Способ формирования двумерного линейного поля и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области масс-спектрометрических приборов, основанных на движении заряженных частиц в двумерных линейных электрических полях, и может быть использовано для улучшения аналитических и потребительских характеристик таких приборов. Способ формирования двумерных линейных электрических полей основан на использовании системы, состоящей из плоских непрерывных и дискретных электродов с заданными на них потенциалами. Внешние непрерывные электроды с потенциалами -φ и φ создают в рабочей области анализатора электрическое поле, а внутренние заземленные дискретные электроды формируют за счет экранирующего действия требуемое распределение потенциала по осям Х и Y. Для этого дискретные электроды выполняют из набора тонких металлических пластин, ширина которых по осям Х и Y изменяется таким образом, чтобы получить требуемое распределение потенциала в рабочей области. Число элементов дискретных электродов определяется исходя из размеров x₀ и у₀ рабочей области по осям Х и Y и требуемой точности распределения потенциала в ней. Предлагаемый способ позволяет формировать двумерное линейное поле в рабочих областях прямоугольной формы при различных соотношениях размеров x₀ и у₀ в однополярном и двухполярном пространствах анализаторов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области масс-спектрометрических приборов, основанных на движении заряженных частиц в электрических полях с квадратичным распределением потенциала по двум координатам, и может быть использовано для улучшения аналитических и потребительских характеристик таких приборов. Двумерные квадрупольные масс-анализаторы типа монополя и фильтра масс сложны в изготовлении и сборке, имеют краевые искажения поля [1, 2]. Анализаторы с плоскими электродами с дискретным линейным распределением потенциала могут быть использованы для формирования линейных ВЧ полей без постоянной составляющей [3]. Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в усовершенствовании конструкции, технологии изготовления и сборки электродных систем масс-анализаторов с двумерными линейными электрическими полями, минимизации краевых искажений поля и создании анализаторов с различными геометрическими параметрами рабочей области и увеличенным ее объемом.

Задача создания двумерного линейного поля в рабочей области в форме параллелепипеда с заданными параметрами 2х₀, у₀, L для радиочастотного времяпролетного масс-спектрометра может быть решена как и в [3] с помощью системы из двух плоских дискретных электродов и одного заземленного сплошного электрода. В случае дискретных электродов потенциал в каждой точке рабочей области двумерного анализатора определяется как суперпозиция потенциалов φ_i, создаваемых каждым дискретным элементом системы. Учитывая симметрию электродной системы относительно плоскости х=0 и используя принцип зеркального отображения (Фиг.1), выражение для распределения потенциала в рабочей области анализатора с дискретными электродами можно представить в виде

где φ_i(х, у) - потенциал, создаваемый в точке с координатами (х, у) системой из четырех параллельных оси Z тонких проводников с координатами x=±x₀, y=±Δy·i.

Линейное распределение потенциала по координатам x и у вида

в системе с плоскими дискретными электродами можно получить различными способами. Предлагаемый способ заключается в изменении зарядов q_i на дискретных элементах системы при постоянстве их потенциала φ_i. Достигается это изменением емкости С_i дискретных элементов электродной системы. Действительно известно, что

Требуемое распределение потенциала (2) в рабочей области анализатора соответствует линейному в зависимости от координаты у_i изменению емкости С_i=ΔС·i, которое достигается изменением геометрических параметров дискретных элементов электродной системы.

Этот принцип реализуется в электродной системе, состоящей из двух 1, 2 дискретных с шагом Δу в плоскостях х=-х₀ и х=х₀, и одного 3 непрерывного в плоскости у=0 заземленных электродов, и двух 4, 5 непрерывных в плоскостях x=-х₀-d и x=x₀+d, где d<<x₀, электродов с противоположными потенциалами -φ и φ (Фиг.2). Переменная ширина дискретных элементов s_i по оси Y выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить линейную зависимость емкости элемента от его номера С_i=ΔC·i. Электроды 4, 5 с противоположными потенциалами -φ и φ создают электрическое поле в рабочей области анализатора, которое частично ослабляется за счет экранирующего действия заземленных дискретных электродов 1, 2. При малых i ширина s_i дискретных элементов электродов 1 и 2 близка к Δу и поле ослабляется значительно. С увеличением координаты у_i ширина s_i уменьшается, экранирующее действие электродов 1 и 2 ослабляется, что обеспечивает возрастание потенциала в рабочей области анализатора в соответствии с (2).

