Квадрупольный масс-спектрометр

 

Использование: изобретение относится к масс-спектрометрии и предназначено для масс-анализа ионов с высокой разрешающей способностью (Am 0,001 а.е.м.). Сущность изобретения: квадрупольный фильтр 2 снабжен дополнительным электродом 5, размещенным посередине между соседними электродами фильтра 2 на линии, соединяющей их центры. На электрод 5 с генератора 6 подается импульсное напряжение , в результате чего происходит периодическая модуляция потенциала оси фильтра, смещение ионов от оси, увеличение амплитуды их начальных колебаний, уменьшение времени сортировки и соответственно повышение разрешающей способности . 1 з.п.ф-лы, 4 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 (49/42

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4899602/21 (22) 03,01,91 (46) 23.03.93, Бюл. ¹ 11 (71) Научно-исследовательский технологический институт (72) Н.В.Коненков, Г.А.Могильченко, С.С.Силаков, М,В.Калашников, Н.Н.Коблев и

Г.И. Ш а ги муратов (56) Заявка Японии

N 53-22874, кл. Н 01 J 39/50, 1978, Патент Франции

¹ 2204042, кл. Н 01 J 39/00, 1974.

Патент Франции

N 2620568, кл. Н 01 J 49/22, 1989, (54) КВАДРУПОЛЬНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

„„Я2„„1803942 Al (57) Использование: изобретение относится к масс-спектрометрии и предназначено для масс-анализа ионов с высокой разрешающей способностью (h m < 0,001 а.е.м.).

Сущность изобретения; квадрупольный фильтр 2 снабжен дополнительным электродом 5, размещенным посередине между соседними электродами фильтра 2 на линии, соединяющей их центры. На электрод 5 с генератора 6 подается импульсное напряжение, в результате чего происходит периодическая модуляция потенциала оси фильтра, смещение ионов от оси, увеличение амплитуды их начальных колебаний, уменьшение времени сортировки и соответственно повышение разрешающей способности. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1803942

35

Изобретение относится к масс-спектрометрии и предназначено для разделения массовых пиков с разностью масс Лm 0,001 а,е.м.

Цель изобретения — повышение разрешающей способности.

На фиг.1 схематически изображен заявляемый масс-спектрометр, содержащий: 1— источник ионов, 2 — квадрупольный фильтр, 3 — дополнительный электрод, 4 — высокочастотный генератор, формирующий питающие напряжения вида + (U + V cos Nt); 5 —, импульсный генератор, 6 — коллектор (детектор) ионов, 7 — система регистрации, На фиг. 2 показана электродная структура предлагаемого КМС; 1 — траектория иона без периодического смещения, 2 — траектория иона с поперечным смещением, 3— основные электроды КФМ, на которые подают питающие напряжения вида - (U+

+ Vcos в t),4-дополнительный электрод выполненный в форме пластины и располагаемый вдоль прямойлинии у= х нулевого потенциала р = 0; ro — радиус окружности, вписанной между вершинами электродов 3;

R — расстояние от оси Z, на котором располагается дополнительный электрод 4; h— толщина эл::ктрода, 5 — экран.

На фиг. 3 приведена структура плотности распределения ионов в приосевой области КФМ для промежуточной области стабильности при относительной полосе пропускания цм/ Лq=200. Цифрами отмечены изолинии равной плотности, усредненные за период ВЧ-поля, На фиг, 4 показана форма импульсного напряжения, подаваемого на дополнительный электрод 4: т — длительность импульса напряжения величиной U<, v — частота следования импульсов.

Предлагаемое устройство основывается на следующих положениях.

