Квадрупольный масс-спектрометр

.СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИН 149 42 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ВИДЕТЕПЬСТВ ДВТОРСХО 13 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Специальное конструкторскоебюро аналитического приборостроенияНаучно-технического объединенияАН СССР(56) 1. Патент США Р 3.410,997,кл. 250-41,9, 1968.2. 1 пйегп. 1 оцгп. оГ ваьь ьресУгоаедгу апд 1 оп РЬуьсь ч. 19, 1976,351-367.3. Описаниеплуатации 5 М Франция, 1977 (( 54) ( 57) КВАДРУПОЛЬНЫЙ МАСС-СПВКТРОМЕТР, содержащий источник ионов,анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода, и приемник.ионов, параксиальный анализатору,и инструкция по экс 56-600 фирмы "КЬег",прототип). отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности работы масс-спектрометра, он снабжен источником постоянного напряжения и двумя 90 -ми цилиндрическими электростатическими конденсаторами, установленными между анализатором и приемником ионов, сопряженными осями и противоположными по направлению кривизны, каждый из которых снабжен на выходе сетчатым оптически прозрачным плоским электродом, перпендикулярным оси, причем вход первого конденсатора соосен анализатору, а выход второго - приемнику ионов, большие из обкладок этих конденсаторов выполнены оптиче-Фски прозрачными и соединены друг с другом и с положительным полюсом источника постоянного напряжения,а меньшие - друг с другом,с плоскими сетчатыми электродами и с отрицательным полюсом ичточника напряжения постоянного тока.ЪаЮ860638 2. Масс-спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве приемника ионов использован вторично-злектроиный умножитель с металлическими динодами. 3. Масс-спектрометр по пп. 1, 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что за оптически прозрачной обкладкой первого конденсатора установлен цилиндр Фарадея, соосный анализатору, между выходом анализатора и входом в первый конденсатор на уровне торца большей обкладки этого конденсатора установлен вторично-электронный умножитель канального типа, обращенный входным отверстием к оси анализатора, а конденсаторы соединены с источникомпостоянного напряжения через коммутатор, причем боль шие обкладки конденсатора соединены с одним подвижным контактом коммутатора, меньшие обкладки и плоские 1Изобретение относится к массспектрометрии,Известен. квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов,анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода, и приемникионов, в котором между выходом анализатора и входом приемника ионовустановлена система отклонения итранспортировки ионного пучка, предназначенная для снижения фоновыхтоков на входе приемника ионов ипредставляющая собой квадрупольнуюсистему, электроды которой изогнутыпод углом 90 11 .Недостатком этого квадрупольного масс-спектрометра являютсянизкие фокусирующие и транспортирующие свойства указанной системы,так как гиперболичность поля в нейрезко нарушена.Кроме того, конструкция системы сложна и неудобна для практического применения, так как расположена вместе с приемником ионов подуглом 90 О к оси анализатора, вследствие чего анализатор, система поворота и транспортировки ионов иприемник ионов не могут быть смонтированы на одном фланце.Известен квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов,анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода, и приемникионов, в котором на выходе анализатора одновременно установлены вторично - электронный умножитель с 5 1 О 15 20 25 30 35 сетчатые электроды - со вторым под вижным контактом коммутатора, одна пара неподвижных контактов коммутатора соединена соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника напряжения постоянного тока, другая пара неподвижных контактов коммутатора - с корпусом.4. Масс-спектрометр по п. 4, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что вторично-электронный умножитель канального типа установлен над оптически прозрачной обкладкой первого кон денсатора, входное отверстие этого умножителя обращено к оси анализатора и расположено вблизи входного торца этой обкладки, которая снабжена отверстием, близким по размерам и соосным входному отверстию канального умножителя, а входной торец цилиндра фарадея параллелен оптически прозрачной обкладке первого конденсатора металлическими динодами и коллекторная пластина 2 .