Квадрупольный масс-спектрометр

 

Изобретение относится ко вторичной ионной масс-спектрометрии и может быть использовано при регистрации положительных и отрицательных ионов. Целью изобретения является повышение чувствительности и снижение габаритов. Пучок разнополярных ионов из источника 1, отсепарированный по массе квадрупольным анализатором 2, попадает через его выходную диафрагму 3 на входную диафрагму 4 и входную щель 8 квадрупольного конденсатора, ось которого ориентирована перпендикулярно оси анализатора 2. Величина поперечного размера входной диафрагмы 4 квадрупольного конденсатора D≤0,34 R<SB POS="POST">о</SB> - радиус поля квадрупольного конденсатора. Положительные ионы через выходную щель 9 конденсатора попадают на вторично-электронный умножитель (ВЭУ) 15, отрицательные ионы через выходную щель 11 конденсатора - на ВЭУ 16. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (siis Н 01 J 49/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ6СТВУ о ф

С)

ГЯ

Π—:oav (21) 4228208/24-21 (22) 13.04.87 (46) 15.12.90. Бюл, )Ф 46 (72) С.С,Волков, Н.В.Коненков, M,А.Ляпин, А.M.Ñîìêèí и А.Б.Толстогузов (53) 621.384(088.8) (56) Слободенюк Г.М. Квадрупольные массспектрометры. M: Атомиздат, 1974, с. 156.

Rev. Phys. Арр1, 1980, Н 15, р. 1489 — 1500.

Авторское свидетельство СССР

М 1538194, кл. H 01 J 49/42, 07.04.87, (54) КВАДРУПОЛЬНЫИ МАСС-СПЕКТРОМЕТР (57) Изобретение относится ко вторичной ионной масс-спектрометрии и может быть использовано при регистрации положительных и отрицательных ионов, Целью изобреЯЫ„, 1614050 А1 тения является повышение чувствительности и снижение габаритов. Пучок разнополярных ионов из источника 1, отсепарированный по массе квадрупольным анализатором 2, попадает через его выходную дифрагму 3 на входную диафрагму

4 и входную щель 8 квадрупольного конденсатора, ось которого ориентирована перпендикулярно оси анализатора 2. Величина поперечного размера входной диафрагмы 4 квадрупольного конденсатора d o,34Rp, где Rp — радиус поля квадрупольного конденсатора. Положительные ионы через выходную щель 9 конденсатора попадают на вторично-электронный умножитель (ВЭУ)

15, отрицательные ионы через выходную щель 11 конденсатора — на ВЭУ 16. 4 ил.

1 614050

Изобретение относится к технике квадрупольной масс-спектрометрии, предназначено для вторичной ионной масс — спектрометрии (ВИМС) при регистрации как положительных, так и отрицательных ионов, и наиболее эффективно может быть использовано в газовой хроматографии при быстропеременном анализе положительных и отрицательных ионов молекул, Цель изобретения — расширение функциональных возможностей, повышение чувствительности и быстродействия квадрупольного масс-спектрометра, 5

На фиг.1 изображен предлагаемый 15 квадрупольный масс-спектрометр; на фиг.2— геометрия полезадающих электродов; на фиг.3 — граничные траектории поло>китель ых ионов; на фиг,4 — траектории ионов, влетающих под разными углами относи- 20 тель.но прямой у =- х.

Квадрупольный масс-спектрометр содержит источник 1 ионов, квадрупольный анализатор 2, выходную диафрагму 3 анализатора, входную диафрагму 4, диафраг- 25 мы 5-7 квадрупольного конденсатора, 6ходную щель 8, выходные щели 9 — 11 конденсатора, электроды 12 квадрупольного конденсатора, керамическую втулку 13, магнитный дефлектор 14, ВЭУ 15 для регистра- 30

Чии положительных ионов, ВЭУ 16 для регистрации отрицательных ионов, делитеи 17 и 18 напряжений на пластинах ВЭУ, сточники 19 и 20 питания ВЭУ, цилиндр 21 фарадея и источник 22 питания квадру- 35 г ольного конденсатора.

Величину зазора между магнитами делектора 14 в напрвлении, параллельном онно-оптической оси квадрупольного дефлектора, выбирают не менее R<, где R< — 40 радиус поля дефлектора 14.

