Времяпролетный масс-спектрометр

ТЕНИ ОПИС К ПАТЕНТУ ИЕ 1 сГ фея2мн асп 2ионный институт х- ;ь мнтет Российской Федерации патентам н товарным знакам(Я) ЗРЕМЯПРОЛЕТНЬ емкин НД; Колесников О.Ю.Александрович; Семкин Нисников Олег Юрьевичй МАСС-СПЕКТРОМЕТР(57) Использование: в приборостроени, средствах автоматизации и системах управления, в технике масс-оектрометрии. Сущность: времялролетный масс-спектрометр содержит источник ионов 1, сет(В) 3 Ж (11) 2003199 С 1(51) 5 Н 01 3 49 46 чатые электроды 2 - 5, прие ик ионов 6, р оложенные осесимметрично в корпусе 7. Сетчатые электроды 2 - 5 подключены к генераторам нелинейных напряжений 8 - 11, входы их соединены с блоком управления 12, Приемник ионов б соединен с первым входом блока обработки спектра масс 13, а выход его соединен с входом блока управления 12. Еще один выход блока управления Ф 2 соединен с вторым входом блока обработки спектра масс 13, Спектрометр позволяет повысить разрешающую способность по массе за счет динамической компенсации начального разброса ионов источника по координате и времени вылета 2 ил.Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к технике масс-спектрометрии,Известен времяпролетный масс-спектрометр, содержащий ионный источник, ускоряющие сетки выталкивающего промежутка, генератор выталкивающих импульсов, приемник ионов.Недостатком его является низкая разрешающая способность по массе.Наиболее близким по технической сущности к заявляемому масс-спектрометру является выбранный в качестве прототипа .времяпролетный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, камеру дрейфа, детектор и двухзазорный отражатель ионов, состоящий из последовательно расположенных, параллельных друг другу сетчатых электродов, причем электроды подключены к источнику питания через делитель напряжения, состоящий из резисторов,Недостатком данного времяпролетного масс-спектрометра является недостаточно высокая разрешающая способность по массе вследствие того, что она определяется, в основном, длиной пролетной базы, ускоряющим напряжением и величинами начального разброса ионов по скоростям, координатам и моментам вылета.Целью изобретения является повышение разрешающей способности масс-спектрометра по массе за счет динамической компенсации начального разброса ионов источника по координате и времени вылета,Указанная цель достигается тем, что во времяпролетном масс-спектрометре, содержащем корпус и расположенные в нем симметрично относительно оси масс-спектрометра источник ионов, сетчатые электроды, приемник ионов, счетные электроды подключены к генераторам нелинейных напряжений, входы которых соединены с выходами. блока управления. Приемник ионов соединен с первым входом блока обработкиспектра масс, а выход его соединен с входом блока управления. еще один выход которого соединен со вторым входом блока обработки,Сопоставительный анализ, с прототипом показывает, что предлагаемый массспектрометр содержит новые блоки - управляемые генераторы нелинейных напряжений, подключенные к сетчатым электродам, что говорит о соответствии его критерию изобретения новизна", Сравнение же его с другими техническими решениями в данной области техники говорит о соответствии его и критерию изобретения"существенные отличия", т,к. при этом не были выявлены технические решения, содержащие признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа.5 На фиг.1 представлена схема времяпролетного масс-спектрометра; на фиг,2 - временные диаграммы, изменения нап ряжений, поясняющие его работу.Времяпролетный масс-спектрометр со держит источник ионов 1, сетчатые электроды 2-5, приемник ионов б, расположенные симметрично оси в корпусе 7, Сетчатые электроды 2 - 5 подключены к генераторам нелинейных напряжений 8-11, входы кото рых соединены с блоком управления 12.Приемник ионов б соединен с первым входом блока обработки спектра масс 13, а выход его соединен с входом блока управления 12. Еще один выход блока уп равления 12 соединен с вторым входомблока обработки спектра масс 13, Источник ионов 1 содержит электронную пушку (не показана), которая создает зону ионизации шириной ЛХ и длительностью то под воз действием запускающего импульса от блокауправления 12.