Способ масс-сепарации заряженных частиц

 

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 qo) соответствующим второй области стабильности траекторий заряженных частиц, а к другому КК прикладывают переменное и постоянное напряжения и формируют в нем электрическое поле с параметром q, соответствующим первой области стабильности траекторий заряженных частиц, при этом 8, 773 q/q, 10,643, q,4eV,/m- u)r% q,4eVi T-T где e, m - заряд и масса m oj J иона соответственно; V.,, V - амплитуды переменного напряжения на КК; U),, частоты упомянутых напряжений; г, , г ;j - радиусы пролетного пространства КК. Увеличивается разреша- . ющая способность квадрупольного массспектро(етра. 5 ил. S (Л 00 (UD 05 4il. cosivtuHcamit «utt

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Н 01 J 49/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 4102321/24-21 (22) 11.05.86 (46) 15.05.88. Бюл. У 18 (72) М.В.Калашников, Н.В.Коненков, М.А.Ляпин и Г.И.!Чагимуратов (53) 621.384(088.8) (56) Слободенюк Г.M. Квадрупольные масс-спектрометры, M.: Атомиздат, 1974, с. 8-!2.

Da son P.Н., Bingoi Y. The second

Stability region of the quadropole

mass filter. (Part I, IT) — Int.

Mass. Hpectrom. Ion Process 1984, У 56, р. 25-39, р. 41-50.

Wong С.М., Crowford R.W., Bar

ton Ч.С; et al. Тандемная квадрупольная масс-спектрометрия с полностью .компьютерным управлением. — Приборы для научных исследований, 1983, Ф 8, с, 83-93, Черепин В.Т. Ионный зонд. Киев:

Наукова думка, 1984, с. 50-52, с, 72, табл. 33.

Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию, М.: Атомиздат, 1977, с. 189. (54) СПОСОБ МАСС-СЕПАРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ

„„SU„„1396174 A1 (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 q„, соответствующим второй области стабильности траекторий заряженных частиц, а к другому КК прикладывают переменное и постоянное напряжения и формируют в нем электрическое поле с параметром q соответствующим первой области стабильности траекторий заряженных частиц, при этом 8, 773 (/q, 10,643, q,=4eV,/m - ы г, с1 =

4eVg где е, m — заряд и масса

mw r иона соответственно; V, Vz — амплитуды переменного напряжения на КК;

w,, wq — частоты упомянутых напряжений; r,, r — радиусы пролетного пространства КК. Увеличивается разреша,ющая способность квадрупольного массспектрометра ° 5 ил.

1396174

Изобретение относится к квадрупольной масс-спектрометрии и предназначено для вторичной ионной массспектрометрии (ВИМС) °

Режим сепарации ионов в квадрупольном конденсаторе при подаче на него в соответствующей комбинации ВЧ и постоянного. напряжения осуществляется в ряде областей параметров а-q, где реализуются "стабильные" траек тории ионов.

Первую область устойчивости можно охарактеризовать изменением параметра q в интервале 0-0,9080, а вторую — 15 в интервале 7,5136-7,5797, Недостатком квадрупольного массспектрометра является небольшой (1—

20 эВ) диапазон энергий анализируемых ионов, что обусловлено его кон- 20 струкцией, позволяющей работать только в первой области устойчивости. этот недостаток не позноляет эффективно осуществить разделение и сбор, 1 йапример, вторичных ионов, что снижа- 25

Вт чувствительность устройства.

Использование же второй области стойчивости позволяет осуществить удовлетворительную сепарацию ионов с энергиями до 300 эВ для ионов средних 30 масс (30-100 а.е.м,).

Целью изобретения является увеличение разрешающей способности квадруцольного масс-спектрометра.

Суть изобретения состоит в реализации совместного использования пер ой и второй областей стабильности траекторий заряженных частиц в днух последовательно расположенных квадрупольных конденсаторах,„ при этом нели-. 40 чины параметров уравнения Матье q u

q < обоих конденсаторов с первой и второй соответственно областями стабильности выбирают удовлетворяющими соотношению

8 773 (-- (10,643, У

t

4ev где q=- -- . ты г

V — - амплитуда переменного напряжения, В; (d - ч а с т о т а п еeр еeм еeнного напряжения, Гц; г — радиус пролетного пространст55 ва кнадрупольного конденсатора, м.

Причем, исходя из определения q, данное соотношение будет достигнуто при ныборе либо амплитуд Ч, и у,, удовлетво ряющих условию

8,773 (-- <10,643, 1 либо частот ы, и при условии

t4g

2,962 с — с 3, 262, 7 либо радиусов г, и г> при условии

2,962 (— (3 262.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими материалами.