Квадрупольный масс-спектрометр работает следующим образом. . Пучок разнополярных ионов из источника 1 (фиг.1) попадает в квадрупольный анализатор 2, где происходит сепарация ионов по массам, Отфильтрованный пучок ионов с заданной массой через выходную диафрагму 3 анализатора 2 попадает на входную диафрагму 4 и входную щель 8 квадрупольного конденсатора, Далее в области поля квадрупольного конденсатора происходит отклонение пучка ионов в зависимости от их знака на угол 390 от первоначального направления. При указанной на фиг.1 полярности электродов положительные ионы через выходные щель 9 и диафрагму 5 конденсатора попадают в вытягивающее поле ВЭУ 15, а отрицательные ионы через щель 11 и диафрагму 7 на

ВЭУ 16. Далее ионные токи, преобразованные с помощью ВЭУ в электронные, поступают на регистрирующую аппаратуру (не показана).

При больших величинах выходных токов однополярных ионов целесообразно в качестве коллектора использовать цилиндр 21

Фарадея. В этом случае регистрируемый пучок ионов проходит через квадрупольный конденсатор без отклонения, что достигается установкой равного потенциала О> на всех четырех электродах 12, и через щель 10 и диафрагму 6 попадает в цилиндр 21 Фарадея, Выбор режима работы и определение конструктивных параметров квадрупольного дефлектора широких пучков осуществляется из следующих соображений, На фиг.2 дана геометрия полезадающих электродов электростатического квадрупольного конденсатора, где изображены электроды 12.1 и 12.3, находящиеся под потенциалом + U, электроды 12.2 и 12.4, находящиеся под потенциалом - U, траектории 23 и 24 положительного и отрицательного иона соответственно, радиус R< поля, причем

R = 1,15 Ro — радиус электродов 12.1 — 12,4, координаты х, у, скорость vo иона, влетающего в квадрупольный конденсатор, и величина поперечного размера S щели.

Потенциал р в межэлектродной области (фиг.2) относительно точки рождения ионов определяется выражением

p(x,ó)=- — (х — у ) + О,>, (1)

Во где 0 — величина напря>кений, прикладываемых к противоположным электродам разной полярности (фиг.2);

Й> — радиус поля (окружности, вписанной между четырьма электродами (фиг.2); х, у — координаты точки плоского поля.

Уравнения траектории движения положительного иона в области поля, определяемого (1), имеют вид:

vx

x (т )=хосозИ+ — д- slllQl

Y(т)=-Y0ch йт+ gh Ят, .vy. (2) где xo, yo, vx и vy —: начальные значения координат и составляющих скорости иона;

2eU (3) где m и е — масса и заряд иона.

Для определения величины U потенциалов электродов квадрупольного конденсатора будем исходить из требования: ион с энергией еч >, влетая по прямой у=х (фиг.2), 1614050 (=Qi; а =2.15 Vg/2Ro; 4 =Y2ev,/m, 4 о

Y Ц = — Ro

U (5) Иэ системы (4) следует трансцендентное уравнение созфс пф+1 =О, (6) решение которого дает наименьшее значение параметра (при (= 1,875104.

Зная величину ф, из (4) и (5) получаем уравнение

2, slfl o

2,15 () Во = — Ro, (7) откуда находим, что

U = 0,803 ч о (8)

Для определения конструктивных параметров квадрупольного конденсатора используют анализ траекторий ионов, входящих в отклоняющую систему при различных условиях.

В случае широкого пучка ионов, влетающих параллельно оси у = х (фиг.2), когда положение отдельного иона характеризуется величиной Н, отсчитываемой от поверхности электрода (в единицах Ro), уравнения траекторий можно представить параметрически как: х V2

= — 2((1,15 — Н )cos ф + р sin (); - = — ((— 4,30Ю +1,15 — Н ) ch g+ 2

R 2

+ Р з" Ф1 (9) где p =y/Ro.

Изменяя параметр Н, можно определить уравнения граничных траекторий, проходящих вблизи выходных электродов (фиг.3).

На фиг.3 изображены граничные траектории положительных ионов, где показаны система координат х, у, электроды 12.1—

12.3, траектория 25 иона, влетающего в кондолжен вылетать иэ конденсатора по прямой у =-х.

В качестве электродов, апроксимирующих поле вида (1), и исходя из простоты их изготовления, выбираем четверть круглых стержней радиуса R = 1,15 Ro, как это показано на фиг.1 и фиг.2.