Влиянием дискретной структуры электродов на распределение потенциала в рабочей области можно пренебречь в точках, отстоящих от электродов 1, 2 на расстоянии, превышающем шаг дискретности электродной системы Δу. Если принять, что область точного поля по оси X должна составлять величину 1,5х₀, тогда число дискретных элементов каждого электрода должно быть n>4у₀/х₀. По конструктивно-технологическим соображениям пространство между непрерывными 2, 5 и дискретными 1, 2 электродами может заполняться диэлектриком.

Электродная система на Фиг.2 эффективна для анализаторов с у₀>>х₀, когда краевые искажения из-за ограниченного размера у₀ незначительно сокращают рабочую область анализатора. Для анализаторов с соизмеримыми параметрами у₀ и х₀ необходимо иметь замкнутую по всему периметру электродную систему. Для этого случая предлагается электродная система, состоящая из дискретного заземленного электрода 1 прямоугольного в плоскости XOY сечения с размерами 2у₀ и 2х₀ по осям X и Y и двух пар с противоположными потенциалами -φ и φ уголковых электродов 2, 4 и 3, 5 с размерами у₀ и х₀ по осям X и Y, установленных по внешнему периметру дискретного электрода на расстоянии d от него (Фиг.3). При х₀=у₀ электродная система в плоскости XOY имеет квадратное сечение и соответствует анализатору типа фильтр масс. В этом случае шаг дискретности и ширина элементов дискретного электрода по осям X и Y совпадают Δх=Δy, s_i=s_j, i=j, а ширина дискретных элементов в зависимости от номера элемента определяется по формуле

Предлагаемый способ формирования двумерных линейных электрических полей и устройство для его осуществления обладают простотой и универсальностью, позволяют создавать эффективные и технологичные конструкции электродных систем и на их основе масс-спектрометрические приборы для микроанализа состава вещества с высокими аналитическими и потребительскими свойствами.

Фиг.1. Схема формирования двумерного линейного поля с помощью плоских дискретных электродов с дискретно-линейным распределением, распределение потенциала на них по оси Y.

Фиг.2. Схема электродной системы для формирования двумерного линейного поля в монополярной области у≥0 из пары плоских непрерывных с потенциалами -φ, φ электродов 4, 5 и пары плоских дискретных заземленных электродов 1, 2 и плоского непрерывного заземленного электрода 3.

Фиг.3. Схема замкнутой электродной системы для формирования двумерного линейного электрического поля из дискретного заземленного прямоугольного сечения электрода 1 и двух пар уголковых электродов 2, 4 с потенциалом -φ и 3, 5 с потенциалом φ.

Литература

1. Dawson Р.Н. Quadrupole Mass Spectrometry and Application. Elsevier, Amsterdam, 1976.

2. March R.E., Hygehes R.J. Quadrupole Storage Mass New York. John Wiley, 1989.

3. Мамонтов E.B., Филиппов И.В. Способ масс-селективного анализа ионов по времени пролета и устройство для его осуществления // Решение о выдаче патента на изобретение по заявке №2006115270/28(016599).

1. Способ формирования двумерного линейного по осям Х и Y электрического поля, заключающийся в создании по границам рабочей области поля параллельных оси Z проводящих поверхностей длинной L с заданными на них потенциалами, отличающийся тем, что в качестве проводящих используют дискретные по осям Х и Y с шагом Δx и Δу, состоящие из плоских с переменной шириной s_i и s_j по осям Х и Y заземленных элементов, поверхности прямоугольного в плоскости XOY сечения с размерами 2х₀ и 2у₀ по осям Х и Y и расположенные по их внешнему периметру на расстоянии d<x₀, у₀ от них двух пар уголковых поверхностей с противоположными потенциалами -φ и φ, а пространство между поверхностями прямоугольного сечения и уголковыми поверхностями заполняют или не заполняют диэлектриком.

2. Устройство для формирования двумерного линейного электрического поля, содержащее параллельные оси Z длиной L электроды с приложенными к ним потенциалами, отличающееся тем, что используют прямоугольного с размерами 2х₀,
2у₀ в плоскости XOY сечения, дискретные с шагом Δx и Δу по осям Х и Y, состоящие из заземленых металлических пластин шириной s_i=f_i(x_i) и s_j=f₂(y_i), где f_i(x_i) f₂ (y_j) - функции дискретных координат x_i=Δx·j и y_i=Δy·j, i и j-номера пластин по осям Х и Y, электроды и расположенные по их внешнему периметру на расстоянии d<<Δx, Δy от них две пары с противоположными потенциалами -φ и φ и с размерами x₀ и у₀ по осям Х и Y уголковых электродов, причем пространство между дискретными и уголковыми электродами заполняют или не заполняют диэлектриком.