Ионно-циклотронный резонансный масс-спектрометр

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 Н 01 J 49/38

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЮЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1307492 (21) 4728401/21 (22) 10,08 ° 89 (46) 15.10,91, Вюл, Р 38 (71) Институт энергетических проблем химической физики АН СССР (72) Е,Н,Николаев, А.В.Мордехай, М,В,Горшков и В.Л,Тальро.-.е (53) 621,384(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1307493, кл, Н 01 1 49/38, 1985, (54) ИОННО-ЦИКЛОТР0ННЪ|Р РЕВОНАНСНЪ!11

МАСС-СПРКТРОМЕ РР

Изобретение отн сится к научному приборостроению, к технике масс-спектрометрии и преимушестHpHHQ может быть испольэс,нано в технике исследования механизмов и кинетики ионно-молекулярных реакций, прецеэионного измерения масс ионов, анализа и идентификации веществ и их смесей, Целью изобретения является увеличение чувствительности и разрешающей способности и улучшение воспроизводимости результатов, а также упрощение интерпретации масс-спектров, На фиг, 1 показан общий вид предлагаемого устройства, на фиг, 2 — поперечное сечение измерительной ячейки спектрометра (в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля В), а также схема соединения боковых электродов (для случая и = 24).

2 (57) Изобретение относится к научн му приборостроению, Бель изобрете— ния — увеличение чувствительности и разрешающей способности и улучшение воспроизводимости результатов. П ставленная цель достигается выполне— нием боковых электродов детектирования и возбуждения, равномерно распределенных по цилиндрической поверхности измерительной ячейки с расстоянием между электродами меньшим их поперечных раэмерон, причем электрс— ды возбуждения — электрически Лиамет— рально симметричные группы. 2 ил .

Измерительная ячейка с нектрометра содержит торцовые пластины 1,2 .держания ионов, бокогые электр, дь1 3 возбуждения и детектирования, источ- Я ник 4 ионов; входные клеммы 5,6 це- Я) пи возбуждения, выходные клеммы Рь

7,8 цепи детектирования, 00

Устройство работает следующим обI разом, Источник ионов 4 создает жгут ионов, расположенный в центре измери1ельной ячейки, На пластины 1, ? удержания ионов подают постоянный потенциал, обеспечивающий удержание ф» ионов в ячейке ° Входные клеммы 5,6 цепи возбуждения подключают к генератору переменного напряжения с частотой, равной циклотронн гй 1з тоте Сдс исследуемых ионов, В ре.эу ll, нre действия переменного ради чн т - н,го напряжения в ячейке снекr1 ..стра образуется вращающийся жгут ионов, который создает назеденный заряд в детектирующей цепи. Наведенный заряд при движении жгута ионов перераспре5 деляется по системе боковых электродов, что приводит к наличию выходного переменного тока с частотой в п/4 раз больше, чем циклотронная частота ионов. Выходной ток снимается с клемм 10

7,8 детектирующей цепи и попадает в электронную систему обработки данных, Такое расположение детектирующих и возбуждающих электродов, а также их электрическое соединение позволяет улучшить воспроизводимость результатон и упростить интерпретацию массспектров, так как это устраняет асимметрические гармонические составляющие в сигнале ИЦР, Наличие в устройстве цепи возбуждения, состоящей из п/2 боковых электродов, позволяет создать электрическое поле, которое осуществляет равно- 25 мерное раскручивание ионов во всем объеме измерительной ячейки, При таком возбуждении возможно получить вращающийся недеформированный жгут ионов для радиусов вращения сравнимых с радиусом ячейки, что повышает разрешающую способность прибора. При этом возникает необходимость удержания вращающегося жгута ионов на периферии ячейки. Такое удержание возможно только при отсутствии заметного

35 провисания электрических полей, создаваемых боковыми электродами и торцовыми пластинами удержания, на траектории движения ионов

Ь (R-r max ñ о, где Д вЂ” расстояние между электродами;

r — радиус вращения жгута ионов °

Увеличение радиуса циклотронного движения вызывает резкое увеличение сигнала ИЦР, а следовательно, и чувствительности тогда когда расстоя>

50 ние до детектирующих электродов меньше их поперечных размеров R-r c o где t поперечный размер электродов.