Устройство работает в двух режимахстатическом (грубый отсчет) и динамическом (точный Отсчет),30 В статическом режиме по команде сблока управления 12 генераторы 8 - 11 устанавливают постоянные потенциалы на сетчатых электродах 2-5 масс - спектрометра.Ионь 1, вылетающие из источника 1, ускоря ются в промежутках бх, д и, пройдя участкилинейного зеркала о 1 и 112, возвращаются в приемник ионов 6 (траектория иона аЬсбеГ - фиг,1).В этом режиме при длине конструкции "0 порядка 20 - 25 см можно получить разрешающую способность не более 100-300, Далее, полученный спектр масс анализируется в блоке обработки 13 следующим образом: массовые линии, которые четко генерируют ся (длительность которых, например, непревышает заданной величины), обрабатываются и заносятся в выходной регистр блока обработки 13, Сомнительные же участки спектра-импульсы с длительностями. пре.выаающими заданную, фиксируются в запоминающем устройстве блока обработки 13 путем занесения кодов, соответствующих временным положениям передних фронтов этих импульсов,55 Далее блок управления 12 переводитсистему в динамический режим - режим точного отсчета. При этом из блока обработки 13 передается информация в блок управления 12 о каждом сомнительном поддиапазоне масс (последовательно воС учетом сказанного, время пролетатраектории асб 1 ионом с массой и) равно; Т=ь 1+ ьь+ ъфьь е 2 а, О, )атгде 11. - время пролета участка аб (о 1) поддействием упр. поля а,чь= ч /аг(с) б 1 (2)ат - ускорение иона на участке 0 привозврате иона,ч - скорость на выходе ускоряющегопромежутка ба,50 55 времени) и каждый раз включается источник ионов 1. В динамическом режиме обеспечивается обработка задаваемых блоком управления 12 диапазонов масс с разрешающей способностью на 1 - 2 порядка более высокой, чем в статическом режиме, Это достигается за счет формирования генератором 10 управляющего переменного во времени поля в промежутке о 1, Закон управления синтезируется из условия компен сации разброса, времен прихода ионов с одинаковой массой в плоскость приемника 7, а также с учетом требования обеспечения постоянства ускорения, действующего на ионы на возвратном участке траектории 15 сбе 1, Это требование выполняется путем установления постоянных(различных по величине) напряжений на всех сетчатых электродах 2 - 5 масс-спектрометра в момент т (см. временные диаграммы на 20 фиг.2). К этому моменту все ионы анализируемого диапазона масс будут находится внутри промежутка 12 из-за относительной "узости" сомнительного участка спектра масс. 25Обозначим 0 = б + ба + 1 о 1 - длина участка бе траектории. Пусть ускорение на 0 равно ат = 1 ац 2 1 и пусть на начальном участке траектории иона б в зоне источника 1 поле отсутствует. Тогда ионы одинаковых 30 масс из источника 1. двигаясь под действием тепловых скоростей, попадают в ускоряющий промежуток ба (Оба=80-200 В ба =3 - 5 мм, ускоряются (при этом почти компенсируется разброс по скоростям) и входят в управляющий промежуток ов разные моменты времени, Очевидно, момент появления иона в промежутке о 1 будет определяться его начальной координатой, начальной тепловой скоростью и моментом 40 "рождения" под действием электронного пучка источника ионов 1. Находим управляющее поле с ускорением а(1) в промежутке о, чтобы в плоскости приемника б ионы оказались в один и тот же момент времени.п 1чо - начальная тепловая скорость иона,а 2(т)= Е О, те(0 ло)а(т), тто (3)Интервал то равен времени пролета промежутка о 1 самой легкой массой из просматриваемого диапазона массьо=о 1(4)чтпаУчитывая, что ч чо - тепловая скорость, можно принять ч = сопзт для данной массы, тогда из (2) следует:а = (5)Из условия временной фокусировки данной массы Т = сопзт имеем(Т - 11)20чь -2--(Т1) - (б)- (Т - 11)2 Т - 11атПодставив (б) в (5) получим искомый закон управления в промежутке оа(с) = - (2 +,), тангэ (7)г (Т,)2Полагая, что условие идеальной временной фокусировки только для базовой массы тпб, имеем Т = Тб, и для произвольной массы ва(1) = -- ( - +гп 6 ат 0) , т 2 ио (8)тп 2 (Т а)Учитывая, что для тп = птб гг-п о е.