На фиг. 1 приведена структурная схема реализующего предложенный способ устройства, в котором соотношение, снязывающее параметры q, и..q, достигается соответствующим выбором г, и г т.е. 2,962 (-- 3,262; на

1 7. фиг. 2 — схема подключения питающих напряжений к электродам квадрупольных конденсаторов, на фиг, 3 — типичная диаграмма стабильности первой области устойчивости первого кнадрупольного конденсатора; на фиг. 4— область пропускания ионов по параметру q второго квадрупольного конденсатора, использующего вторую область устойчивости; на фиг. 5 — диаграмма пропускания ионов масс-спектрометром в целом.

Масс-спектрометр состоит из источника 1 ионов, входной диафрагмы 2, первого квадрупольного конденсатора с электродами 3, фокусирующей линзы

4, ускоряющего электрода 5, второго квадрупольного конденсатора с электродами 6, коллектора 7 ионов, системы 8 регистрации, средств литания источника ионов и входной диафрагмы 9, источника 10 постоянного н переменного высокочастотных напряжений, подключенного к конденсаторам с электродами 3 и 6, блока 11 питания линзы, источника 1 2 питания ускоряющего электрода, блока 13 питания коллектора ионов, С вЂ” блокировочная емкость, Б — резистор.

На фиг. 2 показана схема подключения электродов (стержней) к выходу

ВЧ-генератора и источника постоянного напряжения ° Сборка квадрупольных конденсаторов показана н разрезе, 3 и 6 — электроды первого и второго квадрупольных конденсаторов с радиуса1396174 ми пролетного пространства r, и r< соответственно. С вЂ” блокировочные емкости,,разделяющие по постоянному напряжению первый и второй квадрупольные конденсатбры; R — - высокоомные резисторы (10 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 q — безразмерные параметры, определяемые как

15

4eV

g=- 1 ш 3г 2

8eu

m г, %

4eV

g=

m ы 4

1 (2) 55 где е и m — - заряд и масса иона;

V и. — амплитуда и частота переменного напряжения, прикладываемого к электродам где е и m — - заряд и масса иона соответственно . 20

М вЂ” круговая частота переменного, напряжения с амплитудой V, прикладываемого к противоположным электродам квадрупольных кон- 25 денсаторов;

Ч вЂ” величина постоянной составляющей на электродах первого квадрупольного конденсатора; 30

r — радиус пролетного простt ранства квадрупольного конденсатора с первой областью стабильности; — абсциссы точек пересечения прямой сканирования а=2Лц(А=У/V) с границами стабильности а, (колебаний иона вдоль оси у) и а х (колебаний иона вдоль оси х);

q =0,706 - параметр q, соответствующий вершине М диаграммы стабильности;

m»m,m „ - массы, соответствующие 45 параметрам q» g,, На фиг. 4 приведены области I u II пропускания ионов по параметру g второго квадрупольного конденсатора, работающего без постоянной составляющей (а=0). Параметр q фиг. 4 определяется как второго квадрупольного конденсатора с радиусом пролетного пространства г, q,=0,908 — граничный параметр первой области устойчивости второго квадрупольного конденсатора;

q>=7,5136 и

q =7,5797 — величины параметров определяющие вторую область устойчивости;

m u m — массы ионов, соответст4 б вующие этим параметрам, при сканировании по массам при изменении амплитуды высокочастотного напряжения.

На фиг. 5 дана идеализированная диаграмма пропускания анализатора масс-спектрометра, где $ — величина пропускания фильтра в диапазоне масс

m u m (отмечена двойной штриховх д кой); m „ H m — диапазон масс, пропускаемых первым квадрупольным конденсатором; масса m > соответствует параметру q второго квадрупольного конденсатора; m — наименьшая масса иона, пропускаемая вторым анализатором за счет проявления I области устойчивости.

Выбор соотношений q,/q или в данном случае радиусов r,/r< производится из следующих соображений.

Назначение конденсатора с первой областью устойчивости состоит в отсечке тяжелых масс ионов, соответствующих параметру q =0,908 второго конденсатора (в котором реализуются условия сепарации во второй области устойчивости), а также настройке окна пропускания m „-m д (фиг. 5) за счет изменения A=U/V первого конденсатора.

