Способ масс-сепарации заряженных частиц

.компью для научныхс, 83-93.Черепин Наукова думк табл. 33.Сысоев А ние в массдат, 1977, (54) СПОСОБ ЧАСТИЦ терным правлени М е й,сследова ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ПИСАНИЕ ИЗОБ ТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Слободенюк Г.М. Квмасс-спектрометры, М,;1974, с. 8-2,Раяоп Р.Н ВгцоЯСаЬПЫу геноп оГ СЬеваяя Гх 1 Сег, (Раг 1 1, 1Маяя. Брес 1 гот. 1 оп Рго56, р. 25-39, р. 41-5Иоп 1 С.М., СготГогйакоп Ч.С; е 1 а 1. Тандемнная масс-спектрометрия(57) Изобретение относится к области квадрупольной масс-спектрометрии. Способ масс-сепарации заряженных частиц реализован в устройстве. Заряженные частицы направляют в квадрупольные конденсаторы (КК) 3 и 6, регистрируют их на выходе из КК 6, к одному из КК прикладывают переменное напряжение и формируют в нем электрическое поле с параметром уравнения Матье о, соответствующим второй области стабильности траекторий заряженных частиц, а к другому КК прикладывают переменное и постоянное напряжения и формируют в нем электрическое поле с параметром с 1 соответствующим первой области стабильности траекторий заряженных частиц, при этом 8, 773 с/с 1, с 10,643, с 1,=4 еЧ,/щ ы г, с 1 =4 еЧ 2- где е, ш - заряд имассатпрр г,1иона соответственно; Ч, Ч - амплитуды переменного напряжения на КК; ы с, - частоты упомянутых напряжений; г г- радиусы пролетного пространства КК. Увеличивается разрешающая способность квадрупольного массспектрометра5 ил32,962 с - с 3,262. 8 773 сс 10,643,УЯ Изобретение относится к квадрупольной масс-спектрометрии и предназначено для вторичной ионной массспектрометрии (ВИМС)5Режим сепарации ионов в квадрупольном конденсаторе при подаче на негов соответстнующей комбинации ВЧ ипостоянного. напряжения осуществляется в ряде областей параметров а-Ч,где реализуются "стабильные" траектории ионов.Первую область устойчивости можноохарактеризовать изменением параметра Ч в интервале 0-0,9080, а вторую - 15В интервале 7,5136-7,5797,Недостатком квадрупольного массСпектрометра является небольшой ( -20 эВ) диапазон энергий анализируемых ионов, что обусловлено его конструкцией, позволяющей работать только в первой области у тойчивости.этот недостаток не позноляет эффективно осуществить разделение и сбор,йапример, вторичных ионов, что снижаВт чувствительность устройства.Использование же второй областистойчивости позволяет осуществитьудовлетворительную сепарацию ионов сэнергиями до 300 эВ для ионов средних 30масс (30-100 а.е.м,).Целью изобретения является увеличение разрешающей способности квадруцольного масс-спектрометра.Суть изобретения состоит в реализации совместного использования перой и второй областей стабильноститраекторий заряженных частиц в днухпоследовательно расположенных квадрупольных конденсаторах, при этом неличины параметров уравнения Матье Ч, иЧобоих конденсаторов с первой иВторой соответственно областями стабильности выбирают удовлетворяющимисоотношению 4 еЧгде Ч=в ,ты г50Ч - амплитуда переменного напряжения, В;М - частота переменного напряжения, Гц;г - радиус пролетного пространства кнадрупольного конденсатора, м.Причем, исходя из определения Ч,данное соотношение будет достигнуто при ныборе либо амплитуд Ч, и Чудовлетворяющих условию либо частот ы,ипри условии либо радиусов г, и г при условии Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими материалами.На фиг. 1 приведена структурнаясхема реализующего предложенный способ устройства, в котором соотношение, снязывающее параметры Ч, иЧ ,достигается соответствующим выборомг, и г т.е. 2,962 сс 3,262; на7.фиг, 2 - схема подключения питающихнапряжений к электродам квадрупольных конденсаторов; на фиг, 3 - типичная диаграмма стабильности первой области устойчивости первого кнадрупольного конденсатора; на фиг, 4 -область пропускания ионов по параметру Ч второго квадрупольного конденсатора, использующего вторую областьустойчивости; на фиг. 5 - диаграммапропускания ионов масс-спектрометромв целом,Масс-спектрометр состоит из источника 1 ионов, входной диафрагмы 2,первого квадрупольного конденсаторас электродами 3, фокусирующей линзы4, ускоряющего электрода 5, второгоквадрупольного конденсатора с электродами 6, коллектора 7 ионов, системы 8 регистрации, средств литания источника ионов и входной диафрагмы 9,источника 10 постоянного и переменного высокочастотных напряжений, подключенного к конденсаторам с электродами 3 и 6, блока 11 питания линзы,источника 1 2 питания