тее= ь е 2 ск.ьо= - ,а, -чб Фб 12получим выражение для базового временипролета Тб путем решения уравнения (2) 1 - .мь,"," "РТь ьОт 101Очевидно, Оуск 5(.(т.Для расчета времени пролета иона с массой а и произвольными чо и Ь - момент "рождения" иона по формуле (1), необходимо решить уравнение движенияО = ч (11-1.) --( - " ,(т 1-т.)(10)Тб то Тб тоотносительно момента т 1 и вычислить (2)2003199 чь=:ч -- ( - )и-ь)4 Р-яб ат 1 1 а 2 ТО - 11 Тб - о Для оценки разрешающей способности времяпролетного масс-спектрометра с управляющим промежуткомО 1 проводилоСь моделирование процесса фокусировки ионов, Так, при температуре газа Т =300 К, ширине электронного пучка АХ = 0,6-2 мм, разбросе моментов "рождения" ионов 1- =О,1-5 мкс, 1 о = 112 = 12 см, дх = 3 мм, да5 мм.Оусх 1= 1 Ъ 1= 200 В, разрешение, определяемое по "нулям" импульса ионного тока, оказалось равным 23000. Расчеты также показали, что разрешение пропорционально ускоряющему напряжению и обратно пропорционально температуре газа,На фиг,2 показаны законы изменения напРЯжений в пРомежУтках дх, да, 1 о 1 и 12 в зависимости от времени, За начало отсчета (1 О) принят момент включения электронной пушкит - время действия эл.пучка (время ионизации);р - начало отсчета для формирования спектра масс;Ь - момент установления в промежутке О постоянного ускоряющего поля с ускорением ат,Величина Ь берется иэ условия 1 х-р - -т,: 2 ь, При этом напряжение О)о 1 т) меняется незначительно в процессе фокусировки от О)п до Оах и обеспечивается фокусировка с большим разрешением для масс ионов лежащих и пределах Формула изобретенияВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР, содержащий источник ионов, сетчатые электроды, приемник ионов, расположенные симметрично относительно оси масс-спектрометра, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности по массе, сетчатые электроды псаи) 5 1,1 )тамбРабота времяпролетного масс-спектрометра с динамич, управлением описана впредположении, что анализируется диапа 5 зон масс в окрестности и) = )т)ь.В момент времени 1= 0 в промежутке дхвключается ионизирующий электронныйпоток, который действует в течение тсек.Образующиеся ионы свободно движутся в10 бесполевом пространстве (Одх = О), Нужныйдиапазон анализируемых масс выбираетсяпараметрами 1), то, т, Так, для того; чтобыотсечь ионы с массами аа 6 на сетчатыеэлектроды 3, 4, 5 промежутков 1 о и 12 под 15 ают ускоряющие напряжения в течение 1 рсек, При этом ионы более легких, чем е 6масс проходят сквозь масс-спектрометр ине участвуют в формировании спектра.Ионы масс более тяжелых, чем максималь 20 ная масса п)ь просматриваемого диапазона, отсекаются путем подачи тормозящихнапряжений на сетчатые электроды 2, 3 прит = тр + 1 о в промежутках дх и да8 моМент времени 1 = тх на все25 сетчатые электроды 2-5 масс-спектрометра подаются постоянные напряжения дляформирования однородного поля с одинаковыми напряженностями во всех промежутках 1)2, 1 о, да, дх.30 Теоретические и экспериментальныеисследования масс-спектрометра показали,что по сравнению с прототипом он обеспечивает повышение разрешающей способности на 1 - 2 порядка,3556) Авторское свидетельство СССРй 1241303, кл. Н 01 3 49/40, 1986. 40 подключены к генераторам нелинейных напряжений, входы которых соединены с выходами блока управления, приемник ионов соединен с первым входом блока45 обработки. спектра масс, выход его соеди нен с входом блока управления, еще один выход которого соединен с вторым входом блока обработки спектра масс.2003399 Составитель О. Колесников Техред М,Моргентал рректор М,Максимиши едактор Н,Семен Тираж Под НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушская наб 4 Заказ 3236 писное роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10