Граница устойчивости в области параметров а-q колебаний иона вдоль оси Y (ось, проходящая через центры электродов, на которые подается отрицательное постоянное напряжение; режим анализа положительных ионов). дается кривой а >(q) (фиг. 3), которая может быть представлена в форме многочлена по степеням

q 7(29q 68687

2 128 2304 188774368 (3) Аналогично для колебаний ионов вдоль оси Х:

1396174

С учетом того, что

a = i ñi--q

49q

589824

{ i0) q

При

8,773 (-« (10,643

40 2 962= - - — — с--(- — -- =3,262

6 1940 rg 7 5136

060 ° ) (16 шорш я

Точка пересечения кривых a,„ „и q „ (фиг, 3) есть вершина диаграммы стабильности, и координата по оси q равна q =0,7060, q,=0,9080 — граничная величина q при a=O. q „ и q х — проекции точек пересечения линии сканирования с кривыми а „и а соответстненно, Окно фильтрации m -m z первого конденсатора можно выразить через 15 параметры q „q „н соответствии с (1) как

4eV 4eV

--->-> с ш с — - —— (5) с хоо, q v " г < 20

Таким образом, можно сказать, что параметрам q „и о соответствуют граничные массы ионов m „и m z.

Для нахождения допустимой области изменения, например, отношения r, jr <, 25 будем исходить из того, что настройка на массу m первого анализатора (при q„=q„), соответствующая величине m о, находилась справа от окна пропускания e-m (фиг. 4) второго анализатора. При уменьшении угла наклона линии а=2 о.(фиг. 3) соответствующая величина m x попадает в окно фильтрации m -m (фиг. 5), Располоь л жение m справа от интервала и -m „35 по оси m (фиг. 5),âûáðàío из условия . получения более крутого массового пика со стороны легких масс на более крутой границе а„, а не а (фиг.3) т.е.

m 4eV/1, оо г,, из {9 ) получим q7 cr, г, cd /о, 4йо Ч„/qo

Для определения величины q испольf эуем в соответствии с (7) систему равенств: (12) где m„=4eV/q,ы г ; m>=4eV/q,û г,;

mE 4еЪ /q о rõ ";mî 4eV/q в г ;

Из (12) следует, что с1х Яо

=8, 348 (i4)

0,9080

Величины q u q однозначно соотх у ветстнуют друг другу, их можно найти, используя явный вид зависимостей а (q) и а,,{с ) (3) и (4), с учетом, что а=2 q. Численное решение трансцендентного уравнения (14) дает предельную величину q „=:0,8640 °

Окончательно из (12) находим яд 7 5797 сО 706

=6,194 (i5) о 0 9640 этом из {11) следует

Вторым условием является то, что при максимальном пропускании первого анализатора должны иметь место соотношения (фиг. 5): шх шь1

m 3-m1\ (7) при этом настройка вершины М (фиг.3) будет соответствовать параметру с1 определяемому соотношением (2):

q =4еЪ /m со" (8) 4eV/q v r (m, < 4е7/q r, (9) Таким образом, исходя из указанньос требований, получим

Способ реализуется следующим образом.

45 Ионы, выходя из ионного источника

1 (фиг. 1),.через диафрагму 2 попадают в.первый конденсатор с электродами 3, в переменном и постоянном полях которого происходит сепарация ионов.

На выходе конденсатора с электродами

3 формируется пучок ионов с массами

mxcm cm v. Далее ионы фокусируются линзой Ь в пучок меньшего диаметра на вход второго конденсатора с мень55 шим радиусом пролетного пространства г . При этом в поле ускоряющего электрода ионы получают дополнительную . энергию, пропорциональную неличине прикладываемого потенциала

1396174

Когда анализируемые ионы положительны, на ускоряющий элеКтрод 5 подается отрицательный потенциал -U в противном случае +U

Для того чтобы ионы на выходе из поля ускоряющего электрода 5 не за" тормозились и не рассеялись, необходимо поднять потенциал четырех электродов второго конденсатора с электро-10 дами 6 до величины U,. Развязка ВЧсигнала по цепи источник 10 — ускоряющий электрод 5 (фиг. 1) происходит за счет высокоомных резисторов (В=

=1О M0M) включенных между электро1 15 дом 5 и противоположной парой электродов 6 конденсатора (фиг. 2), В ВЧ-поле конденсатора с электродами 6 происходит отсечка ионов с массами, большими m (фиг. 5), и íà 20 коллектор 7 ионов попадают ионы с массами, лежащими в интервале m „ m > (фиг. 5, отмечено двойной штриховкой).

Сигнал, пропорциональный числу ионов с массами m„

При этом на электроды квадрупольных конденсаторов с электродами 3 и

6 подается переменное напряжение одной частоты и амплитуды для обеспечения совместного фильтрующего эффекта двух квадрупольных конденсаторов.