ускоряющего электрода, блока 13 питания коллектораионов, С - блокировочная емкость;Б - резистор. На фиг, 2 показана схема подключения электродов (стержней) к выходу ВЧ-генератора и источника постоянного напряженияСборка квадрупольных конденсаторов показана н разрезе, 3 и 6 - электроды первого и второго квадрупольных конденсаторов с радиуса 396174ми пролетного пространства г, и г. соответственно, С - блокировочные емкостиразделяющие по постоянному напряжению первый и второй квадрупольные конденсатбры; В - высокоомные резисторы (1 О МОм), служащие для развязки ВЧ-генератора и источника 12 питания (фиг. 1), а также для обеспечения гальванической связи электродов 6 с источником 12 (фиг, ).На фиг. 3 приведена первая область устойчивости первого квадрупольного конденсатора, где а и о - безразмерные параметры, определяемые как 15 4 еЧЦ=ш ыг 8 еитпрр г(2) где е и ш - заряд и масса иона;Ч и. и - амплитуда и частота переменного напряжения, прикладываемого к электродам где е и ш - заряд и масса иона соотВетственно . 20ь - круговая частота переменного, напряжения с амплитудой Ч, прикладываемогок противоположным электродам квадрупольных конденсаторов;Ч - величина постоянной составляющей на электродахпервого квадрупольногоконденсатора; 30г - радиус пролетного прост 1ранства квадрупольногоконденсатора с первой областью стабильности;- абсциссы точек пересечения прямой сканированияа=2 Лс(Л:У/Ч) с границамистабильности а, (колебаний иона вдоль оси у) иа(колебаний иона вдоль 40оси х);я =0,706 - параметр о, соответствующий вершине М диаграммыстабильности;ш, шфш х массы, соответствующие 45параметрам ооНа фиг. 4 приведены области 1 и 11пропускания ионов по параметру цвторого квадрупольного конденсатора,работающего без постоянной составляющей (а=О). Параметрфиг. 4 определяется как второго квадрупольногоконденсатора с радиусомпролетного пространстваг,о,=0,908 - граничный параметр первойобласти устойчивости второго квадрупольного конденсатора;о =7,5136 иЧ =7,5797 - величины параметровопределяющие вторую область устойчивости;щ и т - массы ионов, соответст 4 бвующие этим параметрам,при сканировании по массам при изменении амплитуды высокочастотного напряжения.На фиг. 5 дана идеализированнаядиаграмма пропускания анализаторамасс-спектрометра, где Я - величинапропускания фильтра в диапазоне массш и т (отмечена двойной штриховх дкой); ти т- диапазон масс, пропускаемых первым квадрупольным конденсатором; масса шсоответствуетпараметру с второго квадрупольногоконденсатора; ш, - наименьшая массаиона, пропускаемая вторым анализатором за счет проявления 1 области устойчивости,Выбор соотношений ц,/Я , или вданном случае радиусов г,/г производится из следующих соображений.Назначение конденсатора с первойобластью устойчивости состоит в отсечке тяжелых масс ионов, соответствующих параметру=0,908 второгоконденсатора (в котором реализуютсяусловия сепарации во второй областиустойчивости), а также настройке окна пропускания ш -ш д (фиг. 5) за счетизменения Ь=П/Ч первого конденсатора.Граница устойчивости в областипараметров а- колебаний иона вдольоси У (ось, проходящая через центрыэлектродов, на которые подается отрицательное постоянное напряжение;режим анализа положительных ионов).дается кривой а (с 1) (фиг. 3), которая может быть представлена в формемногочлена по степенямЯ 7 Я 291 686872 28 2304 188774368(3) Аналогично для колебаний ионов вдольоси Х:Когда анализируемые ионы положительны, на ускоряющий элеКтрод 5 подается отрицательный потенциал -Ув противном случае +У,.Для того чтобы ионы на выходе изполя ускоряющего электрода 5 не за"тормозились и не рассеялись, необходимо поднять потенциал четырех электродов второго конденсатора с электро Одами 6 до величины У,. Развязка ВЧсигнала по цепи источник 10 - ускоряющий электрод 5 (фиг, 1) происходитза счет высокоомных резисторов (В==1 О МОм) включенных между электро 1 5дом 5 и противоположной парой электродов 6 конденсатора (фиг. 2),В ВЧ-поле конденсатора с электродами 6 происходит отсечка ионов с мас.сами, большими ш д (фиг. 5), и на 20коллектор 7 ионов попадают ионы смассами, лежащими в интервале ш -ш д(фиг, 5, отмечено двойной штриховкой).Сигнал, пропорциональный числу ионовс массами тшстд, с выхода коллекто ра ионов поступает на систему 8 регистрации. Таким образом, происходитповышение разрешающей способностиза счет совместного действия двухобластей стабильности.