в момент вылета их из источника в проекции на среднюю плоскость. В конкретном приборе при пятикратном отражении и угле падения а 3 этот , размер равен 8 ай.Предлагаемый масс-спектрометр несложен в исполнении, его детали и. узлы технологичны. В нем осуществля- . ется двойная фокусировка ионного пучка: по времени пролета (с точностью до аберраций второго порядка малости),и пространственная фокуси" ровка в одном направлении. При этом Времяпролетный масс-спектрометрс многократным отражением, содержащий источник и детектор Ионов и дваионйых зеркала, состоящих из элек-,тродов, соединенных с источником постоянного Напряжения, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью увеличения светосилы и повышения разрешающей сйособности путем обеспечения пространственной фокусировки,каждый из электродов ионных зеркал".выполнен в виде пары пластин, симметрично расположенных относительнообщей для обоих зеркал средней плоскости, причем источник и приемникионов расположены в свободном от(:поля пространстве между ионными зер"калами,