Назначение первого конденсатора с электродами 3, имеющего больший радиус r,, состоит в повышении разрешающей способности масс-спектрометра

40 в целом, что достигается отсечкой тяжелых масс, а также в согласовании фазы ввода ионов в конденсатор с элек. тродами 6, поскольку ВЧ-сигнал с источника 10 сразу подается на электро-45 ды двух конденсаторов, т,е. синфазно.

Сканирование по массам осуществляется путем изменения амплитуды Ч выходного напряжения источника 10. Потенциал U также изменяется линейно с ростом массы анализируемого иона. Это 50 необходимо для достижения хорошей трансмиссии конденсатора с электродами 6, поскольку энергия Е1 иона, входящего в краевую область конденсатора с электродами 6, должна быть достаточо5 ной, чтобы преодолеть ее за 0,2 периода прикладываемого поля. Поэтому Е выбирается удовлетворяющей условию 2 O,2Т 2 0 2

m fr

eUð+Е vq (-- )

О, (is) С другой стороны, пропускание иона массы m через квадрупольный масс-спектрометр происходит при амплитуде Ч, равной (!9) V r и г1„/4е

Из (10) и (11) находим, что отношение постоянной составляющей U на ускоряющем электроде 5 и амплитуды V

ВЧ-напряжения на электродах 3 и 6 квадрупольных конденсаторов должно удовлетворять

mr (2 ) — 7i -----,--- — — = 0, 042 q A =6, U (пп 1Р

075 (20) так как максимум разрешения второго фильтра масс с электродами 6 имеет место при энергиях ионов Е 300 эВ L

1 это дает возможность считать для

ВИМС Е я Е,.

Таким образом, изменяющиеся во времени при сканировании по массам величины V u U для рассматриваемого случая связаны соотношением (21) V=6U

Более точное значение отношения

Ч/Цр выбирается экспериментально и из конкретных условий анализа.

Особенностью фильтрации ионов в конденсаторе с электродами 6 (фиг.1), работающем в области устойчивости

II, является быстрый выход иона на неустойчивую траекторию при соответствующих массах иэ-за увеличения напряженности переменного поля, поэтому требуемое число периодов фильтрагде f=a/2ii — циклическая частота;

Т=1/f — период.

Пусть Е, — энергия ионов пучка, входящего в конденсатор с электродами 3. Применительно к BHNC значение полуширины энергораспределения вторичных ионов составляет F.,=!0-60 эВ.

Тогда в случае использования ускоряющего электрода 5 (фиг. 1) полная энергия ионов, входящих во второй конденсатор с электродами 6 (точнее, ее компонента, соответствующая движению иона вдоль оси системы), будет определяться выражением

1:3961 74

10 ции резко уменьшается в сравнении с обычным режимом фильтрации в области

T. Тем самым возможен быстрый пролет иона через квадрупольный конденсатор с одновременной фильтрацией. Это позволяет осуществить удовлетворительную фильтрацию частиц в расширенном диапазоне энергий анализируемых ионов, что важно для вторичной ионной масс- 10 спектрометрии.

Предлагаемый способ предназначен для использования в установке ВИМС, работающей в режиме микроэонда, для послойного анализа больших интеграль- 15 ных схем. формулаизобретения

Способ 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 qg соответствующим второй об» 3О ласти стабильности траекторий заряженных частиц, а к другому квадрупольному конденсатору прикладывают переменное и постоянное напряжения и формируют в нем электрическое поле с параметром q соответствующим первой области стабильности траекторий заряженных частиц, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности, величины параметров уравнения Матье и q обоих квадрупольных конденсато2 ров с соответственно первой и второй областями стабильности выбирают удовлетворяющими условию

8,773 < †i10,643, q

4eV> 4eVg где q = — — - и q;=----1 m(4)r7 2 ппФЯ г 2

1 1 2 е — заряд иона, Кл;

m — масса ионов со стабильной траекторией, а, е. м.

Ч,, V — амплитуды переменного напряжения на квадрупольных кон-. денсаторах, В;

ы, и и> - частоты. упомянутых напряжений, Гц; г, и r — радиусы пролетного пространства квадрупольных конденсаторов, м;

1396174

ЯУ д Як тд тр тр

1 1 1

Фиг. Ф

my т, а.r.м

Составитель В.Кащеев

Редактор А.Маковская Техред Л.Сердюкова Корректор Н.Король

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

my re mq

Фиг 3

Ф QA ge Oa

g Я9Ц 7,Þ1Ì 7 5797 тд

1 (тр

Фи . 5

Заказ 2499/52 Тираж 746 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

OeV тщ2р2