При этом на электроды квадрупольных конденсаторов с электродами 3 и6 подается переменное напряжение одной частоты и амплитуды для обеспечения совместного фильтрующего эффекта двух квадрупольных конденсаторов.Назначение первого конденсатора сэлектродами 3, имеющего больший радиус г состоит в повышении разрешающей способности масс-спектрометра40в целом, что достигается отсечкой тяжелых масс, а также в согласованиифазы ввода ионов в конденсатор с электродами б, поскольку ВЧ-сигнал с источника 1 0 сразу подается на электро 45ды двух конденсаторов, т,е. синфазно.Сканирование по массам осуществляется путем изменения амплитуды Ч выходного напряжения источника 10. Потенциал Уо также изменяется линейнос ростом массы анализируемого иона. Это 50необходимо для достижения хорошейтрансмиссии конденсатора с электродами 6, поскольку энергия Е иона, входящего в краевую область конденсаторас электродами 6, должна быть достаточо 5. ной, чтобы преодолеть ее за 0,2 перио"да прикладываемого поля. Поэтому Е 1выбирается удовлетворяющей условию(8) С другой стороны, пропускание иона массы ш через квадрупольный масс-спектрометр происходит при амплитуде Ч, равной(9) Ч=шг и г 1 д/4 еИз (10) и (11) находим, что отношение постоянной составляющей У, на ускоряющем электроде 5 и амплитуды Ч ВЧ-напряжения на электродах 3 и 6 квадрупольных конденсаторов должно удовлетворять т(2-)-, -- = О, 042 Тс 1 д=б,о 4( г Е ) о,н(20) так как максимум разрешения второго фильтра масс с электродами 6 имеет место при энергиях ионов Е 300 эВ1 это дает возможность считать для ВИМС Е ЕТаким образом, изменяющиеся во времени при сканировании по массам величины Ч и У для рассматриваемого случая связаны соотношением(21) Ч=6 У Более точное значение отношения Ч/У выбирается экспериментально и из конкретных условий анализа.Особенностью фильтрации ионов в конденсаторе с электродами б (фиг,1), работающем в области устойчивости 11, является быстрый выход иона на неустойчивую траекторию при соответствующих массах иэ-за увеличения напряженности переменного поля, поэтому требуемое число периодов фильтрагде Г=/2 д - циклическая частота;Т=1/Г - период,Пусть Е, - энергия ионов пучка,входящего в конденсатор с электродами 3. Применительно к ВИМС значениеполуширины энергораспределения вторичных ионов составляет Е,=0-60 эВ.Тогда в случае использования ускоряющего электрода 5 (фиг. 1) полнаяэнергия ионов, входящих во второй конденсатор с электродами 6 (точнее, еекомпонента, соответствующая движениюиона вдоль оси системы), будет определяться выражениемции резко уменьшается в сравнении собычным режимом фильтрации в областиТ. Тем самым возможен быстрый пролетиона через квадрупольный конденсаторс одновременной фильтрацией. Это позволяет осуществить удовлетворительную фильтрацию частиц в расширенномдиапазоне энергий анализируемых ионов,что важно для вторичной ионной массспектрометрии.Предлагаемый способ предназначендля использования в установке ВИМС,работающей в режиме микроэонда, дляпослойного анализа больших интегральных схем,Формула изобретенияСпособ масс-сепарации заряженных 70 частиц, заключающийся в том, что частицы последовательно направляют в первый и второй квадрупольные конденсаторы и регистрируют их на выходе из второго квадрупольного конденсатора, 25 причем к одному из квадрупольных конденсаторов прикладывают переменное напряжение и формируют в нем электрическое поле с параметром уравнения Матье Ч,соответствующим второй об ласти стабильности траекторий заряженных частиц, а к другому квадрупольному конденсатору прикладывают переменное и постоянное напряжения и формируют в нем электрическое поле с параметром Ч соответствующим первой области стабильности траекторий заряженных частиц, о т л и ч аю - щ и й с я тем, что, с целью увеличения разрешающей способности, величины параметров уравнения Матье и Ч обоих квадрупольных конденсато"гров с соответственно первой и второй областями стабильности выбирают удовлетворяющими условию 8,773-2 с 10,643,Ч4 еЧ 4 еЧргде Ч = --- ., и Ч;= шогшуг1е - заряд иона, Кл;ш - масса ионов со стабильнойтраекторией, а,е,м. Ч Ч - амплитуды переменного напряжения на квадрупольных конденсаторах, В;ы, и ц- частоты упомянутых напряжений, Гц;г, и г - радиусы пролетного пространства квадрупольных конденсаторов, м;1396174 У гт, щгЗ дд Дс Яу АЛОЮ 7, Ю 7 У 7каз 2499/52 Тираж 746 ВНИИПИ Государственного ком по делам изобретений и от 113035, Москва, Ж, Раушскаяизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, П тна гат и йю УЖ Подписитета СССРрытийнаб., д. 4/