Разделение ионов с близкими массами

m1 и яг (тг — m1 0,01 а,е.м.) происходит в узкой полосе Л q параметра q= 4е1//m е го (е/m — удельный заряд иона, V— г г амплитуда высокочастотного напряжения, в = 2 x f — круговая частота). В результате этого эффективная апертура КФМ мала и ионы совершают колебания в приосевой области, являющейся областью их наиболее вероятного нахождения (фиг. 3), Условие пропускания КФМ ионов массой m> соответствует колебаниям с конечной амплитудой, в результате чего они достигают детектора 6 (фиг. 1). Удаляемые ионы mz соответствуют условиям движения вне зоны стабильности параметров — а, q, в результате чего они совершают колебания с нарастающей амплитудой и попадают на стержни фильтра. Однако для их удаления требуется значительное время порядка 40 — 60 периодов ВЧ поля /5/, причем чем ближе их начальное положение к оси 2 фильтра, тем требуется большее время, В пределе ион с массой вг, движущийся вдоль оси Z, попадает на детектор, Это приводит к ограничению разрешающей способности конечностью длины электродов КФМ, Учитывая указанные обстоятельства, предлагается периодически смещать ионы с оси Z в радиальном направлении на величину Л г=(0,01 — 0,001)to путем создания напряженности поля в приосевой области с помощью дополнительного электрода 4.

Указанная величина смещения Лг соответствует условиям, когда анализируемые ионы массой в1 при их смещении не увеличат свою амплитуду свыше ro, т,е. попадут на коллектор 6 (фиг. 1). B то же время удаляемые ионы массой вг получают начальные смещения h.r с оси и для их попадания на электроды потребуется меньшее время, т.е. устраняется ограничение, вызываемое конечностью длины электродов фильтра.

Для оценки требуемой величины напряженности поля Е на оси Z и времени его действия исходим из следующих упрощающих предположений, Время т мало, начальные радиальные скорости иона равны нулю.

В результате получим

Е = (0,01 — 0,001) (!ба ) Р

Напряженность поля Е на оси Z равна нулю.

Для создания поля Е на оси Z предлагается использовать дополнительный электрод 4, который выполнен в форме пластины (предпочтительный вариант) и располагается в области нулевого потенциала, определяемого прямыми у= ч- х, как это показано на фиг. 2, чтобы наличие дополнительного электрода не влияло на основное поле, создаваемое электродами 3 КФМ (рис. 2). Электрод 4 не будет оказывать существенного влияния, если он расположен от оси 2 на расстоянии большем, чем ro. Однако если электрод 4 удален на значительные расстояния от оси Z, то это требует значительных амплитуд Uo импульсного напряжения, прикладываемого к дополнительному электроду 4, Поэтому предпочтительным расстоянием R от оси Z расположения электрода 4 является радиус вписанной окружности r<> между центрами кривизны основных электродов 3 КФМ, как

1803942

Е

Uo= — го

К (2) где K=0,1 — коэффициент, учитывающий гебметрический фактор.

Длительность импульса т выбирается 15

Из условия, чтобы при смещающем воздейфвии поля с напряженностью Е возможно ь)еньшее число ионов при входе в КФМ г1одвергалось его воздействию, а стабильНые ионы не испытывали существенного 20 смещения от оси, т.е. r Т, где Т= 1/f— период ВЧ-поля. Из теоретических возможйостей (Т 1 М КС) выбираем t = (0,1 — 1)Т с учетом того, что уменьшение т требует увеличения Е и, следовательно, Uo. Исполь- 25 зуя найденное время т и выражения (1) и (2), находим, что гг г.

Up (0,1 — 0,01) (3) 30

С учетом определения параметра а /1/, равного:

35 (4) 8e0

m4Q f rоp находим с помощью (3) и (4) связь между

14и U ввиде: 40

Uo Ж (0,1 — 0,01)0, (5) где U — величина постоянного напряжения, прикладываемого к электродам КФМ, 45

Периодичностьсмещения ионов с оси2, т,в. частота следования импульсов возмуающего поля, создаваемого дополнительн iM электродом 4 (фиг. 2), выбирается из у ловия, чтобы каждый ион, проходящий че- 50 р з анализатор, испытал хотя бы одно ими льсное отклонение, что соответствует и риоду Tp=1/ v, равному времени пролет ионами фильтра.

