Квадрупольный масс-спектрометр

.Могильчен ко, С,С.Сиков, Н.Н.Коблев О м Ь ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(57) Использование: изобретение относится к масс-спектрометрии и предназначено для масс-анализа ионов с высокой разрешающей способностью ( Ь т0,001 а.е,м,). Сущность изобретения; квадрупольный фильтр 2 снабжен дополнительным электродом 5, размещенным посередине между соседними электродами фильтра 2 на линии, соединяющей их центры. На электрод 5 с генератора 6 подается импульсное напряжение, в результате чего происходит периодическая модуляция потенциала оси фильтра, смещение ионов от оси, увеличение амплитуды их начальных колебаний, уменьшение времени сортировки и соответственно повышение разрешающей способности, 1 з.п.ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к масс-спектрометрии и предназначено для разделения массовых пиков с разностью масс Ьщ 5 0,001 а,е.м,Цель изобретения - повышение разрешающей способности.На фиг.1 схематически изображен заявляемый масс-спектрометр, содержащий: 1 - источник ионов, 2 - квадрупольный фильтр, 3 - дополнительный электрод, 4 - высокочастотный генератор, формирующий питающие напряжения вида + ( О + Ч сов в т ); 5 - , импульсный генератор, 6 - коллектор (детектор) ионов, 7 - система регистрации,На фиг. 2 показана электродная структура предлагаемого КМС; 1 - траектория иона без периодического смещения, 2 - траектория иона с поперечным смещением, 3 - основные электроды КФМ, на которые подают питающие напряжения вида - (О+ + асов в 1),4-дополнительный электрод выполненный в форме пластины и располагаемый вдоль прямойлинии у=х нулевого потенциала р = 0; го - радиус окружности, вписанной между вершинами электродов 3; В - расстояние от оси 2, на котором располагается дополнительный электрод 4; и толщина эл:ктрода, 5 - экран.На фиг. 3 приведена структура плотности распределения ионов в приосевой области КФМ для промежуточной области стабильности при относительной полосе пропускания цм/ Ьц=200, Цифрами отмечены изолинии равной плотности, усредненные за период ВЧ-поля,На фиг, 4 показана форма импульсного напряжения, подаваемого на дополнительный электрод 4: т - длительность импульса напряжения величиной Оо, ю - частота следования импульсов.Предлагаемое устройство основывается на следующих положениях.Разделение ионов с близкими массами щ 1 и в 2 (т 2 - т 10,01 а,е,м,) происходит в узкой полосе Ь ц параметра ц= 4 е 1//т в го (е/т - удельный заряд иона, Ч -2 2амплитуда высокочастотного напряжения, в = 2 й 1 - круговая частота). В результате этого эффективная апертура КФМ мала и ионы совершают колебания в приосевой области, являющейся областью их наиболее вероятного нахождения (фиг. 3), Условие пропускания КФМ ионов массой щ 1 соответствует колебаниям с конечной амплитудой, в результате чего они достигают детектора 6 (фиг. 1). Удаляемые ионы щ 2 соответствуют условиям движения вне зоны стабильности параметров - а, о, в результате чего они совершают колебания с нараста ющей амплитудой и попадают на стержни фильтра. Однако для их удаления требуется значительное время порядка 40 - 60 периодов ВЧ поля /5/, причем чем ближе их начальное положение к оси 2 фильтра, тем требуется большее время, В пределе ион с массой а 2, движущийся вдоль оси 2, попадает на детектор, Это приводит к ограничению разрешающей способности конечностью длины электродов КФМ,Учитывая указанные обстоятельства, предлагается периодически смещать ионы с оси Е в радиальном направлении на величину Ь г=(0,01 - 0,001)го путем создания напряженности поля в приосевой области с помощью дополнительного электрода 4. Указанная величина смещения Лг соответствует условиям, когда анализируемые ионы массой в 1 при их смещении не увеличат свою амплитуду свыше го, т,е. попадут на коллектор 6 (фиг. 1). В то же время удаляемые ионы массой в 2 получают начальные смещения Ьг с оси и для их попадания на электроды потребуется меньшее время, т.е. устраняется ограничение, вызываемое конечностью длины электродов фильтра,Для оценки требуемой величины напряженности поля Е на оси Е и времени его действия исходим из следующих упрощающих предположений, Время т мало, начальные радиальные скорости иона равны нулю,В результате получим 35 Напряженность поля Е на оси Е равна нулю.Для создания поля Е на оси Е предлагается использовать дополнительный электрод 4, который выполнен в форме пластины (предпочтительный вариант) и располагается в области нулевого потенциала, определяемого прямыми у= . х, как это показано на фиг. 2, чтобы наличие дополнительного электрода не влияло на основное поле, создаваемое электродами 3 КФМ (рис. 2), Электрод 4 не будет оказывать существенного влияния, если он расположен от оси Е на расстоянии большем, чем го. Однако если электрод 4 удален на значительные расстояния от оси Е, то это требует значительных амплитуд Оо импульсного напряжения, прикладываемого к дополнительному электроду 4, Поэтому предпочтительным расстоянием Й от оси 2 расположения электрода 4 является радиус вписанной окружности го между центрами кривизны основных электродов 3 КФМ, как 40 45 50 55 5 10 15 20 25 30 Е (0,01 - 0,001)(2) где К=0,1 - коэффициент, учитывающий гебметрический фактор.