Выбирая в качестве начальных координат хо- уо= 1,15 Ro/2 (фиг.2) и скорости иона, направленной вдоль прямойу=х, конкретизируем систему (2) в форме: а=-а cosPy з!и(;

-а =а сайф+ p sag, (4) где введены обозначения:

55 лового разброса при вводе тонкого пучка ионов следует, что полный угловой разброс составляета = 25о, Такая величина угла а позволяет значительна увеличить пропускание квадрупольнога дефлектара ионов от квадрупаля к коллектору в сравнении с использованием, например, цилиндричеденсатор со скоростью. направленной вдоль прямой у = х, и смещенного на расстояние 0,17 Ro от этой прямой и вылетающего вблизи электрода 12.3, траектория 26 иона, 5 влетающего на расстоянии - 0,17 Ro ат прямой у = х и вылетающего вблизи электрода 12.2. Анализ траекторий ионов показывает, что в расходящемся пучке пройдут через конденсатор только те ионы, 10 которые имеют начальные положения относительно оси у = х на величину + 0,17 Ro.

Отсюда получаем оценку на максимальную величину-поперечного размера (фиг.3) входной диафрагмы

15 d =0,34 Ro . (10)

Для выбора конструктивного параметра Ro будем исходить иэ оптимальности согласования эммитанса квадрупольнога анализатора масс и аксептанса дефлектора.

20 Это имеет место в грубом приближении, когда поперечный размер выходного пучка ионов равен d (фиг.3).

За характерный размер выходного пучка ионов можно принять диаметр D выход25 ной апертуры квадрупольнаго анализатора (фиг.1). Практически используемый диаметр

D выходной диафрагмы для получения хоро- шега разрешения по массам и приемлемой чувствительности составляет D 0,6zo, где

30 го — радиус поля анализатора.

Целесообразно определить величину d входной апертуры конденсатора как d О, Отсюда получаем критерий выбора параметра Ro через исходный параметр го в со35 ответствии с(10) как;

Ro> 1,8 го ° (11)

Величина Ro сверху ограничена требованиями на габариты коллекторного узла.

Результаты траекторного анализа для

40 определения величины угла влета иона в квадрупольный конденсатор иллюстрируются на фиг. 4.

На фиг.4 показаны: система координат х, у, электроды 1, 2, 3 квадрупольного кон45 денсатора, траектория 27 ионов, влетающих под углом к прямой у = х (при d = О), траектория 28 ионов, влвтающих под углом -12,5о, траектория 29 ионов, влетающих под углом 12,5о.

50 Траектории 28 и 29 соответствуют граничным углам -12,5o и +12,5o, Из траекторного анализа движения уг1614050 ского дефлектора, имеющего те же габариты.

Так численное решение и траекторный анализ дают, что при сопоставимых размеplax квадрупольного и 90О-цилиндрического ефлекторов, аналогичные величины а и

/$ (фиг.З) для цилиндрического дефлектора составляют t2,6 и0,16 при 25 и 0,22 для квадрупольного дефлектора. Сопоставление этих величин указывает, что аксептанс широких пучков квадрупольного дефлектора выше, чем двухэлектродного и, следовательно, пропускание ионов к детектору также больша, Этим обосновывается новыфение чувствительности предлагаемого устройства.

Формула изобретения

Квадрупольный масс-спектрометр, содержащий последовательно расположенНые источник ионов, масс-анализатор, электростатический дефлектор, подключенный к биполярному источнику питания, и коллекторы ионов, отличающийся тем, что, с целью снижения габаритов и повышения чувствительности, дефлектор выполнен

5 в виде квадрупольного конденсатора, ось которого ориентирована перпендикулярно оси масс-анализатора, причем одна из боковых щелей квадрупольного конденсатора расположена напротив выходной щели ана10 лизатора, а напротив остальных щелей квадрупольного конденсатора установлены коллекторы, перед боковыми щелями снаружи дефлектора дополнительно размещены коллимирующие диафрагмы, при этом вели15 чину d поперечного размера входной диаграммы квадрупольного дефлектора вибирают из условия

d 0,34 йо, 20 где Rp — радиус поля квадрупольного дефлектора, M.

1614050

Puz. Ь

Составитель В.Кащеев

Техред М.Моргентал Корректор: О. Кравцова

Редактор А. Ревин

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3895 Тираж 400 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета llo изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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