Время пролета То ионами КФМ опреде- 55 л ем из условия максимума пропускания, достигаемого при прохождении ионами краевого поля размером го за время nf Т.

" это показано на фиг. 2. Кроме того, толщина и электрода 4 должна быть очень малой, т.е.

h < rp/10.

Оценка требуемой величины напряжения

Up, прикладываемого к дополнительному 5 электроду 4, проведенная в предположении

Наличия заземленного экрана 5 и без учета влияния электродов 3 дает:

Оптимум nf (0,8 — 2)Т /5/, откуда находим, Lnf Т что То=, где L — длина электродов, ro

Как следует из формулы (1), уменьшение

Е или 00 приводит к уменьшению смещения

Л r, поэтому возможно с уменьшением величины Е увеличить количество импульсов (т,е. м — частоту их следования) с достижением положительного эффекта, т,е, = (1—

-10) 1/То (6) v =(1-10) Предлагаемое устройство работает следующим образом. На электроды 3 КФМ подают питающие напряжения вида + (U+

+ N cos ы t), Из источника 1 осуществляется непрерывный ввод ионов в КФМ. На дополнительный электрод 4, выполненный в форме тонкой пластины, плоскость которой расположена в плоскости, проходящей через ось 2 и одну из прямых у= + х, подают периодическое импульсное напряжение с длительностью т = (0,1 — 1)Т, час-:отой (1 — 10) и амплитудой (0,01 — 0,1)U. Из укаLT

ro занных пределов изменения параметров т, м Uo подбирают оптимальные величины экопериментально путем изменения 4 или v таким образом, чтобы достичь максимальной чувствительности и обеспечения абсолютной разрешающей способности

h m 0,001 а.е.м. Достижение Л m

0,001 а.е.м. предпочтительно в режиме сепарации промежуточной области /6/.

В результате периодической дестабилизации ионов с оси фильтра удаляемые ионы покидают область сепарации за меньшее время и тем самым устраняется ограничение, вызванное конечностью длины анализатора.

Ионы выделенной массы m< также подвергаются кратковременному воздействию поля, создаваемого дополнительным электродом, но увеличивают свою амплитуду на величину, меньшую и попадают на коллектор 6, а далее сигнал поступает на систему регистрации 7.

Использование предлагаемого КМС позволит разделить интерферирующие массы ионов при изотопном анализе водорода в установках типа "ТОКОМАК", в масс-спектрометрии вторичных ионов при анализе поверхности полупроводниковых материалов, газовом анализе.

Формула изобретения

1. Квадрупольный масс-спектрометр, содержащий источник ионов, квадруполь1803942 ный фильтр масс, электроды которого подключены к высокочастотному генератору с устройством формирования постоянных напряжений, коллектор ионов и устройство регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, он снабжен генератором импульсов и дополнительным электродом, размещенным посередине между соседними электродами квадрупольного фильтра масс на расстоянии В (м) от его оси, удовлетворяющем условию; го Вд< Зго где го — радиус окружности, м, вписанной между электродами квадрупольного фильтра и генератором импульсов, выход которого подключен к дополнительному электроду с выходной амплитудой U<>, длительностью импульсов t и частотой следования импульсов v, удовлетворяющими следующим условиям;

u.=-=(о,о1 — о,1)u;

T = (0,1 — 1)Т;

= (1 — 10) го 1 а Т

10 где U — величина постоянного напряжения на электродах квадрупольного фильтра,В;

a — длина электродов квадрупольного фильтра, м;

15 - Т вЂ” период высокочастотного напряжения, с.

2. Квадрупольный масс-спектрометр по п,1,отличающийся тем,что дополнительный электрод выполнен в виде

20 плоской пластины с поперечным размером

h 01г,м.

1803942

Редактор

Заказ 1059 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Ql о

Составитель Н,Коненков

Техред М.Моргентал Корректор M.Ïåòðoâà