Длительность импульса т выбирается 15 Из условия, чтобы при смещающем воздейфвии поля с напряженностью Е возможно неменьшее число ионов при входе в КФМ г 1 одвергалось его воздействию, а стабильные ионы не испытывали существенного 20 смещения от оси, т.е. тТ, где Т= 1 Л - период ВЧ-поля. Из теоретических возможйостей(Т1 МКС) выбираем т =(0,1 - 1)Т с учетом того, что уменьшение г требует увеличения Е и, следовательно, Оо. Исполь зуя найденное время т и выражения (1) и (2), находим, что(3) 30 С учетом определения параметра а /1/,равного: 35(4) 8 еОа 4 дг 1 г 3 находим с помощью(3) и (4) связь между Оои О ввиде: 40Оо Ж (0,1 - 0,01)О,(5) где О - величина постоянного напряжения,прикладываемого к электродам КФМ, 45Периодичностьсмещения ионов с оси 7,т,1 е. частота следования импульсов возмуающего поля, создаваемого дополнительн м электродом 4 (фиг. 2), выбирается изу ловия, чтобы каждый ион, проходящий чер 3 анализатор, испытал хотя бы одно ими льсное отклонение, что соответствуети риоду То=1/ ю, равному времени пролет ионами фильтра,Время пролета То ионами КФМ определем из условия максимума пропускания,достигаемого при прохождении ионамикраевого поля размером го за время п 1. Т." это показано на фиг. 2. Кроме того, толщинай электрода 4 должна быть очень малой, т.е.6го/10,Оценка требуемой величины напряженияОо, прикладываемого к дополнительному 5электроду 4, проведенная в предположенииНаличия заземленного экрана 5 и без учетавлияния электродов 3 дает:Оптимум п 1 й(0,8 - 2)Т /5/, откуда находим,1 п 1 Тчто То=, где- длина электродов,гоКак следует из формулы (1), уменьшение Е или Оо приводит к уменьшению смещения Л г, поэтому возможно с уменьшением величины Е увеличить количество импульсов (т,е. ю - частоту их следования) с достижением положительного эффекта, т,е,= (1 - -10) 1/То(6) м =(1-10) Предлагаемое устройство работает следующим образом, На электроды 3 КФМ подают питающие напряжения вида + (О+ + М сов а т), Из источника 1 осуществляется непрерывный ввод ионов в КФМ, На дополнительный электрод 4, выполненный в форме тонкой пластины, плоскость которой расположена в плоскости, проходящей через ось 2 и одну из прямых у= ч х, подают периодическое импульсное напряжение с длительностью т = (0,1 - 1)Т, частотой (1 - 10) и амплитудой (0,01 - 0,1)О. Из ука 1 Тгозанных пределов изменения параметров т, Р Оо подбирают оптимальные величины экопериментально путем изменения Оо или ю таким образом, чтобы достичь максимальной чувствительности и обеспечения абсолютной разрешающей способности Лгп 0,001 а.е,м. Достижение Л щ0,001 а,е.м. предпочтительно в режиме сепарации промежуточной области /6/.В результате периодической дестабилизации ионов с оси фильтра удаляемые ионы покидают область сепарации за меньшее время и тем самым устраняется ограничение, вызванное конечностью длины анализатора,Ионы выделенной массы щ 1 также подвергаются кратковременному воздействию поля, создаваемого дополнительным электродом, но увеличивают свою амплитуду на величину, меньшую и попадают на коллектор 6, а далее сигнал поступает на систему регистрации 7.Использование предлагаемого КМС позволит разделить интерферирующие массы ионов при изотопном анализе водорода в установках типа "ТОКОМАК", в масс-спектрометрии вторичных ионов при анализе поверхности полупроводниковых материалов, газовом анализе.Формула изобретения 1. Квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, квадруполь 1803942ный фильтр масс, электроды которого подключены к высокочастотному генератору с устройством формирования постоянных напряжений, коллектор ионов и устройство регистрации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности, он снабжен генератором импульсов и дополнительным электродом, размещенным посередине между соседними электродами квадрупольного фильтра масс на расстоянии Я(м) от его оси, удовлетворяющем условию;гВд Згс,где г - радиус окружности, м, вписанной между электродами квадрупольного фильтра и генератором импульсов, выход которого подключен к дополнительному электроду с выходной амплитудой О, длительностью импульсов т и частотой следования импульсов м, удовлетворяющими следующим условиямО =(0,01 - 0,1)О;5т = (0,1 - 1)Т;У = (1-10)го 1а Т10где О - величина постоянного напряжения на электродах квадрупольного фильтра,В;а - длина электродов квадрупольногофильтра, м;15 Т - период высокочастотного напряжения, с.2. Квадрупольный масс-спектрометр поп,1,отличающийся тем,что дополнительный электрод выполнен в виде 20 плоской пластины с поперечным размеромЬ0,1 го,м