Умножитель является основным приемником ионов, установлен параксимально анализатору, а транспортировка ионов на его вход осуществляется системой дефлекторных электродов, установленных между выходом анализатора и входом умножителя.Недостатками этого масс-спектрометра являются отсутствие в нем умножителя, пригодного для обеспечения режима счета ионов, а также замена классического цилиндра фарадея плоской коллекторной пластиной.Примененная дефлекторная система не позволяет установить цилиндр Фарадея, не перекрыв путь ионам на вход умножителя. Коллекторная пластина мало пригодна для сбора ионов и предназначена для экранирования входа умножителя от фотонов, возникающих в области ионизации источника ионов.Наиболее близким техническим решением к изобретению является квадрупольный масс-спектрометр, содержаший источник ионов, анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода, и приемник ионов, параксимальный анализатору 3 . Между выходом анализатора и входом приемника ионов установлена система дефлекторных электродов, представляющая последовательную совокупность четырех плоскопараллельных электродов и двух отклоняющих пластин,а в качестве приемника ионов использован вторично-электронный умножитель с металлическими динодами.Недостатками этого масс-спектрометра являются наличие одного при емника ионов-умножителя с металлическими динодами, предназначенного для работы лишь в среднем интервале возможных рабочих токов массспектрометра, а также сложность системы отклонения и транспортировки ионов на вход умножителя, требующей для своего питания шести независимых высокостабильных источников напряжения постоянного тока. Замена типа приемника ионов может быть осуществлена только с нарушением вакуума.В масс-спектрометрах Ц и 21 установлен один приемник ионов(обычно умножитель) и переход от одного приемника.к другому требует разгерметизации анализатора и замены приемника ионов. Это снижает эффективность использования масс-спектрометра из-за непроизводительных затрат времени, не позволяет в одном эксперименте провести измерения в полном динамическом диапазоне сигналов масс-спектрометра и затрудняет получение сопоставимых результатов и т.п.Целью изобретения является повышение чувствительности и точности работы масс-спектрометра.Это достигается тем, что предложенный квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, анализатор, включающий четыре полеобразующих электрода и приемник ионов, параксиальный анализатору, снабжен источником постоянного напряжения и двумя 90 -ми цилиндричеоскими электростатическими конденсатора.и, сопряженными осями и противоположными по направлению кривизны, каждый из которых снабжен на выходе сетчатым оптически прозрачным плоским электродом, перпендикулярным оси, Вход первого конденсатора соосен анализатору, выход второго приемнику ионов. Большие обкладки этих конденсаторов выполнены оптически прозрачными и соединены друг с другом и с положительным полюсом источника напряжения постоянного тока, а меньшие соединены друг с другом, с плоскими сетчатыми электродами и с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения, Геометрические размеры конденсаторов одинаковы, зазор между их обкладками не меньше диаметра поля анализатора, а расстояния между последовательно расположенными анализатором, конденсатором и приемником ионов минимальны.Наиболее целесообразно в качестве параксиально расположенного5о приемника ионов использовать вторично-электронный умножитель с металлическими динодами, как наиболее громоздкий. Именно в таком положении его наиболее удобно монтировать на общем фланце с анализатором и избежать нежелательного увеличения этого фланца,Если умножитель с металлическими динодами, предназначенный для работы с относительно большими ионными токами, располагают параксиально анализатору, целесообразноза оптически прозрачной обкладкой.