Повышение чувствительности прибора требует раскручивания ионов до периферийных областей ячейки спектро55 метра и огределяет требование на ее конструкцию

Пример, Рассмотрим предлагаемое устройство с восемью бокоными электродами (n = 8). С целью выяснения и оптимизации основных метрологических характеристик устройства (разрешающей способности, чувствительности) проводилось моделирование электрических полей на ЭВМ, Для возбуждения циклотронного движения ионов х клеммам возбуждающей цепи подводится переменное радиочастотное напряжение> в результате которого в ячейке возникает электрическое поле, величина которого определяется граничными условиями на электродах ячейки и уравнением Ла..ласса, Эффективность поля возбуждения

ar ределяется величиной энергии, приобретаемой ионами за период о6раше ия

M(r) - J (grad g с11.), с> где интегрирование производится по окружаности С, Численное моделирование показывает, что величина приобретаемой ионом энергии эа период в пределах 107 не зависит от радиуса вращения ионов г (при изменении r от 0 до 957 от радиуса ячейки R) и следовательно, в предлагаемом устройстве возможно раскручивать ионы до орбит с радиусом вращения, близким к радиусу ячейки, движение ионов на периферии ячейки также моделировалось численно на

ЭВМ с целью улучшения удерживающих свойств измерительной ячейки, а следовательно, и увеличения разрешающей способности устройства> при этом варьировались размеры боковых электродов, Показано, что увеличение разрешающей способности принодит к условию на расстояние между электродами

< га

) где r ax — максимальный радиус удержания ионов.

Таким образом предлагаемое устройство позволяет осуществлять возбуждение циклотронного движения до радиусов, близких к радиусу ячейки, и эффективно удерживать нращающийся жгут ионов, Рассмотрим теперь процесс регистрации сигнала ИЦР, При движении жгута ионов происходит перераспределение зарядов на детектирующих электродах, которое вызывает ток в цепи, поступающий с клемм в электрон1б848 ную систему управления экспериментом и обработки данных, Детектируемый ток определяется из условия равенства потенциалов на боковых электродах спектрометра и колеблется с частотой

5 в два раза больше циклотронной

40(4 г

Z(t) = - --(-) sin(2(Q t +Q), r cc R (( где Ц вЂ” суммарный заряд ионов н жгуте, 10

Для амплитуды регистрируемого сигнала справедлива следующая оценка: рон, а также пользоваться уже имеющи15 мися, Ионно-циклотронный резонансный

20 масс-спектрометр по авт,св, 11 1307492, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и разрешающей способности и улучшения воспроизводимости результатон, 25 электроды возбуждения расположены между детектирующими электродами и соединены в две диаметрально симметричные группы, количество электродон возбуждения равно количеству электро 0 дов детектирования, при этом в цепи детектирования между двумя детектирующими электродами из одной группы расположены два возбуждающих и один детектирующий электрод из другой группы, а в цепи возбуждения мЕжду двумя возбуждающими электродами из одной группы расположен один детектирующий электрод, причем расстояние между электродами удовлетворяет ус40 ловию 5 (R-r ъ,ду (о, где R — радиус ячейки (м); г - максимальный радиус циклотронного движения ионов (м); g — поперечный размер детектирующих и возбуждающих элект45 родов (м), гп,а„,- б

4((дс r(R)2

I 1 шаХ в 1-(г/Р)4 из которой видно, что амплитуда ре— гистрируемого сигнала (а, следовательно, и чувствительность устройства) резко возрастает при увеличении радиуса вращения ионов: r - R ° Максимально допустимый радиус удержания ионов определяемого условия

Улучшение воспроизводимости результатов достигается за счет того, что при регистрации сигнала ИЦР распределение зарядов на детектирующих и возбуждающих электродах удовлетворяют группе преобразовании симметрии

Cuh (т.е. симметрично относительно о поворотов на 90 ) . За один оборот жгута ионов вокруг оси происходит четыре раза перераспределение зарядов между детектирующими и возбуждающими электродами, что соответствует удвоению регистрируемой частоты в предлагаемом устройстве, при этом не возникает гармонических составляющих в сигнал ИЦР, связанных с асим» метрией детектирующих и возбуждающих электродов и зависящих от конкретной конструкции ячейки.

Повышение чунстнительности и разрешающей способности, достигнутое в предлагаемом устройстве, позволит

31 1 расширить область применения массспектрометрии ионн< -циклотронногрезонанса, изучать малоисслелованные ионно-молеку: ярные реакции с участием промежуточных возбужденных частиц, провести прецезионные и мсрения энергии покоя стабильных и нестабильных ядер. Улучшение воспроизводимости результатов упрощает процедуру интерпретации масс-спектров, так как позволяет создавать стандартные библиотеки-каталоги масс-спектФормула и з о б р е т е н и я

1684831

Щиг1

Составитель Н.Катинова

Редактор Н,Каменская Техред А.Кравчук Корректор М,Самборская

Заказг3510 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Проиэводственио-иэдательский комбинат "Патент", r. Укгород, ул. Гагарина, 101