первого конденсатора установить 15 цилиндр Фарадея, соосный анализатору, а между выходом анализатораи входом в первый конденсатор науровне торца большей обкладки этогоконденсатора установить вторичноэлектронный умножитель канальноготипа, обращенный входным отверстием к оси анализатора. При этом дляэлектрического управления выводомионов на любой из трех приемниковионов конденсаторы должны быть соединены с источником напряженияпостоянного тока через коммутатор.При этом большие обкладки конденсаторов должны быть соединены с .одним подвижным контактом коммутатора, меньшие обкладки и плоскиесетчатые электроды - со вторымподвижным контактом коммутатора.Одна пара неподвижных контактовкоммутатора должна быть соединенасоответственно с положительным иотрицательным полюсами источникапостоянного напряжения, другая пара - с корпусом.Наиболее полный сбор ионов на 40 каждый из приемников ионов достигается в случае, когда вторичноэлектронный умножитель канальноготипа установлен над оптически прозрачной обкладкой первого конденса тора. Входное отверстие этого умножителя обращено к оси анализатораи расположено вблизи входного торца этой обкладки, которая снабженаотверстием, близким по размерами соосным входному отверстию канального умножителя, а входной тореццилиндра Фарадея параллелен проз-рачной обкладке первого конденсатора.Предлагаемый масс-спектрометрпредставлен на фиг. 1-3, где обозначены источник ионов 1, анализатор 2, приемник ионов 3, параксиальный анализатору, большая оптически прозрачная обкладка 4,меньшая обкладка 5, ось б и плоскийоптически прозрачный электрод 7 пер.вого конденсатора, большая оптически прозрачная обкладка 8, меньшая обкладка 9, ось 10 и плоский 65 оптически прозрачный электрод 11второго конденсатора, источник постоянного напряжения 12, ось 13 анализатора, параксиального анализатору приемника ионов 14, цилиндр Фарадея 15, умножитель 16 канального типа, цилиндр Фарадея 15, умножитель 16 канального типа, коммутатор 17, отверстия 18 в обкладкеПредлагаемое устройство работает следующим образом.Ионы, выходящие иб анализатора, 10 поступают в первый конденсатор, где испытывают отклонение на 90 относительно оси 6 анализатора и одновременно ускоряются потенциалом, приложенным электроду 7 этого кон денсатора, Попадая из первого конденсатора непосредственно во второй конденсатор, бти ионы отклоняются во втором конденсаторе на 90 но в противоположном, чем в первом, 20 направлении, одновременно ускоряясь потенциалом, приложенным к электроду 11 второго конденсатора, Проходя этот электрод, ионы поступают на вход приемника ионов 3, парак сиально анализатору.Так как энергия ионов, выходящих из источника ионов квадрупольного масс-спектрометра, одинакова для ионов всех масс, и с этой энергией ионы поступают на вход первого конденсатора, предлагаемая система отклонения и транспортировки ионов одинаково отклоняет и транспортирует ионы любых масс. Излучение, распространяющееся в направлении от источника ионов вдоль оси анализатора, практически не отражается от большей обкладки конденсатора 5, так как оптически прозрачна, Та незначительная доля этого излучения, ко в 40 торая все же может отразиться от этой обкладки за счег ее конечной прозрачности, практически полностью проходит большую обкладку 8 конденсатора и не попадает на вход прием ника 3, так как обкладка конденсатора также оптически прозрачна. Измерения показали, что фоновые токи умножителя, установленного 50 соосно анализатору, снижаются при параксиальной установке умножителя и использовании предлагаемой системы от 100 имп/с до 0,1-0,01 имп/с, т,е. на 4-5 порядков, что означает отсутствие фонового тока, обусловленного процессами в источнике ионов и анализаторе.Для упрощения конструкции и снижения потерь исаков при их транспор- тировке с выхода анализатора на вход приемника ионов целесообразно, чтобы геометрические размеры конденсаторов были одинаковыми, зазор между их обкладками был не меньше диаметра поля анализаторат.е. расстояния 65 между противолежащими электроЛами анализатора), а расстояния между последовательно расположенными анализатором, конденсаторами и приемником ионов - минимальны.Устройства, представленные на фиг. 2 работают следующим образом.При выводе ионов на умножитель 3, параксиальный анализатору 2, подвижные контакты коммутатора. 17, устанавливают в положение, при котором они соединены с полюсами источника постоянного напряжения 12.Для вывода ионов на цилиндр Фарадея 15 либо на вход канального умножителя 16 подвижные контакты коммутатора 17 устанавливают в положение, при котором они соединены с корпусом масс-спектрометра. В этом случае ионы достигают входа цилиндра Фарадея 15 за счет своих скоростей движения вдоль оси анализатора 2. Для более эффективного сбора ионов удобно использовать цилиндр Фарадея несколько больших рамеров, чтобы избежать потерь ионов за счет отклонения их скоростей от продольных. Фоновые токи / 10 А/, возникающие за счет попадания на цилиндр Фарадея излучений из источников ионов, несущественны, так как этот приемник используется для работы с токами, большими 10А. Для сбора ионов на входе канального умножителя 16 на этот умножитель подается необходимое для его работы напряжение (обычно 3-4 кВ). Возникающий при этом потенциал провисает от входа умно- жителя в направлении оси анализатора, затягивает и фокусирует ионы на входном отверстии этого умножителя, Так как вход канального умно- жителя расположен в оптической тени рабочего пространства анализатора, фоновые токи, обусловленные излучением источника ионов и процессами в анализаторе, практически отсутствуют обычно менее 0,1 имп/с . Малые размеры входного отверстия канального умножителя позволяют легко расположить его входную часть между выходом анализатора и входом первого конденсатора. Этот умножитель может быть легко установлен на общем фланце, на котором собраны анализатор, умножитель с металлическими динодами и цилиндр Фарадея, прием установка каналотрона перпендикулярно оси анализатора не влечет за собой увеличения диаметра фланца вследствие малости размеров каналотрона.Устройство изображенное на фиг. 3 работает так же, как устройство показанное на фиг. 2. Однако вход первого конденсатора максИмально приближен к вйходу анализатора, вход- цилиндра Фарадея максимально приблиПри работе с газовыми молекулярными пучками, когда с целью их наиболее эффективной ионизации такой молекулярный пучок направляют вдоль оси источника ионов (фиг. 2), возможно отражение газовых молекул от дна цилиндра Фарадея и возвращение их обратно через анализатор в источник ионов, Это ведет к ошибкам измерения состава первичного пучка. Такого эффекта не наблюдается, когда молекулярный пучок образован молекулами твердого вещества, коэффициент аккомодации которых близок к 1, В этом случае молекулы конденсируются на дне цилиндра Фарадея и не могут вернуться в источник ионов. В случае же газового молекулярного пучка избежать нежелательных эффектов можнО, если дно цилиндра Фарадея снабжено отверстием, соосным анализатору и соизмеримым 10 15 20 25 жен к оптически прозрачной сет,ке первого конденсатора, а расположение входа канального умножителя и эффективность затягиванияионов на его вход не отличаются отрассмотренных для устройства, пред 5ставленного на фиг, 2. с диаметром поля анализатора ( диаметр молекулярного пучка обычно несколько меньше диаметра поля анализатора) . Тогда молекулярный пучок проходит цилиндр Фарадея и выходит за его пределы через упомянутое отверстие, где может быть уловлен обычными методами, например ловуШ- кой, охлажденной жидким азотом.Проверка работы предлагаемого масс-спектрометра показала полную его работоспособность, высокую эффективность сбора ионов и подавления фона, конструктивную простоту и удобство в работе, Устройство позволяет не только с высокой эффективностью транспортировать ионный пучок на вход приемника ионов, параксиального анализатору, но и устанавливать на выходе анализатора одновременно три приемника ионов, умножитель с металлическими динодами, умножитель канального типа и цилиндр Фарадея. Кроме того, оно позволяет осуществлять как высокоэффективный сбор ионов на любой из этих приемников, так и быстрый переход от одного приемника ионов к другому непосредственно в процессе работы масс-спектрометра.Зака Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 534/3ВНИИПИ Госпо делам113035, Мо Тираж 703дарственногоизобретенийква, Ж,Подписнокомитета СССРоткрытийушская наб., д. 4/5